CN108649405B - 一种混合碳片换向器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种混合碳片换向器及其制造方法，包括以下步骤：冲铜排，碳环加工，排片，焊接，压制，机加工等步骤，本方案通过对碳棒内表面进行切削并加工出至少一圈环状的主槽，并利用带有凸起刃口的切削工具沿碳棒的轴向切削主槽的侧面，实现呈缩口状的燕尾槽。与现有技术相比，本发明所提供的混合碳片换向器及其制造方法及其施工方法具有以下优点：1、利用切削工艺加工碳环，有效解放了因工艺而受到限制的碳环形状、结构，使得碳环的结构更加灵活多变，尺寸精度更高；2、通过工艺改进实现碳质片体的厚度能与金属片体保持接近，有效平衡碳质片体与金属片体的电学性能。

Description

一种混合碳片换向器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种换向器，特别涉及一种混合碳片换向器及其制造方法。

背景技术

换向器是电机的重要组成部分，在浸没式燃料系统中，马达/电机一定工作在含有氧化合物如甲醇和乙醇的流体燃料介质中，酒精增加了燃料的导电性，因此增加的电化反应导致换向器中的铜片被腐蚀。

为解决上述问题，诸多换向器厂商利用碳制的换向片在一定程度上代替原有的铜片，避免作为导电件的换向片体被腐蚀，同时也利用碳的优秀物理特性加强了换向器的使用寿命。

如在2002年3月20日，科莱克托公司申请的申请号为CN02807272.3，名为“鼓形换向器及其制造方法”的发明专利，其公开了一种鼓形换向器及其制造方法。该鼓形换向器具有一个由绝缘胶木制成的套筒形支承体、多个带有设置其上的接线片的金属导体弧形件和同样数量的与这些导体弧形件导电连接的碳质弧形件。鼓形换向器还具有一个与接线片相邻设置的、环状封闭的、交替为胶木区和金属区的、基本上为圆柱形的表面以及在碳质弧形件部分具有一个与所述支承件相连接的金属化内表面。在制造这样一种鼓形换向器时优选首先将这些导体弧形件经桥形件连接成一个导体坯件，在将导体坯件与碳质套筒组装以及注塑支承体之后再将这些桥形件除去。

又如在2016年6月8日，深圳市凯中精密技术有限公司申请的申请号为CN201620556818.6，名为“径向换向器”的实用新型专利，其公开了一种径向碳质换向器，该径向碳质换向器包括一个圆柱形绝缘支承体、多个金属导体连接片和与之相连接的同样数量的碳质弧形体，碳质弧形体围成带有多个第二切槽的碳质圆柱体，多个碳质弧形体与多个金属导体连接片导电连接的轴向端面为封闭端面，另一端为敞口，所述敞口至封闭端面形成用于容置支承体的空杯腔，封闭端面的中央开设一直径小于空杯腔内径的通孔，多个金属导体连接片焊接固定在碳质圆柱体的开设有通孔的封闭端面上并形成多个呈扇形形状的焊接连接面。

混合了碳质片体的换向器具有显著优于传统金属换向器的耐腐蚀、抗磨损性能。但从上述文献可知，目前的碳换向器均是由压制成型的碳环作为基础部件，其受碳环的加工工艺限制使得换向器成品中的碳片厚度显著大于金属片体的厚度，由此引发换向片片体间的电流密度变化巨大、温升差异明显以及换向片片体离心力分布不均等缺陷，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合碳片换向器的制造方法，其优点在于加工出的混合碳片换向器具有强度高、物理性能稳定等优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种混合碳片换向器的制造方法，包括以下步骤：

Stp1-1、冲铜排：通过挤压、冲制加工出铜排；

Stp1-2、碳环加工：通过车削加工出带有燕尾槽的碳环；

Stp2、排片：将铜排环绕固定在芯体上排成圆柱形；

Stp3、焊接：对碳环的端部进行金属化处理，再将碳环焊接在铜排上制成外导体毛坯；

Stp4、压制：在外导体毛坯内导入酚醛塑粉压制形成换向器毛坯；

Stp5、机加工：对换向器毛坯进行机加工制成换向器成品。

通过采用上述技术方案，通过切削工艺使得在加工碳环过程中碳环的主体厚度可以自由控制，进而实现碳环厚度与铜片厚度保持相近状态的效果，从而平衡换向器成品的动平衡、温升等性能。额外的，利用切削工艺加工碳环，有效解决的碳环因为压制脱模方向因素导致的燕尾方向受限的问题，使得碳环的结构设计更加灵活。

本发明进一步设置为：Stp1-2中的车削工艺为：a、首先车削碳棒的外周，加工出横截面大致为圆形的碳棒，b、再对碳棒进行镗孔，加工出横截面为圆环形的碳棒，c、沿周向车削碳棒的内表面，加工出碳片燕尾，d、在碳棒上切下带有碳片燕尾的碳环作为碳环。

