CN102576968A - 用于在电机中传输电流的换向器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在电机中传输电流的换向器，所述换向器具有电枢侧的集电器以及至少一个贴靠在集电器上的电刷。换向器的至少一个传输电流的构件构造成多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体。

Description

用于在电机中传输电流的换向器
本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的、用于在电机中传输电流的换向器。
现有技术
为了将电流传输到旋转地支承在定子中的电枢上以及为了在短路的电枢线圈中进行电流换向而使用换向器，所述换向器由电枢侧的集电器以及贴靠在集电器上的碳电刷(Kohlebürste)构成。壳体固定的碳电刷贴靠在旋转的集电器的壳面上，其中换向器组件的材料特性对从碳电刷到集电器上的电流传输率、以及对尤其是碳电刷的磨损具有重要的影响。
由DE 40 25 367 C2已知一种用于小型电动机的填充金属的碳电刷，所述碳电刷设计成烧结构件并且由纯净的石墨粉末构成，所述石墨粉末与金属粉末混合、进行挤压成型并且接下来进行烧结。
本发明的公开内容
本发明的目的在于，如此构造一种在电机中的换向器，使得一方面确保高的电流传输并且另一方面确保高的使用寿命。
所述目的根据本发明利用权利要求1所述的特征来实现。从属权利要求给出了有利的改进方案。
根据本发明的换向器用于在电机中、尤其是在电动机中进行电流传输和电流换向，其中不仅考虑在直流电动机中的应用而且还考虑在交流电动机中的应用。这种类型的换向器例如能够在内燃机用的直流起动电动机中使用，所述直流起动电动机或者以电的方式实施或者设计成永久励磁的电动机，并且不仅能够用于汽油机而且能够用于柴油机。此外，例如考虑用于内燃机的起停系统或者用作在混合动力车辆中的电机。其它的使用可能性是电驱动装置，尤其是作为车辆中例如用于发动机冷却、车辆空气调节的伺服电动机或者作为刮水器电动机。此外，还能够使用在电动工具用的电动机中。也可以考虑应用在具有较高的牢固性和使用寿命的三相交流发电机和滑环转子异步电动机
Figure BPA00001531447600011
中。
换向器包括电枢侧的集电器以及至少一个贴靠在集电器上的、壳体固定的电刷，所述集电器固定地与电机的电枢联接，通过所述电刷将电流传输到集电器上以用于为电枢线圈通电流。换向器的至少一个传输电流的构件设计成具有渗透的金属的、多孔的陶瓷体。所述多孔的陶瓷体为预制体(Preform)，所述预制体在制造过程期间例如借助于气压渗透或者借助于挤压制造技术(Squeeze-Cast-Technologie)以熔融的金属进行渗透。因此，换向器的以这种方式构成的传输电流的构件由金属陶瓷复合材料构成，所述金属陶瓷复合材料设计成基于预制体的材料(P-MMC)或者以这种方式制造。
在复合材料中的陶瓷份额引起了高的耐磨性和耐腐蚀性，此外还实现了高的耐热性(在使用铜(Cu)作为金属组成部分时直到800℃)。陶瓷组成部分减少了在电刷与集电器壳面之间的相对运动期间的摩擦，从而提高了耐磨性。
另一个优点在于，具有复杂的几何形状的较大的构件也可以完全地并且无裂缝地以金属进行渗透。由此，不仅电刷而且集电器能够以分别期望的几何形状进行制造。
在根据本发明的换向器中，至少一个换向器构件、一个或多个电刷和/或集电器由金属陶瓷复合材料以多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体制成。不仅考虑下述实施方案，其中仅电刷或者仅集电器或者不仅电刷而且集电器由金属陶瓷复合材料制成。对于不仅电刷而且集电器由复合材料构成的情况来说，不仅能够使用相同的复合材料也能够使用不同的复合材料用于电刷和集电器，或者还使用陶瓷份额与金属份额的相同的或不同的混合比例。
氧化物、氮化物或碳化物、例如Al2O3、AlN、TiN、Si3N4、SiC或者硅渗透的SiC被考虑作为陶瓷组成部分。作为金属组成部分优选使用高传导性的材料，尤其是铜或者铜合金，然而也可以是银、金、铝、铁、锡以及其合金。此外，能够按需要添加润滑材料以及研磨材料。
