KR20010030867A - 탄소 정류자 - Google Patents

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KR20010030867A
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carbon
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conductor
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KR1020007003558A
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윌리암 유진 지글러
윌리암 에이. 바우어
Original Assignee
윌리암 비. 화이트
맥코드 윈 텍스트론, 인크.
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    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
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Abstract

전기 모터용 탄소 세그먼트 평면 정류자 조립체(12)는 구리 전도체 부분(14)의 환상 어레이를 포함하며, 전도체 부분의 환상 어레이는 구멍(34)에 의해 반도체 부분(14)들을 기계적으로 상호 연동시키고 정류면(22)을 형성하는 전기 전도성 수지 결합 탄소 합성물로 오버몰딩된다. 그리고 나서, 탄소 오버몰드는 반경방향으로 절단된 원형 파이의 조각 형상을 갖는 동일한 세그먼트(18)들로 절단된다. 그리고 나서, 탄소 세그먼트(18)들 둘레 및 그 아래에서 절연체 재료를 오버몰딩함으로써 절연체 허브(24)가 형성된다. 각각의 탄소 세그먼트는 내부 선반 멈춤부(48)를 갖는 내부 정점 벽(44)과 외부 선반 멈춤부(50)를 갖는 외부 정점 벽(46)을 구비한다. 이러한 탄소 정류자는 탄소 세그먼트들이 벽(44, 46) 및 멈춤부(48, 50)에 의해 기계적으로 연동되므로 강도가 크다.

Description

탄소 정류자{Carbon Commutator}
영구자석 직류 모터는 때때로 침수형(submerged) 연료 펌프 분야에 사용된다. 이들 모터는 통상적으로 평면형(face-type) 정류자, 또는 원통형 또는 "배럴(barrel)"형 정류자를 채용한다. 평면형 정류자는 전기자(armature)의 회전축에 직각인 평면 내에 배치된 평면의 원형 정류면(commutating surface)을 갖는다. 배럴형 정류자는 전기자의 회전축 둘레에 동축으로 배치된 원통의 외부면 상에 배치된 아치형 원통 정류면을 갖는다. 이들의 정류면 형태와 관계없이, 침수형 연료 펌프 분야에 사용되는 전기 모터는 소형이고 집약형이어야 하며, 수명이 길어야 하고, 부식 환경에서 작동할 수 있어야 하며, 제조 및 작동에 있어 경제성이 있어야 하고, 기본적으로 유지 보수가 필요없어야 한다.
침수형 연료 펌프 모터는 때때로 메틸 알콜 및 에틸 알콜 등의 산소 화합물을 함유하는 유체 연료 매체 내에서 작동하여야 한다. 알콜은 연료의 전도성(conductivity)을 증가시키는데, 따라서 연료에 노출된 임의의 구리 모터 요소를 소모시키는 전기 화학 반응의 효율을 증가시킨다. 이 때문에, 모터를 위한 분할형(segmented) 정류면을 갖는 탄소 세그먼트를 형성하기 위해 탄소 및 탄소 합성물이 때때로 사용된다. 이는 탄소 정류자가 구리 정류자처럼 부식되거나 "소모"되지 않기 때문이다. 또한, 탄소 세그먼트를 갖는 정류자는 탄소 세그먼트와 전기 접촉하는 금속 접촉부를 포함하고, 정류자는 각각의 전기 접촉부를 전기자 코일 와이어에 대해 물리적으로 연결하는 단자를 제공한다.
몰딩 가능한 탄소 화합물을 먼저 몰딩하고 열처리하거나, 열처리된 탄소 또는 탄소/흑연 재료를 기계 가공함으로써 탄소 정류자를 형성하는 것이 공지되어 있다. 이러한 구성이 독일 공보 제3150505.8호에 나타나 있다. 그리고 나서, 금속 기판을 지지하기 위하여 정류자 절연 허브(hub)가 형성될 수 있다. 허브는 탄소가 금속 기판에 접합되기 전 또는 후에 금속 기판에 직접 몰딩될 수 있다. 그리고 나서, 탄소 물품 및 금속 기판을 통해 슬롯이 기계 가공되어, 탄소 물품과 기판을 복수개의 전기 절연된 세그먼트들로 분리한다. 정류자의 내경, 외경 및 정류면이 기계 가공될 필요성도 있을 수도 있다.
완성된 정류자가 전기자에 조립된 후에, 최종 오버몰딩(overmolding) 공정에 있어서, 새로 조립된 정류자-전기자의 상부에 클램셸 금형(clamshell mold)이 위치될 수 있다. 클램셸 금형의 개방 단부는 정류면을 노출 상태로 유지하는 방식으로 정류자 둘레에서 밀봉하도록 제작된다. 그리고 나서, 절연재가 클램셸 금형 내로 주입된다. 일단 절연재가 경화되면, 클램셸 금형이 제거된다. 이러한 최종 오버몰딩 단계는 구리 전기자 권선 및 다른 부식성 요소들이 산소 화합물 연료 등의 주변 유체와 화학 반응하는 것으로부터 보호한다. 또한, 오버몰딩은 응력 파손의 가능성을 낮추고 보정된 동적 평형 수준을 유지하기 위하여 와이어를 고정하기도 한다. 오버몰딩은 펌프에서의 공기압 손실을 감소시키기도 한다.
