平面碳換向器及其製造方法
2023-05-23 19:23:16
專利名稱：平面碳換向器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種電機用的換向器，特別涉及一種平面碳換向器。使用時接觸電刷軸向地壓靠換向器的平面接觸表面(而不是在柱形換向器情況下徑向地壓靠)且該接觸表面是由有與接觸電刷接合之碳外層的若干換向片(通常以圓環形布置)來提供的。
背景技術：
汽車採用電噴裝置後，其燃油泵由於體積限制，未能夠採用無刷電機，目前還只能使用直流電機。
電噴燃油泵是「電噴」系統的關鍵部件，它的作用是將汽油從燃油箱中泵入汽油管路，並使之保持一定壓力、流量。電噴燃油泵是由小型電機驅動油泵，電機與油泵裝置在一個密封的殼體內，然後安裝在燃油箱內。
而換向器是驅動電機的關鍵部件，它的技術性能指標和產品質量直接影響到電機的整體性能。由於電機在旋轉時電刷在換向器表面各電極之間進行換向，頻繁摩擦而產生熱量，轉速越高，表面溫度也越高，這時換向器徑向和相鄰極片間變形量越大，火花等級也越大，對換向器表面造成電火花的灼蝕，使得電機壽命相對縮短。儘管燃油可以使之降溫，但腐蝕依然存在，加上燃油泵電機是浸泡在汽油中工作的，汽油穿過整個電機。國際上車用汽油的發展方向是無鉛、低硫、低烯、低芳，及高辛烷值，而我國目前生產的汽油含硫量普遍比較高。
目前國內外直流電機的換向器，大都採用無氧銅或銀銅合金製造。而銅換向器工作面除電火花腐蝕外，更會因為硫的腐蝕而加速磨損；打開使用過的燃油泵，會發現泵體內部存有黑色的粉狀固體，碳刷連接銅導線均有不同程度的腐蝕，嚴重的其碳刷連接銅導線電阻值上升50％，導電能力下降。換向器是受到含超量硫的汽油作用，銅與硫在換向器表面生成不導電的硫化銅，造成換向器與碳刷之間接觸電阻值上升。當燃油泵在高速運轉中，換向器產生高熱，並將硫化銅一部分磨去，當泵停止工作之後，硫化銅又重複生成。循環以往，造成換向器嚴重磨損，換向器一側的軸承孔受熱變形，使得固定轉子軸的二端軸承孔不同心，嚴重時，燃油泵轉子掃膛，噪聲增加，電流上升，最後導致燒毀油泵電機。
近年來，國家為改革能源結構，控制廢氣汙染排放，制定了《車用乙醇汽油》及《變性燃料乙醇》標準。車用乙醇汽油是指在汽油中，按體積比，加入一定比例(美國和我國一般為10％，巴西為25％)的變性燃料乙醇，混配形成的一種車用燃料。它是汽油發動機專用的一種新型的環保燃料。在汽油標號前加寫「E」作為車用乙醇汽油的標號。目前推廣使用的E90#和E93#，E95#，E97#也將逐步推廣使用。
乙醇汽油對銅換向器的銅工作面造成腐蝕將會更加加劇，使燃油泵的使用壽命大為降低。專家認為，乙醇與汽油勾兌達到10％，確實會對銅產生腐蝕作用。無論如何，我國推廣使用這種新型的環保燃料勢在必行。政府、專家對乙醇汽油項目的前景依然看好。國家質量監督檢驗檢疫總局日前決定在全國範圍內逐步推廣使用車用乙醇汽油，並使其在兩三年內佔到一定的市場份額。
因此中國汽車行業已提出，迫切需要開發適用於乙醇汽油的燃油泵，但要開發生產出適用於乙醇汽油的燃油泵，首先要解決碳換向器的研製和開發生產。
除了國家推廣的乙醇汽油外，市場上還有在汽油中添加甲醇的。甲醇汽油生產一直沒有統一的標準，而各方涉足其中，利益的驅動導致甲醇汽油有泛濫的趨勢，在此消費者無疑會成最大的受害者。根據檢測甲醇汽油對汽車的油泵損害比較大，且有毒，國家應該對甲醇汽油有所規範。由於甲醇在生產、儲運過程中會產生的可溶性酸、膠質、氯化物、水份等對汽車零部件有不利的影響。甲醇中的酸性物質會對金屬產生腐蝕，噴油器還因甲醇中的膠質，在冬天易發生堵塞現象。燃油管(包括軟管和金屬管)要改變金屬管鍍層工藝。
