CN209642505U - 一种具有碳纳米管的电刷-换向器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有碳纳米管的电刷‑换向器结构，通过在电刷本体上设置碳纳米管刷，碳纳米管刷设置为覆盖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，使得碳纳米管的外壁与换向器充分接触，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(带式无级变速器)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-换向器结构，通过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，碳纳米管以其轴向方向大致平行于电刷本体的表面方向的方式布置在电刷本体的朝向换向器的一面。电刷几乎以碳纳米管的外壁面的整个长度方向与换向器相接触，进行导电。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，由此起到导电好、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。

本实用新型所述的电刷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，所述碳纳米管与与其接触的部分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。

本实用新型所述的碳纳米管刷与电刷本体的连接可以是通过导电胶或金属熔融固化。也可以是生长在导电基底上，导电基底进一步用导电胶或金属熔融固化或结构形式固定到电刷本体上。

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左半部分(即图 1中标记为(a)的部分)为电刷示意图，图1右半部分(即图1中标记为(b) 的部分)为电刷与旋转体(换向器/集电器)接触时的示意图；

图2、图3为电刷本体上布置碳纳米管层的两种实施例；其中图2右半部分 (即图2中标记为(b)的部分)、图3右半部分(即图3中标记为(b)的部分) 分别为图2左半部分(即图2中标记为(a)的部分)、图3左半部分(即图3中标记为(a)的部分)的右视图。

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)可随机生长在电刷本体(1)的导电基体上，也可以形成碳纳米管阵列。从图1右半部分(即图1中标记为(b)的部分)可以看出碳纳米管(2) 的端部与旋转体(换向器/集电器)(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。

本实用新型中，电刷几乎以碳纳米管的外壁面的整个长度方向与换向器相接触，碳纳米管的以其轴向方向大致平行于电刷本体的表面方向的方式布置在电刷本体的朝向换向器的一面。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。

实验结果表明，碳纳米管与基底间的摩擦主要来自碳纳米管端头与基底接触部分。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。

图2为本实用新型的具体实施例，电刷包括电刷本体(1)和碳纳米管层(2)。与传统的带弧度的电刷不同，碳纳米管层(2)的以其轴向方向大致平行于电刷本体的表面方向的方式布置在电刷本体的朝向换向器的一面。碳纳米管层(2) 由轴向方向与换向器的旋转方向相同(如图2)，或与换向器的旋转方向成角度倾斜或垂直设置的多根碳纳米管构成(如图3)。碳纳米管层(2)的碳纳米管可以具有相同的方向，也可以具有不同的方向。由此，电刷几乎以碳纳米管的外壁面的整个长度方向与换向器相接触，进行导电。在换向器的表面设置有石墨或石墨烯等导电材料，导电材料不限于此。优选的，在生长或布置碳纳米管时，有意设计至少部分/大部分/全部碳纳米管与换向器表面处于非公度的状态。

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 (6)

1.一种具有碳纳米管的电刷-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，其特征是：所述碳纳米管层以碳纳米管的外壁与换向器接触或贴附。

2.根据权利要求1所述的具有碳纳米管的电刷-换向器结构，其特征在于：碳纳米管以其轴向方向大致平行于电刷本体的第一表面的方式布置在电刷本体的第一表面。

3.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管的电刷-换向器结构，其特征在于：碳纳米管层由轴向方向与换向器的旋转方向相同的多根碳纳米管构成。

4.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管的电刷-换向器结构，其特征在于：碳纳米管层由轴向方向与换向器的旋转方向垂直的多根碳纳米管构成。

5.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管的电刷-换向器结构，其特征在于：碳纳米管层由轴向方向与换向器的旋转方向成角度倾斜的多根碳纳米管构成。

6.根据权利要求1或2所述的具有碳纳米管的电刷-换向器结构，其特征在于：所述电刷以碳纳米管的外壁面的整个长度方向与换向器接触。