CN111799958A - 直流电动机 - Google Patents

Abstract

提供一种能够抑制换向器磨损的直流电动机。直流电动机(40)包括：换向器(20)，所述换向器由铜或含99％以上铜的铜合金形成；以及电刷(30)，所述电刷压靠于换向器(20)并与之接触，其中，电刷(30)由包括石墨和铜粉末的烧结体构成，硬度比铜或铜合金以及石墨或铜粉末中的任一个高的硬质化合物颗粒(33)包含在换向器(20)和电刷(30)中的至少一个中，并且硬质化合物颗粒至少在使用期间散布在换向器(20)和电刷(30)的接触表面(20A)上或附近。

Description

直流电动机

技术领域

本公开涉及一种直流电动机。

背景技术

一般而言，在直流电动机中，电刷被压靠在换向器上，以在换向器和电刷之间建立电接触。在这种情况下，换向器的旋转会磨损电刷。为了延长直流电动机的寿命，近来已经提出了多种方法来防止电刷的磨损。另一方面，为了延长直流电动机的寿命，还希望防止换向器的磨损。为了防止换向器的磨损，已知有一种技术，通过溅射或离子电镀，在换向器的表面上形成主要包含Ti、Ta等的氮化物或碳化物且厚度为1μm至2μm的硬质涂层(例如JP1984-185138A)。

在JP1984-185138A中，换向器的表面上仅形成1μm至2μm的硬质涂层。因此，换向器的耐久性差，并且不能长时间维持硬质涂层。换言之，换向器可能磨损到磨损极限。另外，溅射和离子电镀生产效率低，材料成本高，会导致生产成本高。

发明内容

鉴于这些问题，本公开的主要目的是提供一种能够抑制换向器磨损的直流电机。

本公开的第一方面包括：由铜或含99％以上铜的铜合金形成的换向器；以及压靠在换向器上并与换向器接触的电刷。所述电刷包括具有石墨和铜粉末的烧结体。硬度比铜或铜合金以及石墨或铜粉末中的任一个高的硬质化合物颗粒包含在换向器和电刷中的至少一个中，硬质化合物颗粒至少在使用期间散布在换向器和电刷的接触表面上或附近。

换向器和电刷中至少一个包含硬质化合物颗粒。硬质化合物颗粒至少在使用期间散布在换向器和电刷的接触表面上或附近，因此，包括硬质化合物颗粒的硬质部分和不同于硬质部分的非硬质部分存在于换向器和电刷的接触表面上。硬质部分可以抑制非硬质部分的磨损，换言之，可以防止换向器的铜或铜合金部分的磨损。这使得可以抑制换向器的磨损，从而提高换向器的寿命。注意，“使用期间”至少是指使用者使用换向器以及在开始使用之后的状态。

在本公开的第二方面中，硬质化合物颗粒包含在电刷中。

在硬质化合物颗粒包含于电刷中的情况下，电刷与换向器之间的滑动导致硬质化合物颗粒转印到换向器。其结果是，硬质化合物颗粒散布在换向器和电刷的接触表面上或附近。此外，随着电刷的磨损，电刷中包含的硬质化合物颗粒继续被转印。因此，即使在硬质化合物颗粒从换向器和电刷的接触表面上丢失的情况下，也可馈送新的硬质化合物颗粒以允许硬质化合物颗粒连续地散布在换向器和电刷的接触表面上或附近。

在本公开的第三方面中，硬质化合物颗粒在从电刷与换向器的接触表面到预定的假定磨损范围内包含在电刷中。

硬质化合物颗粒在从电刷与换向器的接触表面到预定的假定磨损范围内包含在电刷中。换言之，硬质化合物颗粒包含在电刷磨损的范围内。因此，硬质化合物颗粒可以馈送到换向器和电刷的接触表面，直到电刷的假定磨损范围磨损掉并且电刷达到电刷寿命的终点。硬质化合物颗粒可以保持散布在换向器和电刷的接触表面上或附近，从而抑制换向器的磨损。

在本公开的第四方面中，在电刷中，与电刷压靠换向器的方向正交的平面上的硬质化合物的面积比为0.4％到5％。

电刷中的硬质化合物颗粒并非全部转印，一些硬质化合物颗粒不是转印而是丢失。因此，需要包含具有一定面积比的硬质化合物颗粒。另一方面，不优选的是，具有过高面积比的硬质化合物颗粒降低了石墨的比例，阻碍了石墨润滑功能的作用。因此，在电刷中与电刷压靠换向器的方向正交的平面上的硬质化合物的面积比为0.4％到5％的情况下，可以通过适当地转印到换向器和电刷的接触表面上的硬质化合物颗粒来保持润滑性。

