CN112204861B - 直流电机转子组件 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于直流电机的转子组件(10)，该转子组件包括具有转子轴(18)的转子(12)，安装在转子轴(18)上的换向器(20)以及变阻器(22)，通过导电非焊固定方式，例如导电粘结剂(34；134)，与换向器(20)相连。

Description

直流电机转子组件

技术领域

本发明除了涉及具有一转子组件的直流电机，还涉及用于一直流电机，尤其一直流有刷电机的的转子组件。本发明还涉及直流电机转子组件的形成方法。

背景技术

直流(DC)电机广泛用于各种场合以提供动力。直流电机，特别是有刷直流电机，是内部换向的电机，设计为由直流电源驱动，因此特别适合通过电池驱动。

有刷电机的一个缺点是在换向时会产生电压峰值或尖峰。在电刷位于两个换向器片之间的接触过渡点上，为了使电机的转子换向并保持旋转，会产生快速放电以释放先前通电线圈中的能量。这种快速放电会导致电压峰值(称为反电动势尖峰)，并可能导致电火花。如果不加以抑制，将导致明显的电磁干扰。

之前通过改善电机的电磁兼容性水平，例如通过提供与换向器连接的变阻器或变阻器来解决此问题。变阻器具有非线性的电流-电压特性，并且能够借助由加载其上瞬态电压产生的电流的偏离来防止过度的瞬态电压。

与直流电机结合使用的变阻器的一个例子是具有围绕直流电机轴线的环状的变阻器，该变阻器通过钎焊与换向器电性及机械连接。

这种布置的缺点是，当焊料开始熔化和松开连接时，尤其是在直流电机长时间或在高负载下运行时，在高温下焊接会变得机械不稳定。高温不仅由于电机工作温度高，而且还由于电机通电时电机绕组，换向器和变阻器的电阻自发热而造成。如果变阻器脱落，不仅会失去变阻器带来的有益效果，导致电磁干扰的恶化，而且脱落会导致电机短路或机械阻塞。因此，由于焊料的熔点低，因此对焊接后的变阻器的功效存在限制。

焊接的另一个缺点是，必须去除焊接过程中残留的助焊剂。不导电的助焊剂，如果留在换向器上，则会在正常换向过程中影响换向器与电刷之间的电接触。在本领域中的惯例是使用溶剂清洁工艺来去除助焊剂，该助焊剂可能对环境有害并且难以安全地处置，这会显着增加电机的制造成本。

由于共晶特性，在高温操作下，在变阻器上的焊料和通常由铜和银形成的金属化电极之间可能发生溶解反应。变阻器电极的会产生脱层，这腐蚀了焊料的宏观结构，并进一步减小了变阻器的支撑强度，导致了变阻器和换向器之间的电气和机械分离。这将降低电机的运行寿命。

发明内容

本发明寻求提供一种改进方案，用于将变阻器附接到换向器，其避免或减少了上述问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于直流电机的转子组件，该转子组件包括：具有转子轴的转子，安装在转子轴上的换向器，变阻器，通过导电非焊固定方式与换向器相连。

从换向器和变阻器之间的连接中除去焊料有利于消除在高工作温度下焊料和变阻器上的金属化电极之间发生溶解反应的风险。此外，形成导电非焊固定方式，相对于使用焊料，其能在高得多的温度下保持热稳定性，这可以显着增加装有转子组件的直流电机的使用寿命。此外，可以用电阻器抑制电磁干扰，而不会造成很大的机械故障风险，而机械故障可能会损坏或破坏电机。

