CN1054481C - 发电机 - Google Patents

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Abstract

一种滑环组件，它包括能自动润滑的含碳环(41)和由层压弹性铜合金片(43)制成的抗磨损电刷(43)，用于对交流发电机的转子上所装的励磁线圈(34)提供励磁电流。因此，容纳交流发电机上的电刷(43)和滑环元件(6)所需的空间可以减小，交流发电机的体积也可缩小。

Description

发电机
本发明涉及一种发电机，它含有一个绕有转子线圈的转子铁心、一对滑环和一对电刷。
本申请基于并要求优先权于日本专利申请No.Hei 7-228936，该申请于1995年9月6日提交，其内容在此引入作为参考。
如图6所示，普通汽车交流发电机100含有整流器101、用于稳定输出电压的稳定器102、机壳103、被可旋转地支撑的转轴104、固定在机壳103内部的定子105、可相对定子105转动的转子106、安装在转轴104一端表面上的滑环组件107以及可在滑环组件107的外表面上滑动的电刷组件108。
整流器101包括三个正侧二极管111和三个负侧二极管112。转轴104在其一端装有多槽的三角皮带轮113、定子105包括定子铁心114和三相定子线圈115等。转子106包括Lundell型磁极铁心116和转子线圈117等。
滑环组件107包括两个金属环121和两个连接杆122、金属环121由铜合金或不锈钢制成，被压力装配或直接铸造在转轴104的外表面上，和转轴104一起旋转。
电刷组件108包括两个碳刷123、固定碳刷123的刷握124和把碳刷压在金属环外表面上的螺旋弹簧125、碳刷123通过铜引线126和外部接线端(未画出)相连、刷握124、橡胶垫127和金属环121的环形套128用绝缘树脂材料压铸成一体。
近来，因为汽车发动机机舱变得更小，安装多种设备的空间也随之变小。另外，对耗油量的限制更为严格，汽车的保修期也延长。因此，需要一种体积小、重量轻而且寿命长的交流发电机、使交流发电机更加小巧轻便的方法之一是必须减小其直径和轴向尺寸。
在普通交流发电机100中，为转子线圈117提供励磁电流的励磁调整电路的电压降用得较小，以获得足够大的输出功率。为此刷握124最好置于稳压器102附近。为了使碳刷123在径向上的长度足以保证其寿命，刷握124和金属环121的轴向尺寸占据了汽车交流发电机100总长度的大部分，结果使其体积很难再缩小。
碳刷123需要合适的面积(尺寸)和螺旋弹簧125产生合适的偏置力(弹力载荷)，以减小和金属环121外表面接触部分的电阻。因此，如果为了缩小交流发电机100的体积而减小碳刷123的接触面积，电流密度就会增大，碳刷123的温度也会升高，从而导致其寿命的缩短。
在小型直流旋转电机(如电动机)中，使用由金属层压片或铜丝制成的金属环来代替碳刷和铜合金制成的换向器，但换向器容易磨损。所以它没有用于汽车交流发电机等旋转电机中。
因此，本发明的一个目的是提供一种体积小、重量轻的发电机，它含有可减小弹力载荷的电刷，以抑制电刷的振动和延长其寿命。
本发明的另一目的是提供一种发电机，它具有自动润滑能力，即使在高速情况下也能保证为转子线圈提供励磁电流。
本发明的汽车交流发电机包括滑环组件和电刷组件，其中滑环组件含有一对由含碳材料制成的环件，电刷组件含有一对金属电刷。因为电刷重量减轻，所需的弹力载荷也减小。所以环件和电刷的磨损以及电刷的振动都能降低。因为含碳环件具有自动润滑能力，所以稳定的磨损和供给励磁线圈可靠的电流都可得到保证。滑环组件和电刷组件的寿命也可延长。这样，为电刷磨损而额外预留的尺寸和长度就不再需要，电刷可以做得很薄，从而减少发电机的体积和重量。
本发明的另一目的是提供一种发电机，它所含的电刷硬度高，足以防止电刷的磨损和延长电刷的寿命。为此，电刷不是由切削加工而是由冲压制成。每一金属薄片都由至少含有磷青铜和铍青铜其中之一的弹性材料制成，并通过其弹性紧压在环和输出接线端上。
