CN111987836A - 用于直流励磁有刷电机且能够有针对性地散热的碳刷单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直流励磁有刷电机的碳刷单元，所述碳刷单元包括碳刷(1)和刷盒(2)，所述刷盒(2)构造成用于容纳所述碳刷(1)，所述碳刷(1)的外侧(4)和/或所述刷盒(2)的内侧(5)构造成使得在所述碳刷单元在装配状态下，在所述碳刷(1)的所述外侧(4)和所述刷盒(2)的所述内侧(5)之间限定有接触区域和位于所述接触区域之间用于散热的空气通道(10)，并且所述接触区域小于所述刷盒(2)的所述内侧(5)的总面积的60％，其中，所述碳刷(1)的所述外侧(4)具有纳米结构，所述纳米结构构成所述接触区域和所述空气通道。

Description

用于直流励磁有刷电机且能够有针对性地散热的碳刷单元

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的用于直流励磁有刷电机的碳刷单元以及一种直流励磁有刷电机。

背景技术

在换向器式电机中，电流通过施加在换向器上的碳刷从电源或控制装置供应，所述换向器被分成多个片层，用于使电流转向。所述片层在换向器的周向上彼此绝缘，并且当由电枢绕组、电机轴和换向器构成的转子转动时，通过碳刷连续通电。已知的是，碳刷容纳在刷盒中或在刷盒中被引导。所述刷盒设置在电刷架的支承板上并且沿径向或轴向定向。从保持在刷盒中的碳刷向保持在支承板上的电气构件分别引出连接绞合线。碳刷以确定的公差条件设置在刷盒中，由此形成间隙。所述间隙通过碳刷的接触表面补偿。在实际运行中，碳刷通过压紧弹簧压紧到直流电机的换向器片层上。

碳刷在刷盒中的正确放置对于片层的可靠接触至关重要。在电机持续运行时，温度会升高，并且高温可能会使得碳刷粘附或粘合在刷盒上，这对于电机的运行特性产生负面影响。

由现有技术已知的是，使用由黄铜制成的昂贵的刷盒，所述刷盒具有金属散热片，并由此将热量散出。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于直流励磁有刷电机的碳刷单元，碳刷在与温度无关的情况下在电刷架的刷盒中处于稳定位置。

所述目的通过具有权利要求1的特征的用于直流励磁有刷电机的碳刷单元来实现。在从属权利要求中给出本发明有利的改进方案。

因此，提供一种用于直流励磁有刷电机的碳刷单元，所述碳刷单元包括碳刷和刷盒，所述刷盒构造成用于容纳所述碳刷，所述碳刷的外侧和/或所述刷盒的内侧构造成使得所述碳刷单元在装配状态下，在所述碳刷的外侧和所述刷盒的内侧之间限定有接触区域和位于所述接触区域之间用于散热的空气通道，并且所述接触区域小于所述刷盒的内侧的总面积的60％，优选小于40％。所述碳刷的外侧具有纳米结构，所述纳米结构构成所述接触区域和所述空气通道。通过所述空气通道可以有针对性地散热，由此可以防止碳刷粘附在刷盒中。

优选地，所述纳米结构通过激光干涉法制作。这里所述纳米结构优选具有在500nm至2000nm之间的范围内的结构周期。所述纳米结构可以具有球形、棱锥形和/或人字拱形的凸起。所述接触区域优选为点状或线状。在一个优选的实施例中，所述纳米结构以鲨鱼皮的方式构成。还可以提供由具有例如三八面体式的八面体层的表面涂层形成的纳米结构。

所述空气通道也可以通过刷盒内侧的表面的起伏结构构成，该起伏结构优选具有在0.1mm至10mm的范围内的结构周期。

此外，还提供一种用于直流励磁有刷电机的碳刷单元，所述碳刷单元包括碳刷和刷盒，所述刷盒构造成用于容纳所述碳刷，所述碳刷的外侧和/或所述刷盒的内侧构造成使得所述碳刷单元在装配状态下，在所述碳刷的所述外侧和所述刷盒的所述内侧之间限定有接触区域和位于所述接触区域之间用于散热的空气通道，并且所述接触区域小于所述刷盒的所述内侧的总面积的60％，优选小于40％。所述接触区域和空气通道由碳刷和/或刷盒的适当的几何形状形成。所述空气通道或所述接触区域的大小在毫米范围内。为了支持散热，在碳刷的外侧在接触区域中施加高导热性的材料。