이러한 정류자를 제조하는 데 있어서, 금속 기판 내에 또는 이를 통해 절결부가 기계 가공되는 경우에, 금속 칩이 생성될 수 있다. 이들 금속 칩은 세그먼트들 사이의 슬롯 내에 박혀 있게 되어 전기적 고장을 야기할 수 있다. 금속 기판 내로의 기계 가공은 기판의 절결부를 산소 화합물 연료의 부식 효과에 노출시킬 수도 있다.
정류자의 탄소 및 금속 기판부가 전기 절연된 세그먼트들을 형성하도록 관통 기계 가공되는 경우에, 정류자를 강화하고 탄소 세그먼트들과 전도체 부분들을 함께 기계적으로 묶기 위해 몇몇 종류의 지지 구조물이 제공된다. 이러한 지지 구조물은 때때로 정류자에 대하여 상당한 추가의 축방향 공간을 요구하는데, 이는 전기자-정류자 조립체의 전체 축방향 길이를 증가시키거나 전기자에 권취된 와이어의 크기 및 양을 감소시킬 수 있다.
몇몇 종류의 전기 전도성 수지 결합 탄소 합성물에 대하여, 상기 합성물이 경화함에 따라 합성물의 외부면 상에 절연 표면 스킨이 특징적으로 형성된다. 상기 스킨은 탄소 합성물과 금속 전도체 부분 사이의 전기 접촉에 대하여 장애를 일으킨다. 따라서, 이러한 합성물을 사용하는 탄소 정류자는 절연 표면 스킨을 통해 전기 경로를 제공하여야 한다.
이러한 문제점을 해결하는 하나의 시도는 1995년 1월 31일 스트로비(Strobi)에게 허여된 미국 특허 제5,386,157호(이하, "스트로비 특허"라 함)에 기재되어 있다. 스트로비 특허는 전기 전도성 수지 결합 탄소 합성물로 구성된 탄소 디스크를 개시한다. 금속 기판 내로의 기계 가공과 관련된 문제점을 해결하기 위하여, 탄소 디스크는 8개의 파이 조각형(pie-piece-shaped) 구리 세그먼트들 상에 오버몰딩되고, 그리고 나서 세그먼트들 사이를 반경방향으로 절단하여 8개의 전기 절연된 탄소 세그먼트를 형성한다. 플라스틱 기판은 탄소 오버몰딩을 위하여 구리 세그먼트들을 제위치에서 유지하고 탄소 세그먼트들 사이에서 기계적 상호 연동을 제공한다. 그러나, 플라스틱 기판은 정류자의 축방향 두께를 증가시킨다. 게다가, 스트로비 특허는 존재한다면 전기 저항을 감소시킬 수 있는 탄소 합성물 스킨 또는 구조물을 통한 전기 경로를 제공하는 구조물을 제공하지 않는다.
필요한 것은 탄소 세그먼트 내의 증가된 탄소 대 구리 접촉부를 통한 그리고 형성될 수 있는 임의의 절연 표면 스킨을 통한 전기 저항을 낮추고 보다 단단한 탄소 세그먼트 정류자이다. 또한 필요한 것은 기계 가공 시간을 덜 요구하고 긴 공구 수명을 제공하는 그러한 정류자를 제조하는 방법이다.
본 발명은 전기 모터용 탄소 세그먼트 정류자(carbon-segment commutator) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명을 더욱 잘 이해하기 위하여, 첨부 도면과 관련한 이하의 상세한 설명을 참조하기로 한다.
도1은 본 발명에 따라 구성된 탄소 평면형 정류자 조립체의 평면도이다.
도2는 선 2-2를 따라 취한 도1의 정류자 조립체의 단면도이다.
도2a는 도2에 도시된 것에 대하여 다른 정류자 조립체 구성의 단면도이다.
도3은 도1의 정류자 조립체의 측면도이다.
도4는 본 발명에 따라 정사각형 구리 블랭크로부터 스탬핑 가공된 구리 전도체 부분의 어레이의 평면도이다.
도5는 도4의 스탬핑 가공된 구리 블랭크의 측면도이다.
도6은 본 발명에 따라 도5의 스탬핑 가공된 구리 블랭크 상에 오버몰딩된 탄소 합성물의 평면도이다.
도7은 도6의 선 7-7을 따라 취한 도6의 스탬핑 가공되어 오버몰딩된 블랭크의 측단면도이다.
도8은 도6의 스탬핑 가공되어 오버몰딩된 블랭크의 저면도이다.
도9는 본 발명에 따라 구성된 정류자 조립체에 조립된 전기자 둘레에 위치된 클램셸 금형의 부분 절결된 부분 단면 사시도이다.
도10은 본 발명에 따라 구성된 다른 전도체 부분의 사시도이다.
도11은 본 발명에 따라 구성된 다른 전도체 부분 탱(tang)의 평면도이다.