在本公开的第五方面中，烧结体中包含的硬质化合物颗粒的量为1质量％以下。

烧结体(电刷)中包含的硬质化合物颗粒的增加量会刮擦换向器或减少烧结体中包含的石墨的量，并阻碍石墨润滑功能的作用。因此，将烧结体中包含的硬质化合物颗粒的量限制在1质量％以下，可以防止硬质化合物对换向器的刮擦，并抑制换向器和电刷之间润滑的退化。

在本公开的第六方面中，电刷中包含金属硫化物固体润滑剂。

换向器和电刷之间的滑动导致电刷中的石墨转印到换向器上，在换向器和电刷的接触表面上形成石墨膜。此时，在电刷中包含金属硫化物固体润滑剂的情况下，在换向器和电刷的接触表面上形成的石墨膜中也包含金属硫化物固体润滑剂。包含金属硫化物固体润滑剂的石墨膜提供优异的润滑性。因此，除了抑制由于硬质化合物颗粒造成的磨损外，金属硫化物固体润滑剂提供的润滑性还保护换向器和电刷的接触表面。

在本公开的第七方面中，硬质化合物颗粒散布在换向器和电刷的接触表面上或附近。

在换向器中，具有较高硬度的硬质化合物颗粒散布在换向器和电刷的接触表面上或附近。在换向器中，硬质化合物颗粒从使用前就散布在换向器和电刷的接触表面上或附近，从而减少了换向器的磨损。此外，硬质化合物颗粒在换向器中预散布而不是从电刷转印，有助于控制硬质化合物颗粒在换向器中的散布比。

在本公开的第八方面中，存在于换向器的接触表面上或附近的硬质化合物颗粒的丰度比是在换向器和电刷的接触表面的100μm×100μm的面积内平均存在10到100个硬质化合物颗粒的比率。

通过改变硬质化合物颗粒丰度比的反复试验的结果是，本发明人发现在100μm×100μm面积内存在10个以上的硬质化合物颗粒可以改善换向器的磨损减少效果。本发明人还发现，超过100个硬质化合物颗粒过度增强了刮擦电刷的作用。因此，在本构造中，在换向器和电刷的接触表面的100μm×100μm面积内存在10到100个硬质化合物颗粒。这允许在减少换向器磨损的同时抑制电刷的刮擦。

在本公开的第九方面中，从换向器的接触表面露出的硬质化合物颗粒的露出面积与换向器的表面积的比率为0.4％以上。

通过改变硬质化合物颗粒的露出面积与换向器表面积的比率的反复试验的结果是，本发明人发现，通过使露出的硬质化合物颗粒占换向器表面积的0.4％以上，可以增强对换向器的磨损减少效果。因此，在本结构中，露出的硬质化合物颗粒占换向器表面积的0.4％以上。这使得可以减少换向器的磨损。

在本公开的第十方面中，每个硬质化合物颗粒的尺寸为1至6μm。

换向器和电刷之间的滑动导致电刷中的石墨转印到换向器上，在换向器和电刷的接触表面上形成石墨膜。石墨膜的平均厚度通常约为1μm。因此，过小的硬质化合物颗粒被埋入石墨膜中。

另一方面，在硬质化合物颗粒尺寸过大的情况下，在硬质化合物颗粒和电刷之间滑动的期间，硬质化合物颗粒对电刷提供滑动阻力，并且容易从换向器和电刷的接触表面上分离。此外，滑动阻力会导致电刷被过度刮掉。

因此，每个硬质化合物颗粒的尺寸为1至6μm。尺寸每个大于1μm的硬质化合物颗粒容易从石墨膜露出。此外，可以防止每个尺寸小于6μm的硬质化合物颗粒增大滑动阻力。这使得电刷和换向器得到适当的支承，从而减少换向器的磨损。

在本公开的第十一方面中，硬质化合物颗粒的电阻率为16μΩm以下。

电刷和换向器之间的接触电阻很大程度上取决于在换向器和电刷的接触表面上形成的石墨膜的接触电阻。石墨膜的接触电阻取决于作为主要成分的碳的电阻率，并且碳具有大约16μΩmm的电阻率。因此，在硬质化合物颗粒的电阻率等于或低于碳的电阻率，换言之，等于或低于16μΩm的情况下，尽管散布了硬质化合物颗粒，仍可防止电刷和换向器之间的接触电阻增大。使用电阻率为16μΩm以下的硬质化合物颗粒可以抑制换向器的磨损，同时防止电动机电阻的增大。