本发明的又一目的是提供一种发电机，它所含的弹性金属刷和由弹簧、引线、石墨刷等组成的普通电刷元件功能相同，并能起到外部接线端和螺钉或铆钉等连接零件的作用。
为此，电刷由弹性材料(如铜合金)薄片或层压片制成。因为层压片使电刷很薄，电刷组件能大大减轻重量和缩小体积。因此发电机的直径和长度都可缩短。电刷不需要额外的弹簧，也能以足够的接触压力紧压在环上，从而可保证稳定的电流供给。
本发明的又一目的是提供一种发电机，其中固定电刷组件的部分不用接触压力，从而可保证从电刷到滑环组件的稳定的电能供给。
为此，每一电刷含有围绕环***的近似半环部分、固定在发电机稳定位置的支撑部件和两个接触件。两个接触件位于半环部分的两边，和环件的外表面接触。尽管当电刷产生过度振动时。某一边的接触件可能会脱离环件的外表面，但另一边的接触件仍贴在环件外表面上，从而保证了稳定的电流供给。
本发明的又一目的是提供一种发电机，它容易安装和拆卸。为此，每一电刷都包含具有倒角形的轴向延长部分。这样两个接触件都能在轴向光滑移动。
本发明的又一目的是提供一种低成本发电机。它的外部电极端可减少成本。为此，刷握上装有电刷组件的外部接线端，刷握还固定并导电地连接电刷支撑件。外部接线端可由与电刷不同的金属制成，以降低成本。
本发明的又一目的是提供一种发电机，它能阻挡包括水和削屑等在内的外部微粒。为此，刷握含有围绕环和电刷的圆筒件。
本发明的又一目的是提供一种发电机，它含有滑环组件，该滑环组件包含由具有增强的电导率和强度的多孔金属制成的环中。为此，环件包括作为基底金属的多孔导电金属结构和碳粉。
通过分析以下详细描述、所附权利要求和附图，本发明的其他目的、性能和特征以及本发明的有关部分的作用会更加清楚。在附图中：
图1是本发明实施方案的交流发电机的滑环元件和电刷元件的剖视图；
图2是本发明实施方案的交流发电机的整体剖视图；
图3是图2所示的交流发电机后部的剖视平面图；
图4是图3所示的主要部分的放大图；
图5是本发明实施方案的金属刷和普通碳刷的磨损特性曲线图；以及
图6是普通汽车交流发电机的剖视图。
应用于汽车交流发电机的本发明的实施方案如图1至图4所示。
交流发电机1包括机壳2、定子3、转子4、滑环组件6、电刷组件7、三相整流器8和稳压器9。机壳2包括两个铝压铸件，即前机壳11和后机壳12，二者由若干柱螺栓13和螺帽14安装固定。前机壳11上有前轴承15。后机壳12上有后轴承16。它们被压力装配或镶嵌安装以旋转支撑转轴5。若干进气孔19呈环状开在前机壳11上，由此引入冷却空气，同时若干进气孔20和出气孔21呈环状开在后机壳12上。撑条22和前机壳11的上部构成一体，固定在发动机的上支座(未画出)上；撑条23与前机壳11的下部构成一体，固定在发动机下支座(未画出)上。撑条24和后机壳12的下部构成一体，固定在发动机下支座上。撑条22-24上有固定螺栓(未画出)所用的通孔25-27。定子3包括固定在机壳2内表面上的定子铁心31和绕在定子铁心31上的三相定子线圈32。
定子铁心31由磁性材料叠层片制成，并被压力装配在前机壳11的内表面上。定子铁心31在其内表面上以均匀间距有若干沟槽(未画出)。三相定子线圈32接成Y形接法成Δ接法，当转子4旋转时，产生三相交流电输出。定子线圈32的线端焊接在三相整流器8上。
转子4包括转轴5、磁极铁心33、绕在磁极铁心33上的励磁线圈34和为励磁线圈34提供励磁电流的滑环组件6。当励磁线圈34通以励磁电流时，磁极铁心33上的一些爪形端35成为N极，其他爪形端36成为S极。冷却风扇(离心风扇)37通过焊接等方法固定在爪形端36的后表面上，以使冷却空气进入机壳2。励磁线圈34的两端焊在两个连接杆(未画出)上。线圈套38由绝缘树脂材料制成，装上以使励磁线圈34和磁极铁心33绝缘。
转轴5由机壳2上的凸起部分17和18通过前、后轴承15和16旋转地支撑。三角皮带轮(用于多条三角皮带)39a在垫有垫圈的螺帽39和前轴承15之间固定在转轴5的一端，用以把发动机的转矩传送给转轴5。三角皮带轮39a通过多条三角皮带(未画出)和由发动机输出轴(曲轴)带动的三角皮带轮连接起来。磁性离合器可装在转轴5和三角皮带轮39a之间。
