CN101752939B - 一种电机及其使用的电刷和电刷盒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机及其电刷、电刷盒，电刷包括与前端面、后端面、左侧面、右侧面、顶面和底面，其中，后端面用于接触电机转子的换向器，前端面包括一受力面用于接触弹性件，该受力面与电刷的左右方向成一夹角，以使得弹性件对受力面施加的弹力可分解成指向后端面的分力和指向右侧面的分力；右侧面至少包括第一接触面和第二接触面，第一接触面靠近顶面且与顶面的夹角大于90度，第二接触面靠近底面且与底面的夹角大于90度。电刷盒的腔体包括上底、下底、左侧壁和右侧壁，右侧壁至少包括第一壁面和第二接壁面，第一壁面抵电刷右侧面的第一接触面，第二壁面抵电刷右侧面的第二接触面。本发明的电机运行时电刷能稳定在电刷盒内，震动小，机械噪音小。

Description

一种电机及其使用的电刷和电刷盒

【技术领域】

本发明涉及一种电机，尤其涉及电机所用的电刷和电刷盒。 

【背景技术】

现有的电机常用的电刷盒如图16所示，该电刷盒里面具有方向的腔体用于安装方形的电刷。电机运行时，换向器随着转子转动，换向器的换向器片不停地与电刷产生滑动接触，从而实现电机电路的连通和电流的换向。这种滑动接触的过程中，换向器与电刷之间会产生摩擦力，这种摩擦力会使电刷发生震动，从而产生机械噪音以及火花。此外，相邻的两个换向器片之间的部分滑过电刷的端部时，会导致换向器与电刷之间的摩擦力发生突变，这种突变也会引起电刷发生震动从而形成机械噪音和火花。电机中的换向器与电刷是电机产生机械噪音、火花的主要源头之一。 

亟需一种能减少电刷震动从而降低机械噪音、减少火花的电机。 

【发明内容】

针对上述现有的电刷容易震动而产生机械噪音和火花的缺陷，本发明提供一种能减少震动的电刷、安装这种电刷的电刷盒以及应用这种电刷和电刷盒的电机。 

本发明提供的电刷包括前端面、后端面、第一侧面、右侧面、顶面和底面，所述右侧面至少包括第一接触面和第二接触面，第一接触面靠近所述顶面且与所述顶面的夹角大于90度，第二接触面靠近所述底面且与所述底面的夹角大于90度；所述前端面包括一受力，所述受力面与所述电刷的左右方向成一定夹角，以使得所述受力面受到的作用力可分解成指向所述后端面的分力和指向所述右侧面的分力。 

本发明提供的电刷盒包括腔体用于安装电刷，所述腔体包括上底、下底、左侧壁和右侧壁，所述右侧壁至少包括第一壁面和第二壁面，所述第一壁面靠近所述上底且与所述上底的夹角大于90度，所述第二壁面靠近所述下底且与所述下底的夹角大于90度。在使用时，电刷盒第一壁面与电刷右侧面的第一接触面接触，电刷盒第二壁面与电刷右侧面的第二接触面接触。 

本发明提供的电机包括定子和安装在定子内的转子，所述转子包括转轴和同心地固定到转轴的换向器，所述定子包括端盖，所述端盖安装有电刷盒、电刷和弹性件，所述电刷盒包括腔体用于安装所述电刷，所述弹性件用于给所述电刷施加弹力，其中：电刷盒的腔体包括上底、下底、左侧壁和右侧壁，所述右侧壁至少包括第一壁面和第二接壁面，所述第一壁面靠近上底且与上底的夹角大于90度，所述第二壁面靠近下底且与下底的夹角大于90度；所述电刷包括与前端面、后端面、左侧面、右侧面、顶面和底面，所述后端面与所述换向器接触受到指向右侧面的摩擦力，所述前端面包括一受力面与所述弹性件接触，所述受力面与所述电刷的左右方向成一夹角，以使得所述弹性件对所述受力面施加的弹力可分解成指向所述后端面的分力和指向所述右侧面的分力，使得电刷的第一接触面、第二接触面分别挤压电刷盒的腔体的第一接壁面、第二壁面。 