綜上所述原因，所以解決碳換向器的研製和開發生產來取代金屬換向器，是開發及生產適應於乙醇汽油、甲醇汽油使用的燃油泵的先決條件。
目前，國際上的碳換向器採用的方法及其結構如圖1所示，採用將碳片直接焊接在銅骨架上。
我國還有採用混合強力膠通過粘接方式來解決碳片與銅骨架的結合，如圖2和圖3所示。
參見圖4和圖5所示的兩種碳換向器，在理論上比平面焊接或粘接，要牢靠；但加工難度很大。碳的屬性是硬，而且脆，很難採用機械加工完成。如果採用嵌入銅骨架進行燒結，銅的熔點在1082℃，而碳的燒結溫度在3000℃，難於實施；而且碳的加工，還需進行石墨化處理，無法實際完成。採用進行低溫燒接，是否能夠保證碳的強度及耐磨性，對我們目前的生產條件來說，還存在實驗風險。
還有瑞士德昌機電股份有限公司在中國申請的公告號為CN1046598C發明專利，其採用每個電極制一個銅骨架，在銅骨架上也留有二個、三個與碳片錨固的孔，把它安置在絕緣酚醛塑料的基座上，參見圖6。這樣的結構，製作工藝相當複雜，而且對碳片的加工要求也相當高，碳(石墨)性能很脆，要想通過機械加工到如此小的錨固柱腳，難度很大。只能夠採用模具壓注的方法才能夠達到。但採用採用模具壓注的方法，又回到前面所講到的碳的燒結問題；而且因為有二到三個錨固孔，所以對加工精度要求也較高。
(日本)Kenichi Sugiyama公司在美國申請專利，US7,051,422 B2「生產平面碳換向器的方法」，參見圖7和圖8。其採用圓孔來安裝碳片的固定腳，碳片要加工成圓腳比較麻煩，精度要求高；碳片與銅骨架的配合要求較高。
2006年1月18日公開的喬澤.波託克尼克專利(公開號CN 1723593A)採用如圖9所示的結構。這樣的結構雖然比以上的結構較簡單，易於生產，但碳片的加工比較麻煩，精度要求高；碳片與銅骨架的配合要求較高，而且銅骨架位置下沉較多，切割分電極槽時，相應會較深，可能會對絕緣酚醛塑料的基座強度造成影響，只有通過加厚絕緣酚醛塑料的基座來解決。
發明內容
本發明所要解決的技術問題第一方面提供一種用於電噴燃油泵直流電機使用的平面碳換向器。
本發明所要解決的技術問題第二方面是提供了一種上述平面碳換向器的製造方法，該製造方法及組裝操作簡單易行。
作為本發明的第一方面平面碳換向器，它包括一個絕緣塑料載體，複數個均勻環繞換向軸布置的銅製導體部件，和與銅製導體部件同樣數量的與這些銅製導體部件成鉚接狀且呈導電連接的碳製成部件，所述銅製導體部件和碳製成部件呈間隔地均布在絕緣塑料載體上並與絕緣塑料載體無間隙接觸，每個碳製成部件具有一個碳刷接觸面，其特徵在於，在所述每個碳製成部件的碳刷接觸面背對面上設置有一凸出的扇形方凸塊，所述的凸塊是通過常規的鋸、車、銑加工工藝，製成帶有扇形方凸塊即錨固柱腳的形狀，而且在每個銅製導體部件上開設有一容碳製成部件上的扇形方凸塊插入的扇形方孔，所述銅製導體部件與碳製成部件之間的具有一將銅製導體部件與碳製成部件焊接在一起的導電中間層。
在本發明的銅製導體部件下側具有向內嵌入絕緣塑料載體中的契狀彎勾，該契狀彎勾深深地嵌入到絕緣塑料載體中，保證了絕緣塑料載體與銅製導體部件的牢固連接。
在本發明的絕緣塑料載體與碳製成部件內圈的結合部位上具有一向外擴張的凸緣，這樣在絕緣材料載體收縮時，能產生一個力，緊緊卡住碳製成部件，使絕緣塑料載體與碳製成部件之間牢固的結合。
在本發明中，所述碳製成部件的扇形方凸塊的底面突出銅製導體部件的扇形方孔，嵌入到絕緣塑料載體中，以使碳製成部件更好的與絕緣塑料載體接合。