优选地，导电非焊固定方式可包括导电粘结剂。

使用粘结剂代替焊料有利于改善变阻器和换向器之间的连接的机械强度。与焊料连接相比，粘结剂的粘附特性不仅允许较少的脆性连接，而且粘结剂可以表现出改善的热弹性。

在一个实施例中，导电粘结剂可以包括金属导电成分，例如银和/或镍，并且另外地或可替代地，导电粘结剂可以包括非金属导电成分，例如石墨，石墨烯和/或碳纳米管。

粘结剂类型的各种不同特征可能或多或少地取决于直流电机的预期用途，并且与焊料相比可具有显着改善的热弹性。

在替代实施例中，导电非焊固定方式可包括包覆变阻器的导电壳体。

由于可以形成不需要施加任何如粘结剂或焊料等流体成分的连接，使用这种固定方式保持变阻器相对换向器固定的的替代构造可能是有利的。

可选地，导电壳体至少部分由导电塑料材料形成。

至少部分的导电的塑料材料具有保护变阻器不受损坏的优点，同时还形成了到换向器的必要的电连接。这种布置可以简化转子组件的最终构造。

优选地，变阻器可以设置成围绕换向器的环形元件。

将变阻器安置在换向器周围允许使用导电非焊固定方式实现多个径向固定点，从而进一步提高了转子组件的机械稳定性。

在一实施例中，变阻器的多个电极可设置在变阻器的面向转子的表面上。在另一个实施例中，变阻器的多个电极可以设置在与变阻器的面向转子的表面相对的表面上。

导电非焊固定方式的施加方法，可以明显便于变阻器的电极相对于转子线圈的取向。例如，当电极被定向为背对转子线圈时，粘结剂施加器工具的插入可以更直接，而电极与中间支撑导体之间的配合连接可以使面向转子的电极连接力更大。

可选地，导电非焊固定方式可以桥接换向器和变阻器之间的间隙。

保持换向器和变阻器之间的间隙不仅提供了一定的机械隔离，限制了使用中变阻器的振动移位的可能性，而且还降低了由于无意接触而使变阻器和换向器之间的连接短路的可能性。

转子组件可以进一步包括安装在换向器处或附近的支撑元件，该支撑元件提供用于导电非焊固定方式的安装表面。

支撑元件可以提供用于支撑变阻器和/或固定方式的附加结构基础，从而减小了电机的机械故障的可能性。

优选地，导电非焊固定方式可以包括可流动的固定材料。附加地或替代地，导电非焊固定方式可以包括可固化材料和/或不可逆地施加的固定方式。

可流动的固定材料(例如粘结剂)的使用可以在换向器和变阻器之间提供类似焊料的连接，从而使转子组件可以在现有的硬件条件下使用。可固化和/或不可逆应用的固定方式也可以提供焊料的优点，而没有与焊料相关的热降解性能。

根据本发明的第二方面，提供了一种直流电机，其包括定子，至少一个电刷和根据本发明的第一方面的转子组件。

具有如上所述的转子组件的直流电机不容易由于高温或腐蚀性应用而损坏，因此可以大大扩展这种电机的用途。

根据本发明的第三方面，提供了一种形成用于直流电机的转子组件的方法，该方法包括以下步骤：a)提供具有转子轴的转子和安装在转子轴上的换向器；b)通过导电的非焊固定方式将变阻器连接到换向器。

优选地，可以将导电非焊固定方式设置为导电粘结剂，该导电粘结剂使用以下任一种来施加：通过粘结剂分配器分配导电粘结剂；丝网印刷的导电粘结剂；导电粘结剂的3D打印；空气喷涂导电粘结剂；将变阻器和/或换向器湿浸入导电粘结剂中以及导电粘结剂的流延成型。

任选地，可以使用以下任一项来固化导电粘结剂：加成固化、热固化、辐射固化、厌氧固化和湿固化。

根据本发明的第四方面，提供了一种换向器和变阻器的组合，该变阻器通过导电的非焊固定方式连接到该换向器。

现在将仅通过举例的方式，参考附图更具体地描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的第一方面的转子组件的一个实施例的侧视图。

图2示出了图1的转子组件的换向器和变阻器的分解透视图，包括可选的散热器元件。

图3示出了图1的转子组件的立体图。

图4示出了根据本发明的第一方面的转子组件的第二实施例的侧视图。

图5示出了根据本发明的第一方面的转子组件的第三实施例的侧视图。

首先参考图1，其示出了转子组件，其总体上以10表示，适用于直流电机，该直流电机通常包括定子，优选地为多个电刷，以及转子组件10。

转子组件10包括转子12，转子12通常由缠绕在电枢16上的多个转子线圈14形成。转子12包括转子轴18，通过转子轴18可以从直流电机输出旋转运动，该直流电机优选为装有或可装有换向器20的有刷直流电机。