본 발명에 따르면, 상향 돌출부를 갖는 예비 스탬핑 가공된 금속 기판 상에 탄소 디스크가 오버몰딩되고, 반경방향 슬롯을 절삭하기 전에 상기 탄소 오버몰딩된 기판 위에 절연체 허브가 오버몰딩된 탄소 세그먼트 정류자가 제공된다. 정류자 조립체는 회전축 둘레에 배열되어 원주 방향으로 이격된 적어도 2개의 전도체 부분의 환상 어레이(annular array)와, 전도성 탄소 합성물로 형성되어 원주 방향으로 이격된 적어도 2개의 탄소 세그먼트의 환상 어레이를 포함한다. 환상 어레이가 정류자의 분할형 정류면을 형성하는 상태로 전도체 부분들 중 대응하는 전도체 부분의 적어도 하나의 표면 상으로 각각의 탄소 세그먼트가 몰딩된다. 오버몰딩된 절연체 허브는 탄소 세그먼트들 둘레와 그 사이에 배치된다. 절연체 허브는 탄소 세그먼트들을 기계적으로 상호 연동시킨다. 각각의 전도체 부분은 오버몰딩된 탄소 세그먼트들 중 대응하는 탄소 세그먼트 내에 적어도 부분적으로 매설된 적어도 하나의 전도체 돌출부를 갖는다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전술된 탄소 세그먼트 정류자 조립체를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전도체 부분의 환상 어레이를 형성하고 나서, 환상 전도체 부분 어레이 상에 전기 전도성 수지 결합 탄소 합성물을 몰딩함으로써 탄소 오버몰드를 형성하는 단계를 포함한다. 탄소 몰딩 중에, 정류면에 대향한 탄소 오버몰드의 내부면에 내부 홈이 형성된다. 다음으로, 탄소 오버몰드 및 전도체 부분 어레이를 절연재로 오버몰딩함으로써 절연체 허브가 형성되고, 절연재는 내부 홈을 적어도 부분적으로 차지하여 탄소 세그먼트들을 기계적으로 연동시킨다. 마지막으로, 탄소 오버몰드의 정류면으로부터 내부 홈으로 내측으로 슬롯을 기계 가공하는 것은 전기 절연된 탄소 세그먼트들의 환상 어레이를 형성한다.
종래 기술의 정류자와 달리, 본 발명의 충전된 내부 홈은 탄소 세그먼트들을 전기 절연시키기 위하여 기계 가공될 탄소 세그먼트의 얇은 부분만을 남겨둔다. 이는 적어도 3가지 이점, 즉 얕은 슬롯에 의해 보다 강한 그리고/또는 축방향으로 짧은 정류자가 생성된다는 것과, 슬롯을 절삭하기 위한 기계 가공 시간이 적게 요구된다는 것과, 공구 마모가 감소되어 공구 수명이 연장된다는 것이다.
게다가, 본 발명의 전도체 돌출부는 전도체 부분과 이에 대응하는 탄소 세그먼트 사이의 표면적 접촉부를 증가시킴으로써 전기 저항을 감소시킨다. 돌출부는 탄소 세그먼트 내의 증가된 탄소 대 구리 접촉부를 통한 전기 저항을 낮추고, 소정 탄소 합성물로 구성된 탄소 세그먼트 상에 형성될 수 있는 임의의 절연 표면 스킨을 통한 전기 경로를 제공한다.
전기 모터용 평평한 평면형 탄소 세그먼트 정류자 조립체가 도1 내지 도3 및 도9에서 도면 부호 12로 전반적으로 도시되어 있다. 정류자 조립체(12)는 도1 내지 도11에서 도면 부호 14로 전반적으로 도시된 원주방향으로 이격된 8개의 전도체 부분의 환상 어레이를 포함한다. 각각의 전도체 부분(14)은 얇고 평평하며 대략 삼각형인 구리 조각이다. 전도체 부분(14)은 도1 내지 도9에 도시된 바와 같이 정류자 회전축(16) 둘레에 배열된다. 각각의 전도체 부분(14)은 다른 모든 전도체 부분(14)과 동일한 대체로 부채꼴의 형상을 갖는다. 바꿔 말하면, 도4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 전도체 부분(14)은 원형의 파이로부터 반경방향으로 절단된 파이 조각의 형상을 갖는다.
도1, 도2 도8 및 도9에 전반적으로 도시된 바와 같이, 정류자 조립체(12)는 원주방향으로 이격된 8개의 탄소 세그먼트(18)의 환상 어레이도 포함한다. 각각의 탄소 세그먼트(18)는 다른 모든 탄소 세그먼트들과 동일한 대체로 부채꼴의 형상을 갖는다. 세그먼트(18)는 도6에서 도면 부호 20으로 나타낸 단일의 환상 탄소 디스크로서 초기에 형성된다. 탄소 디스크(20)는 8개의 동일한 세그먼트(18)로 절단되기 전에, 전기 전도성 수지와 결합된 몰딩 가능한 전도성 탄소 합성물로부터 제조된다. 탄소 디스크(20) 또는 "오버몰드"는 전도체 부분(14) 어레이 상으로 오버몰딩되어, 디스크(20)가 절단된 때 각각의 탄소 세그먼트(18)는 전도체 부분(14)들 중 대응하는 전도체 부분의 상부면 상에 형성되어 남게 된다. 탄소 세그먼트(18)의 환상 어레이는 정류자의 분할형 정류면으로서 역할하는 분할된 원형 상부면(22)을 갖는다.
도1 내지 도3에서 도면 부호 24로 전반적으로 도시된 오버몰딩된 절연체 허브는 탄소 세그먼트(18)들 둘레에, 그 하부에 그리고 세그먼트들 사이에 원주방향으로 배치된다. 경화된 때, 절연체 허브(24)는 탄소 세그먼트(18)들을 기계적으로 연동시킨다. 절연체 허브(24)는 원통형 전기자 축 구멍(26)이 정류자 회전축(26)을 따라 동축으로 배치된 대체로 원통 형상을 갖는다. 도9에 도시된 바와 같이, 원통형 전기자 축 구멍(26)은 전기자 축(28)을 수용하는 형상으로 되어 있다.