这里有利的是，所述碳刷的所述外侧和所述刷盒的所述内侧具有与在纵向剖面中的截面具有偏离矩形的几何形状，所述碳刷单元在装配状态下所述几何形状构成所述接触区域并且限定所述空气通道。优选地，所述碳刷在所述外侧和所述刷盒在所述内侧至少部分地具有相对应的几何形状，所述几何形状设计成使得所述碳刷和所述刷盒相互嵌合，这种嵌合使得所述碳刷在所述刷盒中的位置确定。这种嵌合例如可以通过槽-板条连接构成。为了形成尽可能大面积的空气通道，优选地将所述接触区域限制在所述嵌合的区域内。

此外，还提供一种直流励磁有刷电机，所述直流励磁有刷电机具有多个根据前述装配的碳刷单元。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，类型相同或功能相同的构件用相同的附图标记表示，其中：

图1是具有刷盒和容纳在刷盒中的碳刷的碳刷单元的平面图；

图2是具有棱锥形凸起的表面的示意图；

图3是具有球状凸起的表面的示意图；

图4是人字拱形的肋结构的示意图；

图5是鲨鱼皮式的肋结构的示意图；

图6是三八面体式的八面体层的示意图；

图7是具有刷盒和碳刷的碳刷单元的纵向剖视图；

图8是另一种碳刷单元的纵向剖视图；以及

图9是第三种碳刷单元的纵向剖视图。

具体实施方式

图1示出了传统的碳刷单元，该碳刷单元具有容纳在刷盒2中的碳刷1。所述刷盒2设置在电刷架的支承板上(未示出)，并且相对于转子的旋转轴线沿径向定向。电刷架环绕转子。从保持在刷盒2中的碳刷1向保持在支承板上的电气构件分别引出连接绞合线3。所述碳刷1以确定的公差条件设置在刷盒2中。

根据本发明，在碳刷1的外侧4和刷盒2的内侧5之间设有空气通道，用于有目标性地散热。

所述空气通道例如可以通过碳刷1的外侧4的表面的纳米结构形成。所述纳米结构增加了外侧4的表面积并且减小了与刷盒2的接触面积。优选地，所述纳米结构具有在500nm至2000nm的范围内的结构周期。所述纳米结构优选可以利用激光干涉法制作。图2至6示出碳刷1的外侧4的表面的可能的结构。所述纳米结构可以例如包括棱锥形的凸起，如图2中所示，所述凸起构成点接触部。这里的棱锥体在其侧方上依次排列，由此构成一种连续的图案。

如图3中所示，也可以设想采用球形的凸起。优选地，一排球体相对于下一排球体偏移两个相邻球体之间间距的一半。

图4示出了人字拱形的肋6，所述肋6构成线接触部并且构成直的且相互平行延伸的空气通道7。肋6这里沿期望的散热方向或热流的方向延伸。

图5中示出了一种明显更为复杂的实施例。冷却通道7以鲨鱼皮的形式构成。冷却通道由平行延伸的肋8形成，这里的肋8不是连续构成的，而是构成在造型结构(鳞片)9上，所述造型结构本身彼此彼此之间错开地布置。这里的肋8同样优选地沿期望的散热方向或热流的方向延伸。

也可以设想使用三八面体式的八面体层，从而在刷盒和碳刷之间形成空气通道(见图6)。这些层可以通过例如用激光干涉法进行表面处理而制作，或者施加例如层状硅酸盐作为表面涂层。

在另外的实施例中，通过调整碳刷和/或刷盒的几何形状来减小接触面积以形成空气通道10。图7至9示出了可能的实施例。

图7示出了位于刷盒2中的碳刷1在关于转子的转动轴线的纵向剖视图中基本上为矩形。刷盒2在其在横向剖视图中同样基本上为矩形的内侧5的表面上具有凸起11，所述凸起是半球形的。所述刷盒2仅通过所述凸起11与碳刷1接触。在凸起11之间形成空气通道10，这些空气通道实现了有针对性且高效的散热。

图8示出另一个实施例，其中，碳刷1在相对的侧面上分别具有一个凸台12，而刷盒2分别具有一个槽13，这两个构件之间的接触面仅限于凸台12容纳在相应槽13中的接合部分。由此，在所述接合部分之外，在刷盒2和碳刷1之间存在空隙10，通过所述空隙10能够散出热量。