变阻器22，优选地形成为环形元件，例如环形变阻器，其可收容的围绕换向器20并位于转子轴18上方。变阻器22在变阻器材料28的平坦表面26之一上具有多个电极24。通过它可以与换向器建立电连接。图2示出了换向器20和变阻器22的示意性分解图。在所示实施例中示出了三个电极24，但是电极的数量将受到形成转子12的转子线圈14的数量的影响。本实施方式还可以包括散热器元件30，用于改善变阻器22的稳定性的第一实施例。这里，散热器元件30包括多个风扇元件32，以改善变阻器22处产生的热能的辐射分布。请注意，散热器元件30从图1中省略。

使用导电固定材料或类似的固定方式进行电连接，并且没有焊料。这种设置消除了焊接连接的机械或化学故障所涉及的风险。优选地，导电非焊固定装置可以在组成部分之间没有或主要不包括金属-金属(金属)结合，如焊料固定的情况一样。

术语焊料旨在指的是一种易熔金属合金，该合金用于在导电的，通常是金属的部件之间建立永久或半永久的结合，这在电路中最为常见。焊料的最常见形式是铅和锡的合金，但是焊料通常还会包含其他金属或仅使用其他金属，例如锑，铋，铜，锗，镍，铟，银和锌。相比之下，术语“非焊”意在排除这些易熔金属合金中的任何一种。

此外，导电非焊固定方式可以优选由在施加热能时不经历可逆转变的材料形成。焊料可以熔化并重新熔化以恢复流动性，以便重新使用或修改，这在某些情况下可能是有用的，但是在较高的电机工作温度下，这对工作有害。导电非焊固定方式旨在避免这种行为。

在所描绘的实施例中，如图3示出的，导电非焊固定方式包括诸如导电粘结剂的导电材料，形成为多个与变阻器22的电极24物理和电气连通的连接点34。接头34的形式对应于将由焊料焊接形成的形式，并受所用粘结剂的粘度或流体流动性质的影响。由于这个原因，可能优选的是，使用可流动的导电固定材料将变阻器22固定到换向器20。然后，这种材料可以能够被设置成牢固的构造，以保持变阻器22相对于换向器20的位置。

可以考虑任何合适的导电粘结剂。可以使用具有金属导电成分的粘结剂，例如含银的胶水，浆料或环氧树脂。或者，可以使用具有非金属导电成分的粘结剂，例如石墨烯胶水，浆料或环氧树脂。导电成分的选择可以是例如金属材料(例如银和/或镍)中的一种或组合，或者可以由非金属材料，例如含碳的导电材料，如石墨、石墨烯、或碳纳米管。

导电粘结剂不会表现出焊料所带来的热降解问题，因此将在直流电机的整个工作温度范围内保持热稳定，优选在至少200℃的温度下稳定，更优选在至少250℃或300℃的温度下稳定。此外，导电粘结剂可以是导热的，而不会与变阻器电极发生共晶反应的倾向。无铅焊料的问题在于其熔点通常低于220℃。这样，在工作温度超过焊料的熔点的点上，存在明确的电机最高工作温度阈值。在本发明中，粘结剂中的导电填料，例如银和/或镍，其熔点远远超过无铅焊料的熔点。即使在严酷的高温条件下运行，金属填料也不会熔化。

如图所示，变阻器22可以优选地将将变阻器22的多个电极24设置在与变阻器22的面向转子的表面相对的表面上。这可以安装过程中，允许变阻器22预先环绕于换向器20的周围，为在变阻器22处或附近引入的粘结剂施加器提供了最大的进入空间，以确保良好的固定。

在图4中以110指示的替代方案中的转子组件，其中提供了变阻器122的替代安装方式。与上面先前使用的那些相同或相似的参考标号将用于指代相同或相似的组件，并且为了简洁起见，省略了进一步的详细描述。

在该转子组件110中，多个电极可以设置在变阻器122的面向转子的表面上，如果存在与换向器120连通的壁架或唇缘136，则可以简化构造，在该壁架或唇缘136上进行粘附形成电连接，优选地通过多个接头134。

与换向器120相关联的凸缘或唇部136，或者实际上优选地沿径向方向远离转子轴118延伸的任何类似的支撑元件，为变阻器122和导电非焊固定方式提供了物理支撑，从而改善了转子组件110的稳定性。

