CN1160302A - 交流发电机 - Google Patents

Abstract

一种弹性薄片用于电刷，以代替一种包括螺线弹簧、猪尾和石墨电刷的普通电刷。一滑环由渗以碳粉的多孔紫铜制成。该电刷具有两个沿滑环圆周延伸的弧形臂和配置于所述臂边缘跟滑环圆周表面相接触的接触部。抗磨件焊接于或铆接于该接触部，以防止电刷过度磨损，从而延长电刷寿命。

Description

交流发电机

本发明涉及一种交流发电机，尤其是车用交流发电机。

通常，车用交流发电机有一个整流器，一个调压器，一根由壳体旋转支承的轴，一个定子，一个转子，一个由该轴的一端支承的滑环组件和一个在该滑环组件外周上滑动的电刷组件。

该滑环组件由两滑环和两汇流条组成。该两滑环由紫铜合金或不锈钢制成。该两汇流条连接于转子线圈的相反线圈端和两滑环。为防止该连接线圈端和该汇流条的部分以及连接该滑环和该汇流条的部分由于车辆振动或车用发电机中转速变化产生的谐振，该连接部均覆盖有绝缘树脂层。

该电刷组件由两电刷、一个电刷保持架和线圈弹簧组成，该线圈弹簧对该两电刷施加偏压，使其靠在该滑动环的外周。该电刷由石墨式碳素物制成。该电刷经电刷端子和紫铜猪尾连于调压器。

然而，该电刷因磨损而需要一个额外的长度，因此，不能缩短电刷保持架的轴向尺寸，为车用交流发电机的紧凑化造成了障碍。

在小型直流旋转电动机中，金属电刷是由叠层金属薄板制成的，或者整流子的紫铜线是由铜合金制成的。然而，该整流子很容易磨耗。

本发明的目的在于提供一种长寿命的发电机，其电刷重量轻，以减小弹簧力，从而限制电刷的振动。本发明的另一目的在于提供一种发电机，在跟滑环接触的电刷表面上具有抗磨件，从而防止电刷过度磨损。

按照本发明的主要特点，电刷由金属制成。因此，跟滑环外周接触的电刷的一部分具有小的电阻，所以该接触表面可被制得很小，而不会使电刷的温度过度上升。

配置于电刷和滑环之间的抗磨件使电刷更加抗磨。因此，无须像在平常的电刷中那样，要有额外的尺寸和长度。这样，便有薄、轻和紧凑的电刷。

按照本发明的另一特点，跟滑环接触的电刷表面覆盖有由铜或银合金制成的抗磨接触件。因此，电刷接触表面的磨损大为减少。

按照本发明的又一个特点，由铜或银合金制成的抗磨接触件烧焊(blage)，铆接于和滑环相接触的电刷部分。因此，大大降低了电刷的磨损速率。

在研究了下面详细的说明书、附录的权利要求书和附图后，本发明的其它目的、特点和特征以及有关部件的功能会变得更加清楚。其中：

图1是表示本发明第一实施例的滑环和电刷的透视图；

图2是表示本发明第一实施例的车用交流发电机的总图的横剖视图；

图3是表示本发明第一实施例的车用交流发电机主要部分的放大横剖视图；

图4是表示配置于第一实施例的交流发电机后壳内的整流器、调压器和电刷组件的平面图；

图5是表示本发明第一实施例的交流发电机的电刷和滑环接触部的放大横剖视图；

图6表示本发明第二实施例的交流发电机的电刷和滑环接触部的放大横剖视图；

图7是表示本发明第三实施例的交流发电机电刷和滑环的接触部的放大横剖视图；

图8A是表示本发明第四实施例的交流发电机滑环和电刷的透视图，图8B是表示该第四实施例的是交流发电的电刷接触部的放大横剖面图；

图9A是表示本发明第五实施例的交流发电机的滑环和电刷的透视图，图9B是表示该交流发电机的电刷接触部的放大横剖面图；

图10A是表示本发明第六实施例的交流发电机的滑环和电刷的透视图，图10B是表示该交流发电机的电刷接触部的放大横剖面图。

参考图1至5叙述本发明的第一实施例。

在图2中，车用交流发电机1由发动机经多条V型皮带(未示)驱动。由交流发电机产生的交流电压经三相全波整流器9转换成直流电流对电瓶(未示)充电。并对电气负载供以电能。交流发电机1由壳体2、定子3、转子4、滑环组件6、风扇组件7、电刷组件8、整流器9和调压器10组成。