通过采用上述技术方案，利用分次车削工艺，实现碳环上燕尾槽的加工，分次加工，有效降低刀片对碳环的冲击作用力，保证切削作业的合格率。

本发明进一步设置为：步骤c包括c1、对碳棒内表面进行切削并加工出至少一圈环状的主槽，c2、利用带有凸起刃口的切削工具沿碳棒的轴向切削主槽的侧面，加工出呈缩口状的燕尾槽。

通过采用上述技术方案，在保持碳棒呈完整环状的状态下进行燕尾槽的切削加工，有效提高碳环在切削加工前的抗剪切强度，避免碳环在切削过程中出现开裂、破损等缺陷。同时利用分段次的方式加工燕尾槽，使得单一刀片适用的加工尺寸范围显著增加，刀片利用率大大提升。

本发明进一步设置为：燕尾槽切削过程中，主槽部分碳环的厚度不超过铜排的厚度。

通过采用上述技术方案，主槽部分作为碳环的主体厚度，在切削加工的优化下，使得碳环主体厚度得以自由控制。而控制碳环厚度与铜排厚度相近，令换向器成品中的铜片与金属片之间的电流密度更接近，进一步保证换向器转动时的平衡度，同时也保持换向器在通电旋转过程中，表面温升一致，避免换向器局部老化过重。

本发明进一步设置为：在进入stp2前，先清洗铜排。

通过采用上述技术方案，通过清洗去除铜排表面油渍，保证铜排与碳环的焊接强度。

本发明进一步设置为：stp5中机加工包括车内孔、车外圆、铣片间槽、铣钩槽、抛光。

通过采用上述技术方案，保证换向器成品的尺寸精度。

本发明的另一发明目的在于提供一种混合碳片换向器，其具有更长的使用寿命、更高的动平衡以及更稳定的机械强度。

一种混合碳片换向器，包括圆柱形的绝缘主体、嵌设在绝缘主体外表面的换向片，所述换向片包括金属片体、碳质片体，所述碳质片体的厚度与金属片体的厚度接近。

通过采用上述技术方案，保证碳质片体与金属片体在厚度上接近，使得换向器在通电旋转过程中同一电流、电压强度下，碳质片体与金属片体之间的电流密度接近，避免电流密度变化带来的电磁场强变化，使得换向器旋转的平稳性更好。同时也使得碳质片体与金属片体之间因电发热效应产生的温升接近，换向器表面稳定更加均衡，以避免绝缘主体因内部温度分布不均导致绝缘主体上的老化差异过大，有效延长了碳换向器的使用寿命。

本发明进一步设置为：所述碳质片体内侧设置有燕尾槽，所述碳质片体通过燕尾槽固定在绝缘主体上。

通过采用上述技术方案，不同于现有的碳换向器，本方案中的碳质片体通过以往仅能够设置在金属片体上的燕尾槽固定在绝缘主体，有效加强了碳质片体与绝缘主体结合的强度，显著降低碳质片体在受高速旋转带来的离心力作用下产生飞片的可能性。

本发明进一步设置为：所述燕尾槽沿绝缘主体的周向设置。

通过采用上述技术方案，进一步提高碳质片体的固定强度。

本发明进一步设置为：所述金属片体、碳质片体沿轴向设置在绝缘主体上，碳质片体远离金属片体的一端设置有固定台，且所述固定台设置在碳质片体外表面，所述绝缘主体延伸至固定台上。

通过采用上述技术方案，利用燕尾槽与固定台的双重结合作为固定碳质片体的结构，使得碳质片体与绝缘主体之间的结合力分布在碳质片体的两端，显著加强碳质片体的固定强度。

与现有技术相比，本发明所提供的混合碳片换向器及其制造方法及其施工方法具有以下优点：

1、利用切削工艺加工碳环，有效解放了因工艺而受到限制的碳环形状、结构，使得碳环的结构更加灵活多变，尺寸精度更高；

2、通过工艺改进实现碳质片体的厚度能与金属片体保持接近，有效平衡碳质片体与金属片体的电学性能；

3、碳质片体与金属片体一致的厚度带来更加均衡的转动离心力，使得换向器转动过程中对整体结构的影响降低。

4、碳质片体与金属片体一致的厚度使得两者的电流密度接近甚至相同，所产生的磁场强度影响亦趋于接近。对换向器高速转动过程中所产生的偏振影响更小。同时导电体表面厚度均匀所带来的温升差异也差异缩小也显著提高了碳换向器的使用寿命。