在本公开的第十二方面中，换向器的外周面具有平行于滑过电刷的方向的不平坦形状。

在现有技术中，在换向器的外周面上设置平行于滑过电刷的方向的不平坦形状，以稳定电刷的滑动接触状态。然而，对于普通的换向器和普通的电刷，反复滑动会逐渐地磨损掉不平坦的形状，并且也会降低对接触状态的稳定作用。

因此，硬质化合物颗粒散布在换向器和电刷的接触表面上或附近，以抑制换向器磨损，并保持换向器外周面的不平坦形状。这允许与电刷的滑动接触能够在较长时间段内保持稳定。

附图说明

在附图中：

图1是起动器的局部剖切剖视图；

图2是换向器的局部放大剖视图；

图3是示出电刷和换向器之间的滑动的示意图；

图4的(a)、图4的(b)和图4的(c)是示出连接到直流电动机的起动电路的构造的示例的图；

图5是换向器和电刷在使用期间的示意图；

图6是示出硬质化合物颗粒的丰度比(英文：abundance rate)与换向器的寿命之间的关系的图；

图7是示出硬质化合物颗粒的露出面积与换向器的寿命之间的关系的图；

图8是根据另一实施方式的换向器的示意图；

图9是根据另一实施方式的换向器在使用期间的示意图。

具体实施方式

将基于附图对实施为起动车辆发动机的起动器的构造进行描述。假定根据本实施方式的起动器用于配备有怠速停止系统的车辆中。

图1是起动器S的示意结构图。起动器S包括：直流电动机40；减速单元50，所述减速单元50将直流电动机40的旋转减速并将减速的旋转传递到小齿轮73；以及磁开关60，所述磁开关60用作向直流电动机40供电的开关。减速单元50包括例如行星齿轮机构。

磁开关60对应于使起动器S旋转发动机的齿圈的开关。例如，在用户操作钥匙来接通IG开关的情况下，磁开关60使换档杆71将与直流电动机40相对的小齿轮73推出，使发动机的齿圈与小齿轮73啮合。直流电机40经由磁开关60电连接，以经由减速单元50和单向离合器72将直流电机40的旋转传递到小齿轮73。

直流电动机40包括对应于电枢的转子10，并且转子10包括设置在转子10的中心的旋转轴12和设置在旋转轴12周围的线圈15。旋转轴12设置有连接到线圈15的换向器20。直流电动机40的磁场系统是磁场型的，并且用于磁场的磁体16固定到轭的内周面。转子10的线圈15配置在磁体16内。

将使用图1和图2来描述换向器20。图2是换向器20的局部放大剖视图。换向器20包括沿周向方向以等间隔设置的多个部段21，并且每个部段21连接到线圈15中的相应一个。换向器20由铜或含99％以上铜的铜合金形成。更具体而言，换向器20由含银铜或磷脱氧铜形成。注意，换向器20的露出外周面以及换向器20的与电连接有关的部分、换言之，部段21由铜或铜合金形成即可。

电刷30被压靠在换向器20上并与之滑动接触。换向器20的外周面设置有形状不平坦的不平坦部22。不平坦部22形成为与滑过电刷30的方向换言之，换向器20的旋转方向平行，并且具有交替地设置有弧形凹陷和尖锐凸起的形状。不平坦部22中的每个凹槽的深度例如约为0.1mm到0.3mm，并且凸起之间的距离约为1mm。不平坦部22在电刷30中形成凹槽，不平坦部22与该凹槽配合。电刷30和换向器20之间的配合能使得电刷30的接触状态稳定，从而能够抑制火花。

将使用图3描述电刷30的构造。图3是示出电刷30和换向器20之间的滑动的示意图。图3中的箭头指示换向器20在电刷30上的滑动方向。

电刷30包括包含石墨、铜等的烧结体。电刷30包括植入电刷30的侧面并连接到外部装置的辫子(英文：pigtail)35。注意，尽管未示出，但电刷30通过与换向器20相对设置的弹簧压靠在换向器20上。

电刷30是包括沿换向器20的旋转方向布置的第一层31和第二层32的多层电刷。在换向器20旋转期间，第一层31首先与部段21中的每一个接触，并且第二层32随后与部段21接触。在这种情况下，第二层32是最后与每个部段21接触的层。第一层31具有高铜含量和小电阻值，而第二层32具有比第一层31更低的铜含量和更大的电阻值。第二层32比第一层31薄。具体而言，第一层31中的铜粉末量(以下称为“铜量”)为烧结体的30-60质量％，而第二层32的铜量小于烧结体的30质量％。

