换向器及其制作方法

换向器及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种换向器的制造方法，包括将硬钎料设置至碳结构的表面、将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊、以及将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面、在金属片上进行注塑、以及在石墨片及金属片上铣槽以形成多个彼此绝缘的换向片五个步骤。硬钎料与该碳结构进行硬钎焊后，硬钎料中如钛、铬、硅等活性元素会与该碳结构中碳元素的会发生化学反应，从而增强硬钎料与碳结构的结合强度。另外，由于金属片是在较低温的环境下软钎焊至硬钎料层，金属片不会被破坏而变软，同时也避免了裂纹的产生。本发明还提供一种由上述方法制作的换向器。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及换向器，尤其涉及一种换向片由石墨制成换向片的换向器及其制作方 法。 换向器及其制作方法

【背景技术】
[0002] 换向器通常包括多个换向片以及多个与对应的换向片电性连接的挂钩，该挂钩用 于挂接线圈，以与该线圈电性连接。目前大部分换向器的换向片与挂钩由铜片一体冲压而 制成，但由于碳刷的硬度与铜的硬度相差较大，碳刷工作过程中磨损较为严重。因此，有一 种改进是使用石墨片来代替上述铜换向片，这就涉及到该换向片与上述由铜制成的挂钩的 连接问题。现有技术中，通常是在石墨片表面电镀或者离子溅镀一个镍或铜金属层，然后 再利用锡等熔点低于450°C的软钎料将具有上述挂钩的铜片软钎焊（Soldering)至该金属 层。然而，由于上述金属层与石墨片之间不是通过冶金结合，两者间的连接并不牢固。现有 技术中，也有在石墨与具有上述挂钩的铜片之间夹设熔点高于450°C的硬钎料，然后将该石 墨、铜片以及硬钎料放置在高温中进行硬钎焊（Brazing)，直接将该铜片固定至该石墨。然 而，由于铜与石墨的膨胀系数相差较大，制成后石墨上会出现较多并且较大的裂纹，而且， 经过如此高温烘烤过的铜片会变软，不利于线圈的挂设。


【发明内容】

[0003] 有鉴于此，本发明提供一种可克服上述技术问题的换向器的制造方法以及由该方 法制作出来的换向器。
[0004] 一种换向器，包括绝缘层以及多个间隔地固定至该绝缘层的换向片，各换向片间 彼此绝缘。各换向片依次包括石墨层、由硬钎料在该石墨层表面硬钎焊后形成的硬钎料层、 由软钎料在该硬钎料层表面软钎焊后形成的软钎料层、以及结合在该软钎料层以及该绝缘 层之间的金属层，该金属层具有多个延伸至该软钎料层之外的挂钩。
[0005] -种换向器的制造方法，包括下列步骤：将硬钎料设置至石墨片的表面；将该硬 钎料及该石墨片进行硬钎焊；将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面；在金属片上进 行注塑；以及在石墨片及金属片上铣槽以形成多个彼此绝缘的换向片。
[0006] 本发明的硬钎料与该碳结构进行硬钎焊后，硬钎料中如钛、铬、硅等活性元素会与 该碳结构中碳元素的会发生化学反应，从而增强硬钎料与碳结构的结合强度。另外，由于金 属片是在较低温的环境下软钎焊至硬钎料层，金属片不会被破坏而变软，同时也避免了裂 纹的产生。
[0007] 为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细 说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 图1是本发明较佳实施方式的换向器的结构示意图。
[0009] 图2是图1的换向器的金属片的结构示意图。
[0010] 图3是图1的换向器的剖视示意图。
[0011] 图4是图3的剖视示意图中的方框VI的放大示意图，值得注意的是实际上各层的 比例关系未必如图所示。
[0012] 图5是本发明较佳实施方式的碳换向器制作方法的流程图。
[0013] 图6是图5的流程图中第三个步骤的详细流程图。

【具体实施方式】
[0014] 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。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图 中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。
[0015] 本发明第一实施方式的如图1所示的换向器10的制作方法包括以下步骤：