在整個平面碳換向器外鍍有一層電鍍層，以防止裸露銅的氧化及提高抗腐能力。
作為本發明第二部分的平面碳換向器的製造方法，包括如下步驟1、取符合技術要求的碳塊，車平碳刷接觸面A並車內、外園B、C；2、調頭車外園D和內園E，並同時平端面F、G和H至符合要求，成型環狀的凸塊，要求是該碳制碟片除扇形方凸塊外，車、銑的加工面必須是一個平面；3、銑環狀的凸塊的間隔槽，使之成型若干扇形方凸塊，最終形成碳製成部件，凸塊的形狀是銑削後自然留下的，並非特別加工形成的；4、碳製成部件採用鍍銅或其他可焊金屬進行表面處理；5、取符合技術要求的銅板下料，衝壓成型具有內、外接觸凸肩及扇形方孔的銅骨架；並同時在銅骨架下側衝成向內的契狀彎勾；6、對步驟5成型的碳製成部件帶有扇形方凸塊一面塗以助焊劑，同時將步驟5的銅製導體部件的相對表面也塗以助焊劑，再將無鉛錫漿即錫膏塗抹在銅製導體部件的相對表面，即夾在碳片與銅骨架之間的碳碟片組件的扇形方凸塊插入銅骨架於之相配合的扇形方孔中，採用壓熔焊接機進行加熱、加壓進行焊接，焊接時溫度控制在400℃以下，因為超過450℃，碳片上的鍍層會發生脫落，壓力為0.5-0.7Mpa，焊接的同時擠流出多餘的可焊金屬(錫膏)；7、將步驟6焊接好的銅骨架及碳碟片組件置入注射模具中，通過注塑機灌注絕緣塑料載體，注射成型後進行彎鉤、拋光，再採用銑槽機按照要求進行銑槽，切斷整體碳碟片組件使之成為單體的呈導電連接的碳製成部件，並切斷銅骨架的連接，使之成為單體的銅製導體部件，依靠絕緣塑料載體把多個銅製導體部件和與之呈導電連接的碳製成部件連接為一個整體；8、將步驟7的整體部件進行電鍍，或者採用鍍錫，以防止裸露銅的氧化及提高抗腐能力。
本發明的平面碳換向器採用的結構簡單，碳製成部件與銅製導體部件之間採用扇形方孔和扇形方凸塊相互咬合以及焊接的方式接觸，對加工精度要求不高，提高了產品的正品率，並且接觸力得到很大的增強，在工作時不存在脫落的危險。本發明更重要是直接使用碳塊，通過常規的鋸、車、銑等加工工藝，製成帶有扇形方凸塊即錨固柱腳的形狀，該錨固柱腳即扇形方凸塊不需要特意加工，是經過車、銑自然形成的，加工工藝簡單，從而降低了碳製成部件的製造成本。而銅製導體部件採用符合要求的銅板衝壓製成，基本上可以通過三到四道衝壓工藝即可成型，因而也降低了銅製導體部件的製造成本。碳製成部件與銅製導體部件的配合要求不高，而且銅製導體部件位置下沉不多，切割分電極槽時，深度較淺，不會對絕緣酚醛塑料的基座強度造成影響。採用碳換向器可以防止銅與硫在換向器表面生成不導電的硫化銅，造成換向器與碳刷之間接觸電阻值上升，提高燃油泵使用壽命。同時使燃油泵適合乙醇汽油和甲醇汽油，以符合可持續發展要求。
圖1為現有採用將碳片直接焊接在銅骨架上的平面碳換向器示意圖。
圖2為現有採用混合強膠粘將碳片與銅骨架粘接在一起的平面碳換向器示意圖。
圖3為圖2的I處的放大示意圖。
圖4為現有一種碳片嵌入銅骨架的平面碳換向器示意圖。
圖5為現有另一種碳片嵌入銅骨架的平面碳換向器示意圖。
圖6為現有每個電極制一個銅骨架的平面碳換向器示意圖。
圖7為現有的碳片加工成圓腳的平面碳換向器銅骨架結構示意圖。
圖8為圖7的剖視圖。
圖9為現有喬澤.波託克尼克專利的結構示意圖。
圖10為本發明的平面碳換向器的結構示意圖。
圖11為本發明製造方法步驟1的工藝圖。
圖12為本發明製造方法步驟2的工藝圖。
圖13為本發明製造方法步驟3的工藝圖。
圖14為本發明製造方法步驟5銅製骨架主視圖。
圖15為圖14的A-A剖視圖。
圖16為本發明製造方法最後製成的銅製部件的橫截面圖。
圖17為本發明製造方法步驟6的工藝圖。