现在，将使用图1和图4描述用于向直流电动机40供电的电路。图4是示出经由磁开关60连接到直流电动机40的起动电路81的构造的图。换向器20由电池80经由电刷30供电，并将从电刷30供给的电力供给至线圈15。线圈15被供电以使转子10旋转。在直流电动机40中，换向器20例如在空载运转期间以高于30m/s的周向速度旋转。

在现有技术中，通常使用一个铅酸电池为起动器S供电。使用一个铅酸电池的起动电路通常具有11V到14V范围的开路电压和大约6到8毫欧的电路电阻，通过将配线电阻和电池内阻相加得到电路电阻。

另一方面，近年来，电池80包括锂离子电池等以减轻重量和提高充电效率。例如，电池80具有图4的(a)所示的锂离子电池(LiB)的构造、图4的(b)所示的两个铅酸电池(PbB)并联的构造、或图4的(c)所示的锂离子电池和铅酸电池并联的构造。这些电池80的开路电压范围为11V至14V，电路电阻R小于5毫欧，通过将配线电阻Rw和电池80的内部电阻Rb相加得到电路电阻。因此，电池80的使用增大了施加到直流电动机40的电压，并且也增大了直流电动机40的转速。根据本实施方式的直流电动机40在冷起动期间具有约12V的施加电压，并且在直流电动机40工作期间具有100A以上的电流。

在如图4所示的电路构造中使用的根据本实施方式的直流电动机40中，磨损很可能是由火花引起的。一般而言，与绕组磁场系统相比，诸如根据本实施方式的直流电动机40等的磁场系统更经常发生换向器20和电刷30之间的火花和磨损。在使用锂离子电池等的起动电路81中，直流电动机40的转速增大，导致换向器20和电刷30之间更频繁的火花和磨损。

更频繁的火花可能导致不平坦部22容易被刮掉。通常，换向器20和电刷30之间的滑动逐渐导致不平坦部22的磨损，并且相应地逐渐降低电刷30的滑动接触的稳定效果。特别地，在如本实施方式中涉及不平坦部22中的薄凹槽和极有可能发生火花的构造中，不平坦形状提前磨损，从而消除了电刷30的滑动接触的稳定效果。

因此，在本实施方式中，如图5所示，至少在使用开始后的起动器S的使用期间，硬质化合物颗粒33被散布在换向器20与电刷30的接触表面20A上或附近。图5是换向器20和电刷30在使用期间的示意图。硬质化合物颗粒33包含在电刷30中，通过电刷30和换向器20之间的滑动而转印，并散布在换向器20的接触表面20A上或附近。注意，“附近”表示距换向器20的接触表面20A的预定深度，例如，距接触表面20A的深度为20μm。

通过换向器20和电刷30之间的滑动，在换向器20和电刷30的接触表面20A上形成石墨膜25。石墨膜25是通过将电刷30中包含的石墨转印到换向器20的接触表面20A而形成的。形成的石墨膜25为换向器20的接触表面20A提供了润滑性。石墨膜25通常具有约1μm的平均厚度。

除石墨和铜粉末外，电刷30中还包含金属硫化物固体润滑剂。金属硫化物固体润滑剂包括例如二硫化钨或二硫化钼。在电刷30中包含金属硫化物固体润滑剂的情况下，金属硫化物固体润滑剂的转印与石墨的转印同时进行，并且石墨膜25中包含与电刷30中包含的金属硫化物固体润滑剂相同的金属硫化物固体润滑剂。包含金属硫化物固体润滑剂的石墨膜25提供优异的润滑性。注意，在电刷30的第一层31和第二层32中的至少一个中包含金属硫化物固体润滑剂即可。或者，不同的金属硫化物固体润滑剂可以包含在电刷30的第一层31和第二层32中。例如，二硫化钨可以包含在第一层31中，二硫化钼可以包含在第二层32中。

此外，硬质化合物颗粒33包含在电刷30中。硬质化合物颗粒33具有比作为换向器20的基材的铜或铜合金以及电刷30中包含的石墨、铜粉末等更高的硬度。硬质化合物颗粒33的维氏硬度至少为5Gpa，并且优选大于10Gpa。硬质化合物颗粒33是碳的无机化合物(碳化物)，并且是例如碳化钼、碳化钨、碳化硼或碳化硅。