[0016] 步骤1 :冲压并压制出如图2所示的铜片20。铜片20包括一个片状的中央设通孔 的环22、自环22径向外侧向外延伸的凸条24以及多个自环22的径向内外两侧延伸的突 起26,突起26被压制成向彼此倾斜。优选地，各凸条24两侧均具有突起26,与凸条24相 对的内侧也具有一个突起26。
[0017] 步骤2 :将银铜钛（Ag，Cu，Ti)，比如69%重量比(下同)的银，27%的铜，4%的钛的银 铜钛硬钎料，硬钎料通过网版丝印的方式印刷至环状的石墨片30的表面，网版丝印过程中 优选厚度在〇. 5毫米以下的聚脂丝网，以使得丝网在印刷钎料的过程中具有较佳的弹性。
[0018] 步骤3 :将上述设置有银铜钛硬钎料的石墨片放入真空度在1. 0X 10-1帕至 4. 0 X 10-2帕并且温度在800°C至900°C的真空炉中保温13至17分钟，然后冷却，以使银铜 钛硬钎料硬钎焊至石墨片30而形成一个如图4所示的硬钎料层40。优选地，上述真空度在 6. 0X 10-2帕，上述温度为850°C，上述保温时间为15分钟。在上述设置有银铜钛硬钎料的 石墨片30放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟10°C的速度上升至850°C，然后进 行如上所述的在该850°C的环境中保温15分钟。
[0019] 步骤4 :将锡膏通过网版丝印的方式设置至由银铜钛硬钎料硬钎焊后所形成的硬 钎焊层的表面。网版丝印过程中优选厚度在1毫米以下的不锈钢丝网，以保证丝网在印刷 钎料的过程中的弹性。
[0020] 步骤5 :将铜片20的环22未折弯有突起26的一侧覆盖至上述锡膏表面。
[0021] 步骤6 :将硬钎焊后的石墨片、锡膏以及铜片20放置在250°C至300°C的环境中2 至4分钟后冷却，以使铜片20通过以锡膏为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊料层40的 表面，该锡膏形成一个如图4所示的软钎料层50。
[0022] 步骤7 :在铜片20的环22折弯有突起26的一侧上进行注塑，以形成一个如图4所 示的塑料层60。突起26容置在塑料层60中，使得塑料层60与铜片20的连接更加牢固。
[0023] 步骤8 :将凸条24折弯成如图3所示的挂钩状，以便于线圈的挂设。
[0024] 步骤9:在石墨片30及金属片20上铣出如图1所示的凹槽70。如此，金属片20、 石墨片30以及两者之间的硬钎料层40及软钎料层50均被切割成多个间隔排列并且相互 绝缘的子部分，按顺序排列的石墨片30、硬钎料层40、软钎料层50以及金属片20的子部分 构成了换向器10的换向片12。当然，塑料层60也可以是由其它绝缘材料制成的绝缘层，只 要其起到固定换向片12的作用便可。
[0025] 本发明第二实施方式的换向器10的制作方法包括以下步骤：
[0026] 步骤1 :冲压并压制出如图2所示的铜片20。
[0027] 步骤2 :将将美国焊接协会（American Welding Society，AWS)规定的BNi2型硬 钎料通过喷射的方式均匀喷射至石墨片30待钎焊的表面。
[0028] 步骤3 :将上述设置有BNi2硬钎料的石墨片放入真空度在2.0X10-2帕至 8X10-3帕并且温度为1050°C至1150°C的真空炉中保温25至35分钟，然后冷却，以使BNi2 硬钎料硬钎焊至石墨片30而形成一个如图4所示的硬钎料层40。优选地，上述真空度在 1.0X10-2帕，上述温度为1100°C，上述保温时间为30分钟。在上述设置有BNi2硬钎料的 石墨片放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟15°C的速度上升至1KKTC，然后再 进行如上所述的在该ll〇〇°C的环境中保温30分钟。
[0029] 步骤4 :将锡铋（Sn，Bi)浆料，比如含42%的锡及58%的铋的锡铋浆料（Sn-58Bi)， 通过网版丝印的方式设置至由BNi2硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层40的表面。网版丝 印过程中优选厚度在1毫米以下的不锈钢丝网，以保证丝网在印刷钎料的过程中的弹性。
[0030] 步骤5 :将铜片20覆盖至上述锡铋浆料表面。
[0031] 步骤6 :将该硬钎焊后的石墨片、锡铋浆料以及铜片20放置在150°C至250°C的环 境中4至6分钟后冷却，以使铜片20通过以锡铋浆料为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊 后的BNi2硬钎料的表面，该锡铋浆料形成一个如图4所示的软钎料层50。
