CN102082381B - 多孔电刷 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电刷体上设有贯穿孔的多孔电刷，其包括电刷体以及和电刷体固定连接的导线，其特征在于在电刷体上设置有贯穿孔,所述的贯穿孔为贯通电刷体的弧底面及其对立面的连通孔。本发明的优点是在保证电性能综合技术指标前提下，具有降噪、降低温升功能且耐磨性能好。

Description

多孔电刷

技术领域  

 本发明涉及一种电刷体上设有贯穿孔的金属石墨电刷或碳石墨电刷。

技术背景   

    目前电刷在使用过程中，噪声、温升、使用寿命与电性能的技术指标之间有着相互制约和矛盾的关系，保证好的电性能，就要牺牲其它的技术指标。

电刷与换向器、滑环之间的高速相对旋转运动，产生摩擦噪声和摩擦热，另外大电流的换向火花加速电刷和换向器、滑环的电蚀磨耗，降低使用寿命。为了提高使用寿命，需要适当增加电刷的电阻，降低电刷摩擦系数，而电阻的增加，又导致电刷发热量的增加，这样温升指标将得不到保证，温度升高后反过来又导致电刷、换向器、滑环发热，超过允许温度后的结果是降低整机的使用寿命，同时要牺牲部分电刷的电性能。要保证电刷的电性能，就要增加电刷的导电性，这将导致摩擦系数的提高，降低了换向器、滑环的使用寿命。

高速相对旋转运动，产生摩擦噪声也是高端电刷产品所不允许的，要想通过浸渍润滑剂和提高材料的气孔率达到降噪，效果也是有限的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证电性能综合技术指标前提下，具有降噪、降低温升功能且耐磨性能好的多孔电刷。

本发明采用如下技术方案：

本发明包括电刷体以及和电刷体固定连接的导线，其特征在于在电刷体上设置有贯穿孔, 所述的贯穿孔为贯通电刷体的弧底面及其对立面的连通孔。

本发明在电刷体上设置有1-20个贯穿孔。

本发明所述的贯穿孔的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形。

本发明所述的贯穿孔的横截面面积为0.5-1.5mm²。

本发明的积极效果如下：

    本发明通过在电刷体内设有多个截面形状各异贯穿孔，这些连通电刷使用面（即弧底面）和其对立面的贯穿孔，达到分散噪声传播方向，增加噪声传播方向通道（有如枪械消声器的原理），从而达到降低噪声的目的。

    由于电刷与换向器、滑环相对高速旋转运动产生的摩擦热和电刷电阻产生的热量通过其表面辐射、传导散热外，这些设置的贯穿孔等于在电刷内部增加气流散热通道，电刷内部的热量通过气流运动带走内部热量，从而达到额外散热的目的。

    本发明贯穿孔的设置，相对的提高电刷的气孔率，而气孔率的提高是抑制放电火花增大、减少烧蚀的有效方法，从而提高电刷的使用寿命。

通常电机电刷在使用中都会遇到诸如寿命、温升、噪音、污染等诸多方面的问题。有些电机综合要求较高，但是，在实际应用中，若要对电刷的寿命、噪音、温升等性能要做到全面兼顾和保障，难度非常高。因为电刷材料必须具有一定的强度，方能保证产品的可加工性和耐机械磨损性能，同时电刷材料必须有适当的阻抗，能够有效地抑制电刷使用中的放电火花，以减少材料的电蚀磨损。然而，相应产生的矛盾是：由于电刷材质强度的提高，同时也使得电刷在工作过程中因摩擦和振动产生噪音污染；又因电刷自身电阻引起使用温度的升高（严重的甚至损毁电机）。

在实践中，人们采用各种方法来改进电刷的性能。如采用新材料或通过浸渍润滑剂来降低摩擦系数，以及通过提高材料的气孔率等方法来达到减磨、降噪的目的，但是效果有限。

例如，采用高纯度石墨原料，在降低电刷摩擦系数的同时，由于石墨特有的层状晶格结构，必然导致电刷的整体强度降低，使得电刷抗磨性能降低；添加各种润滑剂又会增大电刷与电机换向器之间的接触电阻，影响电机整体性能；而通过提高电刷材料自身的开口气孔率，能够在一定程度上可以提升电刷的降噪、降温性能，但也有很大的局限性，因为过度的气孔率必然会导致材料强度降低，影响电刷的使用寿命。针对上述问题，本发明在碳刷的使用面（即弧底面）上添加贯穿性的细孔即贯穿孔，以达到分散噪音传播方向从而降低噪音的目的，并取得较好的效果。