각각의 전도체 부분(14)은 도4 및 도5에서 도면 부호 30으로 도시된 바와 같이 2개의 일체형 상향 전도체 돌출부를 갖는다. 전도체 돌출부(30)들은 전도체 부분(14)의 상부면(32)의 대향한 대각선 모서리들로부터 연장된다. 탄소 합성물이 전도체 부분(14) 어레이 상으로 오버몰딩된 때, 상향 돌출부(30)는 오버몰드(20) 내에 매설된다. 탄소 디스크(20)가 세그먼트(18)로 절단된 때, 각각의 전도체 부분(14)의 각각의 상향 돌출부(30)는 오버몰딩된 탄소 세그먼트(18)들 중 대응하는 세그먼트 내에 매설되어 유지된다. 매설된 돌출부(30)는, 탄소 세그먼트(18) 내에서의 돌출부의 형상 및 위치로 인해, 이하에서 상세히 논의되는 바와 같이 각각의 전도체 부분(14)과 이에 대응하는 탄소 세그먼트(18) 사이의 표면적 접촉부를 증가시킴으로써 전기 저항을 감소시킨다.
전도체 부분(14) 어레이 내의 각각의 전도체 부분(14)은 도2 및 도4에서 도면 부호 34로 도시된 원형 전도체 부분 구멍을 포함한다. 전도체 부분 구멍(34)은 각각의 전도체 부분(14)의 외부 반원주 가장자리(outer semi-circumferential margin, 38)와 내부 정점(36) 사이의 대략 중간에 배치된다. 도4 및 도6 내지 도8에 도시된 바와 같이, 각각의 전도체 부분(14)의 내부 정점(36)에는 직사각형 정점 탭(tab, 40)이 있다. 도1 내지 도3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 탱(42)은 각각의 전도체 부분(14)의 외부 반원주 가장자리(38)로부터 일체로 방사상 외측으로 연장된다.
도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 전도체 돌출부(30)는 전도체 부분(14)으로부터 일체로 상향 연장된 상향 절곡부이다. 각각의 전도체 부분(14)은 2개의 이러한 상향 절곡 돌출부(30)를 포함한다. 각각의 상향 절곡 돌출부(30)는 길이가 길고 직사각형 형상이며, 긴 하부 가장자리를 따라 각각의 전도체 부분(14)으로부터 상향 절곡(축방향으로 외측으로 절곡)된다.
각각의 전도체 부분(14)은 오버몰딩된 탄소 세그먼트(18)들 중 하나와 절연체 허브(24) 사이에 매설된다. 각각의 전도체 부분(14)의 탱(42)은 절연체 허브(24)로부터 방사상 외측으로 돌출한다.
도1 및 도8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 탄소 세그먼트(18)는 반경방향으로 절단된 원형 파이의 조각의 형상, 즉 각각의 전도체 부분(14)과 동일한 형상을 갖는다. 그러나, 각각의 탄소 세그먼트(18)는 각각의 전도체 부분(14)보다 길고 넓으며 두껍다. 각각의 탄소 세그먼트(18)는 내부 정점 벽(44)과, 외부 반원주 주연벽(46)을 갖는다. 각각의 탄소 세그먼트(18)의 내부 정점 벽(44) 및 외부 반원주 주연벽(46)은 내부 선반 멈춤부(shelf-detent, 48) 및 외부 선반 멈춤부(50)를 각각 한정하는 계단형 형태를 갖는다.
탄소 세그먼트(18)는 흑연 분말이 총 합성물 중량의 50 내지 80%를 구성하는, 흑연 분말 및 캐리어 물질로부터 사출 성형되어 경화된 합성물로 제조된다. 캐리어 물질은 양호하게는 황화 폴리페닐렌(PPS) 수지이다. 이러한 합성물은 본 발명을 실시하는 데 적당하지만, 종래 기술에서 공지된 다른 탄소 합성물이 전기자가 사용되는 분야에 따라 본 발명에서 사용되기에 적당하게 된다.
다른 실시예에서, 금속 입자들은 탄소 분말과 캐리어 물질의 합성물 내에 매설될 수 있어, 탄소 세그먼트 표면 전도성을 향상시킴으로써 각각의 전도체 부분과 이에 대응하는 탄소 세그먼트 사이의 전기 저항을 감소시킨다. 이러한 실시예에서의 합성물의 총 금속 함량은 25% 미만이다. 금속 입자들은 분말 박편(powder flake)을 포함하는 하나 이상의 많은 상이한 형태를 가질 수 있다. 금속 입자는 양호하게는 은 또는 구리로 이루어진다.
도1, 도2, 도3, 도7 및 도8에서 도면 부호 52로 전반적으로 나타낸 반경방향 틈새는 탄소 세그먼트(18)들을 분리한다. 각각의 틈새(52)는 내부 홈 부분(54) 및 외부 슬롯 부분(56)을 갖는다. 내부 홈 부분(54)은 탄소 오버몰딩 동안에 형성된다. 외부 슬롯 부분(56)은 정류면(22)을 기계 가공함으로써 형성된다.
절연체 허브(24)는 원주방향 측벽의 상부 모서리 및 하부 모서리에 인접하여 배치된 평면 상부면 및 하부면을 갖는다. 원주방향 허브 측벽은 허브(24)의 상부면 및 하부면에 직각으로 배치된다. 도2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전기자 축 구멍(26)은 큰 상하부 외경으로부터 작은 내경으로 내측으로 테이퍼를 형성하는 상부 절두 원추부(58) 및 하부 절두 원추부(60)를 포함한다. 전기자 축 구멍(26)의 내부 부분(62)은 축방향 길이를 따라 일정한 직경, 즉 작은 내경을 갖는다.