本发明所举实施例具有的有益效果是：弹性件对电刷前端面的弹力可分解成指向电刷后端面的分力和指向右侧面的分力，其中，指向换向器的分力与换向器对电刷的压力抵消，从而使电刷前后方向上的受力平衡。而指向右侧面的分力与换向器对电刷的滑动摩擦力同向，一起将电刷保持在电刷盒的右侧，且这两个力与电刷盒右侧壁对电刷施加的支撑力对消，从而实现了电刷在左右侧方向上的手里平衡；此外，由于电刷右侧面的两个接触面分别与顶面和底面相交，且夹角均大于90度，使得电刷盒右侧壁对该两个接触面的支撑力分别存在向上和向下的分力，从而实现了电刷上下方向的手里平衡。因此，在电机运行时，电刷震动很小，从而降低了噪音，减少了火花。 

【附图说明】

图1是本发明第一实施例中的电机端盖的示意图； 

图2是本发明第一实施例中的电刷的立体示意图； 

图3和图4分别是本发明第一实施例中的电刷的前端面示意图和俯视图； 

图5是本发明第一实施例的电刷盒的示意图； 

图6是本发明第一实施例的电刷右侧面的受力示意图； 

图7是本发明的第一实施例的电刷在前后方向的受力示意图； 

图8和图9是本发明的第一实施例的电刷在左右方向、上下方向的受力示意图； 

图10是本发明第二实施例的电刷的示意图； 

图11和图12分别是图10所示的电刷的前端示意图、俯视图； 

图13是本发明第三实施例的电刷的示意图； 

图14是本发明第二实施例的电刷安装到电刷盒后的截面示意图； 

图15是安装好导线的电刷的示意图； 

图16是现有的电刷盒的示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

在本发明中，为了便于描述，将电刷的与换向器接触的端面称为“后端面”，相应地，远离换向器的端面称为“前端面”。 

图1是本发明第一实施例中的电机端盖的示意图。在该实施例中，电机包括定子和安装在定子内的转子，转子包括转轴100、固定到转轴上的换向器101和转子铁芯。参考图1，定子的端盖上安装有电刷盒102、电刷103和弹性件104，其中，电刷103安装在电刷盒102的腔体内，在本实施例中弹性件104是弹簧安装在所述腔体内给所述电刷施加弹力。 

图2是本发明第一实施例中的电刷的立体示意图，图3和图4分别是该电刷的前端视图和俯视图。参考图2至图4，在本实施例中，电刷的前端面1与所述电刷的左右方向成一定夹角，也即：电刷的前端面1不垂直于电刷的前后方向，也不垂直于电刷的左侧面2或者右侧面3，相反，前端面1与左侧面2的夹角是大于90度的(参见图4)。在使用时，该前端面1作为受力面与弹性件104(例如弹簧)接触，受到弹性件的弹力，并且，弹性件104对前端面1施加的弹力可分解成指向后端面6的分力和指向右侧面3的分力(参考图7所示的分力Sy和Sx)。 

参考图3，电刷的右侧面3包括若干个面，在本实施例中，右侧面3包括靠近顶面4的第一接触面31、靠近底面5的第二接触面32以及位于第一接触面31和第二接触面32之间的过渡面33。在本实施例中，第一接触面31与顶面4相交且夹角大于90度，第二接触面32与底面5相交且夹角大于90度。过渡面33位于第一接触面31和第二接触面32之间，分别与第一接触面31和第二接触面32相交。也就是说，在本实施中，电刷的周向表面包括6个面：左侧面2、顶面4、右侧面的第一接触面31、第二接触面32、第三接触面33以及底面5。 

图5是本发明的一个实施例中的电刷盒的示意图。参考图5，该电刷盒包括包括一个腔体用于容纳图2所示的电刷。该腔体的形状与电刷的形状匹配，包括上底71、下底72、左侧壁73和右侧壁，右侧壁包括第一壁面74、第二接壁面75和一个辅助面76，其中，第一壁面74与上底71相交且夹角大于90度，第二壁面75与下底72相交且夹角大于90度，过渡面76位于第一接触面74和第二接触面75之间，分别与第一接触面75和第二接触面76相交。使用时，将图2所示的电刷安装到图5所示的电刷盒中，使电刷的左侧面2迎着换向器的转动方向，右侧面3朝着换向器的转动方向，这样，电刷的后端面6受到换向器施加的指向电刷右侧面3的摩擦力，电刷的前端面1受到弹性件施加的弹力，如上所述，该弹力可分解成指向电刷后端面6的分力和指向电刷右侧面3的分力。因此，在换向器和弹性件的作用下，电刷的第一接触面31、第二接触面32将分别贴靠电刷盒腔体的第一壁面74、第二壁面75。电刷的过渡面33不需要贴靠电刷盒腔体的辅助面76。 当然，电刷的过渡面33可以接触电刷盒腔体的辅助面76，但不需要两者之间互相挤压。 

