CN105098561A - 一种混合动力汽车起动电机用碳刷的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力汽车起动电机用碳刷的制备方法及应用，所述碳刷包括如下原料：石墨粉、粘结剂、沥青焦、溶剂、电解铜粉、固体润滑剂，其中，所述沥青焦占石墨粉、粘结剂、沥青焦总质量的0.5-8％。碳刷中加入沥青焦有利于在电机换向器表面形成一层薄厚均匀的石墨润滑膜，通过润滑膜的自润滑作用，可以提高电刷的使用寿命。所述碳刷为双层压制结构，分为高含铜层和低含铜层：高含铜层的电阻率小，产品导电性好；低含铜层的电阻率大，可以抑制碳刷工作时产生的火花。
Description
技术领域
本发明涉及电机用碳刷，尤其涉及一种混合动力汽车起动电机用碳刷的制备方法及其应用。
背景技术
混合动力汽车是指同时装备两种动力来源——热动力源(由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的汽车。
碳刷又称电刷，汽车起动机上使用的碳刷一般是金属石墨类电刷，主要原材料是电解铜粉和石墨，该类电刷既有石墨的润滑特性，又有金属的高导电性，适用于高负荷和换向要求不高的低电压电动机。
热动力源起动电机对碳刷的使用寿命要求较高，要达到6万次以上；电动力源起动电机分为有刷和无刷两种，其中，有刷起动电机使用碳刷的作用是在外电路到电枢之间把负载电流引入和输出，因此要求碳刷不仅要有良好的导电性能，还要有良好的换向性能及耐磨、低火花等特点。
因此，混合动力汽车起动电机用碳刷须具备良好的导电性、耐磨性、低火花和使用寿命长的特点。
然而，传统的单层结构碳刷虽然在电流密度上可以满足混合动力汽车起动电机的要求，但是由于其中的铜含量太高，电机工作时，会产生较大的火花，影响碳刷的使用寿命，因此无法满足混合动力汽车起动电机的使用要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有的碳刷中存在的技术问题，提供一种新的混合动力汽车起动电机用碳刷，不仅能够满足电机工作要求的电流密度，解决碳刷使用时产生的火花问题，同时还能提高碳刷的使用寿命。
为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种制备混合动力汽车起动电机用碳刷的方法，包括如下步骤：
将石墨粉、粘结剂、沥青焦和溶剂混合，制成胶质粉；
将胶质粉、第一电解铜粉及固体润滑剂混合，制成压粉A；
将胶质粉、第二电解铜粉及固体润滑剂混合，制成压粉B，其中第二电解铜粉的质量小于第一电解铜粉；
向模具里先加入压粉A形成压粉A层，在所述压粉A层上再加入压粉B形成压粉B层，得到双层压粉层；或者，向模具里先加入压粉B形成压粉B层，在所述压粉B层上再加入压粉A形成压粉A层，得到双层压粉层；
通过对所述双层压粉层进行压制和烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述所述沥青焦占石墨粉、粘结剂、沥青焦总质量的0.5-8％，优选为2-5％。
本发明在制备碳刷的原料中添加了沥青焦，由于沥青焦具有结构致密，颗粒机械强度及耐磨性比较高的特点，碳刷在换向器上运行时，可以在换向器接触面上形成一层薄厚均匀、适度、稳定的石墨润滑膜。通过润滑膜的自润滑作用，可以提高碳刷的使用寿命。当沥青焦的添加量小于0.5％时，电机的换向器表面形成的润滑膜较厚，碳刷工作时产生较大火花，磨损严重；当沥青焦的添加量大于8％时，电机换向器表面形成的润滑膜较薄，电机换向器表面容易被划伤，导致电机功率下降很快，不能满足使用要求。
其中，所述石墨粉占石墨粉、粘结剂、沥青焦总重量的70-80％。
其中，所述粘结剂占石墨粉、粘结剂、沥青焦总重量的15-20％，优选为20％。
其中，所述石墨粉的碳含量≥99％，粒度≤44.5μm。
其中，所述粘结剂为热固性树脂，优选为酚醛树脂。
其中，所述溶剂为酒精或丙酮，优选为酒精。
特别是，所述酒精为工业酒精。
其中，所述溶剂的质量与石墨粉、粘结剂、沥青焦总质量之比为20-30：100，优选为21-29:100。
其中，所述电解铜粉的铜含量≥99.5％，粒度≤44.5μm，松装比密度≤1.2g/cm3。
其中，所述固体润滑剂为二硫化钼。
特别是，所述二硫化钼含量≥98.5％，粒度≤44.5μm。
其中，所述压粉A中第一电解铜粉的含量≥50％，优选为50-54％；所述固体润滑剂的含量为3-5％，优选为3％。
其中，所述压粉B中第二电解铜粉的含量≤35％，优选为31-34％；所述固体润滑剂的含量为3-5％，优选为3％。
其中，所述石墨粉、粘结剂、沥青焦混合的温度为90-100℃，优选为91-99℃，进一步优选为91-95℃。
其中，所述石墨粉、粘结剂、沥青焦的混合时间为1-2h，优选为1.5h；所述胶质粉、第一电解铜粉及固体润滑剂混合时间为1-1.5h；所述胶质粉、第二电解铜粉及固体润滑剂混合时间为1-1.5h。
其中，对所述双层压粉层进行压制处理的压力为300-400Mpa，优选为400Mpa；烧结处理的温度为600-750℃，优选为650℃。
本发明另一方面提供一种混合动力汽车起动电机用碳刷，所述碳刷具有包括第一碳刷层和和第二碳刷层的双层结构；所述第一碳刷层和和第二碳刷层的原料均包括石墨粉、粘结剂、沥青焦、溶剂、电解铜粉、固体润滑剂；其中第一碳刷层中的电解铜粉的质量大于第二碳刷层中的电解铜粉的质量。
其中，所述沥青焦占石墨粉、粘结剂、沥青焦总质量的0.5-8％，优选为2-5％。
其中，所述第一碳刷层中电解铜粉的含量≥50％，优选为50-54％。
其中，所述第二碳刷层中电解铜粉的含量≤35％，优选为31-34％。
其中，所述石墨粉的碳含量≥99％，粒度≤44.5μm。
其中，所述粘结剂为热固性树脂，优选为酚醛树脂。
其中，所述溶剂为酒精或丙酮，优选为酒精；
特别是，所述酒精为工业酒精。
其中，所述溶剂与石墨粉、酚醛树脂、沥青焦总质量之比为20-30：100，优选为21-29：100。
其中，所述电解铜粉的铜含量≥99.5％，粒度≤44.5μm，松装比密度≤1.2g/cm3。
其中，所述固体润滑剂为二硫化钼。
特别是，所述二硫化钼含量≥98.5％，粒度≤44.5μm。
本发明又一方面提供一种混合动力汽车起动电机用碳刷在12V或24V混合动力汽车起动电机中的应用。
本发明具有如下优点：
1、本发明的混合动力汽车起动电机用碳刷中加入一定量的沥青焦，利用沥青焦颗粒机械强度及耐磨性高的特点，在电机换向器表面形成薄厚均匀的石墨润滑膜，通过润滑膜的自润滑作用，提高了碳刷的使用寿命。