优选地，每个硬质化合物颗粒33的尺寸均为1至6μm。更优选的是，每个硬质化合物颗粒33的尺寸可以为4.5μm到5μm。石墨膜25的平均厚度约为1μm，因此每个尺寸小于1μm的硬质化合物颗粒33被埋在石墨膜25中。当换向器20的接触表面20A上的硬质化合物颗粒33滑过电刷30时，每个大于6μm、尤其是大于10μm的硬质化合物颗粒33提供滑动阻力，并且很可能从接触表面20A上落下。此外，滑动阻力可能导致电刷30被过度地刮掉。注意，可以包含化合物颗粒每个颗粒的尺寸小于1μm或大于6μm的少量的硬质化合物颗粒33。

优选地，硬质化合物颗粒33的电阻率等于或低于碳的电阻率，换言之，等于或低于16μΩm。电刷30和换向器20之间的电接触电阻很大程度上取决于在换向器20的接触表面20A上形成的石墨膜25的接触电阻。石墨膜25的接触电阻取决于作为主要成分的碳的电阻率。碳的电阻率约为16μΩm。因此，只要硬质化合物颗粒33的电阻率等于或低于碳的电阻率，换言之，等于或低于16μΩm，则即使硬质化合物颗粒33散布在接触表面20A上，也可防止换向器20和电刷30之间的接触电阻增大。

当电刷30压靠在换向器20上时，电刷30和换向器20相互摩擦，使得电刷30中包含的硬质化合物颗粒33转印到换向器20的接触表面20A。换言之，硬质化合物颗粒33比用于换向器20和电刷30的其它物质更硬，将电刷30压靠在换向器20上的力和由摩擦引起的热作用于硬质化合物颗粒33。因此，硬质化合物颗粒33散布在换向器20的接触表面20A上或附近，并植入到接触表面20A中。

硬质化合物颗粒33散布在换向器20的接触表面20A上或附近，因此，包括硬质化合物颗粒33的硬质部分和不同于硬质部分的非硬质部分存在于换向器20的接触表面20A上。压靠在换向器20上的电刷30由硬质化合物颗粒33支承，从而减小将电刷30压靠在非硬质部分(不同于硬质化合物颗粒33的部分)上的力。这防止了电刷30强烈地摩擦非硬质部分，允许抑制非硬质部分换言之，换向器20的基材的刮擦。

现在，将基于图6和图7讨论硬质化合物颗粒33的存在比率与换向器20的磨损程度之间的关系。图6是示出硬质化合物颗粒33的丰度比与换向器20的寿命之间的关系的图。注意，“丰度比”是指散布在预定区域中的硬质化合物颗粒33的平均数量。图7是示出硬质化合物颗粒33的露出面积比与换向器20的寿命之间的关系的图。注意，“露出面积”是指硬质化合物颗粒33的、从换向器20的接触表面20A突出的化合物颗粒部分的表面积。

本发明人对硬质化合物颗粒33在换向器20的接触表面20A中的硬质化合物颗粒33的丰度比进行反复实验，以确定适当的丰度比。关于丰度比的反复实验的结果，如图6所示，本发明人发现在换向器20的接触表面20A的100μm×100μm区域内存在10个以上的硬质化合物颗粒33改善了换向器20的磨损减少效果，从而延长换向器20的寿命，换言之，延长换向器20达到磨损极限的时间段。本发明人还发现，在100μm×100μm面积内存在100个以上的硬质化合物颗粒33会过度地增强了电刷30的刮擦作用。因此，在本实施方式中，在换向器20的接触表面20A的100μm×100μm面积内存在10到100个硬质化合物颗粒33。这允许抑制电刷30的刮擦，同时减少换向器20的磨损。

注意，当硬质化合物颗粒33从电刷30转印时，硬质化合物颗粒33在硬质化合物颗粒33具有低丰度比的情况下容易被转印，并且在硬质化合物颗粒33具有高丰度比的情况下容易丢失而不是被转印，因为换向器20的接触表面20A包括许多硬质部分。因此，在从电刷30转印期间容易获得适当的丰度比。

此外，作为通过改变硬质化合物颗粒33的露出面积与换向器20的接触表面20A的表面积之比的反复实验的结果，如图7所示，本发明人发现露出的硬质化合物颗粒33占换向器20的接触表面20A的表面积的0.4％以上可以改善换向器20的磨损减少效果。因此，在本实施方式中，露出的硬质化合物颗粒33占换向器20的表面积的0.4％以上。这样可以减少换向器20的磨损。注意，在硬质化合物颗粒33具有适当丰度比和适当尺寸的情况下，硬质化合物颗粒33的露出面积为表面积的0.4％以上。

