專利名稱：發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，它含有一個繞有轉子線圈的轉子鐵心、一對滑環(huán)和一對電刷。
本申請基于并要求優(yōu)先權于日本專利申請No.Hei 7-228936，該申請于1995年9月6日提交，其內容在此引入作為參考。
如圖6所示，普通汽車交流發(fā)電機100含有整流器101、用于穩(wěn)定輸出電壓的穩(wěn)定器102、機殼103、被可旋轉地支撐的轉軸104、固定在機殼103內部的定子105、可相對定子105轉動的轉子106、安裝在轉軸104一端表面上的滑環(huán)組件107以及可在滑環(huán)組件107的外表面上滑動的電刷組件108。
整流器101包括三個正側二極管111和三個負側二極管112。轉軸104在其一端裝有多槽的三角皮帶輪113。定子105包括定子鐵心114和三相定子線圈115等。轉子106包括Lundell型磁極鐵心116和轉子線圈117等。
滑環(huán)組件107包括兩個金屬環(huán)121和兩個連接桿122。金屬環(huán)121由銅合金或不銹鋼制成，被壓力裝配或直接鑄造在轉軸104的外表面上，和轉軸104一起旋轉。
電刷組件108包括兩個碳刷123、固定碳刷123的刷握124和把碳刷壓在金屬環(huán)外表面上的螺旋彈簧125。碳刷123通過銅引線126和外部接線端(未畫出)相連。刷握124、橡膠墊127和金屬環(huán)121的環(huán)形套128用絕緣樹脂材料壓鑄成一體。
近來，因為汽車發(fā)動機機艙變得更小，安裝多種設備的空間也隨之變小。另外，對耗油量的限制更為嚴格，汽車的保修期也延長。因此，需要一種體積小、重量輕而且壽命長的交流發(fā)電機。使交流發(fā)電機更加小巧輕便的方法之一是必須減小其直徑和軸向尺寸。
在普通交流發(fā)電機100中，為轉子線圈117提供勵磁電流的勵磁調整電路的電壓降用得較小，以獲得足夠大的輸出功率。為此刷握124最好置于穩(wěn)壓器102附近。為了使碳刷123在徑向上的長度足以保證其壽命，刷握124和金屬環(huán)121的軸向尺寸占據(jù)了汽車交流發(fā)電機100總長度的大部分，結果使其體積很難再縮小。
碳刷123需要合適的面積(尺寸)和螺旋彈簧125產(chǎn)生合適的偏置力(彈力載荷)，以減小和金屬環(huán)121外表面接觸部分的電阻。因此，如果為了縮小交流發(fā)電機100的體積而減小碳刷123的接觸面積，電流密度就會增大，碳刷123的溫度也會升高，從而導致其壽命的縮短。
在小型直流旋轉電機(如電動機)中，使用由金屬層壓片或銅絲制成的金屬環(huán)來代替碳刷和銅合金制成的換向器，但換向器容易磨損。所以它沒有用于汽車交流發(fā)電機等旋轉電機中。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種體積小、重量輕的發(fā)電機，它含有可減小彈力載荷的電刷，以抑制電刷的振動和延長其壽命。
本發(fā)明的另一目的是提供一種發(fā)電機，它具有自動潤滑能力，即使在高速情況下也能保證為轉子線圈提供勵磁電流。
本發(fā)明的汽車交流發(fā)電機包括滑環(huán)組件和電刷組件，其中滑環(huán)組件含有一對由含碳材料制成的環(huán)件，電刷組件含有一對金屬電刷。因為電刷重量減輕，所需的彈力載荷也減小。所以環(huán)件和電刷的磨損以及電刷的振動都能降低。因為含碳環(huán)件具有自動潤滑能力，所以穩(wěn)定的磨損和供給勵磁線圈可靠的電流都可得到保證?；h(huán)組件和電刷組件的壽命也可延長。這樣，為電刷磨損而額外預留的尺寸和長度就不再需要，電刷可以做得很薄，從而減少發(fā)電機的體積和重量。