壁架或唇缘136可以是围绕换向器120的整个周长或圆周延伸的连续唇缘，或者可以是不连续的，以便适当地定向至变阻器122的电极的位置。

因此，可以提供一种形成用于直流电机的转子组件的方法，该方法包括以下步骤：提供具有转子轴和安装在转子轴上的换向器的转子，然后通过导电非焊固定方式，例如如上所述的导电粘结剂将变阻器连接到换向器。

在提供这种导电粘结剂的情况下，可以使用以下任一种方式来施加：通过粘结剂分配器分配导电粘结剂；丝网印刷的导电粘结剂；导电粘结剂的3D打印；空气喷涂导电粘结剂；将变阻器和/或换向器湿浸入导电粘结剂中以及导电粘结剂的流延成型。

为了使粘结剂固化，优选使用以下任一种方法使其固化：加成固化、热固化、辐射固化、厌氧固化和湿固化，从而确保与变阻器和换向器牢固连接。可固化的导电非焊固定方式是有用的，因为一旦固化，就消除了该固定方式的可逆性，因此在电机的工作温度下将不再可流动。

本发明也包含了可能的实现导电非焊固定方式的替代方法。图5指示了一种可能性。再者，相同和/或相似的附图标记将用于指代与以上实施例中先前描述的那些相同和/或相似的组件，并且为简洁起见，省略了进一步的详细描述。

用210表示的转子组件可以通过由至少部分导电的材料形成用于变阻器228的壳体238，从而形成可以与电极对准然后耦合到换向器220并环绕转子轴218的变阻器222。一种选择是使用导电塑料材料，该材料可包覆成型到变阻器材料228，并且至少在直流电机的工作温度上具有高的热稳定性。优选地，壳体238可用于将变阻器222相对于换向器220保持在适当的位置，以及提供必要的导电性。

尽管本发明旨在用于直流电机的环境中，但可能也可以将变阻器与交流换向器电机结合使用，在这种情况下，所提供的非焊解决方案将同样适用。

类似地，尽管本说明书涉及非焊导电固定方式，但是很明显，该固定方式不一定必须由单一类型的材料形成，而可以是复合材料或相互连接的几种不同的材料以提供换向器和变阻器之间电连接，从而形成适当的非焊料导电固定方式。

为直流电机提供非焊导电固定方式来实现变阻器与换向器的连接，有利于改善电机的机械和化学稳定性，这可以显着提高其工作寿命。

当在本文词语“包括/包含”和词语“具有/包含”，结合元件标号使用时，用于指定所陈述的特征、数量、步骤或组件的存在，但不排除存在或增加一个或更多其他特征、数量、步骤、组件或其组合。

应当理解，为清楚起见在不同实施例的中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。

上述实施例仅通过示例的方式提供，并且在不脱离本文所定义的本发明的范围的情况下，各种其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (11)

1.一种用于直流电机转子组件(10；110；210)，该转子组件(10；110；

210)包括：

具有转子轴(18；118；218)的转子(12)；

安装在转子轴(18；118；218)上的换向器(20；120；220)；和

变阻器(22；122；222)，通过导电非焊固定方式与换向器(20；120；220)相连，导电非焊固定方式包括导电粘结剂(34；134)，变阻器(22)设有多个电极，设置在变阻器(22)的背向转子的表面上，所述转子组件还包括安装在所述换向器(120)和所述变阻器(22)朝向转子的表面之间的支撑元件(136)。

2.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，导电粘结剂包括金属导电成分。

3.如权利要求2所述的转子组件，其特征在于，金属导电成分包括银和/或镍。

4.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，导电粘结剂包括非金属导电成分。

5.如权利要求4所述的转子组件，其特征在于，非金属导电成分包括石墨，石墨烯和/或碳纳米管。

6.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述变阻器(22；122；222)可以设置成围绕换向器(20；120；220)的环形元件。

7.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，导电非焊固定方式可以桥接换向器(20；120；220)和变阻器(22；122；222)之间的间隙。

8.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述导电非焊固定方式包括可流动的固定材料。

9.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述导电非焊固定方式包括可固化材料。

10.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述导电非焊固定方式包括不可逆地施加的固定方式。

11.一种直流电机，其包括定子，至少一个电刷和如权利要求1所述的转子组件(10；110；210)。

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