换向器、使用该换向器的电机及换向器的制备方法与流程

本发明涉及一种换向器、使用该换向器的电机及换向器的制备方法。

背景技术：

石墨换向器作为油泵电机中最重要的结构部件之一，其质量优劣成为衡量电机性能的重要指标。

现有的石墨换向器的主要组成为：石墨(炭)片；铜片；石墨片是用来导电和作为磨损件。铜片是用作导电和电机绕组的连接。石墨片和铜片的连接与装配是石墨换向器制造工艺技术的重点之一。现有的制造工艺之一是先用电镀的方法将石墨片表面金属化，然后再将铜片通过填加焊料的方法焊接在一起。此设计的缺点是电镀工艺成本高，不环保且石墨片容易脱落。现有的制造工艺之二是通过直接粉末压制的工艺将炭粉和纯金属粉(主要是铜粉)压制然后低温固化热处理工艺形成表面金属化的石墨片，后期工艺也是采用焊接的方法连接铜片。这种设计的缺点是由于不能使用高温热处理的方法(比如500度以上烧结温度)造成产品电阻高，电机效率低。产品如果高温热处理，由于石墨材料与金属材料的热膨胀系数的差异，此种结构在石墨层与金属层的连接处很容易开裂。现有的制造工艺之三是用高温钎焊的方法直接焊接石墨片和铜片，此种工艺的缺点是成本高且造成铜片软化不利于后期电机的装配。

技术实现要素：

鉴于此，有必要提供一种换向器、使用该换向器的电机以及换向器的制备方法。

本发明的实施例提供一种换向器，包括绝缘基座及设于所述绝缘基座上的若干换向片，每一换向片包括依序设置于基座上的金属层、过渡层及碳层，所述过渡层含有与碳层相同的材料及与金属层相同的材料。

作为一种优选方案，所述换向器还包括多个导电端子，所述导电端子一一对应地连接于所述换向片。

作为一种优选方案，所述碳层的材料为碳粉，所述碳粉选自天然石墨、人造石墨以及中间相炭微球的一种或多种组合。

作为一种优选方案，所述过渡层的材料选自碳粉与金属粉。

作为一种优选方案，所述过渡层中碳粉质量比为10％-30％，所述金属粉质量比为70％-90％。

作为一种优选方案，所述碳粉选自天然石墨，人造石墨，焦炭以及中间相炭微球的一种或多种组合，所述金属粉选自al、cu、ag、ni、bi、sb或至少含有一种这些金属的合金。

作为一种优选方案，所述金属层的材料为金属粉，所述金属粉选自al、cu、ag、ni、bi、sb或至少含有一种这些金属的合金。

作为一种优选方案，所述过渡层的厚度范围为100μm-500μm，所述金属层的厚度范围为100μm-500μm，所述的碳层的厚度范围为1600-2400μm。

一种电机，电机包括壳体、装设于所述壳体内的转子以及电刷，所述电机还包括上述任一项所述的用于与所述电刷滑动接触的换向器。

一种换向器的制备方法，包括：

填充碳粉与金属粉的其中一种于模具中，通过压制所述碳粉形成碳层或压制金属粉形成金属层；

在所述碳层或金属层之上，在模具中填充所述碳粉及金属粉，通过压制在所述碳层或金属层之上形成过渡层；

在所述过渡层之上，填充所述金属粉与碳粉的另一种于所述模具中，通过压制在过渡层上形成金属层或碳层；

压制所述碳层、过渡层以及金属层形成生坯；

烧结所述生坯。

作为一种优选方案，所述碳层的碳粉选自天然石墨、人造石墨以及中间相炭微球的一种或多种组合。

作为一种优选方案，所述过渡层中碳粉质量比为10％-30％，所述金属粉质量比为70％-90％。

作为一种优选方案，所述碳粉选自选自天然石墨，人造石墨，焦炭以及中间相炭微球的一种或多种组合，所述金属粉选自al、cu、ag、ni、bi、sb或至少含有一种这些金属的合金。

作为一种优选方案，所述过渡层的厚度范围为100μm-500μm，所述金属层的厚度范围为100μm-500μm，所述碳层的厚度范围为1600-2400μm。

相比于现有技术，本发明通过增加中间过渡层解决了现有设计的电阻高和电机效率低的问题，并且解决了在高温烧结条件下金属层与石墨层开裂的问题，另外也没有涉及电镀及钎焊的工艺，延长了该换向器的使用寿命以及提高了电机的性能；本发明提供的换向器的制备方法减少了传统技术中使用的电镀与钎焊所带来的化学污染与制作成本，并且利用了模具压制及烧结技术提高了石墨与金属表面的结合力，另外该换向器的制备方法所使用的固化以及烧结温度较低，可以满足在较高的应用温度环境中进行操作。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的电机的截面示意图；

图2是本发明一实施例提供的换向器的平面示意图；

图3是本发明一实施例中换向器的截面示意图，图中示出换向片的碳层、过渡层与金属层；

图4a是本发明一实施例中过渡层中金属粉与碳粉所形成的混合物的扫描电镜图；

图4b是本图4a中v部的放大图；

图5是本发明一实施例中利用原子吸收光度计所测的金属层中主要元素的原子吸收峰图；

图6是本发明一实施例提供的换向器的制备方法的流程图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

图1为本发明一实施例提供的电机100的截面示意图。请参阅图1，该电机100包括外壳3、安装于外壳3上的永磁体5、转子4、换向器9以及电刷10。所述转子4包括铁芯6以及线圈8，所述铁芯6上设置有多个凹槽，每个凹槽中设有线圈8。所述电刷10固定于所述外壳3上，并与所述换向器9滑动接触从而实现换向。