本發(fā)明的另一目的是提供一種發(fā)電機，它所含的電刷硬度高，足以防止電刷的磨損和延長電刷的壽命。為此，電刷不是由切削加工而是由沖壓制成。每一金屬薄片都由至少含有磷青銅和鈹青銅其中之一的彈性材料制成，并通過其彈性緊壓在環(huán)和輸出接線端上。
本發(fā)明的又一目的是提供一種發(fā)電機，它所含的彈性金屬刷和由彈簧、引線、石墨刷等組成的普通電刷元件功能相同，并能起到外部接線端和螺釘或鉚釘?shù)冗B接零件的作用。
為此，電刷由彈性材料(如銅合金)薄片或層壓片制成。因為層壓片使電刷很薄，電刷組件能大大減輕重量和縮小體積。因此發(fā)電機的直徑和長度都可縮短。電刷不需要額外的彈簧，也能以足夠的接觸壓力緊壓在環(huán)上，從而可保證穩(wěn)定的電流供給。
本發(fā)明的又一目的是提供一種發(fā)電機，其中固定電刷組件的部分不用接觸壓力，從而可保證從電刷到滑環(huán)組件的穩(wěn)定的電能供給。
為此，每一電刷含有圍繞環(huán)外圍的近似半環(huán)部分、固定在發(fā)電機穩(wěn)定位置的支撐部件和兩個接觸件。兩個接觸件位于半環(huán)部分的兩邊，和環(huán)件的外表面接觸。盡管當電刷產(chǎn)生過度振動時。某一邊的接觸件可能會脫離環(huán)件的外表面，但另一邊的接觸件仍貼在環(huán)件外表面上，從而保證了穩(wěn)定的電流供給。
本發(fā)明的又一目的是提供一種發(fā)電機，它容易安裝和拆卸。為此，每一電刷都包含具有倒角形的軸向延長部分。這樣兩個接觸件都能在軸向光滑移動。
本發(fā)明的又一目的是提供一種低成本發(fā)電機。它的外部電極端可減少成本。為此，刷握上裝有電刷組件的外部接線端，刷握還固定并導電地連接電刷支撐件。外部接線端可由與電刷不同的金屬制成，以降低成本。
本發(fā)明的又一目的是提供一種發(fā)電機，它能阻擋包括水和削屑等在內的外部微粒。為此，刷握含有圍繞環(huán)和電刷的圓筒件。
本發(fā)明的又一目的是提供一種發(fā)電機，它含有滑環(huán)組件，該滑環(huán)組件包含由具有增強的電導率和強度的多孔金屬制成的環(huán)中。為此，環(huán)件包括作為基底金屬的多孔導電金屬結構和碳粉。
通過分析以下詳細描述、所附權利要求和附圖，本發(fā)明的其他目的、性能和特征以及本發(fā)明的有關部分的作用會更加清楚。在附圖中

圖1是本發(fā)明實施方案的交流發(fā)電機的滑環(huán)元件和電刷元件的剖視圖；圖2是本發(fā)明實施方案的交流發(fā)電機的整體剖視圖；圖3是圖2所示的交流發(fā)電機后部的剖視平面圖；圖4是圖3所示的主要部分的放大圖；圖5是本發(fā)明實施方案的金屬刷和普通碳刷的磨損特性曲線圖；以及圖6是普通汽車交流發(fā)電機的剖視圖。
應用于汽車交流發(fā)電機的本發(fā)明的實施方案如圖1至圖4所示。
交流發(fā)電機1包括機殼2、定子3、轉子4、滑環(huán)組件6、電刷組件7、三相整流器8和穩(wěn)壓器9。機殼2包括兩個鋁壓鑄件，即前機殼11和后機殼12，二者由若干柱螺栓13和螺帽14安裝固定。前機殼11上有前軸承15。后機殼12上有后軸承16。它們被壓力裝配或鑲嵌安裝以旋轉支撐轉軸5。若干進氣孔19呈環(huán)狀開在前機殼11上，由此引入冷卻空氣，同時若干進氣孔20和出氣孔21呈環(huán)狀開在后機殼12上。撐條22和前機殼11的上部構成一體，固定在發(fā)動機的上支座(未畫出)上；撐條23與前機殼11的下部構成一體，固定在發(fā)動機下支座(未畫出)上。撐條24和后機殼12的下部構成一體，固定在發(fā)動機下支座上。撐條22～24上有固定螺栓(未畫出)所用的通孔25～27。定子3包括固定在機殼2內表面上的定子鐵心31和繞在定子鐵心31上的三相定子線圈32。
