CN106159623B - 一种风力发电机专用碳刷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机专用碳刷，其由下列组成物按质量百分比组成：45～65％电解铜粉、15～30％沥青胶剂石墨粉、15～30％酚醛胶剂石墨粉，同时还公开了制造该风力发电机专用碳刷的制备方法，包括以下步骤：先制备沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉，将按比例称取的沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉以及电解铜粉在封闭状态下混和，获得混合料粉，再将混合料粉进行压型，形成初级碳刷，再通过钳锅进行热处理，形成碳刷制品。本发明的碳刷使用寿命长，并且表面能形成氧化膜，减少磨损，同时还具有良好聚流性能，电阻系数低，能量损耗小，而其制备方法简单、经济，易于大规模批量生产。

Description

一种风力发电机专用碳刷及其制备方法

技术领域

本发明属于碳刷技术领域，具体涉及一种风力发电机专用碳刷及其制备方法。

背景技术

碳刷(Carbonbrush)也叫电刷，作为一种滑动接触件，在许多电气设备中得到广泛的应用。碳刷在产品应用材质主要有石墨，浸脂石墨，金属(含铜，银)石墨。碳刷是电动机或发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号的装置，它一般是纯碳加凝固剂制成，外型一般是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，电机转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，称为碳刷。由于碳刷的主要成分为碳，这也决定了碳刷的耐磨性较差，因此人们普遍通过加入复合材料提高来提高其耐磨性。其中，有通过加入沥青、高分子树脂或其他金属等来改善其整体的耐磨性，如专利号为CN201010502703.6公开了一种由混合石墨粉，铜粉，二硒化铌组成的汽车发动机启动电机碳刷，该树脂改性沥青作为粘结剂，兼具了树脂和沥青两种粘结剂的优点，既提高了碳刷的强度又不使碳刷过硬，使用了二硒化铌为润滑剂，有效解决了碳刷润滑问题。虽然该专利通过体积密度、洛氏硬度、接触压降、摩擦系数体现了对碳刷的耐磨性以及其他性能的改善，但没有直观地通过试验体现其在真实环境中的耐磨性，同时对于长期暴露于恶劣环境的风力发电机的碳刷来说，耐磨性还需进一步提高，从而避免碳刷的频繁更换，提高碳刷的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种耐磨、电阻系数低，能耗小、噪音小，并且装配稳定可靠的风力发电机专用碳刷，同时还提供了一种制备该碳刷的方法。

本发明的技术方案为：

一种风力发电机专用碳刷，其由下列组成物按质量百分比组成：

电解铜粉 45～65％

沥青胶剂石墨粉 15～30％

酚醛胶剂石墨粉 15～30％

其中，所述的沥青胶剂石墨粉由1质量份石墨粉、占石墨质量15-35％的沥青以及占石墨质量10～15％的清水经加热混和而成；所述的酚醛胶剂石墨粉由1质量份石墨粉和占石墨质量30～40％的酚醛树脂溶液经冷混和热混而成，其中，酚醛树脂溶液的固形份为35％。

所述的沥青胶剂石墨粉的制备步骤如下：

捣碎：用平板锤将沥青捣碎至均匀大小；

加热混和：分别称取所需1质量份石墨粉、占石墨质量15～35％的沥青以及占石墨质量10～15％的清水。将称量好的电碳石墨粉、沥青、清水依次加入混和锅内，在依次加入的过程中不断地搅拌，加完后盖上锅盖，进行加热混和。控制混摆机的温度处于150～200℃，先闭盖加热混和90～120分钟，混和60分钟后有大量水蒸汽流出，当水蒸汽减少，气体颜色有些微黄，停机开盖测量料粉温度，当料粉温度t<175℃，仍需加热闭盖继续混和，当料粉温度175℃<t<185℃，继续加热闭盖混和15分钟，停止加热继续闭盖混和30～60分钟，停机出料，加热的混和料粉置于铁皮箱内，让其自由冷却。

磨粉：启动磨粉机，将混和料粉通过加料口加入进行磨粉，在出料口设置Φ0.5mm铁皮筛片进行初步过筛，获得粗料粉。

过筛：使粗料粉通过具有80目筛网的笼式筛粉机，进行进一步过筛，从而获得可用的沥青胶剂石墨粉。

所述的酚醛胶剂石墨粉的制备步骤如下：

混和：分别称取所需1质量份石墨粉、占石墨质量30～40％的酚醛树脂溶液并依次加入到混和机内，待充分混和后，在封闭的情况下冷混和20～50分钟，接着在温度为60-90℃的情况下混和60分钟，接着再在非封闭状态下继续加热混和30～45分钟停机测料，当温度到达75～80℃，停止加热，继续混和10～20分钟出料，得到混和料粉。

轧片：通过轧片机将混和料粉进行轧片，并将轧好的料片置于通风处自然冷却。冷却后再将置于烘箱内干燥2小时，取出自然冷却至室温。

磨粉：将烘干的轧片放入磨粉机进行磨粉，并使其通过80目的筛网进行过筛，最终得到可用的酚醛胶剂石墨粉。

一种所述的风力发电机专用碳刷的制备方法，包括以下步骤：

混和：先将沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉以及电解铜粉通过50目筛进行过筛，再按比例称取所需沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉以及电解铜粉并将其加入到混和机内，在封闭状态下混和100～200分钟，停机出料，获得混合料粉。

