CN209642021U - 一种具有碳纳米管层的电刷-换向器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电刷‑换向器结构，在电刷本体上设置碳纳米管层，在面向换向器的第一表面上覆盖的碳纳米管层与第一表面之间至少在自由状态下存在间隙，在电刷与换向器接触抵靠的过程中，碳纳米管层向第一表面方向变形并依靠恢复力贴附在换向器表面。并以碳纳米管的外壁与换向器接触，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

一种具有碳纳米管层的电刷-换向器结构

技术领域

本实用新型涉及一种用于发电机或电动机里的具有碳纳米管层的电刷-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。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种应用电机中的电刷，通过电刷和碳纳米管的结构设计，使得电刷和换向器之间具有极低摩擦系数，摩擦损耗极低。本实用新型中提到的换向器，包括了集电器、集电环和滑环。

本实用新型在电刷上设置碳纳米管层，在面向换向器的第一表面上覆盖的碳纳米管层与第一表面之间至少在自由状态下存在间隙，在电刷与换向器接触抵靠的过程中，碳纳米管层向第一表面方向变形并依靠恢复力贴附在换向器表面。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，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。

本实用新型所述的碳纳米管层可以是多根碳纳米管组成，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。

优选的，所述碳纳米管层与与其接触的部件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。

本实用新型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为在电刷本体上布置碳纳米管层的实施例。

图3为在本体表面上平行于本体表面生长碳纳米管刷的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

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可随机生长在电刷的导电基体1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，仍然与传统技术相同，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。

图2为本实用新型的具体实施例，其为在自由状态下碳纳米管与电刷本体的位置关系。电刷包括电刷本体(1)(即导电基体)和碳纳米管层(2)。在面向换向器的第一表面上覆盖的碳纳米管层与第一表面之间至少在自由状态下存在间隙。在电刷与换向器接触抵靠的过程中，碳纳米管层向第一表面方向变形并依靠恢复力贴附在换向器表面。其中，碳纳米管层可以以碳纳米管的一端固定在电刷本体上而另一端为自由端的方式布置。也可以两端均固定。在这个实施例中，能够以碳纳米管的轴向的部分长度与换向器接触导电。在该实施例中，在电刷本体(1)和换向器(3)位置安装确定后，在碳纳米管的假想的自由状态下，换向器中心与碳纳米管层(2)的垂直距离要小于换向器的回转半径。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时，优选的考虑二者处于非公度状态。碳纳米管与换向器能够通过范德华力而吸引在一起。

优选的，碳纳米管可以是生长在基底(2B)上后安装到电刷本体上。如图3所示，基底(2B)可以是导电金属，如铝。有预定长度和数十纳米直径的多个孔(201)是从基底(2B)的暴露侧面向其内形成的。碳纳米管自孔(201)从基底(2B)的暴露侧面水平生长。当基底(2B)的厚度增加时，可将孔(201)排列成多行，根据需要形成碳刷。碳纳米管层与电刷本体(1)的第一表面之间在自由状态下存在间隙。

实验结果表明，碳纳米管与接触面间的摩擦主要来自碳纳米管端头与接触面的接触部分。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。

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 (5)

1.一种具有碳纳米管层的电刷-换向器结构，包括电刷和换向器，所述电刷包括电刷本体和覆盖所述电刷本体的朝向换向器的第一表面的由多根碳纳米管构成的碳纳米管层，所述碳纳米管层以碳纳米管的外壁与换向器接触或贴附，其特征在于：碳纳米管在自由状态下，所述碳纳米管层与电刷本体的所述第一表面存在第一间隙。

2.根据权利要求1所述的具有碳纳米管层的电刷-换向器结构，其特征在于：在电刷和换向器处于安装位置时，所述碳纳米管层与电刷本体的所述第一表面存在第二间隙。

3.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管层的电刷-换向器结构，其特征在于：所述换向器表面覆盖有二维导电层。

4.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管层的电刷-换向器结构，其特征在于：在电刷跟换向器处于安装位置时，在所述碳纳米管刷的自由状态下，换向器中心与碳纳米管的垂直距离小于换向器的回转半径。

5.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管层的电刷-换向器结构，其特征在于：换向器的表面是一种导电晶面结构层，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。