定子鐵心31由磁性材料疊層片制成，并被壓力裝配在前機殼11的內表面上。定子鐵心31在其內表面上以均勻間距有若干溝槽(未畫出)。三相定子線圈32接成Y形接法成Δ接法，當轉子4旋轉時，產(chǎn)生三相交流電輸出。定子線圈32的線端焊接在三相整流器8上。
轉子4包括轉軸5、磁極鐵心33、繞在磁極鐵心33上的勵磁線圈34和為勵磁線圈34提供勵磁電流的滑環(huán)組件6。當勵磁線圈34通以勵磁電流時，磁極鐵心33上的一些爪形端35成為N極，其他爪形端36成力S極。冷卻風扇(離心風扇)37通過焊接等方法固定在爪形端36的后表面上，以使冷卻空氣進入機殼2。勵磁線圈34的兩端焊在兩個連接桿(未畫出)上。線圈套38由絕緣樹脂材料制成，裝上以使勵磁線圈34和磁極鐵心33絕緣。
轉軸5由機殼2上的凸起部分17和18通過前、后軸承15和16旋轉地支撐。三角皮帶輪(用于多條三角皮帶)39a在墊有墊圈的螺帽39和前軸承15之間固定在轉軸5的一端，用以把發(fā)動機的轉矩傳送給轉軸5。三角皮帶輪39a通過多條三角皮帶(未畫出)和由發(fā)動機輸出軸(曲軸)帶動的三角皮帶輪連接起來。磁性離合器可裝在轉軸5和三角皮帶輪39a之間。
滑環(huán)組件6是樹脂鑄模，包括兩個含碳環(huán)41、一個絕緣件42和兩個連接該環(huán)與勵磁線圈34的連接桿(未畫出)。由于聚苯撐硫(PPS)絕緣性、耐熱性良好，強度和空間穩(wěn)定性高，所以是理想的絕緣樹脂材料。
每一個環(huán)41都裝在轉軸5后端的外表面上。每一個環(huán)41包括由多孔銅合金(作為基底金屬)制成的結構環(huán)件和注入其中的含碳粉末(如碳粉、天然石墨、導電石墨或金屬石墨)?；h(huán)組件6被壓力裝配在轉軸5后端的外表面上。
電刷組件7包括可在兩含碳環(huán)41表面滑動的兩個金屬刷43、支撐固定金屬刷的刷握44以及插在刷握44鑄模部分中的連接頭45和46。電刷43通過沖壓加工而成。金屬刷43由彈性銅合金(如磷青銅、鈹青銅等)的層壓片制成。每一個電刷43包括圍繞環(huán)41之一的刷體47和從刷體47向刷握44延伸的夾板部分48。兩個接觸件49和50制作在刷體47的兩邊，和含碳環(huán)41的外表面接觸。刷體47含有半環(huán)部分(馬蹄形)，通過壓縮使接觸件49和50的間距A與環(huán)41的直徑B大小不同，從而使得刷體47被壓靠在環(huán)41之一上。
接觸件49和50在環(huán)41之一的外表面上滑動，亦靠自身彈性產(chǎn)生接觸壓力。四個突出部分49a和49b、50a和50b由接觸件49和50的兩端沿軸向延伸而成。突出部分49a和49b以及50a和50b由環(huán)41的兩端沿軸向分別向兩邊延伸，并從接觸件49和50(倒角)沿徑向彎曲。
夾板部分48利用其彈性機械地固定在連接頭45和46上，并保持電接觸。為此，夾板部分48包括從刷體47基部(頂部)47a沿軸向延伸而成的突出部分48a以及夾件48b和48c，每個夾件制成有彈性的橢圓筒。夾板部分48通過突出部分48a和夾件48b、48c固定住連接頭45或46的邊緣。
刷握44由絕緣樹脂材料(如PPS)制成，固定兩個金屬刷43。刷握上有與之鑄為一體的連接頭45和46、容納轉軸5后端的環(huán)形部分以及從環(huán)形部分沿軸向延伸而成的圓筒部分。圓筒部分可協(xié)助空氣均勻地進入風扇的中心部位。連接頭45和46的末端各自沿軸向向相反方向延伸。刷握44和絕緣件42一起包在環(huán)41和電刷43的外圍。