壳体2由二个铝质模铸件组成，它们是前壳体11和后壳体12，用若干螺栓和螺母连接。

前壳体11有一前轴承15，压配合于轴承支座16内，用以旋转地支承轴5的前端。后壳体12有一后轴承17，压配合于轴承支座18，用以经随后叙述的电刷支座52旋转地支承轴5的后端。在前壳体和后壳体11和12上制有许多倾斜的进气窗口19和20。

支座22和前壳体11的上部整体制成，而支座23和24和壳体下部整体制成，被固定在发动机的一个支架(未示)上。这些支座22-24具有螺栓通孔25-27。

定子3由固定于前壳体11内周的定子铁芯31和卷绕于定子铁芯31上的三相定子绕组32所成。

定子铁芯31由叠层磁性材料片组成。定子铁芯31在其内周上以均匀的间隔制有许多槽(未示)。

三相定子绕组32具有若干连接成Y形接或Δ形接法的线圈，以便当转子转动时产生三相交流输出功率。定子绕组32的线圈末端被焊成或连接成整流器9的三相全波整流桥式回路。

转子4产生磁场，并与轴5一起旋转。转子4由轴5、由轴5支承的Lundell型电极芯绕在电极芯33内的磁场线圈34、将磁场电流供给磁场线圈34的滑环组件6及风扇组件7组成。

磁极芯33有一绕其中心卷绕的磁场线圈34，由铁磁材料制成。该磁极芯33具有前钳形磁板33a和后钳形磁形33b，当对磁场线圈34供以磁场电流时，前者为N极，后者为S极。冷却风扇组件7用焊接或类似手段固定在钳形磁极36的后表面上，将冷却空气引入壳体2内。

磁场线圈34经线圈线轴35绕于磁极芯33的中心部周围，当供以磁场电流时磁化该极芯。磁场线圈34的相反端部用软钎焊接或类似手段连接于连接汇流条42。线圈线轴35由绝缘树脂材料制成，使磁场线圈34和磁极芯33绝缘。

轴5由壳体2的支座16和18经前后轴承15和17旋转支承。一V型皮带轮36固定在轴5的一端，处在面对螺母36a的垫圈和前轴承15之间，将发动机旋转力矩输给轴5。V型皮带轮36经多条V型皮带(未示)由一个具有多条V型带槽的由发动机曲轴支承的皮带轮驱动。在轴5和V型皮带轮36之间可配一电磁离合器。

滑环组件6由两滑环41所组成，后者经电刷组件8、两条连于滑环41的连接汇流条42跟电瓶、调压器10和磁场线圈34连接。

每一滑环41配置于轴5后部的外周。滑环41由诸如渗以碳粉、天然石墨、导电石墨或金属石墨的多孔紫铜合金的含碳件制成。滑环41和连接汇流条42模铸在一起，成圆柱形。两滑环41之一为正极侧滑环，由另一滑环为负极侧滑环。

该两连接汇流条42被压制成一对板，它们的一端经软钎焊、硬钎焊或熔合(电阻焊)连于磁场线圈34a的两线圈端。该两连接汇流条42的另一端分别电连接于滑环。为了增加滑环41和连接汇流条的接触表面或者为了减少其间的接触电阻，该两连接汇流条42的表面用喷丸、喷射硬化或压制来制成具有粗糙度。

参照图2和3叙述风扇组件7。风扇组件由绝缘树脂材料和滑环41和连接汇流条42一起制成一个整体模件，并保持滑环41的连接部和连接汇流条。风扇组件7由若干离心式叶片43、一叶片支承部44和一圆柱环形支座45组成，后者用镶嵌模制法和滑环制成一体。支承部44固定于磁板芯33的后壁，并设有一凸出部46，以其后表面和电刷组件8相对。

环形支座45由绝缘材料和滑环41与连接汇流条42整体制成一模制件，并压配合于轴5后端外周。该绝缘树脂材料是一种具有高绝缘性能、高热阻、高强度和高尺寸稳定性的材料，诸如聚苯撑硫(PPS)或酚醛树脂(PM resin)。

电刷组件8由在两滑环41的外周上滑动的两电刷51、一电刷保持架52和镶嵌在电刷保持架52的模制部内的连接端子53和54组成。

电刷51通过压制或冲压一金属片(例如有弹性的铜合金，诸如磷青铜或铍青铜)来制成。每个电刷51在其中心有一电刷体55，一个自电刷体55向电刷保持架52延伸的夹紧部56以及自电刷体55的两相反侧沿滑环41周围延伸的两个臂部57。