压型：在压力为120MPa±10％状态下将混合料粉进行压型，形成初级碳刷。

热处理：先在坩埚底部铺上一层砂焦，将初级碳刷置于砂焦上彼此不接触，铺满后可根据需要往上叠加，并通过砂焦隔离，接着再振实，盖上铁板，并通过耐火泥浆封严，再在装好初级碳刷的坩锅表面涂刷一层泡化碱耐火泥浆并晾干。再将坩锅至于温度为600～1000℃的炉中进行烧结，烧结时间为25-35小时。烧结完成后将坩锅拖出，自然冷却至室温，从而得到碳刷。把填料砂焦全部过20目筛，除去泥渣回用。

本发明的有益效果：

1、本发明的碳刷的50小时磨损值远小于进口碳刷的0.13～0.21，同时进口碳刷在风电厂天一般可运行6～9个月，而本发明的碳刷在风声的最高使用寿命可达到2年以上，从而大大减少了风电场的运行维护成本。

2、本发明的碳刷能够在集电环表面形成一层均匀、适度和稳定的氧化膜，从而可以起到润滑的作用，避免碳刷的过度磨损；

3、本发明的碳刷电流密度18A/cm²，具有良好聚流性能，电阻系数低，能量损耗小，同时其运行时不过热、噪音小、装配可靠、不破损；

4、本发明的提出的工艺流程简单、经济、机械式运行，易于大规模批量生产。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中使用的沥青胶剂石墨粉的制备：

将30kg电碳石墨粉倒入加热混摆机混和锅内，启动双桨，在不停机的条件下，把5.4kg捣碎的沥青均匀地洒入锅内，然后加入3.3kg的清水，盖上锅盖，并开始加热，进行加热混和。把混摆机的温度控仪的控制温度调节至150～200℃。闭盖加热混和90～120分钟，混和60分钟后有大量水蒸汽流出，，当水蒸汽减少，气体颜色有些微黄，停机开盖测量料粉温度，当料粉温度t<175℃，仍需加热闭盖继续混和，当料粉温度175℃<t<185℃。继续加热闭盖混和15分钟，停止加热继续闭盖混和30～60分钟，停机出料，若料粉温度t>185℃，立即停止加热，总的混和时间应控制到180分钟。加热混和后的置于铁皮箱内自然冷却。

接着把磨粉机打扫干净，装上筛孔直径为0.5mm的铁皮筛片，确认磨粉机内部无障物，扎紧出料袋口，开始启动，待机器运转正常，然后用小铁铲将料粉缓缓加料口进行磨粉，直至出料气袋装满，停机解开出料袋口出料至铁皮箱内过筛。

首先把笼式筛粉机打扫干净，装上80目筛网，开动机器，把已磨吸的料粉用铁皮畚箕倒在已振动的筛面上，进行过筛，粗头子刷在未经磨细的料粉中，与其一起磨细返复进行多次，直至全部通过80目筛。然后装入塑料袋中，密封保存备用。

本实施例中使用的酚醛胶剂石墨粉的制备：

首先，把称量好的30kg石墨粉倒100L混和机内，启动双浆，然后在不停机的条件下，将配制好的10kg的固形份为35％的酚醛树脂溶液缓缓洒入混和机内，闭盖冷混和20～50分钟，开启电热，把温度控制仅控制60～90℃，继续闭盖混和60分钟，把锅盖开启一条3～5cm的细缝，继续加热混和30～45分钟，停机测量料粉温度，当料粉温度到达75～80℃，关闭电热，再混和10～20分钟出料；接着，通过轧片机将混和料粉进行轧片，轧片机轧辊预热至50～60℃，轧片三次，片厚<1mm，把料片放在铁皮箱内置于通风处自然冷却，冷却后再将置于烘箱内干燥2小时，温度控制在90℃，完成后将其取出自然冷却至室温；再接着将烘干的轧片放入Φ300磨粉机，磨粉机内装上Φ0.5孔的铁皮筛片，关上机门，扎紧出料袋口，启动机器进行磨粉，进一步，将磨好的粉通过装有80目网的笼式振动筛进行过筛，过筛后装于塑料袋内密封保存。

下面将通过详细的例子进一步对本发明进行说明。

实施例1：

电解铜粉 22.5kg

沥青胶剂石墨粉 15kg

酚醛胶剂石墨粉 12.5kg

混和：先将沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉以及电解铜粉通过50目筛进行过筛，再分别称22.5kg沥青胶剂石墨粉、15kg酚醛胶剂石墨粉以、12.5kg电解铜粉，并将其一并加入到混和机内，在封闭状态下混和100～200分钟，停机出料，获得混合料粉。

