CN111293555B - 一种具有碳纳米管的电刷-换向器结构 - Google Patents

一种具有碳纳米管的电刷-换向器结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电机的电刷‑换向器结构，在电刷本体/换向器上设置碳纳米管刷，并以碳纳米管的外壁与换向器/电刷接触，与传统的电刷本体直接与换向器接触导电或者以碳纳米管的端部与换向器接触导电相比，能够显著降低电刷的机械磨损和电气磨损。

Description

一种具有碳纳米管的电刷-换向器结构
技术领域
本发明涉及一种用于发电机或电动机里的电刷和/或换向器结构。
背景技术
众所周知，在具有相对运动的装置中，两个界面之间不可避免的存在着摩擦。两个固体的表面之间的摩擦和磨损来源于表面之间微观下的粗糙性，二者之间正压力越大，摩擦越大，因而磨损越大。根据库伦定律，摩擦力(f)与法向力(FN)成正比：f＝μFN，其中μ为摩擦系数。多数固体间摩擦系数在0.1-0.5之间，含液体润滑剂时摩擦系数在0.05-0.1之间。冰刀与冰面之间约0.01。通常情况，是希望这种摩擦越小越好(以离合器、CVT(带式无极变速器)等以摩擦作为传动方式的场合希望界面之间能提供较大的摩擦力)，以提高系统的效率，减少损耗。但是，不期望的摩擦及其引发的磨损无处不在。例如，驱动汽车行驶的功率的1/3－1/2是用于克服各种摩擦，其中包括发动机内、传动部件之间等的摩擦。
电机中的电刷的功能是在电机的固定部件与旋转部件(换向器或集电器)之间传导电流。电刷在旋转着的换向器或集电器表面上滑动，从而起着导电或换向。电刷的磨损简单分为机械磨损和电气磨损。电刷与换向器的接触是靠弹簧(或者其它能向电刷施加朝向换向器的压力的其它弹性部件)的压力决定，三者是电机整流(换向)的三大核心部件。而在电机的高速运行过程中，电刷始终要承受弹簧压力而与换向器接触，而压力上升，则机械磨损增大而电气磨损下降；反之，则机械磨损下降而电气磨损增大。因此，电刷作为电机的重要的零件，必须具备相互矛盾的特性：磨损系数和磨损量小，不研磨或损伤换向器或集电环，电阻系数小等。
通常，电刷与换向器的接触并不是面接触。电流并不通过整个接触面，而仅限于通过成为导电点的小面积，这是由于依靠两个接触面的几个微小突起碰到一块的点来进行接触的缘故，电流流过这些点时集中而产生电阻，这就使得与面接触相比电阻较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种应用于电机中的电刷-换向器结构，电刷和换向器之间具有极低摩擦系数，摩擦损耗极低。本发明中提到的换向器，包括了集电器、集电环和滑环。
本发明在电刷上设置碳纳米管，碳纳米管的外壁与换向器接触。碳纳米管与换向器之间能够依靠范德华力相互作用，由此，碳纳米管与换向器能靠范德华力而彼此之间柔性贴合，由此起到导电好、电弧少、接触可靠的效果。换向器可以是铜、铝、不锈钢或相关合金，也可以是镀有石墨，石墨烯，氮化硼，过渡金属硫化物、黑磷等范德华层状材料的铜、铝、不锈钢等合金，可以采用PECVD等方法将范德华层状材料镀在铜、铝、不锈钢等合金上。
本发明所述的电刷可以是多根碳纳米管组成，也可以是碳纳米管阵列组成，其中碳纳米管长度和使用环境相适应。
碳纳米管也可以是布置在换向器上。
优选的，所述碳纳米管与与其接触的换向器部分至少大部分处于非公度状态。当两个晶面的晶格常数和取向完全匹配时，称这两个晶面是公度的。
本发明所述的碳纳米管刷与电刷本体或换向器的连接可以是通过导电胶或金属熔融固化。也可以是生长在导电基底上，导电基底进一步用导电胶或金属熔融固化或结构形式固定到电刷本体上。
本发明所述的电刷尤其适用于在真空环境下，电刷跟换向器的接触表面是晶面，并且二者保持在一个封闭的空间，也可以是接近真空环境。
附图说明
图1为现有技术中具有碳纳米管的电刷的示意图；其中图1(a)为电刷示意图，图1(b)为电刷与旋转体(换向器/集电器)接触时的示意图；
图2为本发明碳纳米管刷设置在电刷本体上时的示意图；
图3为本发明碳纳米管刷设置在换向器上时的示意图(省略了电刷本体部分)；
图4为碳纳米管刷通过基底安装在电刷本体上的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为现有技术中采用碳纳米管的电刷的结构与工作时的示意图。其中多个碳纳米管(2)可随机生长在电刷本体(1)的导电基体上，也可以形成碳纳米管阵列。从图1(b)可以看出碳纳米管(2)的端部与旋转体(换向器/集电器)(3)直接接触。碳纳米管(2)受到相应的摩擦力的作用而弯曲。但是其依靠碳纳米管的端部与旋转体接触，接触区刚好是碳纳米管的边缘部分，由于吸附或变形等因素，端部的仍然与旋转体之间存在较大的摩擦力，并且为了确保电刷与旋转体的接触，与传统技术相同，仍然需要采用背景技术中提到的弹簧，以较大的弹性力将电刷压靠到旋转体。