다른 탄소 세그먼트 정류자 조립체 구성이 도2a에서 도면 부호 12a로 전반적으로 나타나 있다. 도2a에서 접미사 "a"를 갖는 도면 부호는 도2의 실시예에서도 나타난 요소들의 다른 형태를 나타낸다. 본 설명 중 일부분이 도2를 참조하여 도면 부호를 사용하는 경우에, 설명 중 그 부분이 도2a에서 접미사 "a"를 갖는 도면 부호로 나타낸 요소에도 동일하게 적용되는 것으로 한다. 도2a에 도시된 바와 같이, 각각의 탄소 세그먼트(18a)는 전도체 부분(14a)들 중 하나의 전도체 부분을 둘러싼다. 이러한 구성은 각각의 탄소 세그먼트(18a)와 이에 대응하는 전도체 부분(14a) 사이에서 전기 접촉 면적 및 강도를 최대화시킨다.
틈새(52)의 내부 홈 부분(54)은 허브(24)의 절연체 재료로 충전된다. 허브 절연체 재료는 탄소 세그먼트(18)의 어레이의 원주 둘레에도 배치되어 각각의 탄소 세그먼트(18)의 외부 선반 멈춤부(50)를 둘러싼다. 전기자 축 구멍(26)을 형성하는 허브 절연체 재료는 각각의 탄소 세그먼트(18)의 내부 선반 멈춤부(48)도 둘러싼다.
도3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 절연체 허브(24)는 절연체 허브(24)의 원주방향 측벽 둘레 전체로 연장되는 원주방향 랜드(land, 64)를 포함한다. 랜드(64)는 돌출한 전도체 부분의 탱(42)으로부터 틈새(52)의 충전되지 않은 외부 슬롯(56)까지 연장되는 축방향 폭을 갖는다. 도9에 도시된 바와 같이, 원주방향 랜드(64)는 클램셸 금형(67)의 대응 표면(65)과 부합하는 원주방향 밀봉면을 제공한다. 클램셸 금형(67)은 이하에서 상세히 설명되는 최종 절연 오버몰딩 공정에서 사용된다.
허브 절연체 재료는 미국 코네티컷주 맨체스터 소재의 로저스 코포레이션(Rogers Corporation)으로부터 상표명 "로저스 660"으로 입수 가능한 유리 충전 페놀(glass-filled phenolic)을 포함한다. 로저스 660을 대신하여 사용되기에 적당한 다른 재료들에는 고품질 엔지니어링 열가소성 물질, 즉 온도 변화를 받을 때 고도의 안정성을 나타내는 열가소성 물질이 포함된다.
다른 실시예에서, 전도체 부분(14) 및 탄소 세그먼트(18)의 환상 어레이는 8개보다 많거나 적은 부분들을 포함할 수 있다. 또한, 탄소 합성물의 캐리어 재료는 80%까지의 탄소 흑연 투입량을 갖는 페놀 수지; 열경화성 수지; 또는 액정 폴리머(LCP) 등의 PPS 이외의 열가소성 수지를 포함할 수 있다. PPS 및 페놀 수지 모두는 연료 및 알콜에 대한 오랜동안의 노출에도 견딘다. 또한, 다른 실시예들은 도면에 도시된 평면형 정류자 이외의 원통형 또는 "배럴"형의 정류자 조립체(12)를 채용할 수 있다.
다른 실시예에서, 전도체 부분 돌출부(30)는 탄소 대 구리 표면 접촉을 증가시키도록 설계된 많은 가능한 구성들 중 임의의 하나 이상의 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 도4 및 도5에서 도면 부호 14로 도시된 전도체 부분의 단일 절곡부를 구비하기 보다는, 돌출부는 도10에 도시된 바와 같이 전도체 부분(14')으로부터 연장된 절곡 핑거(66) 아래의 제위치에서 크림프된 별도의 요소들을 대신 포함할 수 있다. 또한, 도10에 도시된 바와 같이, 별도의 요소(30')들은 복수개의 좁고 긴 금속 스트랜드의 형태를 취할 수 있다. 도10에는, 금속 핑거(66)를 전도체 부분(14')으로부터 멀리 절곡시키고 핑거(66)를 와이어 상에서 크림핑함으로써 전도체 부분(14')에 크림핑된 금속 스트랜드의 와이어 브러시형 묶음이 도시되어 있다.
도11에 도시된 바와 같이, 다른 실시예들은 절연 전기 와이어를 수용하는 한 쌍의 슬롯을 각각 구비하는 접속부(termination, 68), 즉 "절연체 변위식(insulator displacement type)" 접속부가 형성된 탱(42")을 포함할 수 있다. 절연 와이어가 이들 슬롯들 중 하나의 슬롯 내로 측방향으로 가압될 때, 슬롯의 측면을 한정하는 금속 모서리는 와이어 절연체를 통과 절단하고 밀고 들어가 와이어를 노출시키고 전기 접속을 이룬다.
절연체 변위식 탱 접속부(68)를 사용하는 실시예에서, 전기자 권선(69)으로부터 연장되는 와이어는 전기자 권선 공정 중에 또는 권선 후에 각각의 단자(42") 내로 가압될 수 있다. 이는 와이어를 탱 접속부(68)에 용접하거나 가열 스테이킹(heat-staking)할 필요성을 제거한다.