下面将结合图6至图9分析图2所示的电刷的受力平衡、力矩平衡情况。 

图7是电刷在前后方向的受力示意图。为了便于分析，将电刷放在一个三维坐标系中，其中，电刷的左右方向(宽度方向)为x方向，电刷的前后方向(长度方向)为y方向，电刷的上下方向(高度方向)为z方向。设电刷的宽度为W，右侧壁处的长度为L2，与弹性件接触处的长度为L1(显然L2＞L1)，高度为H。 

参考图7，弹性件104对电刷前端面1的弹力S可以分解成分力Sx和Sy，其中，分力Sx指向电刷的右侧面3，而分力Sy指向电刷的后端面6。分力Sy促使电刷挤压换向器，而换向器反过来对电刷的后端面产生压力N，因此，得到 

N＝Sy  (等式1) 

根据上述等式1可知，电刷在y方向是受力平衡的。 

此外，因为换向器102是逆时针转动(也就是从电刷的左侧面2转向右侧面3)，因此，换向器还对电刷的后端面6产生一个指向右侧面3的滑动摩擦力Tx。令电刷后端面6与换向器之间的摩擦系数是μ，则 

Tx＝μ·N＝μ·Sy  (等式2) 

电刷在弹性件分力Sx和摩擦力Tx的共同作用下，将挤压电刷盒的右侧壁。而电刷盒的右侧壁将对电刷的右侧面产生反作用力，如图6、图9和图10所示。 

参考图6、图9和图10，为了方便分析，将电刷盒右侧壁对电刷右侧面的作用力分解到A、B、C、D四个点，点A和点B分别位于电刷第一接触面31的前后两端，点C和点D分别位于电刷第二接触面32的前后两端。电刷盒右侧壁对点A的反作用力可分解成N_AX和N_AZ，类似地，点B受到的反作用力分解成N_BX和N_BZ，点C受到的反作用力分解成N_CX和N_CZ，点D受到的反作用力分解成N_DX和N_CZ。因为N_AX、N_BX、N_CX和N_DX是x方向上电刷盒对电刷的反作用力，因此 

N_AX+N_BX+N_CX+N_DX＝T_X+S_X    (等式3) 

由上述等式3可知，电刷在x方向是受力平衡的。 

类似地，因为电刷的第一接触面31、第二接触面32分别贴靠电刷盒的左侧壁74和右侧壁75，所以电刷在z方向静止，电刷在z方向也是受力平衡的。 

此外，如果N_AX、N_BX、N_CX和N_DX均大于零，就能说明电刷右侧面的点A、点B、点C、点D都是紧紧地压到电刷盒的右侧壁的，从而证明电刷稳定在电刷盒里，几乎没有震动。下面将通过推理证明N_AX、N_BX、N_CX和N_DX均大于零。 

首先分析一种较为理想的情况，具体地，也就是电机运行时转子沿轴向振动很小的情况，这种情况可以忽略电机转子沿轴向的振动。 

如上所述，因为换向器和弹性件总是会促使电刷停靠在电刷盒的右侧，也就是说，电刷没有发生转动，所以电刷的力矩是平衡的。以BD线为转轴，得到如下的力矩平衡方程式： 

$N_{\mathrm{AX}}^1*L_2+N_{\mathrm{CX}}^1*L_2=S_X*L_1$ (等式4) 

根据电刷的对称性可知 $N_{\mathrm{AX}}^1=N_{\mathrm{CX}}^1,$ 所以， $N_{\mathrm{AX}}^1=N_{\mathrm{CX}}^1=\frac{S_X*L_1}{2L_1}>0$ 理，以AB线为转轴，得到如下的力矩平衡方程式： 

$N_{\mathrm{DX}}^1*H+N_{\mathrm{CX}}^1*H=S_X*\frac{H}{2}+T_X*\frac{H}{2}$ (等式6) 