本发明中，主要是以碳纳米管的外壁与换向器接触。优选的，换向器的表面是一种导电晶面结构，可以是石墨烯、石墨、氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等范德华层状材料等材料，在设计电刷的碳纳米管和换向器接触时，优选的考虑二者接触面处于非公度状态。碳纳米管与换向器能够通过范德华力而吸引在一起。
实验结果表明，碳纳米管与换向器间的摩擦主要来自碳纳米管端头与换向器接触部分。虽然面内的接触面积比端头接触面积大两个量级以上，摩擦贡献却和端头部分的贡献相当甚至小于。因此碳纳米管平躺的方式可以有效降低摩擦磨损。
实施例1
图2为本发明的具体实施例1，电刷包括电刷本体(1)和由多个碳纳米管(2)组成的碳纳米管刷。在电刷本体(1)的第一表面上设置多根碳纳米管(2)构成的碳纳米管刷。碳纳米管(2)具有设置在电刷本体(1)上第一端部A和自由的第二端部B，以其碳纳米管的外壁接触或贴合在换向器(3)上。所述碳纳米管(2)具有与换向器(3)相接触或贴合的、自碳纳米管与换向器相接触的起始点C延伸至碳纳米管的第二端部B的第一部分，以及自电刷本体(1)延伸到该第一部分的起始点C的第二部分。第一部分至少局部的与换向器接触或贴合。优选的，在换向器的表面设置有石墨或石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等范德华层状导电材料，导电材料不限于此。换向器的表面优选为晶面结构，优选具有原子级的光滑程度，碳纳米管能依靠范德华力而保持在换向器的表面，如图2所示。需要注意的是，对于碳纳米管的长度设计，应避免当碳纳米管贴附在换向器表面时，在旋转过程中造成换向器的短路。由此，应严格设计碳纳米管贴附在换向器上的长度L(BC)。
在自由状态下，碳纳米管(2)可以是垂直于过第一端部A水平方向上的第一水平表面，也可以是与该第一水平表面在靠近换向器一侧的角度成锐角或钝角。碳纳米管(2)与过第一端部A水平方向上的第一水平表面在靠近换向器一侧的角度，在自由状态下成第一角度(θ1)，在工作状态下即碳纳米管刷与换向器接触的状态下，成第二角度(θ)，第二角度大于等于第一角度。如图2所示，在电刷本体(1)的位置固定的情况下，换向器中心O与第一端部的端点A的连线OA与第二部分的延长线的角度大于在同样位置下假想的自由状态下碳纳米管与连线OA的角度，即，换向器中心O与在假想的自由状态下碳纳米管的垂直距离r小于换向器的外径R。以可通过角度θ1的设计，能够依靠碳纳米管的回复弹性而以外壁保持在在换向器上。角度θ1通过气流定向、电场诱导控制碳纳米管与表面成角度θ1的生长。另一方面，可以通过设置一定的结构调整电刷在水平和竖直方向上的位置，据此可以改变碳纳米管与换向器的接触位置，接触角度以及接触长度。并且，也可以改变电刷本体(1)相对于第一水平面的角度，调整θ1。图2示出的两片式的换向器，左右两侧的电刷本体(1)和碳纳米管刷(2)关于换向器的中心成点对称布置方式均布在换向器的周围。电刷的布置方式与换向器的形式相关。图2仅是示意性的，碳纳米管可以阵列的方式布置。可以通过化学气相沉积(CVD)等现有技术中成熟的方法直接生长得到需要的碳纳米管阵列。
碳纳米管刷可以是直接生长在电刷本体(1)上，也可以是生长在基底(4)上后，如图4所示，与基底(4)一起通过导电胶或金属熔融固化或其它结构固定到电刷本体(1)上。
实施例2
与实施例1中碳纳米管刷设置在电刷上不同，如图3所示，在本实施方式中，换向器(3)表面具有多根碳纳米管(2)组成的碳纳米管刷，碳纳米管刷具有设置在换向器上的第一端部和自由的第二端部，以碳纳米管(2)的外壁接触或贴合在电刷导电基体上。碳纳米管均布在换向器(3)的外周面上。电刷导电基体与换向器的距离应使得碳纳米管以其外壁与电刷导电基体相接触或贴合。优选的电刷导电基体的表面设置有石墨或石墨烯等导电材料，导电材料不限于此。电刷导电基体的表面为一晶面结构，优选具有原子级的光滑程度，碳纳米管能依靠范德华力而保持在电刷的表面。需要注意的是，对于碳纳米管的长度设计，应避免当碳纳米管贴附在电刷导电基体表面时，在旋转过程中造成换向器的短路。由此，应严格设计碳纳米管贴附在电刷导电基体上的长度。碳纳米管可以通过化学气相沉积(CVD)等现有技术中成熟的方法直接生长得到需要的碳纳米管阵列。
虽然已经显示和描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员应该理解，本发明不限于这些特定实施例，在不偏离本发明真实范围的情况下，可以对其元件进行各种变化，改进和替换。