在图9所示的实施例中，在纵向剖视图中基本上为矩形的刷盒2的角部在内侧5上是倒角，从而在这个区域内形成与碳刷1的近似线性接触。在所述接触区域之外，在碳刷1和刷盒2之间形成空隙10。

至少在接触表面的区域中，将高导热性的材料施加在碳刷1的外侧。带有这种材料的涂层在图7和图8中用虚线示出。所述材料可以是例如铜、金、银或镍以及这些金属在汽车领域允许使用的合金。

碳刷1优选地主要由含有高比例铜的碳制成。铜的比例优选在20％至40％的范围内。在优选的实施例中，存在特别是在2％至4％之间的、特别是约为3％的二硫化钼。

还可以想到的是，除了空气通道之外，还可以设定在电机运行期间对刷盒2的间接冷却。这种间接冷却通过电枢的旋转实现，这种旋转会产生空气涡流。所述空气涡流随着转速提高而增强。空气通道中的空气涡流可以防止形成不期望的局部高温区域，即所谓的“热点”。

Claims (11)

1.用于直流励磁有刷电机的碳刷单元，所述碳刷单元包括碳刷(1)和刷盒(2)，所述刷盒(2)构造成用于容纳所述碳刷(1)，所述碳刷(1)的外侧(4)和/或所述刷盒(2)的内侧(5)构造成使得所述碳刷单元在装配状态下，在所述碳刷(1)的所述外侧(4)和所述刷盒(2)的所述内侧(5)之间限定有接触区域和位于所述接触区域之间用于散热的空气通道(10)，并且所述接触区域小于所述刷盒(2)的所述内侧(5)的总面积的60％，其特征在于，所述碳刷(1)的所述外侧(4)具有纳米结构，所述纳米结构构成所述接触区域和所述空气通道。

2.根据权利要求1所述的碳刷单元，其特征在于，所述纳米结构通过激光干涉法制作。

3.根据权利要求1或2所述的碳刷单元，其特征在于，所述纳米结构具有在500nm至2000nm之间的范围内的结构周期。

4.根据上述权利要求中任一项所述的碳刷单元，其特征在于，所述纳米结构具有球形、棱锥形和/或人字拱形的凸起。

5.根据上述权利要求中任一项所述的碳刷单元，其特征在于，所述纳米结构以鲨鱼皮的形式构成。

6.根据上述权利要求中任一项所述的碳刷单元，其特征在于，所述纳米结构通过表面涂层形成。

7.根据权利要求6所述的碳刷单元，其特征在于，所述表面涂层具有三八面体式的八面体层。

8.用于直流励磁有刷电机的碳刷单元，所述碳刷单元包括碳刷(1)和刷盒(2)，所述刷盒(2)构造成用于容纳所述碳刷(1)，所述碳刷(1)的外侧(4)和/或所述刷盒(2)的内侧(5)构造成使得所述碳刷单元在装配状态下，在所述碳刷(1)的所述外侧(4)和所述刷盒(2)的所述内侧(5)之间限定有接触区域和位于所述接触区域之间用于散热的空气通道(10)，并且所述接触区域小于所述刷盒(2)的所述内侧(5)的总面积的60％，所述碳刷(1)在所述外侧(4)和/或所述刷盒(2)在所述内侧(5)在纵向剖面中的截面具有偏离矩形的几何形状，在安装状态下所述几何形状构成所述接触区域并且限定所述空气通道(10)，其特征在于，在所述碳刷(1)的所述外侧(4)在所述接触区域的的范围内施加高导热性的材料。

9.根据权利要求8所述的碳刷单元，其特征在于，所述碳刷(1)在所述外侧(4)和所述刷盒(2)在所述内侧(5)至少部分地具有相对应的几何形状，所述几何形状设计成使得所述碳刷(1)和所述刷盒(2)相互嵌合，该嵌合使得所述碳刷(1)在所述刷盒(2)中的位置确定。

10.根据权利要求9所述的碳刷单元，其特征在于，所述接触区域限制在嵌合的区域内。

11.直流励磁有刷电机，其特征在于，所述直流励磁有刷电机具有多个根据上述权利要求中任一项所述的碳刷单元。

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