在试验中，相同材质的电刷，本发明在添加了纵向贯穿通孔后，相比于未添加贯穿通孔的电刷，在运行中不仅噪音情况有明显改善，同时电刷在使用中产生的温升也有明显的降低，而且电刷的磨损量也相应地减少了。

采用本发明噪音改善的机理：

    我们知道枪弹射出枪口时，因燃爆的空气剧烈膨胀，对枪口的空气产生巨大的冲击而形成噪音，如附图7、8所示，如果在枪口前端附加上一个消音装置（即侧壁带有若干贯穿性小孔的筒状物体），那么由于火药爆炸产生的冲击能量在枪弹冲出枪口过程当中由消音器上的若干小孔被提前释放掉一部分，因此在枪口所形成的能量释放被大幅减少，所形成的噪音也相应地降低了。

通常，电刷的噪音产生于刷体与电机换向器的接触面的摩擦，尤其接触面向其周边释放声波能量而引起空气振动，向外传递的。本发明在此接触面上增加若干个分散噪音传播方向的通道即贯穿孔，如附图5、6所示，那么由电刷与电机换向器接触面所导出的声波能量自然也会相应的降低，从而达到了降低噪音的目的。

根据电刷体结构及使用要求，恰当地设置贯通孔的数量最好为2个或2个以上。

本发明根据电刷体结构及使用要求，恰当地设置贯通孔的数量、孔径（截面积）和分布位置、截面形状，则可以实现不同的降噪效果，而目前一些高档电机用电刷，往往1—2个分贝数的噪音改善就意味着产品性能档次的大幅提升。

采用本发明温升改善的机理：

电刷在使用过程中，需要通过一定的电流。由于电刷自身具有一定的电阻值（电阻率从0.01~上千Ω·m不等），必然会产生不同程度的发热（即温升）现象。

一般材料的热量传递分为辐射、传导和对流三种形式，而电刷在工作状态下所产生的热量主要以传导的形式向外扩散，同时由于及高速旋转带动的气流在一定程度上以对流的形式分散掉部分热量。但是对于体积较大以及电阻率较高的电刷来说，以这两种方式分散掉的热量往往小于刷体内部产生的热量，何况电刷与换向器因电流交换和机械摩擦也要产生很高的热量。如果这些热量得不到有效的扩散和消除，过高的温度必定会对电刷以及电机造成伤害，甚至损毁电机。

本发明设置有贯通孔，如附图5、6所示，等于在电刷内部增加了一个空气对流的通道，使电刷体内部及与换向器接触面产生的一部分热量，随着因电机旋转而产生的气流，根据高速气流压力降低的原理，电机旋转而产生的气流沿着这个通道被导出，从而实现了降低温升的效果。                                        

采用本发明寿命延长的机理：

一般来说电刷在使用中影响寿命的主要因素，一个是刷体和换向器之间“放电”所产生的烧蚀磨损，另一个是两者之间因摩擦而产生的机械磨损。而其中因烧蚀而造成的磨损通常占全部磨损的70%以上。

为了改善电刷寿命，一般采取的手段，一个是提高电刷体的电阻率，一个是增加产品的气孔率，通过以上手段达到抑制放电产生的火花，从而减少烧蚀磨损，延长电刷的使用寿命。但是随之而来的矛盾是：过高的电阻率会相应的增大电机的功率损耗，同时电刷本身又会产生过高的热量，温升加剧。而过度增加材质本身的气孔率将导致电刷体强度的降低，从而增大了材料的机械磨损，缩短电刷的使用寿命。

根据电机电刷“气穴换向”的原理，在保证电刷材料具有一定强度的基础上，本发明设置贯通孔，如附图5、6所示，可以有效的抑制电刷使用中产生的放电电弧（即通常说的火花），从而减少电刷的电蚀损耗，延长使用寿命。