2、本发明的混合动力汽车起动电机用碳刷为双层压制结构，其中，高含铜层具有良好的导电性，保证碳刷的高导电率；低含铜层具有高电阻率，能够抑制火花的产生，保证了碳刷的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉79.5酚醛树脂20沥青焦0.5酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1h，然后加入酒精，在95℃下搅拌1.5h；待物料冷却后依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉42电解铜粉55二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉70电解铜粉27二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa，压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
实施例2
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉78酚醛树脂20沥青焦2酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1.5h，然后加入酒精，在95℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉42电解铜粉55二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉70电解铜粉27二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa,压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
实施例3
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉75酚醛树脂20沥青焦5酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1h，然后加入酒精，在99℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉42电解铜粉55二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉70电解铜粉27二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa，压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
实施例4
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉72酚醛树脂20沥青焦8酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1.5h，然后加入酒精，在90℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉42电解铜粉55二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉70电解铜粉27二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa，压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
实施例5
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉77酚醛树脂15沥青焦8酒精21
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合2h，然后加入酒精，在100℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉47电解铜粉50二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1.5h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉66电解铜粉31二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1.5h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为300Mpa，压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为600℃，时间为2-3h。
实施例6
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉80酚醛树脂17沥青焦3酒精25
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1h，然后加入酒精，在91-99℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉32电解铜粉64二硫化钼4
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉77电解铜粉19二硫化钼4
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为350Mpa，压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为700℃，时间为2-3h。
实施例7
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉75酚醛树脂20沥青焦5酒精29
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1h，然后加入酒精，在91℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉41电解铜粉54二硫化钼5
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉61电解铜粉34二硫化钼5