실제로, 전술된 탄소 정류자는 전도체 부분(14)의 환상 어레이를 먼저 형성함으로써 구성된다. 이는 도4 및 도5에 도시된 단일 구리 블랭크(70)로부터 환상 어레이를 스탬핑 가공함으로써 이루어진다. 스탬핑 공정은 각각의 전도체 부분(14)을 구리 블랭크(70)의 스탬핑 가공되지 않은 외주(74)에 대해 얇은 방사상 연장의 금속 스트립(72)에 의해 연결된 상태로 남겨둔다. 얇은 구리 스트립(72)은 스탬핑 가공에 뒤따르는 정류자 구성 공정의 후속 단계를 위하여 외주(74)가 전도체 부분(14)을 제위치에서 유지하는 지지 링으로서 작용하게 한다.
그리고 나서, 전도체 부분(14)의 환상 어레이의 상부면(32) 상으로 탄소 합성물을 몰딩함으로써 도6 및 도8에 도시된 바와 같이 탄소 오버몰드(20)가 형성된다. 탄소 합성물은 전도체 부분(14)을 완전히 덮고 전도체 부분을 기계적으로 상호 연동시키는 방식으로 오버몰딩된다.
탄소 오버몰딩 공정에서, 탄소 합성물은 각각의 전도체 부분 구멍(34) 내로 그리고 각각의 전도체 부분의 각각의 주연 모서리 상으로 유동한다. 그러나, 도4, 도6 및 도8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 전도체 부분(14)의 정점 탭(40)은 탄소 오버몰드(20)에 의해 노출된 상태로 남겨진다. 정점 탭(40)은 전기자 구멍(26) 내로 방사상 내측으로 연장된다.
또한, 탄소 합성물은 상향 절곡된 일체형 전도체 돌출부(30)를 둘러싼다. 이는 탄소 합성물이 경화함에 따라 탄소 오버몰드(20)의 외부면 상에서 특징적으로 형성되는 절연 표면 스킨의 두께를 통해 돌출부(30)가 연장되게 한다. 절연 스킨을 통해 연장함으로써, 돌출부(30)는 탄소와 구리 사이의 표면적 접촉량을 증가시킴으로써 접촉부의 전기 저항을 감소시키는 역할을 한다. 또한, 탄소 오버몰딩 공정에서, 틈새(52)의 반경방향 홈 부분(54)은 전도체 부분(14)들 사이에서 정류면(22)에 대향하여 탄소 오버몰드(20)의 내부면 또는 바닥면(76) 내로 몰딩된다. 다르게는, 홈(54)은 기계 가공 등의 다른 주지 방법에 의해 형성될 수 있다.
그리고 나서, 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 탄소 오버몰드(20) 및 전도체 부분(14) 어레이를 허브 절연체 재료로 덮는 제2 오버몰딩 작업에 의해 허브(24)가 형성된다. 이러한 허브 오버몰딩 공정 동안에, 허브 절연체 재료는 탄소 오버몰드(20) 및 전도체 부분(14)을 둘러싼다. 허브 절연체 재료는 또한 탄소 오버몰딩 공정에서 탄소 오버몰드(20)의 바닥면(76)에 형성된 반경방향 홈(54), 즉 틈새(52)의 내부 홈 부분(54)을 완전히 충전시킨다. 허브 오버몰딩 작업이 완료된 후에 탄소 오버몰드(20)의 정류면(22) 부분만이 노출 상태로 남게 된다.
절연체 허브(24)가 오버몰딩됨에 따라, 탄소 세그먼트(18) 어레이의 원주 둘레에 형성된 절연체 재료는 도2에 가장 잘 도시된 바와 같이 각각의 탄소 세그먼트(18)의 외부 선반 멈춤부(50) 위로도 유동한다. 전기자 축 구멍(26) 둘레에 형성된 절연체 재료는 각각의 탄소 세그먼트(18)의 내부 선반 멈춤부(48) 위로 유동한다. 허브 절연체 재료가 각각의 탄소 세그먼트(18)의 내부 선반 멈춤부(48) 및 외부 선반 멈춤부(50) 위에서 경화된 후에 그리고 절연체가 탄소 세그먼트(18) 및 전도체 부분(14) 아래에서 경화된 후에, 경화된 허브 절연체 재료는 탄소 세그먼트(18)들을 서로와 관련하여 기계적으로 유지하는 역할을 한다. 게다가, 경화된 허브 절연체 재료는 탄소 세그먼트(18)들을 이들에 대응하는 각각의 전도체 부분(14)에 대하여 2차적으로 유지한다.
허브(24)가 탄소 오버몰드(20) 및 전도체 부분 어레이 상으로 오버몰딩된 후에, 스탬핑 가공되지 않은 구리 블랭크(70)의 외주(74)의 일부분은 오버몰딩된 절연체 허브(24) 둘레로부터 잘라내어진다. 일단 외주(74)가 절단되어지면, 각각의 스트립(72)은 허브(24)의 외부 원주면으로부터 방사상 외측으로 돌출한 상태로 남아 있는 각각의 연결 스트립(72)의 짧은 탱(42)을 형성하도록 절곡된다. 탱(42)은 전기자 권선으로부터 연장된 전기자 와이어에 각각의 전도체 부분(14)을 연결하는 데 사용되도록 위치 및 구성된다.
그리고 나서, 도1 내지 도3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전기 절연된 탄소 세그먼트(18)의 환상 어레이는 탄소 오버몰드(20)의 노출된 정류면(22)으로부터 하부의 반경방향 홈(54)까지 내측으로 얕은 반경방향 슬롯(56)을 기계 가공함으로써 형성된다. 슬롯(56)은 제한되는 것은 아니지만 톱니를 가진 톱을 사용하는 기술을 포함하는 접촉 또는 비접촉식 기계 가공 기술에 의해 형성될 수 있다.