[0032] 步骤7 :在铜片20上进行注塑，以形成一个如图4所示的塑料层60,并且突起26 容置在塑料层60中，以使塑料层60与铜片20的连接更加牢固。
[0033] 步骤8 :将凸条24折弯成如图3所示的挂钩状。
[0034] 步骤9 :在石墨片30及金属片20上铣出如图1所示的凹槽70以形成换向片。
[0035] 本发明第三实施方式的换向器10的制作方法包括以下步骤：
[0036] 步骤1 :冲压并压制出如图2所示的银片20。
[0037] 步骤2 :将钛锆铜镍（Ti，Zr，Cu，Ni)硬钎料，比如含40%的钛，20%的锆，20%的铜， 20%的镍的钛锆铜镍硬钎料，均匀洒在石墨片30的表面。
[0038] 步骤3 :将上述设置有钛锆铜镍硬钎料的石墨片30放入真空度在1. 0X 10-2帕至 3X 10-3帕帕并且温度为900°C至1000°C的真空炉中保温20至30分钟，然后冷却，以使钛 锆铜镍钎料硬钎焊至石墨片而形成一个如图4所示的硬钎料层40。优选地，上述真空度在 8 X 10-3帕，上述温度为950°C，上述保温时间为20分钟。在上述设置有钛锆铜镍钎料的石 墨片放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟15°C的速度上升至950°C，然后再在该 950°C的环境中保温20分钟。
[0039] 步骤4 :将形状与石墨片30对应的锡铜（Sn，Cu)焊片，比如含98%的锡及2%的铜 的锡铜焊片（Sn-2Cu)，覆盖至由钛锆铜镍硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层40的表面。采 用上升固体的锡铜焊片可方便组装。
[0040] 步骤5 :将银片20覆盖至上述锡铜焊片表面。
[0041] 步骤6 :将该硬钎焊后的石墨片、锡铜焊片以及银片20放置在300°C至350°C的环 境中7至10分钟后冷却，以使银片20通过以锡铜片焊片为软钎料的软钎焊方式结合至硬 钎焊后的钛锆铜镍硬钎料的表面，锡铜片焊片形成一个如图4所示的软钎料层50。
[0042] 步骤7至9与上述实施方式相似，不做赘述。
[0043] 本发明第四实施方式的换向器10的制作方法包括以下步骤：
[0044] 步骤1 :冲压并压制出如图2所示的铝片20。
[0045] 步骤2 :将AWS规定的BNi5硬钎料通过网版丝印的方式印刷至石墨片30的表面， 网版丝印过程中优选厚度在0. 5毫米以下的聚脂丝网，以使得丝网在印刷钎料的过程中具 有较佳的弹性。
[0046] 步骤3 :将上述设置有BNi5硬钎料的石墨片放入真空度在3.0X10-3帕至 1. 0X 10-3帕并且温度为1KKTC至1200°C的真空炉中保温15至20分钟，然后冷却，以使 BNi5硬钎料硬钎焊至石墨片而形成一个如图4所示的硬钎料层40。优选地，上述真空度在 1X10-3帕，上述温度为1200°C，上述保温时间为20分钟。在上述设置有银铜钛硬钎料的 石墨片放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟20°C的速度上升至1200°C，然后再 在该1200°C的环境中保温20分钟。
[0047] 步骤4 :将形状与石墨片30对应的锡片覆盖至由BNi5硬钎料硬钎焊后所形成的 硬钎焊层40的表面。采用上述固体的锡片可方便组装。
[0048] 步骤5 :将铝片20覆盖至上述锡片表面。
[0049] 步骤6 :将该硬钎焊后的石墨片、锡片以及铝片放置在270°C至300°C的环境中3 至5分钟后冷却，以使铝片通过以锡片为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后的BNi5硬钎 料的表面，锡片形成一个如图4所示的软钎料层50。
[0050] 步骤7至9与上述实施方式相似，不做赘述。
[0051] 本发明第五实施方式的换向器10的制作方法包括以下步骤：
[0052] 步骤1 :冲压并压制出如图2所示的铜片20。
[0053] 步骤2 :将BNi7硬钎料通过网版丝印的方式印刷至该石墨片30的表面，网版丝印 过程中优选厚度在〇. 5毫米以下的聚脂丝网。