附图说明

图1是实施例1中碳原材料示意图；

图2是实施例1中车削外圆后的碳棒示意图；

图3是实施例1中镗孔后的碳棒示意图；

图4是实施例1中碳棒车燕尾槽示意图；

图5是实施例1中碳棒车燕尾槽示意图；

图6是实施例1中碳棒车燕尾槽示意图；

图7是实施例1中碳棒车燕尾槽示意图；

图8是实施例1中碳环的结构示意图；

图9是实施例1中陶瓷工装的结构示意图；

图10是实施例1中碳环与陶瓷工装、陶瓷芯轴的爆炸示意图；

图11是实施例1中铜排排片示意图；

图12是实施例1中碳环与铜排的焊接示意图；

图13是实施例1中铜排结构示意图；

图14是实施例1和2中换向器成品的截面示意图；

图15是实施例4中铜排排片结构示意图；

图16是图15中A出的放大示意图。

图中，1、原材料碳；2、碳棒a；3、碳棒b，4、燕尾槽加工刀；41、主刃口；42、侧刃口；5、燕尾槽； 6、碳环；61、固定台；7、陶瓷工装；8、陶瓷芯轴；9、陶瓷芯体；10、钎焊料；11、铜排；111、预定位层；13、绝缘主体；14、金属片体；15、碳质片体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1，一种混合碳片换向器的制造方法，包括以下步骤：

1、铜排11加工：通过挤压工艺、冲制工艺将作为原材料的圆柱状、带状铜材挤压成、裁切成作为金属片体14的铜排11。

2、碳环6加工：

对碳环6的成型加工是混合碳片换向器中的难点，其成因在于碳虽然具有良好的耐磨性以及抗腐蚀性。但碳片的整体强度有限，车削加工往往极易导致碳片碎裂。故目前对碳环6的加工普遍是通过压制成型。

在本方案中，优选各项同性等压石墨作为原材料碳1，首先车削碳坯的外表面，加工出横截面为圆形的碳棒a2。碳棒a2的直径稍大于换向器成品的外圆直径。

再通过镗刀车削碳棒的端部，加工出横截面为圆环形的碳棒b3。

将碳棒b3固定在车床上，在碳棒b3的中部伸入特制的燕尾槽加工刀4。如图4所示，燕尾槽加工刀4整体大致呈“L”型。燕尾槽加工刀4的端部具有一个主刃口41和两个侧刃口42，侧刃口42设置在主刃口41的两侧。主刃口41与侧刃口42组成大致成“T”型的刀头，且刀头的总体宽度d小于燕尾槽加工刀4的槽口宽度D。

燕尾槽5的切削过程中，燕尾槽加工刀4首先深入碳棒b3内，并沿碳棒b3的径向切削碳棒内侧壁，在碳棒b3的内侧壁上由主刃口41切削出一圈主槽。主槽作为燕尾槽5的雏形，且碳棒b3的壁厚减去燕尾槽5的深度即为碳环6的主体壁厚，即后续碳质片体15的厚度。通过任意调节主刃口41的进刀深度即可自由控制碳质片体15的厚度，使得碳质片体15的厚度与金属片体14的厚度相近。

主槽切削完成后，保持燕尾槽加工刀4不退出主槽，而是水平左右移动燕尾槽加工刀4，利用两侧的侧刃口42切削主槽侧面根部，利用尖角状的侧刃口42从而加工出燕尾槽5。完成燕尾槽5的形样加工后，复位燕尾槽加工刀4并使燕尾槽4顺利从燕尾槽5中退出。

通过分段式的切削加工方式，最终实现在完整环状体内侧加工燕尾槽5。

碳环6内的燕尾槽5加工完成后，按碳环6的预定长度切削碳棒b3以制得碳环6。

3、清洗步骤1中加工的铜排11以去除铜排11上可能残留的油渍、污渍，将铜排11依次排列在陶瓷芯体9上。陶瓷芯体9如图12所示，陶瓷芯体9成圆柱状，其外表面开设有若干凹槽用以供铜排11插入，铜排11固定在陶瓷芯体9上之后，使若干铜排11组成圆柱形。

4、将碳环6固定在陶瓷工装7上。陶瓷工装7如图9、10所示，其具有用于容纳碳环6的开口腔体，在陶瓷工装7的底部开设有座孔，座孔与碳环6内孔大小相近，一陶瓷芯轴8穿于其中以固定碳环6。对碳环6的端部进行金属化，优选在碳环6端部刷涂钎焊料10。将陶瓷芯体9固定在陶瓷芯轴8上，使涂有钎焊料10的碳环6与铜排11贴合，放入钎焊炉中将碳环6与铜排11焊接固定。完成焊接后车削碳环6、铜排11外圆，并在碳环6远离铜排11的一端外侧车出固定台61。