具有弹性的夹部56以电气连接方式连接于并机械固定于连接端子53和54。该夹紧部56具有自电刷体55轴向延伸的凸出部56a和两个卷曲成弹性椭圆柱的夹紧件56b。夹紧部56通过凸出部56a和夹紧件56b夹持连接端子53和54的各边缘部。连接端子53和54跟夹紧部56可用焊接、铆接和类似工艺连接。

臂部57具有以其边缘部在滑环41上滑动的接触部57a。它们藉助于自己的弹性对滑环41施加一定的压力。两个凸出部57b自各自的接触部57a的相反轴向端延伸，并自接触部57a径向向外弯折(斜切的)。

矩形抗磨接触件(以下称作抗磨件)58分别焊于接触部57a的接触表面。各抗磨件58由包括铜或银的金属合金制成，(如表1中记作CP13A-CP13D的银钯合金或表2中记作CP6A-CP6C的银铜合金)具有良好的导电性。

                                        表1

	Ag	Pd
			CP13A	40％	60％
CP13B	50％	50％
			CP13C	70％	30％
CP13D	80％	20％

                                               表2

	Ag	Cu
			CP6A	95％	5％
CP6B	90％	10％
			CP6C	60％	40％

抗磨件58设有一凸出部58a，它被插入臂部57的孔571内，并被铆接，如图5所示，跟臂部57保持电气和机械接触。因为电刷51由金属件制成，而抗磨件58固定于接触部57a，和滑环41接触，因此电刷51变得耐磨，且无需如通常的炭刷那样具有很大的尺寸和长度。结果，电刷51可制成极薄。

如上所述，接触部57a具有斜切形凸出部57b，因而沿轴向能平滑地移动。因此，很容易将电刷51装于滑环41的外周或自其上取出。这样，车用交流发电机1的生产效率提高了，其成本降低了。

各臂部57被制成弧形(马蹄形)，这样，借助于因距离A(两抗磨件58之间的距离)和滑环尺寸B之间差(B-A)产生的收缩使臂部对两滑环41施加偏压。因此，施加于滑环41外周的电刷51接触压力的合成矢量为零，因而没有对机械固定于连接端子53和54的夹紧部56施加接触压力。如果沿电刷51的两臂部57自滑环41分离的方向、即滑环41的径向产生过大的振动，则分离的接触部57a和保持接触部57a确保了电刷51和滑环41的电接触，从而对磁场线圈34供以稳定的磁场电流。

由于电刷51由金属制成，因此降低了电刷51和滑环41外周接触的接触部57a的电阻，即使接触部57a的表面积减少，也不改变电刷51的接触部57a(抗磨件58)的电流密度。因此，电刷51的温升受到抑制，从而其寿命得以延长。

虽然，滑环41由碳质材料制成，然而由于和电刷51接触的环形滑环41的部分被限于其圆周表面的一小部分，滑环41的温升受到抑制，其寿命获得延长。

由于滑环41由碳质材料制成，电刷51可由金属件制成，以便在碳质环41的外周上高速滑动(例如不低于10,000)，因此，确保了稳定的磨耗和对磁场线圈34供以稳定的电功率。

电刷保持架组件52由绝缘树脂材料(如PPS)制成。电刷保持架组件52为由电刷保持架59、配置在该电刷保持架59内的圆柱形轴承支座60、自电刷保持架59前部轴向延伸的圆柱形延伸部61和随后将叙述的调压器10的罩62组成的整体模制件。

电刷保持架59和连接端子53和54整体模制而成。轴承座60压配合于后壳体12的凸缘18和内周，后轴承17压配合于轴承座60内。

延伸部61或滑环罩包封两滑环41、两电刷51和它们的接触面。延伸部61在面对支承部44的表面上设有槽63，以容纳凸出部46。结果，电刷保持架组件52的槽63设有在支承部和槽63之间的U形迷宫部64。迷宫部64被制成一连续的环。因此，滑环41和电刷51安置于其内的圆柱形空间由风扇组件7和电刷保持架组件52密封。

连接端子53有一L形横截面，与调压器10的磁场电流输出端子(未示)构成整体。连接端子54为电刷组件8的外端子，它有一反L形横截面，以便沿连接端子53的相反方向延伸。它用固定螺丝72固定于整流器9的直流输出端子71作为电连接。