반경방향 슬롯(56)은 반경방향 홈(54)과 직접 상하로 정렬하여 있으므로, 반경방향 슬롯(56)은 탄소 오버몰드(20)를 완전히 통과하여 그리고 반경방향 홈(54)을 차지하는 절연체 재료 내로 약간 절단될 수 있다. 이는 탄소 오버몰드(20)가 완전히 관통 절단되게 하고, 탄소 세그먼트(18)들이 서로로부터 완전히 분리되고 전기 절연되게 한다. 따라서, 절연체로 충전된 반경방향 홈(54) 및 반경방향 슬롯(56)은 정류자 내부에서 만나고, 전술된 바와 같이 탄소 세그먼트(18)들 사이에서 틈새(52)를 형성한다.
각각의 틈새(52)의 절연체로 충전된 반경방향 홈 부분(54)은 각각의 틈새(52)의 깊이의 대략 절반을 구성한다. 결국, 각각의 틈새(52)의 깊이의 나머지 절반을 절단하는 것은 비교적 얕은 슬롯(56)만을 요구한다.
마지막으로, 완성된 정류자 조립체(12)는 도9에 도시된 바와 같이 전기자 조립체(80)에 조립된다. 그리고 나서, 클램셸 금형(67)은 도9에서 도면 부호 81로 전반적으로 나타낸 신규로 조립된 정류자-전기자 조립체 위에 위치된다. 클램셸 금형(67)을 정류자-전기자 조립체(81) 상에 위치시키는 동안, 클램셸 금형(67)의 밀봉면(65)은 원주방향 랜드(64) 둘레에서 밀봉하도록 된다. 그리고 나서, 절연체 재료가 클램셸 금형(67) 내로 주입된다. 일단 절연체 재료가 경화되면, 클램셸 금형(67)은 제거된다. 이러한 최종 오버몰딩 단계는 구리 전기자 권선(69) 및 다른 부식성 요소들이 가솔린 등의 주변 유체와 화학적으로 반응하는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명에 따라 성취된 정류자 제조 공정은 구리 기계 가공을 수반하지 않으며, 따라서 탄소 세그먼트(18)들 사이에 낄 수 있는 구리 부스러기 및 칩을 생성하지 않는다. 게다가, 구리는 가솔린 등의 주변 유체와 반응하도록 노출되는 상태로 남지 않는다.
본 발명에 따라 구성된 정류자 조립체(12)는 탄소 세그먼트(18)들을 전기 절연시키기 위하여 정류면(22) 내의 얕은 슬롯(56)만을 요구하므로, 완성된 정류자 조립체(12)는 강도가 더 크고 파손에 더욱 잘 견딜 수 있다. 강도가 큰 정류자 조립체에 대한 다른 예로서, 정류자 조립체(12)의 허브(24)는 축방향으로 더욱 짧게 설계될 수 있어, 정류자-전기자 조립체가 축방향으로 더욱 짧게 설계되거나 더욱 많은 전기자 권선(69)을 지지할 수 있게 한다. 바꿔 말하면, 설계자는 정류자-전기자 조립체 전체를 짧게 하거나 더욱 많은 전기자 권선(69)을 포함함으로써 보다 짧은 허브 길이를 이용할 수 있다.
얕은 슬롯(56)의 다른 하나의 이점은 탱(42)과 슬롯(56) 사이에서 원주방향 랜드(64)를 허용한다는 것이다. 클램셸 금형을 위한 편리한 밀봉면을 제공함으로써, 원주방향 랜드(64)는 오버몰딩 재료가 슬롯(56) 내부 및 이를 통해 유출되는 것을 방지하기 위한 슬롯(56)의 마스킹을 수반하는 더욱 복잡한 작업에 대한 필요성을 제거한다.
본 설명은 제한하기 보다는 서술적인 단어를 사용한 본 발명의 예시적인 설명이다. 명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변형이 전술한 기재에 비추어 가능하다. 청구의 범위 내에서, 설명된 것 이외의 발명이 실시될 수 있다.