设计成多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体的复合材料由于其接合构件的三维网状结构除了源于陶瓷份额的耐磨性、耐热性以及耐腐蚀性之外还具有高的导电性和导热性。通过陶瓷份额的变化能够产生在大约0.05μΩm到1015Ωm之间的比电阻或者说电阻率或者说特种电阻。
能够有利地制造具有多个功能层的电刷，所述功能层分别以金属陶瓷复合材料来制造，然而具有不同的金属份额或者陶瓷份额。在这些功能层之间的过渡可选择地能够是分散的或连续的。电刷例如构造有两个具有不同的金属份额的层，其中沿相对运动方向位于前面的层作为功率层与沿相对运动方向位于后面的、形成换向层的层相比具有更高的金属份额和更高的电流传输率。在换向层中相对更高的陶瓷份额能够通过高的切向阻力(tangentialer Widerstand)实现换向并且减少在电刷的流出边缘上产生的火花形成(Funkenbildung)。
对于高电流传输率来说有利地是，具有较大金属份额的功率层与换向层相比具有更大的接触横截面、尤其是具有沿运动方向观察更大的厚度、必要时也具有横向于运动方向的更大的宽度。功率层的更大的接触面允许更大的电流传输率。
有利地，集电器也由具有较高的金属份额的复合材料制成，所述复合材料能够实现高电流传输率。由其制造集电器的复合材料能够与在电刷中的功率层的复合材料至少大致相同地构造，但所述制造集电器的复合材料与换向层相比有利地具有更高的金属份额。
作为其它的实施方式特征，集电器的芯能够为密封的陶瓷的绝缘体。为此，陶瓷的预制体以下述方式构成：即，集电器的之后的滑动面
Figure BPA00001531447600031
由金属和陶瓷的可自由选择的组合物(Zusammensetzung)构成。在此，轴向地沿着集电器的区段能够使用陶瓷份额与金属份额的不同的混合比例，以便制造用于电枢绕组的电触点。
此外，能够有利地将在电刷上的依赖于制造的包铸件作为电刷板使用，在所述电刷板上借助硬的或者柔性的电导体(例如线缆)实现电触点接通。包铸件是至少部分地覆盖陶瓷体的表面的层，该层作为底板能够用于固定和接触在电刷中的层。
其它优点和有利的实施方式由其它权利要求、图示说明以及附图获悉。附图示出：
图1示出了在电机中的换向器的透视图，所述换向器包括电枢侧的集电器和两个相反对置的、接触集电器壳面的电刷；
图2示出了电刷的剖面图，所述电刷由金属的电刷板和两个层构成，所述两个层分别由金属陶瓷复合材料构成并且设计成多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体；
图3示出了集电器的剖面图，所述集电器的区段同样设计成多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体。
在图1中示出的换向器1用于在电机、例如电动机或者发电机中进行电流传输和电流换向，并且该换向器包括柱形的集电器2，所述集电器不可相对转动地与电机的电枢连接，其可旋转地支承在定子中；所述换向器还包括电刷3，所述电刷以接触的方式贴靠在柱形的集电器2的径向外部的壳面上或在盘形滚动面
Figure BPA00001531447600041
上，并且通过线缆4导入到电刷3中的电流传输到集电器2上。集电器2必要时也能够以盘形的方式构成。其它的接通触点(Kontaktireung)、例如金属带或者压缩弹簧(Andruckfeder)同样是可能的。在图1中，换向器1具有两个相反地对置的电刷3。然而原则上也可以考虑具有更多电刷数量、例如四个或六个电刷的换向器。
集电器2具有多个单个的、沿周向分开的区段5，所述区段与电枢线圈电连接。在电枢或者集电器2沿旋转方向6的旋转运动时，集电器的壳面沿着电刷3的朝向的端面滑动，同时实现从电刷3到集电器2的区段5上的电流传输。
在图2中示出了电刷3的剖面。电流通过线缆4或者类似的(vergleichbar)接通触点必要时输送到电刷板7中，该电刷板为底板(Fuβplatte)并且与电刷的两个层8和9连接，所述两个层设计成功率层8和换向层9。关于在集电器与电刷之间的相对运动，功率层8位于前面，并且换向层9位于后面，相应地利用8a表示电刷3的流入边缘(前边缘)并且利用9a表示电刷3的流出边缘(后边缘)。在电刷与集电器之间的相对运动时，功率层8在换向层9之前与集电器2上的各个紧接着的区段5进行接触。电刷3的端侧的接触面具有附图标记10，该接触面与集电器的壳面接触。