[0054] 步骤3 :将上述设置有BNi7硬钎料的石墨片30放入氨分解网带炉（Mesh Belt Furnace)中，带速设定0. 1-0. 8m/s，最高钎焊温度设定为800°C至1100°C，然后冷却，以 使BNi7硬钎料硬钎焊至石墨片30。优选地，上述带速设定0. 4m/s，最高钎焊温度设定为 1000°C。实际上，上述氨分解网带炉就是一个气氛保护炉，其中的气体还可以是氮气、氢气、 氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、或其混合气体等，不同气体对应不同温度。因此温度范围 不限于上述范围。
[0055] 步骤4 :将形状对应的锡铟（Sn，In)焊片，比如含49%的锡以及51%的铟的锡铟焊 片（Sn-51In)，覆盖至由BNi7硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层的表面。采用上述固体的 锡铟焊片可方便组装。
[0056] 步骤5 :将铜片覆盖至上述锡铟焊片表面。
[0057] 步骤6 :将该硬钎焊后的石墨片30、锡铟焊片以及铜片放置在130°C至230°C的环 境中3至5分钟后冷却，以使铜片通过以锡铟焊片为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后 的BNi 7硬钎料的表面。
[0058] 步骤7至9与上述实施方式相似，不做赘述。
[0059] 可以理解，在将硬钎料设置至石墨片的表面之前，还可包括步骤：打磨石墨片用于 与该硬钎料接触的表面；将石墨片放置在设置有超声波产生装置的酒精中清洗；将石墨片 浸泡在丙酮中；以及将石墨片取出晾干。通过上述步骤，可有效对石墨片进行清洗。
[0060] 请结合图5,通过以上多个实施方式可看出，本发明的换向器的制造方法是实际上 包括以下五个步骤：
[0061] S10 :将硬钎料设置至碳结构的表面；
[0062] S20 :将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊；
[0063] S30 :将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面；
[0064] S40 :在金属片上进行注塑；以及
[0065] S50 :在石墨片及金属片上铣槽以形成多个彼此绝缘的换向片。
[0066] 其中，步骤S20中硬钎料及石墨片被放置在真空度在1.0X10-1帕以上（即真空 度大于等于1. 0X 10-1帕，比如1. 0X 10-3帕），温度为800°C以上（即大于等于800°C )的 环境中10至30分钟而进行硬钎焊。可以理解，硬钎焊所持续的时间也可不限于上述时间 方位，比如，在上述第三实施方式中，时间也可超过30分钟。而步骤S30又可分解为S31 :将 软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表面、S32 :将该金属片覆盖至该软钎料、S33 :将该硬钎 焊后的碳结构、软钎料以及金属片放置在130°C至350°C的环境中2至10分钟这三个步骤， 如图6所示。然而可以理解，步骤S30除了可通过上述S31至S33来完成以外，还可通过电 烙铁进行手工焊接等其它方式来实现。可以理解地，上述步骤S40和步骤S50反过来亦可。 [0067] 请结合图4,在上述的焊接方法中，硬钎料与石墨片30进行硬钎焊后，硬钎料中如 钛、铬、锆、硅等活性元素会与该石墨片中的碳元素发生化学反应，如此，硬钎料在该石墨片 表面硬钎焊后形成的硬钎料层40实际包括了两个层，一个是靠近该石墨片30的由该硬钎 料与该石墨片30化学反应而成的反应层42,另一个是靠近该软钎料层50的由该硬钎料自 身的组份反应而成的结合层44。由于发生了冶金反应，该反应层42与该石墨片30高度结 合的同时还与该结合层44高度结合，因此，主要由金属元素构成的结合层44牢固地结合至 该石墨片30。既是说，硬钎料硬钎焊至该石墨片30后在该石墨片30表面形成了一个牢固 的金属层，从而有利于后续与软钎料30的结合。而正是因为金属片40是在较低温的环境 下软钎焊至硬钎料层40的，金属片的质地不会被破坏而变软，同时也避免了因膨胀系数相 差较大而导致的裂纹的产生。