Claims (20)

  1. 회전축 둘레에 배열되어 원주방향으로 이격된 적어도 2개의 전도체 부분의 환상 어레이와,
    전도성 탄소 합성물로 형성되어 원주 방향으로 이격된 적어도 2개의 탄소 세그먼트의 환상 어레이와,
    탄소 세그먼트들 둘레 및 세그먼트들 사이에 배치된 오버몰딩 절연체 허브를 포함하며,
    각각의 탄소 세그먼트는 대응하는 전도체 부분의 적어도 하나의 표면 상으로 오버몰딩되고, 탄소 세그먼트의 환상 어레이는 정류자의 분할형 정류면을 형성하며,
    절연체 허브는 외부면을 구비하고 탄소 세그먼트들을 기계적으로 상호 연동시키며,
    각각의 전도체 부분은 각각의 전도체 부분과 이에 대응하는 탄소 세그먼트 사이의 표면적 접촉을 증가시킴으로써 전기 저항을 감소시키기 위하여 오버몰딩된 탄소 세그먼트들 중 대응하는 탄소 세그먼트 내에 적어도 부분적으로 매설된 적어도 하나의 전도체 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 전도체 돌출부는 복수개의 좁고 긴 금속 스트랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 전도체 부분은 구리로 제조된 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 정류자 조립체는 평평한 평면형 정류자 조립체인 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 전도체 부분은 외측으로 돌출한 탱 부분을 포함하고, 각각의 전도체 부분은 각각의 전도체 부분의 탱 부분이 절연체 허브의 외부면으로부터 외측으로 돌출한 상태로 절연체 허브와 오버몰딩된 탄소 세그먼트 사이에 매설된 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 정류자 조립체는 탄소 세그먼트들을 분리하는 반경방향 틈새를 추가로 포함하며, 각각의 틈새는 허브 절연체 재료로 충전되는 내부 홈 부분과 충전되지 않는 외부 슬롯 부분을 구비하고, 절연체 허브는 틈새의 충전되지 않는 외부 슬롯 부분과 탱 사이에서 원주방향 랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 탄소 세그먼트는 탄소 분말과 캐리어 물질의 합성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 탄소 세그먼트는 탄소 분말과 캐리어 물질의 합성물 내에 매설된 금속 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  9. 제7항에 있어서, 캐리어 물질은 페놀 수지, 열경화성 수지 및 열가소성 수지로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  10. 제7항에 있어서, 탄소 합성물의 50 내지 80 중량%는 흑연으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  11. 회전축 둘레에 배열되어 원주방향으로 이격된 적어도 2개의 전도체 부분의 환상 어레이와,
    전도성 탄소 합성물로 형성되어 원주 방향으로 이격된 적어도 2개의 탄소 세그먼트의 환상 어레이와,
    탄소 세그먼트들 둘레 및 세그먼트들 사이에 배치된 오버몰딩 절연체 허브와.
    탄소 세그먼트의 표면 전도성을 향상시켜 각각의 전도체 부분과 이에 대응하는 탄소 세그먼트들 사이의 전기 저항을 감소시키기 위하여 탄소 합성물 내에 매설된 금속 입자를 포함하며,
    각각의 탄소 세그먼트는 대응하는 전도체 부분의 적어도 하나의 표면 상으로 오버몰딩되고, 탄소 세그먼트의 환상 어레이는 정류자의 분할형 정류면을 형성하며,
    절연체 허브는 외부면을 구비하고 탄소 세그먼트들을 기계적으로 상호 연동시키는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 탄소 합성물은 탄소 분말 및 캐리어 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  13. 제11항에 있어서, 각각의 전도체 부분은 오버몰딩된 탄소 세그먼트들 중 대응하는 탄소 세그먼트 내에 적어도 부분적으로 매설된 적어도 하나의 전도체 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 탄소-세그먼트 정류자 조립체.
  14. 회전축 둘레에 배열되어 원주방향으로 이격된 적어도 2개의 전도체 부분의 환상 어레이와, 전도성 탄소 합성물로 형성되어 원주 방향으로 이격된 적어도 2개의 탄소 세그먼트의 환상 어레이와, 탄소 세그먼트들 둘레 및 세그먼트들 사이에 배치된 오버몰딩 절연체 허브를 포함하며, 각각의 탄소 세그먼트는 대응하는 전도체 부분의 적어도 하나의 표면 상으로 형성되고, 탄소 세그먼트의 환상 어레이는 정류자의 분할형 정류면을 형성하며, 절연체 허브는 탄소 세그먼트들을 기계적으로 상호 연동시키는 탄소 정류자 조립체를 제조하는 방법으로서,
    전도체 부분의 환상 어레이를 제공하는 단계와,
    전도체 부분의 환상 어레이 상에 탄소 오버몰드를 제공하도록 전도체 부분의 환상 어레이 상으로 전기 전도성 수지 결합 탄소 합성물을 오버몰딩하는 단계와,
    정류면에 대향한 탄소 오버몰드의 내부면에 내부 홈을 형성하는 단계와,
    내부 홈을 적어도 부분적으로 차지하고 탄소 세그먼트들을 상호 연동시키는 절연체 허브를 제공하도록 탄소 오버몰드와 전도체 부분의 어레이 상에 절연체 재료를 오버몰딩하는 단계와,
    전기 절연된 탄소 세그먼트의 환상 어레이를 형성하도록 탄소 오버몰드의 정류면으로부터 내부 홈까지 내측으로 슬롯을 기계 가공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 전도체 부분의 환상 어레이를 제공하는 단계는 단일 구리 블랭크로부터 전도체 부분의 환상 어레이를 스탬핑 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 전도체 부분의 환상 어레이를 스탬핑 가공하는 단계는 각각의 전도체 부분을 구리 블랭크의 스탬핑 가공되지 않은 외주에 얇은 금속 스트립으로 연결된 상태로 남겨두는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 얇은 금속 스트립과 슬롯 사이에서 허브의 외부 원주면 상에 원주방향 랜드가 배치되게 하기에 충분히 얕은 슬롯을 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 탄소 오버몰드 및 전도체 부분의 어레이를 오버몰딩하는 단계 이후에, 스탬핑 가공되지 않은 구리 블랭크 외주의 적어도 일부분을 절연체 허브 둘레로부터 잘라내는 추가 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서, 정류면에 대향한 탄소 오버몰드의 내부면에 내부 홈을 형성하는 단계는 탄소 오버몰드를 형성하는 단계에 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서, 정류자 조립체 및 연결된 전기자 위에 클램셸 금형을 위치시키는 단계와, 원주방향 랜드 둘레에서 클램셸 금형의 일단부를 밀봉하는 단계와, 클램셸 금형 내로 절연체 재료를 주입하는 단계와, 주입된 절연체 재료를 경화시키는 단계와, 클램셸 금형을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자 조립체 제조 방법.
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