现在将对实现如上所述的硬质化合物颗粒33的丰度比和硬质化合物颗粒33的露出面积的电刷30中包含的硬质化合物颗粒33的比率和数量进行讨论。电刷30中的硬质化合物颗粒33并非全部转印，一些硬质化合物颗粒33不是转印而是丢失。因此，与电刷30压靠换向器20的方向正交的电刷30的表面需要包含具有一定面积比的硬质化合物颗粒33。另一方面，不优选的是，具有过高面积比的硬质化合物颗粒33降低了石墨的的比例，阻碍了石墨的润滑功能的作用。因此，在本实施方式中，在电刷中，与电刷压靠换向器的方向正交的平面上的硬质化合物颗粒的面积比为0.4％到5％。在硬质化合物颗粒33所占面积的面积比为0.4％到5％的情况下，通过将硬质化合物颗粒33适当地转印到换向器20的接触表面20A，可以保持润滑性。

此外，包括烧结体的电刷30所包含的硬质化合物颗粒33的增加量会刮擦换向器20或减少烧结体所包含的石墨的量，并阻碍石墨润滑功能的作用。因此，在本实施方式中，电刷30中包含的硬质化合物颗粒33的量限制在1质量％以下，以允许通过硬质化合物颗粒33防止换向器20的刮擦，并且抑制换向器20和电刷30之间的润滑性的退化。

注意，金属硫化物固体润滑剂及硬质化合物颗粒33与石墨及铜粉末混合，并且该混合物是模制的。因此，金属硫化物固体润滑剂和硬质化合物颗粒33在电刷30压靠换向器20的方向上包含在电刷30的整个区域中。换言之，硬质化合物颗粒33包含在从电刷30与换向器20的接触表面起的预定的假定磨损范围内。这允许硬质化合物颗粒33被馈送到换向器20的接触表面20A，直到电刷30的假定磨损范围磨损掉并且电刷30达到寿命的终点。注意，假定磨损范围是从电刷30的换向器20侧端面沿压靠方向到电刷30的供辫子35突出的位置。

如上所述，进行了运转试验，在该运转试验中，在直流电动机40中使用包含预定比率的硬质化合物颗粒33的电刷30，在冷起动期间向直流电动机40施加大约12V的电压，并且在运转期间直流电动机40中可以流过100A以上的电流。在运转试验中，确认经过几千次运转后，硬质化合物颗粒33在100μm×100μm的面积内以10到100的硬质化合物颗粒33的丰度比存在于换向器20的接触表面20A上，并且硬质化合物颗粒33的露出面积为0.4％以上。

因此，在使用期间散布在换向器20的接触表面20A上的硬质化合物颗粒33能够抑制换向器20的磨损，从而提高换向器20的寿命。此外，抑制换向器20的磨损可以防止由于换向器20的不平坦磨损而导致的形状精度的降低，即，可以防止圆柱形换向器的圆度降低和面换向器的平面度降低。因此，可以抑制由形状精度降低引起的火花的发生，从而延长电刷30的寿命。

此外，硬质化合物颗粒33散布在换向器20的接触表面20A上。这显著地防止了换向器20的不平坦部22的不平坦形状的磨损，从而在延长的时间段内维持电刷30的滑动接触的稳定效果。还可以在延长的时间段内维持对电刷30提高寿命的效果。

根据以上详细描述的本实施方式，产生以下优异效果。

硬质化合物颗粒33包含在电刷30中。硬质化合物颗粒33至少在使用期间散布在换向器20与电刷30的接触表面20A上或附近，因此，包括硬质化合物颗粒33的硬质部分和不同于硬质部分的非硬质部分存在于换向器20的接触表面20A上。硬质部分可以抑制非硬质部分的磨损，换言之，抑制换向器20的铜或铜合金部分的磨损。这使得可以抑制换向器20的磨损，从而提高换向器20的寿命。

在电刷30中包含硬质化合物颗粒33的情况下，电刷30和换向器20之间的滑动导致硬质化合物颗粒33转印到换向器20。其结果是，硬质化合物颗粒33散布在换向器20的接触表面20A上或附近。此外，随着电刷30磨损，电刷30中包含的硬质化合物颗粒33继续被转印。因此，即使在硬质化合物颗粒33从换向器20的接触表面20A上丢失的情况下，也馈送新的硬质化合物颗粒33以允许硬质化合物颗粒33连续地散布在换向器20的接触表面20A上或附近。