滑环组件6是树脂铸模，包括两个含碳环41、一个绝缘件42和两个连接该环与励磁线圈34的连接杆(未画出)。由于聚苯撑硫(PPS)绝缘性、耐热性良好，强度和空间稳定性高，所以是理想的绝缘树脂材料。
每一个环41都装在转轴5后端的外表面上。每一个环41包括由多孔铜合金(作为基底金属)制成的结构环件和注入其中的含碳粉末(如碳粉、天然石墨、导电石墨或金属石墨)。滑环组件6被压力装配在转轴5后端的外表面上。
电刷组件7包括可在两含碳环41表面滑动的两个金属刷43、支撑固定金属刷的刷握44以及插在刷握44铸模部分中的连接头45和46。电刷43通过冲压加工而成。金属刷43由弹性铜合金(如磷青铜、铍青铜等)的层压片制成。每一个电刷43包括围绕环41之一的刷体47和从刷体47向刷握44延伸的夹板部分48。两个接触件49和50制作在刷体47的两边，和含碳环41的外表面接触。刷体47含有半环部分(马蹄形)，通过压缩使接触件49和50的间距A与环41的直径B大小不同，从而使得刷体47被压靠在环41之一上。
接触件49和50在环41之一的外表面上滑动，亦靠自身弹性产生接触压力。四个突出部分49a和49b、50a和50b由接触件49和50的两端沿轴向延伸而成。突出部分49a和49b以及50a和50b由环41的两端沿轴向分别向两边延伸，并从接触件49和50(倒角)沿径向弯曲。
夹板部分48利用其弹性机械地固定在连接头45和46上，并保持电接触。为此，夹板部分48包括从刷体47基部(顶部)47a沿轴向延伸而成的突出部分48a以及夹件48b和48c，每个夹件制成有弹性的椭圆筒。夹板部分48通过突出部分48a和夹件48b、48c固定住连接头45或46的边缘。
刷握44由绝缘树脂材料(如PPS)制成，固定两个金属刷43。刷握上有与之铸为一体的连接头45和46、容纳转轴5后端的环形部分以及从环形部分沿轴向延伸而成的圆筒部分。圆筒部分可协助空气均匀地进入风扇的中心部位。连接头45和46的末端各自沿轴向向相反方向延伸。刷握44和绝缘件42一起包在环41和电刷43的***。
连接头45是电刷组件7的外部接线端，其横截面呈L形。它通过固定螺丝52连接到励磁电流接线端51上，并保持电接触。连接头46也是电刷组件7的外部接线端，其横截面呈倒L形，以便沿与连接头45相反的方向延伸。它通过固定螺丝54连接到三相整流器8的直流输出端52上，并保持电接触。连接头45和46的边缘做成楔形，以便***夹板部分48的突出部分48a与夹件48b和48c之间。
这样，滑环组件6的一个环41与电刷组件7的一个金属刷43相结合，形成励磁线圈34的供电单元，如图2至图4所示。
如图4所示，两个环41沿圆周方向相互错开，并在环套空间中固定在连接头45和46上。
三相整流器8包括直流输出端53、正侧散热片55、负侧散热片56、三个正侧二极管57、三个负侧二极管58以及接线端支撑件59、直流输出端53一端通过电线(未画出)连接到蓄电池的正极，另一端由固定螺丝(未画出)连接到电刷组件7的连接头46以及正侧散热片55上，并保持电接触。正侧散热片55和负侧散热片56连在一起，环绕刷握44并沿后机壳12的侧壁安装。正侧散热片55经过绝缘件(未画出)固定在后机壳12的内侧壁上。负侧散热片56通过后机壳12接地。正侧和负侧散热片55和56由导热性良好的导电金属(如铝)制成，分别成为三个正侧二极管57和三个负侧二极管58的散热片，并成为二极管固定件以分别固定三个正侧二极管57和三个负侧二极管58、三个正侧二极管57和三个负侧二极管58都各有一个端子焊接到三个交流输入端60的一个端子上。而这些二极管的另一端则焊接到正侧和负侧散热片55和56上。三相整流电路包括直流输出端53、正侧和负侧散热片55和56、正侧和负侧二极管57和58以及三个交流输入端60、接线端支撑件59由绝缘树脂材料(PPS)制成，和三个交流输入端60铸为一体，并使正侧散热片55与负侧散热片56绝缘。接线端支撑件由螺丝61固定正侧散热片55和负侧散热片56。