请一并参阅图2，所述换向器9优选为平板型石墨换向器，包括绝缘基座905、若干换向片903以及导电端子904，若干换向片903沿周向间隔分布于绝缘基座905上，且用于与电机100的电刷10滑动接触。每一所述换向片903设有一导电端子904，所述导电端子904用于与线圈8电连接。每两相邻的换向片903之间设有绝缘槽907以实现电隔离。

参阅图3，每个换向片903设于绝缘基座905上，所述换向片903为三层结构，包括第一层、第二层以及第三层，所述第一层为碳层11，所述第三层为金属层13，所述第二层为连接所述第一层与第三层的过渡层12，并且含有与第一层相同的材料及与第三层相同的材料。所述碳层11背离所述第二层的表面为与电刷10滑 动接触的接触面11a。所述金属层13设置于绝缘基座905上，用于与导电端子904的伸入绝缘基座内的连接端焊接固定。

所述碳层11的材料为碳粉，碳粉选天然石墨、人造石墨以及中间相炭微球的一种或多种组合。

所述过渡层12夹在碳层与金属层13之间，所述过渡层12的材料选自碳粉与金属粉，该层用于减少换向器9运作过程中所产生的热膨胀。本实施例中，所述碳粉选自天然石墨、人造石墨、焦炭以及中间相炭微球的一种或多种组合，所述金属粉选自铜粉及镀银的铜粉的一种或其组合。图4a及图4b为通过扫描电镜观察的所述过渡层12固体表面的形貌，可以看出过渡层12中所用的碳粉与金属粉呈现为片状、树枝状球状或不规则状等不同的形貌。

所述金属层13的材料为金属粉，优选为难以与碳反应而形成碳化物的金属，例如可以为al、cu、ag、ni、bi、sb等金属和至少含有一种这些金属的合金。参阅图5，本实施例中所述金属层13的金属粉使用铜粉及镀银的铜粉，从原子吸收峰图看，总共有4个原子吸收峰，其中3个原子吸收峰为铜元素的吸收峰，另1个原子吸收峰为银元素的吸收峰，本实施方式中所使用的该金属粉的硬度低且抗氧化性强。

所述过渡层12中碳粉的质量比为10％-30％，所述金属层13中金属粉的质量比为70％-90％。需要说明的是，本发明实施例中，过渡层12中的碳粉所占的质量比的百分率为从原材料的配合比计算出的值。

所述过渡层12的材料包括碳粉，所以该层具有作为碳特性的自润滑性，所述过渡层12的材料也包括金属粉，所以该层具有优异的导热性和优异的热传导率。

所述碳层11、过渡层12以及金属层13均具有一定的厚度。所 述过渡层12的厚度优选在100-500μm范围内，所选金属层13的厚度优选在100-500μm的范围内，所述碳层的厚度优选在1600-2400μm范围内。而且过渡层12中使用的金属材料不限于cu、ag，还可以选自al、ni、bi、sb等金属。

本发明中，“碳层11的厚度”，“金属层13的厚度”，“过渡层12的厚度”是指通过光学显微镜观测测定的厚度。

参阅图6，本发明实施例的换向器的制备方法包括以下流程：

s101，在模具中填充碳粉，通过压制碳粉形成碳层11，所述碳粉选自天然石墨、人造石墨、中间相炭微球的一种或多种组合。

s102，在所述碳层11之上，填充碳粉及金属粉，通过压制在所述碳层11之上形成过渡层12。本步骤中，所述的碳粉选自天然石墨、人造石墨、焦炭、中间相炭微球的一种或多种组合，所述的金属粉选自铜粉以及镀银的铜粉的一种或其组合。

s103，在所述过渡层12之上，填充金属粉，通过压制在所述过渡层之上形成金属层13，所述金属粉选自铜粉以及镀银的铜粉的一种或其组合。

s104，压制所述碳层11、过渡层12以及金属层13形成生坯，本实施例中，例如能够通过冷均压成型(cip成型)等的成型机来对所述生坯进行压制成型。

s105，烧结所述生坯。生坯的固化以及烧制的温度、时间和气氛的种类按照金属粉和碳粉的材质、形状、大小等适当设定。例如生坯的固化以及烧制温度能够设为构成金属层13的金属粉的软化-熔解温度。在本实施例中，固化生坯的温度优选设置为200-450℃，烧结生坯的温度优选设置为550-850℃。

生坯烧结后，再将所述烧结后的熟坯与导电端子连接并组装至绝缘基座上，再在烧结后的熟坯上开槽以形成间隔设置的换向片， 所述导电端子的连接可以使用焊接，焊接时的加热温度与加热压力按照碳粉与金属粉的种类、大小以及结合面积等适当设定。

其他实施方式中，所述换向器的制备步骤可以进行调整，如可先在模具中填充所述金属粉，通过压制形成所述金属层13；在金属层13之上填充所述金属粉与碳粉的混合物，通过压制在所述金属层13之上形成过渡层12；在过渡层12之上填充所述碳粉，通过压制在所述过渡层12之上形成所述碳层11。

换向器的制备方法还可以通过调整过渡层12中金属粉与碳粉之间的比例进行优化，可以在一定程度上改进换向器的性能。

相比于现有技术，本发明实施例提供的换向器由于过渡层含有与碳层及金属层相同的材料，解决了在高温烧结时炭层与金属层开裂的问题；延长了该换向器的使用寿命；本发明提供的换向器的制备方法减少了传统技术中使用的电镀与钎焊所带来的化学污染与制作成本，并且利用了模具压制及烧结技术提高了石墨与金属表面的结合力，另外该换向器的制备方法所使用的固化以及烧结温度可以满足在较高的应用温度环境中进行操作。本发明实施例提供的换向器尤其适用于油泵等流体输送装置的电机中。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，故本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界。