硬质化合物颗粒33在从电刷30与换向器20的接触表面到预定的假定磨损范围内包含在电刷30中。换言之，硬质化合物颗粒33包含在电刷30磨损的范围内。因此，硬质化合物颗粒33可以被馈送到换向器20的接触表面20A，直到电刷30的假定磨损范围磨损掉并且电刷达到电刷寿命的终点。硬质化合物颗粒33可以保持散布在换向器20的接触表面20A上或附近，从而可以抑制换向器20的磨损。

电刷30中的硬质化合物颗粒33并非全部转印，一些硬质化合物颗粒33不是转印而是丢失。因此，需要包含具有一定面积比的硬质化合物颗粒33。另一方面，不优选的是，具有过高面积比的硬质化合物颗粒33降低了石墨的比例，阻碍了石墨润滑功能的作用。因此，在本实施方式中，在硬质化合物颗粒33所占的表面部分和正交于电刷压靠换向器的方向的电刷30的表面的面积比为0.4％到5％的情况下，可以通过将硬质化合物颗粒33适当地转印到换向器20的接触表面20A来保持润滑性。

烧结体(电刷30)中包含的硬质化合物颗粒33的增加量会刮擦换向器20或减少烧结体中包含的石墨的量，并阻碍石墨润滑功能的作用。因此，电刷30中包含的硬质化合物颗粒33的量限制在1质量％以下，以允许通过硬质化合物颗粒33防止换向器20的刮擦，并且抑制换向器20和电刷30之间的润滑性的退化。

换向器20和电刷30之间的滑动导致电刷30中的石墨转印到换向器20，在换向器20的接触表面20A上形成石墨膜25。此时，在电刷30中包含金属硫化物固体润滑剂的情况下，在形成在换向器20的接触表面20A上的石墨膜25中也包含金属硫化物固体润滑剂。包含金属硫化物固体润滑剂的石墨膜25提供优异的润滑性。因此，除了抑制由于硬质化合物颗粒33造成的磨损外，金属硫化物固体润滑剂提供的润滑性还保护换向器20的接触表面20A。

石墨膜25的平均厚度通常约为1μm。因此，过小的硬质化合物颗粒33被埋入石墨膜25中。另一方面，在硬质化合物颗粒33尺寸过大的情况下，在硬质化合物颗粒33和电刷30之间滑动的期间，硬质化合物颗粒33对电刷30提供滑动阻力，并且容易从换向器20的接触表面20A上分离。此外，滑动阻力会导致电刷30被过度刮掉。

因此，在本实施方式中，每个硬质化合物颗粒33的尺寸为1至6μm。每个尺寸大于1μm的硬质化合物颗粒33容易从石墨膜25露出。此外，可以防止每个尺寸小于6μm的硬质化合物颗粒33提供滑动阻力。这使得电刷30和换向器20得到适当的支承，从而减少换向器20的磨损。

电刷30和换向器20之间的电接触电阻很大程度上取决于在换向器20的接触表面20A上形成的石墨膜25的接触电阻。石墨膜25的接触电阻取决于作为主要成分的碳的电阻率，并且碳具有大约16μΩm的电阻率。因此，在硬质化合物颗粒33的电阻率等于或低于碳的电阻率，换言之，等于或低于16μΩm的情况下，尽管散布了硬质化合物颗粒33，仍可防止电刷30和换向器20之间的接触电阻增大。使用电阻率16μΩm以下的硬质化合物颗粒33可以抑制换向器20的磨损，同时防止直流电动机40的电阻增大。

在现有技术中，在换向器20的外周面上设置与滑过电刷30的方向平行的不平坦形状，以稳定电刷30的滑动接触状态。在这种情况下，硬质化合物颗粒33散布在换向器20的接触表面20A上或附近，以抑制换向器20的磨损，并保持换向器20的外周面的不平坦形状。这允许与电刷30的滑动接触能够在较长时间段内保持稳定。

(其它实施方式)

本公开不限于如上所述的实施方式，并且可以例如以如下方式实现。以下替代构造可以单独应用于如上所述的实施方式的构造，或者可以选择性地组合应用。

-如图8所示，硬质化合物颗粒33可以散布在换向器20与电刷30的接触表面20A上或附近。在这种情况下，硬质化合物颗粒33预先埋入包括换向器20的表面(与电刷30接触的接触表面20A)或该表面附近在内的预定范围内。然后，通过抛光将换向器20形成为理想圆形，随后形成不平坦部22。注意，硬质化合物颗粒33的散布范围可以是从换向器20的表面到换向器20的磨损极限，例如，距表面小于0.7mm。