圖18為本發明的又一實施例結構示意圖。
圖19為本發明的又一實施例結構俯視圖。
具體實施例方式
為了更好的描述本發明，下面結合附圖對本發明加以說明。
如圖10所示，平面碳換向器，它包括一個絕緣塑料載體1，絕緣塑料載體1有一換向軸11，絕緣塑料載體1有至少部分橫向延伸的延伸端12，和八個位於該延伸端12上的凹陷13；八個繞換向軸11布置的銅製導體部件2固定到絕緣塑料載體1上，並與絕緣塑料載體1的延伸端12無間隙相結合，和與銅製導體部件2同樣數量的與這些銅製導體部件2成鉚接狀且呈導電連接的碳製成部件3，同樣，碳製成部件3與絕緣塑料載體1無間隙相結合。
每個碳製成部件3具有一個碳刷接觸面31，在每個碳製成部件3的碳刷接觸面31背對面上設置有一凸出的扇形方凸塊32，而在每個銅製導體部件2上開設有一容碳製成部件3上的扇形方凸塊32插入的扇形方孔21，並在銅製導體部件2下側具有向內嵌入絕緣塑料載體1中的契狀彎勾22，該契狀彎勾22深深地嵌入到絕緣塑料載體1中，保證了絕緣塑料載體1與銅製導體部件2的牢固連接。
碳製成部件3的扇形方凸塊32的底面突出銅製導體部件2的扇形方孔21，嵌入到絕緣塑料載體1的凹陷13中，以使碳製成部件3更好的與絕緣塑料載體1接合。
在絕緣塑料載體1與碳製成部件3內圈的結合部位上具有一向外擴張的凸緣14，這樣在絕緣材料載體1收縮時，能產生一個力，緊緊卡住碳製成部件3，使絕緣塑料載體1與碳製成部件2之間牢固的結合。
在銅製導體部件2與碳製成部件3之間的接觸面之間具有一將銅製導體部件2與碳製成部件3焊接在一起的導電中間層4。該導電中間層4為可焊接金屬，如銀或錫(錫膏)等。
上述平面碳換向器製造方法包括如下步驟1、如圖11所示，取符合技術要求的碳塊，車平碳刷接觸面A並車內、外園B、C；2、如圖12所示，調頭車外園D和內園E，並同時平端面F、G和H至符合要求，成型環狀的凸塊，3、如圖13所示，銑環狀的凸塊的間隔槽，使之成型若干扇形方凸塊32，最終形成碳製成部件3；4、碳製成部件3採用鍍銅或其他可焊金屬進行表面處理；5、如圖14、圖15、圖16和圖17所示，取符合技術要求的銅板下料，衝壓成型具有內、外接觸凸肩23、24及扇形方孔21的銅骨架；並同時在銅骨架下側衝成向內的契狀彎勾22；6、如圖18所示，對步驟4成型的碳製成部件帶有扇形方凸塊32一面塗以助焊劑，將無鉛錫膏塗抹在銅製導體部件的相對表面，即夾在碳片與銅骨架之間，同時將步驟6的銅製導體部件的相對表面也塗以相同的助焊劑，再將碳碟片組件的扇形方凸塊32插入銅骨架於之相配合的扇形方孔21中，採用壓熔焊接機，加熱、加壓進行焊接，焊接時溫度控制在400℃以下，因為超過450℃，碳片上的鍍層會發生脫落，壓力為0.5-0.7Mpa，7、將步驟6焊接好的銅骨架及碳碟片組件置入注射模具中，通過注塑機灌注絕緣塑料載體，注射成型後進行彎鉤、拋光，再採用銑槽機按照要求進行銑槽，切斷整體碳碟片組件使之成為單體的呈導電連接的碳製成部件3，並切斷銅骨架的連接，使之成為單體的銅製導體部件2，依靠絕緣塑料載體1把八個銅製導體部件2和與之呈導電連接的碳製成部件3連接為一個整體；8、將步驟7的整體部件進行電鍍，以防止裸露銅的氧化及提高抗腐能力。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求