稳压器9包括励磁电流接线端51，一块集成电路(未画出)和盒体62。励磁电流接线端51是稳压器9的外部接线端，由固定螺丝52通过连接头45和两个金属刷43机械地连接起来，稳压器9由装在后机壳12上的盒体62固定。这样，励磁电流接线端51把刷握44和两个金属刷43固定在后机壳12上。盒体62由绝缘树脂材料(如PPS)制成，由托架64固定在后机壳12上。
如果交流发电机1长时期运转，两个含碳环41和两个金属刷相互接触并相对移动而导致磨损，其中金属刷机械地固定在刷握44所支撑的连接头45和46上。含碳环41可自动润滑，使摩擦系数减小，两个金属刷43产生的弹力载荷也减小，从而其磨损速率非常小，如下文所述。
根据任意一本机械设计书，抗振性一般可表示如下：
[式1]
抗振性∝{(k×弹力载荷)/(电刷重量)}+{弹簧重量}
因此，如果电刷(刷体)重量减轻，电刷的弹力载荷也可减小。
本发明实施方案的金属刷43具有普通电刷组件中弹簧和引线的功能，并且重量减轻。
因为金属刷43的刷体47有半环部分围绕含碳环；并由两个接触件49和50从外侧相反方向支撑含碳环，金属刷43加在含碳环41外表面上的接触压力合成矢量为零，因此没有接触压力作用在夹板部分48上。
如果在径向产生过度振动，使接触件49和50其中之一脱离环41，另一接触件也可保证电刷43和环41的电接触，从而对励磁线圈34提供稳定的励磁电流。
接触件49和50含有倒角状的突出部分49a、49b、50a和50b，因此接触件49和50能在轴向光滑移动。所以可在含碳环41的外表面上很容易地装上或拆下金属刷43。金属刷43通过冲压导电层压片而成，其硬度可充分提高以影响磨损率。
电刷43可由与连接头45和46不同的金属制成，这样汽车交流发电机1的生产成本可以降低。如果连接头45和46与刷握44铸为一体，这样连接头45和46在铸压后和夹板部分48机械地连接起来，可防止金属刷43抗磨性的退化，这种退化在使用连接头45和46的镶嵌铸件时可因温度升高而产生。
连接头45和46与夹板部48可通过焊接、铆接等方法连接。
因为金属刷43可耐磨损，所以不需要由易磨损材料制成的普通碳刷所需的额外尺寸和长度。因此，即使稳压器装在金属刷附近，汽车交流发电机1的直径和长度也能缩短。
因为含碳环41有自动润滑能力(减小摩擦系数)，并比普通碳刷有宽得多的接触表面，这样单位表面积的接触压力比普通碳刷小，所以和普通金属环121相比，磨损大大降低。另外，由于金属环43的重量轻，其弹力载荷减小，含碳环的寿命也能延长。
图5所示的测试结果，对两种电刷的磨损量Q随弹力载荷P的变化作了对比，其中金属刷和含碳环(根据本发明实施方案)为一组，普通碳刷和普通金属环为一组。当弹力载荷P在80gf以下变小时，普通碳刷123的磨损量Q(mm3/1000小时)增加；当弹力载荷P在170gf以上变大时，普通碳刷123的磨损量Q(mm3/1000小时)也增加。
尽管当弹力载荷P在30gf以下变小时，金属刷43的磨损量Q(mm3/1000小时)迅速增加，但其大小仍小于普通碳刷123的磨损量Q的1/3。尽管当弹力载荷P在50gf以上变大时，磨损量Q(毫米3/1000小时)逐渐升高，但和碳刷123的磨损量相比仍小得可以忽略。这清楚表明，金属刷43大大减小了弹力载荷，也使磨损量大大降低。金属刷43由弹性铜合金制成，起到普通电刷元件中弹簧和引线的作用，从而可减少零件数量。
尽管以上实施方案的说明是关于汽车交流发电机，但该实施方案可应用于建筑物电站中的固定交流发电机。它还可应用于发电电动机中。
在本发明的以上说明中，本发明在其具体实施方案方面被公开。但明显的是，本发明具体实施方案可作各种改进和变动，而不脱离本发明的宗旨和范围，这些宗旨和范围在随后的权利要求中会限定。所以，本文件中对本发明的说明应从示意角度，而不应带有限定含义来看待。

Claims (16)