[〇〇68] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 换向器的制造方法，包括下列步骤： 将硬钎料设置至石墨片的表面； 将该硬钎料及该石墨片进行硬钎焊； 将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面； 在金属片上进行注塑及在石墨片及金属片上铣槽以形成多个彼此绝缘的换向片。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将硬钎料设置至石墨片的表面之前，还包 括步骤： 打磨石墨片用于与该硬钎料接触的表面； 将石墨片放置在设置有超声波产生装置的酒精中清洗； 将石墨片浸泡在丙酮中；以及 将石墨片取出晾干。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将硬钎料设置至石墨片的表面包括通过网 版丝印的方式将该硬钎料设置至该石墨片的表面。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，将硬钎料设置至石墨片的表面包括采用厚 度在0. 5毫米以下的聚脂丝网进行网版丝印。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将硬钎料设置至石墨片的表面包括通过喷 射或喷洒的方式将该硬钎料设置至该石墨片的表面。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊包括将 该硬钎料及该石墨片被放置在真空度在1. ΟΧ ΚΓ1帕以上，温度为800°C以上的环境中而进 行硬钎焊。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊包括将 该硬钎料及该石墨片所处的环境以每分钟10至20度的速度上升至所需的温度。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将该硬钎料及该石墨片进行硬钎焊包括将 该硬钎料及该石墨片放置在温度为800°C以上的气氛保护炉中进行硬钎焊。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，该气氛保护炉包括氮气、氢气、氦气、氦气、 一氧化碳、二氧化碳、氨分解气或其混合气体。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表 面的步骤包括： 将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表面； 将该金属片覆盖至该软钎料；以及 将该硬钎焊后的石墨片、软钎料以及金属片放置在130°C至350°C的环境中2至10分 钟。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，该软钎料呈与该石墨片形状对应的固体 片状。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，该软钎料呈膏状或粉状。
13. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表 面包括通过网版丝印方式将该软钎料设置至该硬钎焊后的硬钎料的表面。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表 面包括采用厚度在1毫米以下的不锈钢丝网进行网版丝印。
15. -种换向器，包括绝缘层以及多个间隔地固定至该绝缘层的换向片，各换向片间彼 此绝缘，其特征在于，各换向片依次包括： 石墨层； 由硬钎料在该石墨层表面硬钎焊后形成的硬钎料层； 由软钎料在该硬钎料层表面软钎焊后形成的软钎料层；以及 结合在该软钎料层以及该绝缘层之间的金属层，该金属层具有延伸至该软钎料层之外 的挂钩。
16. 如权利要求15所述的换向器，其特征在于，该硬钎料层的厚度在0. 5毫米以下。
17. 如权利要求15所述的换向器，其特征在于，该硬钎料层包括靠近该石墨层的反应 层以及靠近该软钎料层的结合层，该反应层由该硬钎料与该石墨片通过化学反应而成，该 结合层由该硬钎料自身的组份反应而成。
18. 如权利要求15所述的换向器，其特征在于，软钎料层厚度在1毫米以下。
19. 如权利要求15所述的换向器，其特征在于，该换向器包括沿径向被均匀切开的环 状金属片以及环状石墨片，该金属片包括与该石墨片对应的环、固定至自该环径向外侧的 上述挂钩以及固定至该环的径向内外两侧的突起，该金属片的环以及石墨片分别形成上述 金属层及石墨层，该突起相对该换向器的轴向倾斜并且容置于该绝缘层内部。
20. 如权利要求19所述的换向器，其特征在于，该金属片的环的径向外侧位于各挂钩 两侧均设置有上述突起，与该挂钩相对的内侧也具有上述突起。
【文档编号】H01R43/06GK104064936SQ201310091498
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】邹志平, 郭建军, 杜志恒, 郑宗晖 申请人:德昌电机(深圳)有限公司, 深圳联合焊接材料有限公司