下面是不同种类电刷组在相同条件下实际测试结果：

    第一组  采用不加贯通孔电刷

    第二组  采用本发明加一个贯通孔电刷

    第三组  采用本发明加4个贯通孔电刷

                       （一）噪声测试   

测试条件：使用威灵电机公司 HXG45B02 型电机   转速 15000RPM/MIN  满负荷。

          环境噪声 42 dB

第一组和第三组比较明显降低噪声 2.10 dB，第一组和第二组比较明显降低噪声 0.70 dB

                   （二） 温升试验    

测试条件：使用威灵电机公司 HXG45B02 型电机  满负荷。

          环境温度  25℃ ， 运行时间  2.38H

  第一组和第三组比较降低温度 12.5℃，第一组和第二组比较降低温度 7.2℃

                       (三) 磨耗测试

   测试条件：使用威灵电机公司 HXG45B02 型电机    满负荷200个工作循环。

   第一组和第三组比较提高使用寿命  左 20% 右 14.4%

结论：本发明的电刷通过实际测量，各项技术指标均有较大的提高。

附图说明

附图1为本发明导线为竖向出线方向电刷体设有4个截面形状各异贯穿孔的碳石墨电刷结构示意图；

附图2为附图1的A-A剖视图；

附图3为本发明导线为横向出线方向电刷体设有5个截面形状各异贯穿孔的金属石墨电刷结构示意图；

附图4为附图3的B-B剖视图；

附图5为现有电刷工作状态图；

附图6为本发明电刷工作状态图；

附图7为手枪枪弹射出枪口示意图；

附图8为手枪加装消声器后枪弹射出枪口示意图。

在附图中，1导线、2电刷体、3贯穿孔、4弧底面、5换向器。

具体实施方式

如附图1、2、3、4所示，本发明包括电刷体2以及和电刷体2固定连接的导线1，其特征在于在电刷体2上设置有贯穿孔3, 所述的贯穿孔3为贯通电刷体2的弧底面4及其对立面的连通孔。在电刷体2上设置有1-20个贯穿孔3。所述的贯穿孔3的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形。所述的贯穿孔3的横截面面积为0.5-1.5平方毫米。

如附图1、2所示为本发明的第一个实施例，本发明是导线1为竖向出线方向电刷体2设有4个分别为圆形、长方形、三角形和椭圆形的截面形状各异贯穿孔3的碳石墨电刷，为方便加工，一个电刷可设置同一形状贯穿孔3；贯穿孔3的横截面面积为0.5、1.0或1.5平方毫米。如附图3、4所示为本发明的第二个实施例，其为金属石墨电刷，本发明是导线1为横向出线方向电刷体2设有5个形状为长方形、三角形、圆形、椭圆形和正方形的截面形状各异贯穿孔3的金属石墨电刷，为加工方便，本发明同一个电刷体2上可设置截面形状相同（例如圆形）、截面积相同（其截面积为0.5、1.0或1.5平方毫米）的贯穿孔3。如附图5、6所示，在电刷与换向器、滑环接触的摩擦面切线方向相垂直的电刷体2内，设置N个截面不同形状的贯通孔3，贯通孔3的个数、截面形状，平面尺寸布置，依据电刷要求的技术条件不同。本发明通过在电刷体内设有1-20个截面形状相同或各异的贯穿孔3，这些连通电刷使用面（即弧底面4）和其对立面的贯穿孔3，达到分散噪声传播方向，增加噪声传播方向通道，如附图7、8所示，有如枪械消声器的原理，从而达到降低噪声的目的，如附图5、6所示。由于电刷与换向器5、滑环相对高速旋转运动产生的摩擦热和电刷电阻产生的热量通过其表面辐射、传导散热外，这些设置的贯穿孔3等于在电刷内部增加气流散热通道，电刷内部的热量通过气流运动带走内部热量，从而达到额外散热的目的。本发明贯穿孔3得设置，相对地提高电刷的气孔率，而气孔率的提高是抑制放电火花增大、减少烧蚀的有效方法，从而提高电刷的使用寿命。

Claims (3)

1.一种多孔电刷，其包括电刷体（2）以及和电刷体（2）固定连接的导线（1），其特征在于在电刷体（2）上设置有4个贯穿孔（3），所述的贯穿孔（3）为贯穿电刷体（2）的弧底面（4）及其对立面的连通孔。

2.根据权利要求1所述的一种多孔电刷，其特征在于所述的贯穿孔（3）的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形。

3.根据权利要求1所述的一种多孔电刷，其特征在于所述的贯穿孔（3）的横截面面积为0.5—1.5mm2

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