1.一种发电机，包括机壳(2)，具有定子线圈(32)的定子(3)，具有励磁线圈(34)和转轴(5)以及整流器(8)的转子(4)，由所述转轴(5)支承的滑环组件(6)，该滑环组件(6)具有圆筒绝缘件(42)和环绕所述圆筒绝缘件(42)的一对滑环(41)，与所述滑环中的一个接触的一对电刷件(43)，固定到所述机壳(2)的刷握(44)，所述刷握(44)具有一对连接端，以及与所述连接端绝缘的绝缘件，其特征在于：
所述滑环(41)是碳材料制成的环，
所述电刷件对由弹性铜合金制成，
每个所述电刷件具有一个半圆形的支臂件(47)，至少部分地围绕一个所述滑环(41)，置于所述支臂件(47)的相对端的两个接触部分(49、50)，以及夹板部分(48)，
所述连接端对中的每一个与所述电刷件(43)中的一个的所述夹板部分(48)接合，以及
与所述电刷件(43)的接触部分(49、50)接触的所述滑环(41)的部分总是改变的，因此所述滑环(41)被充分冷却。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，
所述电刷件(43)包括层压弹性金属片。
3.如权利要求1或权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述弹性金属片由磷青铜或铍青铜中至少一种材料制成，通过其自身弹性压靠在环上。
4.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，
连接组件(6、7)还包括电刷支撑件(45、46)；以及
电刷件(43)包括围绕环的支臂件(47)和固定在该支臂件(47)一端的一个接触部分(49、50)。
5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，
电刷件(43)还包括固定在上述支臂件另一端的另一个接触部分(49、50)。
6.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，
接触件包括从该接触件沿轴向延伸而成的倒角部分(49a、49b、50a、50b)。
7.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，
电刷支撑件(45、46)由与电刷件金属不同的金属制成。
8.如权利要求7所述的发电机，其特征在于，电刷支撑件(45、46)包括围绕环和电刷件的圆筒件。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的发电机，其特征在于，
所述环(6)包括多孔导电金属环件和注入该金属环件中的碳粉。
10.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，电刷支撑件(45、46)包括用于固定电刷件的轴向延伸部分。
11.如权利要求10所述的发电机，其特征在于，
连接组件(6、7)包括可在环套空间中容纳所述电刷件(43)和所述环(41)的圆筒件；以及
电刷支撑件(45、46)固定在该圆筒件上。
12.如权利要求11所述的发电机，其特征在于，
所述电刷件(43)包括在与转轴平行的方向固定在所述支撑件上的夹板部分(48、48a、48b、48c)。
13.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，
电刷件含有围绕所述环的半环部分(47)。
14.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，
所述连接组件(6、7)包括可在环套空间中容纳所述电刷件和所述环的圆筒件；以及
所述电刷元件(7)包括装在上述圆筒件上的一对电刷件，二电刷件在轴向和圆周方向相互分开。
15.权利要求14所述的发电机，其特征在于，
电刷件含有围绕环的半环部分(47)。
16.权利要求4所述的发电机，还含有冷却风扇，其若干扇片沿圆周分布，其特征在于
连接组件(6、7)包括可在环套空间中容纳电刷件(43)和环(41)的圆筒中，该连接组件装在上述沿圆周分布的扇片所围成的空间中。
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