連接頭45是電刷組件7的外部接線端，其橫截面呈L形。它通過固定螺絲52連接到勵磁電流接線端51上，并保持電接觸。連接頭46也是電刷組件7的外部接線端，其橫截面呈倒L形，以便沿與連接頭45相反的方向延伸。它通過固定螺絲54連接到三相整流器8的直流輸出端52上，并保持電接觸。連接頭45和46的邊緣做成楔形，以便插入夾板部分48的突出部分48a與夾件48b和48c之間。
這樣，滑環(huán)組件6的一個環(huán)41與電刷組件7的一個金屬刷43相結合，形成勵磁線圈34的供電單元，如圖2至圖4所示。
如圖4所示，兩個環(huán)41沿圓周方向相互錯開，并在環(huán)套空間中固定在連接頭45和46上。
三相整流器8包括直流輸出端53、正側散熱片55、負側散熱片56、三個正側二極管57、三個負側二極管58以及接線端支撐件59。直流輸出端53一端通過電線(未畫出)連接到蓄電池的正極，另一端由固定螺絲(未畫出)連接到電刷組件7的連接頭46以及正側散熱片55上，并保持電接觸。正側散熱片55和負側散熱片56連在一起，環(huán)繞刷握44并沿后機殼12的側壁安裝。正側散熱片55經(jīng)過絕緣件(未畫出)固定在后機殼12的內側壁上。負側散熱片56通過后機殼12接地。正側和負側散熱片55和56由導熱性良好的導電金屬(如鋁)制成，分別成為三個正側二極管57和三個負側二極管58的散熱片，并成為二極管固定件以分別固定三個正側二極管57和三個負側二極管58。三個正側二極管57和三個負側二極管58都各有一個端子焊接到三個交流輸入端60的一個端子上。而這些二極管的另一端則焊接到正側和負側散熱片55和56上。三相整流電路包括直流輸出端53、正側和負側散熱片55和56、正側和負側二極管57和58以及三個交流輸入端60。接線端支撐件59由絕緣樹脂材料(PPS)制成，和三個交流輸入端60鑄為一體，并使正側散熱片55與負側散熱片56絕緣。接線端支撐件由螺絲61固定正側散熱片55和負側散熱片56。
穩(wěn)壓器9包括勵磁電流接線端51，一塊集成電路(未畫出)和盒體62。勵磁電流接線端51是穩(wěn)壓器9的外部接線端，由固定螺絲52通過連接頭45和兩個金屬刷43機械地連接起來，穩(wěn)壓器9由裝在后機殼12上的盒體62固定。這樣，勵磁電流接線端51把刷握44和兩個金屬刷43固定在后機殼12上。盒體62由絕緣樹脂材料(如PPS)制成，由托架64固定在后機殼12上。
如果交流發(fā)電機1長時期運轉，兩個含碳環(huán)41和兩個金屬刷相互接觸并相對移動而導致磨損，其中金屬刷機械地固定在刷握44所支撐的連接頭45和46上。含碳環(huán)41可自動潤滑，使摩擦系數(shù)減小，兩個金屬刷43產(chǎn)生的彈力載荷也減小，從而其磨損速率非常小，如下文所述。
根據(jù)任意一本機械設計書，抗振性一般可表示如下[式1]抗振性∝{(k×彈力載荷)/(電刷重量)}+{彈簧重量}
因此，如果電刷(刷體)重量減輕，電刷的彈力載荷也可減小。
本發(fā)明實施方案的金屬刷43具有普通電刷組件中彈簧和引線的功能，并且重量減輕。
因為金屬刷43的刷體47有半環(huán)部分圍繞含碳環(huán)；并由兩個接觸件49和50從外側相反方向支撐含碳環(huán)，金屬刷43加在含碳環(huán)41外表面上的接觸壓力合成矢量為零，因此沒有接觸壓力作用在夾板部分48上。
如果在徑向產(chǎn)生過度振動，使接觸件49和50其中之一脫離環(huán)41，另一接觸件也可保證電刷43和環(huán)41的電接觸，從而對勵磁線圈34提供穩(wěn)定的勵磁電流。