如图9所示，在使用期间，换向器20的非硬质部分轻微磨损，并且石墨膜25形成在接触表面20A上。然后，从换向器20的接触表面20A露出的硬质化合物颗粒33在换向器20和电刷30之间提供支承。注意，即使在换向器20磨损的情况下，埋入磨损极限的硬质化合物颗粒33继续在换向器20和电刷30之间提供支承，从而允许抑制换向器20的磨损。

在换向器20中，硬质化合物颗粒33从使用前就已经散布在换向器20的接触表面20A上或附近，因此，从使用开始就可以减少换向器20的磨损。此外，硬质化合物颗粒33预先散布在换向器20中，而不是从电刷30转印，有助于控制硬质化合物颗粒33等的散布比。注意，在电刷30中优选包括与埋入换向器20中的相同的硬质化合物颗粒33。在这种情况下，即使在预先埋入的硬质化合物颗粒33丢失的情况下，也可以通过从电刷30转印来馈送新的硬质化合物颗粒33。

此外，预先埋入的硬质化合物颗粒33的丰度比可以为在100μm×100μm的面积内平均存在10到100个硬质化合物颗粒33。如上述实施方式中所述，在换向器20的接触表面20A的100μm×100μm面积内存在10到100个硬质化合物颗粒33的构造中，可以防止电刷30被刮掉，并且减少换向器20的磨损。

预先埋入的硬质化合物颗粒33的露出面积与换向器20的表面积之比可以为0.4％以上。如上述实施方式中所述，在露出的硬质化合物颗粒33占换向器20的表面积的0.4％以上的构造中，可以减少换向器20的磨损。

-在电刷30压靠换向器20的方向上，电刷30的换向器20侧端部可以具有比电刷30的相对端部更高的硬质化合物颗粒33的含量。在这种构造中，电刷30中包含高含量的硬质化合物颗粒33的部分与换向器20的具有少量的硬质化合物颗粒33的接触表面20A滑动接触，因此，硬质化合物颗粒33更容易被转印。此外，在硬质化合物颗粒33散布在换向器20的接触表面20A上的情况下，在电刷30中包含有少量硬质化合物颗粒33和大量石墨。因此，在转印所需的硬质化合物颗粒33之后，可以改善润滑性。

Claims (12)

1.一种直流电动机，包括：

换向器(20)，所述换向器由铜或含99％以上铜的铜合金形成；以及

电刷(30)，所述电刷压靠于所述换向器并与所述换向器接触，其中，

所述电刷由包括石墨和铜粉末的烧结体构成，

硬度比所述铜或所述铜合金以及所述石墨或所述铜粉末中的任一个高的硬质化合物颗粒(33)包含在所述换向器和所述电刷中的至少一个中，并且所述硬质化合物颗粒至少在使用期间散布在所述换向器和所述电刷的接触表面(20A)上或附近。

2.如权利要求1所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述硬质化合物颗粒包含在所述电刷中。

3.如权利要求2所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述硬质化合物颗粒在从所述电刷与所述换向器的所述接触表面到预定的假定磨损范围内包含在所述电刷中。

4.如权利要求2或3所述的直流电动机(40)，其特征在于，

在所述电刷中，与所述电刷压靠所述换向器的方向正交的平面上的所述硬质化合物颗粒的面积比为0.4％到5％。

5.如权利要求2至4中任一项所述的直流电动机(40)，其特征在于，

在所述电刷中，所述烧结体中包含的所述硬质化合物颗粒的量为1质量％以下。

6.如权利要求1至5中任一项所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述电刷中包含金属硫化物固体润滑剂。

7.如权利要求1至6中任一项所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述硬质化合物颗粒散布在所述换向器和所述电刷的所述接触表面上或附近。

8.如权利要求7所述的直流电动机(40)，其特征在于，

存在于所述换向器的接触表面上或附近的所述硬质化合物颗粒的丰度比是在所述换向器和所述电刷的所述接触表面的100μm×100μm的面积内平均存在10到100个硬质化合物颗粒的比率。

9.如权利要求7或8所述的直流电动机(40)，其特征在于，

从所述换向器的所述接触表面露出的所述硬质化合物颗粒的露出面积与所述换向器的表面积的比率为0.4％以上。

10.如权利要求1至9中任一项所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述硬质化合物颗粒的尺寸均为1至6μm。

11.如权利要求1至10中任一项所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述硬质化合物颗粒具有16μΩm以下的电阻率。

12.如权利要求1至11中任一项所述的直流电动机(40)，其特征在于，

所述换向器的外周面具有与滑过电刷的方向平行的不平坦形状。

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