压型：在压力为120MPa±10％状态下将混和料粉进行压型，形成初级碳刷。

热处理：先在坩埚底部铺上一层砂焦，将初级碳刷置于砂焦上彼此不接触，铺满后可根据需要往上叠加，并通过砂焦隔离，接着再振实，盖上铁板，并通过耐火泥浆封严，再在装好初级碳刷的坩锅表面涂刷一层泡化碱耐火泥浆并晾干。再将坩锅至于温度为600～1000℃的炉中进行烧结，烧结时间为25～35小时。烧结完成后将坩锅拖出，自然冷却至室温，从而得到碳刷制品。把填料砂焦全部过20目筛，除去泥渣回用。

实施例2～实施例5与实施例1的区别在于电解铜粉、沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉配比的变化，而制备方法均与实施例1相同，具体的比例如表1所示，并且实施例1～5的测试结果均满足表2中各个项目的数值范围。

表1

表2

Claims (7)

1.一种风力发电机专用碳刷，其特征在于，其由下列组成物按质量百分比组成：

电解铜粉 45～65％

沥青胶剂石墨粉 15～30％

酚醛胶剂石墨粉 15～30％；

其中，所述沥青胶剂石墨粉由1质量份石墨粉、占石墨质量15～35％的沥青以及占石墨质量10～15％的清水经加热混和而成；所述的酚醛胶剂石墨粉由1质量份石墨粉和占石墨质量30～40％的酚醛树脂溶液经冷混和热混而成，其中，酚醛树脂溶液的固形份为35％。

2.根据权利要求1所述的风力发电机专用碳刷，其特征在于，所述的沥青胶剂石墨粉制备步骤如下：

捣碎：用平板锤将沥青捣碎至均匀大小；

加热混和：分别称取所需1质量份石墨粉、占石墨质量15～35％的沥青以及占石墨质量10～15％的清水；将称量好的电碳石墨粉、沥青、清水依次加入混和锅内，在依次加入的过程中不断地搅拌，加完后盖上锅盖，进行加热混和；控制混摆机的温度处于150～200℃，先闭盖加热混和90～120分钟，混和60分钟后有大量水蒸汽流出，当水蒸汽减少，气体颜色有些微黄，停机开盖测量料粉温度，当料粉温度t<175℃，仍需加热闭盖继续混和，当料粉温度175℃<t<185℃，继续加热闭盖混和15分钟，停止加热继续闭盖混和30～60分钟，停机出料，加热的混和料粉置于铁皮箱内，让其自由冷却；

磨粉：启动磨粉机，将混和料粉通过加料口加入进行磨粉，在出料口设置Φ0.5mm铁皮筛片进行初步过筛，获得粗料粉；

过筛：使粗料粉通过具有80目筛网的笼式筛粉机，进行进一步过筛，从而获得可用的沥青胶剂石墨粉。

3.根据权利要求1所述的风力发电机专用碳刷，其特征在于，所述的酚醛胶剂石墨粉的制备步骤如下：

混和：分别称取所需1质量份石墨粉、占石墨质量30～40％的酚醛树脂溶液并依次加入到混和机内，待充分混和后，在封闭的情况下冷混和20～50分钟，接着在温度为60-90℃的情况下混和60分钟，接着再在非封闭状态下继续加热混和30～45分钟停机测料，当温度到达75～80℃，停止加热，继续混和10～20分钟出料，得到混和料粉；

轧片：通过轧片机将混和料粉进行轧片，并将轧好的料片置于通风处自然冷却；冷却后再将置于烘箱内干燥2小时，取出自然冷却至室温；

磨粉：将烘干的轧片放入磨粉机进行磨粉，并使其通过80目的筛网进行过筛，最终得到可用的酚醛胶剂石墨粉。

4.一种如权利要求1～3中任一项所述的风力发电机专用碳刷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

混和：先将沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉以及电解铜粉进行过筛，再按比例称取过筛后的沥青胶剂石墨粉、酚醛胶剂石墨粉以及电解铜粉并将其加入到混和机内，混和完成后停机出料，获得混合料粉；

压型：将混合料粉进行压型，形成初级碳刷；

热处理：将初级碳刷置于坩埚内并于温度为600～1000℃的炉中进行烧结，获得碳刷。

5.根据权利要求4所述的风力发电机专用碳刷的制备方法，其特征在于，混和步骤中物料在混和机内封闭混和100～200分钟。

6.根据权利要求4所述的风力发电机专用碳刷的制备方法，其特征在于，压型步骤的压力为110MPa～130MPa。

7.根据权利要求4所述的风力发电机专用碳刷的制备方法，其特征在于，热处理具体步骤为：先在坩埚底部铺上一层砂焦，将初级碳刷置于砂焦上彼此不接触，铺满后可根据需要往上叠加，并通过砂焦隔离，接着再振实，盖上铁板，并通过耐火泥浆封严，再在装好初级碳刷的坩锅表面涂刷一层泡化碱耐火泥浆并晾干，再将坩锅置 于温度为600～1000℃的炉中进行烧结，烧结时间为25～35小时；烧结完成后将坩锅拖出，自然冷却至室温，从而得到最终碳刷。