连接端子53和54的边缘部制成如图1中所示的锥形，因而它们能插入夹紧部56的凸出部56a和夹紧件56b之间的空间内。端子53和54由诸如铝合金或铜合金之类的金属制成。

整流器9由直流输出端子71、正侧散热片73、负侧散热片74、3个正侧二极管75、3个负侧二极管76和一端支承77组成。

直流输出端子71其一端经电线(未示)连于电瓶正端子，另一端用固定螺丝(未示)固定于电刷组件8的连接端子54和要电连接于其上的正侧散热片73。直流输出对71对电瓶供给充电电流，并构成车用交流发电机1的B端子。

正侧散热片73与负侧散热片74整体构成。因此，它们包围电刷保持架52，并沿后壳体12的侧壁配置。正侧散热片73经一绝缘件(未示)固定于后壳体12的内侧壁。负侧散热片74经后壳体接地于底盘。这就是说，正侧散热片73连于电瓶的正侧端子，而负侧散热片74连于电瓶的负侧端子。正侧和负侧散热片55和56由热传导优良的导热金属(诸如铝)制成，它们是3个正侧二极管75和3个负侧二极管58以及用以分别保持3个正侧二极管75和3个负侧二极管58的二极管保持件的热辐射片。

正侧和负侧二极管75和76使由三相定子绕组32产生的交流输出电流变换成直流电流。正侧和负侧二极管75和76的每一端软钎焊于3个交流输入端子78中的一个，而它们的每个另一端软钎焊于正侧和负侧散热片73和74。所述三相全波整流电流由直流输出端子71、正侧和负侧散热片73和74、三个正侧二极管75和3个负侧二极管76以及3个交流输入端子78组成。

由绝缘树脂材料(例如PPS)制成的端子支座77其内容纳3个交流输入端子78，使正侧散热片73和负侧散热片74绝缘。端子支座77用螺丝将正负侧散热片73和74保持在其内。

调压器10由包括磁场电流输出端子(未示)在内的各输出端子、集成电路(未示)和罩62组成。磁场电流输出端子由铜合金或类似合金构成，与连接端子53成整体，并机械连接于电刷51。

该集成电路是用以调节三相定子绕组32的输出电压的调压器，它包括作为用以控制供给磁场线圈34的电流的开关元件的功率晶体管和一个用以吸收减小磁场电流的反电动的二极管。罩62由绝缘树脂材料(如PPS)制成，若干支架66用螺栓65固定于后壳体12。罩62将电刷保持架组件52、两电刷51保持在后壳内，并使包括集成电路在内的电气部件容置在其内。它用环氧树脂模制而成。

参图1至4简述车用交流发电机的工作。

当安装于车辆的发动机起动时，发动机的转动由诸如多股V型皮带的传输件传输到V型皮带轮36。然后由壳体2经轴承15和17旋转支承的轴5转动，从而转子转动。磁极铁芯33、磁场线圈34和两滑环41和轴5一起转动。

当调压器10开始供给磁场线圈34电流时，磁场电流自电瓶经直流端子71、连接端子54、两抗磨件58、正侧滑环41、正侧连接汇流条42、磁场线圈34、负侧连接汇流条42、负侧滑环41、两抗磨件58、负侧电刷51、连接端子53、调压器10、后壳12和本体流动。结果，两钳形极33a和33b为磁场线圈34所磁化，因此所有的前钳形极33a都变为N极，而所有的后钳形极33b都变为S极。

此时，三相定子绕组32即刻产生交流电压。该三相电流经交流输入端子60供给三相整流电路，从而该三相交流电流为3个正侧二极管75和3个负侧二极管76变换成直流电流。当定子绕组32的输出电压超过电瓶电压时，经整流的直流电流或充电电流自3个正侧二极管75经正侧散热片73、直流输出端子71和电线供给电瓶。这样，电瓶被充电，电气负载被供电。

如上所述，若车用交流发电机1运转了长时间，滑环41和电刷51的抗磨件58相互高速移动和接触。因为滑环41是自润滑的，且具减小了的摩擦系数，其磨损速率大大小于通常的铜合金滑环的磨损速率。