1.一種平面碳換向器，包括一個絕緣塑料載體，複數個均勻環繞換向軸布置的銅製導體部件，和與銅製導體部件同樣數量的與這些銅製導體部件成鉚接狀且呈導電連接的碳製成部件，所述銅製導體部件和碳製成部件呈間隔地均布在絕緣塑料載體上並與絕緣塑料載體無間隙接觸，每個碳製成部件具有一個碳刷接觸面，其特徵在於，在所述每個碳製成部件的碳刷接觸面背對面上設置有一凸出的扇形方凸塊，所述的凸塊是通過常規的鋸、車、銑加工工藝，製成帶有扇形方凸塊即錨固柱腳的形狀，而在每個銅製導體部件上開設有一容碳製成部件上的扇形方凸塊插入的扇形方孔，所述銅製導體部件與碳製成部件之間的具有一將銅製導體部件與碳製成部件焊接在一起的導電中間層。
2.根據權利要求1所述的平面碳換向器，其特徵在於，在所述銅製導體部件下側具有向內嵌入絕緣塑料載體中的契狀彎勾，該契狀彎勾深深地嵌入到絕緣塑料載體中。
3.根據權利要求1所述的平面碳換向器，其特徵在於，在所述絕緣塑料載體與碳製成部件內圈的結合部位上具有一向外擴張並卡住碳製成部件的凸緣。
4.根據權利要求1所述的平面碳換向器，其特徵在於，所述碳製成部件的扇形方凸塊的底面突出銅製導體部件的扇形方孔，嵌入到絕緣塑料載體中。
5.根據權利要求1所述的平面碳換向器，其特徵在於，所述平面碳換向器外鍍有一層電鍍層。
6.一種製造權利要求1所述的平面碳換向器的方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)取符合技術要求的碳塊，車平碳刷接觸面A並車內、外園B、C；(2)調頭車外園D和內園E，並同時平端面F、G和H至符合要求，成型環狀的凸塊，要求是該碳制碟片除扇形方凸塊外，車、銑的加工面必須是一個平面；(3)銑環狀的凸塊的間隔槽，使之成型若干扇形方凸塊，最終形成碳碟片組件，凸塊的形狀是銑削後自然留下的，並非特別加工形成的；(4)碳製成部件採用鍍銅或其他可焊金屬進行表面處理；(5)取符合技術要求的銅板下料，衝壓成型具有內、外接觸凸肩及扇形方孔的銅骨架；並同時在銅骨架下側衝成向內的契狀彎勾；(6)對步驟(4)成型的碳製成部件帶有扇形方凸塊一面塗以助焊劑，同時將步驟(5)的銅製導體部件的相對表面也塗以助焊劑，再將無鉛錫膏塗抹在銅製導體部件的相對表面，即夾在碳片與銅骨架之間的面，將碳碟片組件的扇形方凸塊插入銅骨架於之相配合的扇形方孔中，採用壓熔焊接機加熱、加壓進行焊接，焊接時溫度控制在400℃以下，因為超過450℃，碳片上的鍍層會發生脫落，壓力為0.5-0.7Mpa，焊接的同時擠流出多餘的可焊金屬即錫膏；(7)將步驟(6)焊接好的銅骨架及碳碟片組件置入注射模具中，通過注塑機灌注絕緣塑料載體，注射成型後進行彎鉤、拋光，再採用銑槽機按照要求進行銑槽，切斷整體碳碟片組件使之成為單體的呈導電連接的碳製成部件，並切斷銅骨架的連接，使之成為單體的銅製導體部件，依靠絕緣塑料載體把多個銅製導體部件和與之呈導電連接的碳製成部件連接為一個整體；(8)將步驟(7)的整體部件進行電鍍。
全文摘要
本發明提供一種用於電噴燃油泵直流電機使用的平面碳換向器及其製造方法，該製造方法及組裝操作簡單易行。本發明的平面碳換向器，它包括一個絕緣塑料載體，複數個銅製導體部件，與這些銅製導體部件成鉚接狀且呈導電連接的碳製成部件，其特徵在於，在所述每個碳製成部件的碳刷接觸面背對面上設置有一凸出的扇形方凸塊，所述的凸塊是通過常規的鋸、車、銑加工工藝，製成帶有扇形方凸塊即錨固柱腳的形狀，而且在每個銅製導體部件上開設有一容碳製成部件上的扇形方凸塊插入的扇形方孔，凸塊的形狀是銑削後自然留下的，並非特別加工形成的。
文檔編號H01R43/06GK101060224SQ20071003653
公開日2007年10月24日 申請日期2007年1月17日 優先權日2007年1月17日
發明者史文浩 申請人:上海浩巍汽車配件有限公司