因为 $N_{\mathrm{CX}}^1=\frac{S_X*L_1}{2L_2},$ 所以， $N_{\mathrm{CX}}^1=\frac{S_X*(L_2-L_1)}{2L_2}+\frac{T_X}{2}>0$ 同理，以CD为轴，得到如下的力矩平衡方程式： 

$N_{\mathrm{BX}}^1*H+N_{\mathrm{AX}}^1*H=S_X*H/2+T_X*H/2$ (等式7) 

因为 $N_{\mathrm{AX}}^1=\frac{S_X*L_1}{2L_2},$ 所以， $N_{\mathrm{BX}}^1=\frac{S_X*(L_2-L_1)}{2L_2}+\frac{T_X}{2}>0$

如上所述，因为N_AX、N_BX、N_CX和N_DX均大于零，这说明电刷右侧面的点A、点B、点C、点D都是紧紧地压到电刷盒的右侧壁的，换言之，电刷稳定在电刷盒的右侧壁。 

接着，分析一种较为复杂的情况，也就是电机转子存在轴向震动的情况。这种情况下，换向器还会对电刷的后端面6产生一个轴向的摩擦力Tz(参考图10)，根据摩擦力计算公式，得到Tx＝Tz＝μ·N＝μ·Sy。因为上文已经讨论了存在Sx和Tx为了简化推理过程，为了简化论证过程，下面显分析只存在摩擦力Tz而不存在Sx和Tx的情况。在仅考虑在摩擦力Tz的受力情况下，由于摩擦力Tz作用在电刷的后端面6(参见图10)，对电刷的前端面1(参见图9)几乎不产生作用力。因此，关于线AB、CD的力矩平衡式分别是： 

$N_{\mathrm{DX}}^2*H+T_Z*\frac{W}{2}=0$ (等式8) 

$N_{\mathrm{BX}}^2*H=T_Z*W/2$ (等式9) 

根据等式6，7以及叠加原理，得到  $N_{\mathrm{BX}}=N_{\mathrm{BX}}^1+N_{\mathrm{BX}}^2=\frac{S_X*(L_2-L_1)}{2L_2}+\frac{T_Z}{2}+\frac{T_Z*W}{2H}>0,$

所以 $N_{\mathrm{DX}}=\frac{S_X*(L_2-L_1)}{2L_2}+\frac{T_Z}{2}-\frac{T_Z*W}{2H}$ (等式10) 

因为L2＞L1，所以，只要H大于W，N_AX和N_CX就大于零。因此，本发明的一个优选实施例中，电刷顶面与底面的最大距离(H)大于电刷的左侧面与右侧面的最大距离(W)。 

作为一种改进，为了方便安装电刷，可以在相邻的两个面之间设置倒角。如图10至图12所示，本发明第二实施例的电刷中，左侧面2与顶面4之间设置有倒角21，左侧面2与底面5之间设置有倒角22。 

此外，虽然上述第一、第二实施例中电刷的前端面1整体作为受力面与弹性件接触，但是本发明不局限于这种情况；相反，可以仅仅将前端面1的一部分作为受力面与弹性件接触，例如图13所示的电刷中，电刷的前端面1包括第一部分11和第二部分，其中，第一部分11与左侧面2相交且夹角大于90度；第二部分12 与右侧面相交，夹角也大于90度。进一步地，前端面1还可以包括更多数量的平面或者曲面，只需要受力面与左侧面2的夹角大于90度即可，且该受力面可以不伸延到左侧面2或者不延伸到右侧面。因此，在本发明中，描述两个面的夹角时，包括这两个面直接相交的情况，也包括这两个面经过延伸后才能相交的情况。 

类似地，本发明的电刷的周向表面不局限于6个面。例如，过渡面33可以由若干个平面或者曲面构成，而第一接触面31与顶面4之间可以存在其它的平面或者曲面，第二接触面3与底面5之间也可以存在其它的平面或者曲面。同样，电刷盒的辅助面76可以由若干个平面或者曲面构成。此外，第一壁面74与上底73之间可以存在其它的平面或者曲面，第二壁面75与下底72之间也可以存在其它的平面或者曲面。进一步地，电刷盒的右侧壁中，辅助面76所在的位置可以是镂空的，也就是说，第一壁面74和第二壁面75可以不直接相交。参考图15，图15是电刷安装到电刷盒的示意图，电刷盒包括四个接触片81～84，这四个接触片围成的空间作为安装电刷的腔体。这种情况下，电刷盒的接触片83与电刷接触的表面作为上述的第一壁面74，接触片84与电刷接触的表面作为上述的第二壁面75。 