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa,压制保压时间为1s；所述压粉A层和压粉B层的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为750℃，时间为2-3h。
对照例1
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉80酚醛树脂20酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂混合1h，然后加入酒精，在95℃下搅拌1.5h；待物料冷却后依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉A
按照如下重量份配比备料：
胶质粉42电解铜粉55二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉A；
3)制备压粉B
按照如下重量份配比备料：
胶质粉70电解铜粉27二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉B；
4)制备双层碳刷
先后在模具里加入压粉A和压粉B(或压粉B和压粉A)，进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成双层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa,压制保压时间为1s；所述压粉A和压粉B的厚度之比为2:1；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
对照例2
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉75酚醛树脂20沥青焦5酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1.5h，然后加入酒精，在90-100℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉
按照如下重量份配比备料：
胶质粉42电解铜粉55二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉；
3)制备单层碳刷
在模具里加入压粉进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成单层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa,压制保压时间为1s；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
对照例3
1)制备胶质粉
按照如下重量份配比备料：
石墨粉75酚醛树脂20沥青焦5酒精30
在搅拌条件下，将石墨粉、酚醛树脂、沥青焦混合1.5h，然后加入酒精，在90-100℃下搅拌1h；待物料冷却后，依次进行破碎、过筛处理，制得胶质粉；
2)制备压粉
按照如下重量份配比备料：
胶质粉70电解铜粉27二硫化钼3
在搅拌条件下，将胶质粉、电解铜粉、二硫化钼混合1h，制得压粉；
3)制备单层碳刷
在模具里加入压粉进行压制处理，成型后进行烧结处理，制成单层结构的碳刷。
其中，所述压制处理的压力为400Mpa,压制保压时间为1s；所述烧结处理的温度为650℃，时间为2-3h。
试验例1
对实施例1-4制备的样品和对照例1-3制备的样品进行物理性能测试，测试结果见表1。
测试条件：室温
测试方法：1、按JB/TB133.2—1999进行电阻率试验。
2、按JB/T8133.14—1999进行体积密度试验。
3、按JB/T8133.3—1999进行洛氏硬度试验。
表1：物理性能测试结果
试验例2
对实施例1-4制备的样品和对照例1-3制备的样品按下列试验条件和试验方法进行试验，试验结果见表2。
电压：12V
试验条件：室温
运行方式：工作3秒，休息27秒
表2：试验结果
通过表1和表2可以看出，在制备碳刷的原料中加入沥青焦，并采用双层压制的方法形成包含高含铜层和低含铜层的双层碳刷，可以保证碳刷较高的电导率，降低工作时的火花，提高碳刷的使用寿命。
Claims (10)
1.一种混合动力汽车起动电机用碳刷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将石墨粉、粘结剂、沥青焦和溶剂混合，制成胶质粉；
将胶质粉、第一电解铜粉及固体润滑剂混合，制成压粉A；
将胶质粉、第二电解铜粉及固体润滑剂混合，制成压粉B，其中第二电解铜粉的质量小于第一电解铜粉；
通过在所述压粉A形成的压粉A层上铺设所述压粉B形成的压粉B层，得到双层压粉层；
通过对所述双层压粉层进行压制和烧结处理，制成双层结构的碳刷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沥青焦占石墨粉、粘结剂、沥青焦总质量的0.5-8％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂与石墨粉、粘结剂、沥青焦的质量之比为21-29:100。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述压粉A中，第一电解铜粉的含量为50％-54％；在所述压粉B中，第二电解铜粉的含量为31％-35％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨粉、粘结剂、沥青焦和溶剂混合的温度为91-99℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述双层压粉层进行压制处理的压力为300-400Mpa。
7.一种利用权利要求1-6任一所述方法制备的混合动力汽车起动电机用碳刷，其特征在于，所述碳刷具有包括第一碳刷层和和第二碳刷层的双层结构；所述第一碳刷层和和第二碳刷层的原料均包括石墨粉、粘结剂、沥青焦、溶剂、电解铜粉、固体润滑剂；其中第一碳刷层中的电解铜粉的质量大于第二碳刷层中的电解铜粉的质量。
8.根据权利要求7所述的碳刷，其特征在于，所述沥青焦占石墨粉、粘结剂、沥青焦总重量的0.5-8％。
9.根据权利要求7所述的碳刷，其特征在于，所述第一碳刷层中电解铜粉的含量为50％-54％；在所述第二碳刷层中电解铜粉的含量为31％-35％。
10.权利要求7所述的碳刷在12V或24V混合动力汽车起动电机中的应用。
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