按照机械设计手册，振动的一般表示如下：

振动的阻力α{(kx弹簧负荷)/(定子侧电刷重量)}+{弹簧重量}

因此，若定子侧电刷的重量减轻，电刷的弹簧负荷便可减小。

由于电刷51两臂部57的接触部57a的抗磨件58，滑环41和电刷51的磨损速率能极大地降低。例如，按照本发明，电刷51的磨损速率约为前述普通电刷的1/10。这就是说，电刷51振动的抑制延长了电刷和车用交流发电机1的寿命。

图6图示了本发明第二实施例的电刷和滑环的接触部。

在该实施例中，抗磨件58用烧焊材料58b烧焊于电刷51臂部57的接触部57a。抗磨件58可软钎焊于接触部57a上，并借助于凸焊(projection-welding)可固定于接触部57a上。

图7图示本发明第三实施例的电刷和滑环的接触部。

在该实施例中，抗磨件58通过对电刷51臂部57的接触部57a的边缘572进行砸边来电气和机械地连接于接触部57a。

参照图8A和8B叙述本发明的第4实施例。

在第4实施例中，电刷臂部57的接触部57a借助于物理蒸发附着工艺(physical vaper deposition，即PVD)涂覆铜或银合金高抗磨材料91。该PVD工艺是借助于蒸发或电离金属工艺对金属合金电刷51的接触部57a涂覆一层诸如钛化物(如TiN，TiC，TiCN或TiAIN)或铬化物(如CrN)的抗磨材料的微膜(真空附着或喷溅附着)(Vacumdeposition or spatter deposition)。

参考图9A和9B叙述本发明的第5实施例。

在该实施例中，电刷51的接触部57a由臂部57分开制成，它们由焊接或烧焊连接。此后，接触部57a借助于PVD工艺涂覆铜或银合金的抗磨材料91，以具有电气和机械的连接。

参照图10A和10B叙述本发明的第6实施例。

在第6实施例中，去除了夹紧部56，连接端子53(54)和电刷51焊接或烧焊在一起。电刷51臂部57的接触部57a借助于PVD工艺涂覆铜或银合金的抗磨材料91，以具有电气和机械的连接。

虽然就车用交流发电机叙述了上述实施例，然而这些实施也适用于建筑物电站的固定式交流发电机。它还可应用于发动机一电动机组。

由诸如包括磷青铜和钯青铜的铜合金的金属粉末制成的滑环可用碳质滑环来代替。该猪尾能用电刷整体制成。如对电刷施加偏压，也可配置单独的弹簧。

抗磨件58可由导电陶瓷材料制成。

在关于本发明的以上叙述中，已参照具体实施例公开了本发明。然而，在不背离在所附权利要求书中规定的本发明的广泛的精神和范围的情况下，显然可对本发明的具体实施例作出种种修改和改变。因此，在该文件中的关于本发明的叙述被认为是说明性的，而没有限制性的意味。

Claims (7)

1.一种交流发电机，包括：

一个壳体；

一个定子，定子铁芯固定于所述壳体的内周，定子绕组绕于所述定子铁芯上；

一个转子，具有一转子铁芯，转子线圈绕于所述转子铁芯，一根轴插入所述转子铁芯的中心部，在所述定子铁芯内相对于所述定子铁芯旋转；

一个滑环，配置于所述轴端部，与所述转子线圈连接；

一个电刷，由弹性材料件制成，在所述滑环外周上滑动，经所述滑环对所述转子线圈供给电能；

一个耐磨接触件，配置于所述电刷的一个部位，和所述滑环接触。

2.按权利要求1所述的交流发电机，其特征在于所述接触件具有一层包括铜合金或银合金的耐磨金属合金的保护层，所述保护层借助PVD艺设置在所述电刷的表面，和所述滑环接触。

3.按权利要求1所述的交流发电机，其特征在于所述接触件包括一块由包括铜合金或银合金的耐磨金属合金制成的矩形平板，该板固定于所述电刷，以具有电气和机械的连接。

4.按权利要求1所述的交流发电机，其特征在于所述电刷包括一块压力加工的薄片。

5.按权利要求1所述的交流发电机，其特征在于所述电刷包括一个由主要包括磷青铜或钯青铜的材料制成的弹簧件。

6.按权利要求1所述的交流发电机，还包括一调压器，其特征在于所述电刷包括一个电气和机械连接于所述调压器的夹紧部；两个绕所述滑环周围延伸的并具有跟所述滑环外周接触的接触部和自所述接触部轴向延伸的斜切凸出部的半圆形臂。

7.按权利要求1所述的发电机，其特征在于所述滑环包括一个由铜粉末和碳粉末混合物组成的碳质环。

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