电刷3的两个层8和9由金属陶瓷复合材料构成并且设计成多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体(基于预制体的金属基复合材料(Preform-based Metal-Matrix-Composite-P-MMC))。在此涉及一种多孔的、陶瓷的预制体(Preform)，所述预制体优选以压力支持的方式借助于气压渗透或者借助于挤压铸造技术以熔融的金属进行渗透。适合地，前面的功率层8比后面的换向层9具有更大的接触横截面，从而在接触面10的区域中，功率层8通过比换向层9更大的面触及集电器的壳面。所述更大的接触横截面特别是通过功率层8沿相对运动方向测量的更大的宽度或者厚度获得。在该实施例中，功率层8的厚度大约是换向层9的厚度的两倍。
电刷板7能够构造成包铸件(Umguss)，在其上借助于线缆4或者其它触点形成电接触，所述包铸件在浇铸过程期间在将熔融的金属引入到多孔的陶瓷预制体中时形成。所述包铸件是在陶瓷体外侧面上的金属层并且由与引入到陶瓷体中的金属相同的材料制成。氧化物、氮化物或者碳化物被考虑作为陶瓷组成部分(Keramikkomponente)，优选使用铜或者铜合金作为金属。然而还考虑其它的高传导能力的金属，例如银、金、铝、铁、锡以及其合金作为金属组成部分。
功率层8和换向层9在其陶瓷份额或者金属份额方面是不同的。功率层8与换向层9相比具有更高的金属份额，这改善了功率层8的导电能力。同时换向层9由于更高的陶瓷份额是非常耐磨损和耐高温的。此外，由于更高的陶瓷份额降低了在流出边缘9a的区域中的火花形成。
在图3中以截面图示出了集电器2。在集电器2的外侧面上的、沿周向分别相互分开的区段5同样由形式为多孔的具有渗透的金属的陶瓷体(P-MMC)的金属陶瓷复合材料制成。

Claims (13)

1.用于在电机中传输电流的换向器，所述换向器具有电枢侧的集电器(2)以及至少一个贴靠在所述集电器(2)上的电刷(3)，其特征在于，所述换向器(1)的至少一个传输电流的构件(2，3)构造成多孔的、具有渗透的金属的陶瓷体(P-MMC)。
2.按权利要求1所述的换向器，其特征在于，所述电刷(3)由具有渗透的金属的陶瓷体制成。
3.按权利要求2所述的换向器，其特征在于，所述电刷(3)的电刷板(7)由包铸件形成，所述包铸件在金属到所述陶瓷体中的浇铸过程中产生。
4.按权利要求1至3中任一项所述的换向器，其特征在于，所述集电器(2)至少部分地构造成具有渗透的金属的陶瓷体。
5.按权利要求4所述的换向器，其特征在于，所述集电器(2)的芯(11)设计成陶瓷的绝缘体，所述芯是区段(5)的支架，所述区段构造为具有渗透的金属的陶瓷体。
6.按权利要求1至5中任一项所述的换向器，其特征在于，所述换向器(1)的传输电流的构件(2，3)具有至少两个层(8，9)，所述两个层具有在金属陶瓷复合材料中不同的金属/陶瓷份额。
7.按权利要求2和6所述的换向器，其特征在于，所述电刷(3)包括两个具有不同的金属份额的层(8，9)，并且关于在所述集电器(2)与所述电刷(3)之间的相对运动，前面的层作为功率层(8)与形成换向层(9)的后面的层相比具有更高的金属份额。
8.按权利要求7所述的换向器，其特征在于，所述功率层(8)与所述换向层(9)相比具有更大的接触横截面，所述电刷(3)利用所述接触横截面与所述集电器(2)进行接触。
9.按权利要求2，4和7所述的换向器，其特征在于，在所述集电器(2)中的金属份额至少大致与在所述电刷(3)中的功率层(8)的金属份额相同。
10.按权利要求2，4和7所述的换向器，其特征在于，在所述集电器(2)中的金属份额与在所述电刷(3)中的换向层(9)中的金属份额相比更大。
11.按权利要求1至10中任一项所述的换向器，其特征在于，所述陶瓷组成部分由氧化物、氮化物或者碳化物构成。
12.按权利要求1至11中任一项所述的换向器，其特征在于，所述金属组成部分由铜或者铜合金构成。
13.具有按权利要求1至12中任一项所述的换向器的电机。
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