在图14所示的电刷盒中，电刷盒的四个接触片81～84可以固定到电机的端盖，或者是固定到一个框架内。此外，为了方便安装电刷，可以在电刷盒的远离换向器的端部设置端盖，弹性件安装在电刷盒的腔体内位于端盖和电刷之间。电刷盒的远离换向器的端部两侧设有凸缘，端盖设有匹配的翻边扣合凸缘。 

图15为连接有导线的电刷的示意图。该电刷可以安装到图14或者图1所示的电刷盒中。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种电机，包括带端盖的定子及可相对定子旋转的转子，所述端盖包括电刷盒（102）、电刷（103）和弹性件（104）用于给所述电刷施加弹力，所述电刷（103）安装在电刷盒（102）的腔体内，所述转子包括换向器，其特征在于：

电刷盒（102）的腔体包括上底（71）、下底（72）、左侧壁（73）和右侧壁，所述右侧壁至少包括第一壁面（74）和第二壁面（75），所述第一壁面（74）靠近上底（71）且与上底（71）的夹角大于90度，所述第二壁面（75）靠近下底（72）且与下底（72）的夹角大于90度；

所述电刷（103）包括前端面（1）、后端面（6）、左侧面（2）、右侧面（3）、顶面（4）和底面（5）；所述后端面（6）用于与转子换向器接触，所述左侧面（2）迎着所述换向器的转动方向，所述右侧面（3）至少包括第一接触面（31）和第二接触面（32），所述前端面（1）包括一受力面与所述弹性件接触，所述受力面与所述电刷的左右方向成一定夹角，以使得所述弹性件（104）对所述受力面施加的弹力可分解成指向所述后端面（6）的分力和指向所述右侧面（3）的分力，使得电刷的第一接触面（31）、第二接触面（32）分别抵顶电刷盒腔体的第一接壁面（74）、第二壁面（75）。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电刷中，第一接触面（31）与顶面（4）直接相交，第二接触面（32）与底面（5）直接相交，所述右侧面（3）还包括一过渡面（33）位于所述第一接触面（31）和第二接触面（32）之间，所述过渡面（33）与所述第一接触面（31）和第二接触面（32）相交。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电刷的顶面（4）与底面（5）的最大距离大于所述左侧面（2）与右侧面（3）的最大距离。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电机，其特征在于，所述电刷盒包括端盖（105）位于电刷盒的腔体的向外的开口端，所述弹性件（104）为弹簧安装在所述腔体内位于所述端盖和电刷之间；所述电刷盒的向外的端部两侧设有凸缘，所述端盖（105）设有匹配的翻边以扣合所述凸缘。

5.一种用于电机的电刷，所述电刷包括前端面（1）、后端面（6）、左侧面（2）、右侧面（3）、顶面（4）和底面（5），其特征在于，所述右侧面（3）至少包括第一接触面（31）和第二接触面（32），第一接触面（31）靠近所述顶面（4）且与所述顶面的夹角大于90度，第二接触面（32）靠近所述底面（5）且与所述底面的夹角大于90度；所述前端面（1）包括一受力面，所述受力面与所述电刷的左右方向成一定夹角，以使得所述受力面受到的作用力可分解成指向所述后端面（6）的分力和指向所述右侧面（3）的分力；所述电刷装配到电机后电刷的左侧面（2）迎着换向器的转动方向，使所述后端面（6）受到所述换向器施加的指向所述右侧面（3）的摩擦力。

6.根据权利要求5所述的电刷，其特征在于，所述电刷的顶面（4）与底面（5）的最大距离大于所述第一侧面与右侧面的最大距离。

7.根据权利要求5所述的电刷，其特征在于，所述第一接触面（31）与所述顶面（4）直接相交，所述第二接触面（32）与所述底面（5）直接相交；所述右侧面（3）还包括一过渡面（33）位于所述第一接触面（31）和第二接触面（32）之间，所述过渡面（33）与所述第一接触面（31）和第二接触面（32）相交。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的电刷，其特征在于，所述第一接触面（31）与所述顶面（4）的夹角等于所述第二接触面（32）与所述底面（5）的夹角。

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