5、取出完成焊接的碳环6与铜排11，放入注塑机中，压注入酚醛塑粉，制成绝缘主体13，制得换向器半成品。

6、机加工，依次对换向器半成品进行车内孔、精车外圆、端面、铣片间槽、铣钩槽、弯钩、抛光，制成换向器成品。机加工各步骤与传统换向器加工工艺相同，再次不做赘述。

实施例2，一种混合碳片换向器，如图14所示，包括圆柱形的绝缘主体13、嵌设在绝缘主体13外表面的换向片，换向片包括金属片体14、碳质片体15，其中金属片体14优选为银铜合金。碳质片体15的厚度与金属片体14的厚度接近。碳质片体15内侧设置有燕尾槽5，碳质片体15通过燕尾槽5固定在绝缘主体13上。燕尾槽5沿绝缘主体13的周向设置。金属片体14、碳质片体15沿轴向设置在绝缘主体13上，碳质片体15远离金属片体14的一端设置有固定台61，且所述固定台61设置在碳质片体15外表面，绝缘主体13延伸至固定台61上。

实施例3，一种加工碳环用加工刀，该加工刀优选为PCD刀具，整体大致呈“L”型，加工刀的端部具有一个主刃口41和两个侧刃口42，侧刃口42设置在主刃口41的两侧。主刃口41与侧刃口42组成大致成“T”型的刀头，且刀头的总体宽度小于燕尾槽5的槽口宽度。且主刃口41与侧刃口42连接。

实施例4，一种混合碳片换向器用铜排，如图13所示，铜排11整体呈片状，铜排11的外表面为圆弧面，在铜排11的里侧具有用于嵌入绝缘主体13的片脚。

在铜排11的两侧设置有预定位层111。若干片铜排11固定在陶瓷芯体9上时，相邻两铜排11之间的预定位层111恰好抵触从而使铜排11组成一完整的圆柱形。铜排11外表面直径略大于换向器成品的外圆直径，定义铜排11外表面直径=换向器成品直径+s。则预定位层111的厚度不超过s。

在换向器半成品经注塑成型后，在机加工阶段首先车换向器的外圆，使得预定位层111被车削掉从而露出其中的绝缘主体13。在铣片间槽阶段（片间槽即用于分隔两相邻铜排的槽），则车床以两铜排11之间露出的绝缘主体13作为定位点进行铣槽。实现碳换向器的无云母加工。

Claims (5)

1.一种混合碳片换向器的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

Stp1-1、冲铜排(11)：通过挤压、冲制加工出铜排(11)；

Stp1-2、碳环(6)加工：通过车削加工出带有燕尾槽(5)的碳环(6)；

Stp2、排片：将铜排(11)环绕固定在芯体上排成圆柱形；

Stp3、焊接：对碳环(6)的端部进行金属化处理，再将碳环(6)焊接在铜排(11)上制成外导体毛坯；

Stp4、压制：在外导体毛坯内导入酚醛塑粉压制形成换向器毛坯；

Stp5、机加工：对换向器毛坯进行机加工制成换向器成品；

Stp1-2中的车削工艺为：a、首先车削原材料碳(1)的外周，加工出横截面大致为圆形的碳棒a(2)，b、再对碳棒a(2)进行镗孔，加工出横截面为圆环形的碳棒b(3)，c、沿周向车削碳棒b(3)的内表面，加工出碳片燕尾槽(5)，d、在碳棒b(3)上切下带有碳片燕尾槽(5)的碳环(6)作为碳环(6)；

步骤c包括c1、对碳棒b(3)内表面进行切削并加工出至少一圈环状的主槽(51)，c2、利用带有凸起刃口的切削工具沿碳棒b(3)的轴向切削主槽(51)的侧面，加工出呈缩口状的燕尾槽(5)。

2.根据权利要求1所述的混合碳片换向器的制造方法，其特征在于：燕尾槽(5)切削过程中，主槽部分碳环(6)的厚度不超过铜排(11)的厚度。

3.根据权利要求2所述的混合碳片换向器的制造方法，其特征在于：在进入stp2前，先清洗铜排(11)。

4.根据权利要求3所述的混合碳片换向器的制造方法，其特征在于：stp5中机加工包括车内孔、车外圆、铣片间槽、铣钩槽、抛光。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述混合碳片换向器制造方法制作的混合碳片换向器，包括圆柱形的绝缘主体(13)、嵌设在绝缘主体(13)外表面的换向片，所述换向片包括金属片体(14)、碳质片体(15)，其特征在于：所述碳质片体(15)的厚度与金属片体(14)的厚度接近；

所述碳质片体(15)内侧设置有燕尾槽(5)，所述碳质片体(15)通过燕尾槽(5)固定在绝缘主体(13)上；

所述燕尾槽(5)沿绝缘主体(13)的周向设置；

所述金属片体(14)、碳质片体(15)沿轴向设置在绝缘主体(13)上，碳质片体(15)远离金属片体(14)的一端设置有固定台(61)，且所述固定台设置在碳质片体(15)外表面，所述绝缘主体延伸至固定台(61)上。