Claims (7)

1.一种导电结构，包括电刷和换向器，所述电刷包括电刷本体和一端设置在电刷本体上的碳纳米管刷，所述碳纳米管刷包括多根碳纳米管，其特征在于：所述碳纳米管刷以碳纳米管的外壁与换向器接触，所述碳纳米管具有设置在电刷本体上的第一端部和自由的第二端部，碳纳米管的外壁贴合在所述换向器上，所述碳纳米管具有与换向器相接触/贴合的、自碳纳米管与换向器相接触的起始点延伸至碳纳米管的第二端部的第一部分，以及自电刷本体延伸到该第一部分的起始点的第二部分，所述第一部分依靠范德华力贴附在所述换向器上。
2.根据权利要求1所述的导电结构，其特征在于：所述换向器表面覆盖有二维导电层。
3.根据权利要求1-2中任一所述的导电结构，其特征在于：换向器中心与在假想的自由状态下碳纳米管的垂直距离小于换向器的外径，使得能够依靠碳纳米管的回复弹性而以外壁保持在换向器上。
4.根据权利要求3所述的导电结构，其特征在于：碳纳米管与过第一端部水平方向上的水平表面在靠近换向器一侧的在第一端部处所构成的角度，在假想的自由状态下成第一角度，在工作状态下即碳纳米管刷与换向器接触/贴合的状态下，成第二角度，其中第二角度大于等于第一角度。
5.根据权利要求1或2所述的导电结构，其特征在于：换向器的表面是一种导电晶面结构，具有原子级的光滑程度，所述碳纳米管刷与该表面处于非公度状态。
6.根据权利要求5所述的导电结构，其特征在于：碳纳米管刷的至少部分碳纳米管是生长在基底上，所述基底通过导电胶或金属熔融固化固定到电刷本体上。
7.一种导电结构，包括电刷和换向器，所述换向器包括换向器本体和碳纳米管刷，所述碳纳米管刷由多根一端设置在换向器本体上的碳纳米管构成，其特征在于：所述碳纳米管刷以碳纳米管的外壁与电刷接触，所述碳纳米管具有设置在电刷本体上的第一端部和自由的第二端部，碳纳米管的外壁贴合在所述换向器上，所述碳纳米管具有与换向器相接触/贴合的、自碳纳米管与换向器相接触的起始点延伸至碳纳米管的第二端部的第一部分，以及自电刷本体延伸到该第一部分的起始点的第二部分，所述第一部分依靠范德华力贴附在所述换向器上。
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