接觸件49和50含有倒角狀的突出部分49a、49b、50a和50b，因此接觸件49和50能在軸向光滑移動。所以可在含碳環(huán)41的外表面上很容易地裝上或拆下金屬刷43。金屬刷43通過沖壓導電層壓片而成，其硬度可充分提高以影響磨損率。
電刷43可由與連接頭45和46不同的金屬制成，這樣汽車交流發(fā)電機1的生產(chǎn)成本可以降低。如果連接頭45和46與刷握44鑄為一體，這樣連接頭45和46在鑄壓后和夾板部分48機械地連接起來，可防止金屬刷43抗磨性的退化，這種退化在使用連接頭45和46的鑲嵌鑄件時可因溫度升高而產(chǎn)生。
連接頭45和46與夾板部48可通過焊接、鉚接等方法連接。
因為金屬刷43可耐磨損，所以不需要由易磨損材料制成的普通碳刷所需的額外尺寸和長度。因此，即使穩(wěn)壓器裝在金屬刷附近，汽車交流發(fā)電機1的直徑和長度也能縮短。
因為含碳環(huán)41有自動潤滑能力(減小摩擦系數(shù))，并比普通碳刷有寬得多的接觸表面，這樣單位表面積的接觸壓力比普通碳刷小，所以和普通金屬環(huán)121相比，磨損大大降低。另外，由于金屬環(huán)43的重量輕，其彈力載荷減小，含碳環(huán)的壽命也能延長。
圖5所示的測試結果，對兩種電刷的磨損量Q隨彈力載荷P的變化作了對比，其中金屬刷和含碳環(huán)(根據(jù)本發(fā)明實施方案)為一組，普通碳刷和普通金屬環(huán)為一組。當彈力載荷P在80gf以下變小時，普通碳刷123的磨損量Q(mm3/1000小時)增加；當彈力載荷P在170gf以上變大時，普通碳刷123的磨損量Q(mm3/1000小時)也增加。
盡管當彈力載荷P在30gf以下變小時，金屬刷43的磨損量Q(mm3/1000小時)迅速增加，但其大小仍小于普通碳刷123的磨損量Q的1/3。盡管當彈力載荷P在50gf以上變大時，磨損量Q(毫米3/1000小時)逐漸升高，但和碳刷123的磨損量相比仍小得可以忽略。這清楚表明，金屬刷43大大減小了彈力載荷，也使磨損量大大降低。金屬刷43由彈性銅合金制成，起到普通電刷元件中彈簧和引線的作用，從而可減少零件數(shù)量。
盡管以上實施方案的說明是關于汽車交流發(fā)電機，但該實施方案可應用于建筑物電站中的固定交流發(fā)電機。它還可應用于發(fā)電電動機中。
在本發(fā)明的以上說明中，本發(fā)明在其具體實施方案方面被公開。但明顯的是，本發(fā)明具體實施方案可作各種改進和變動，而不脫離本發(fā)明的宗旨和范圍，這些宗旨和范圍在隨后的權利要求中會限定。所以，本文件中對本發(fā)明的說明應從示意角度，而不應帶有限定含義來看待。
權利要求
1.一種發(fā)電機，包括機殼(2)、含有定子線圈(32)的定子(3)、含有勵磁線圈(34)和轉軸(5)的轉子、裝在所述轉軸上的連接組件(6、7)，其中該連接組件包括裝在轉軸的表面上的滑環(huán)組件(6)，和轉子線圈相連，并含有由含碳材料制成的環(huán)(41)；和電刷組件(7)，含有由彈性金屬制成的、可在環(huán)外表面上滑動的電刷件(43)。
2.如權利要求1所述的發(fā)電機，其特征在于，所述電刷件(43)包括層壓彈性金屬片。
3.如權利要求1或權利要求2所述的發(fā)電機，其特征在于，所述彈性金屬片由磷青銅或鈹青銅中至少一種材料制成，通過其自身彈性壓靠在環(huán)上。
4.如權利要求1所述的發(fā)電機，其特征在于，連接組件(6、7)還包括電刷支撐件(45、46)；以及電刷件(43)包括圍繞環(huán)的支臂件(47)和固定在該支臂件(47)一端的一個接觸件(49、50)。
5.如權利要求4所述的發(fā)電機，其特征在于，電刷件(43)還包括固定在上述支臂件另一端的另一個接觸件(49、50)。
6.如權利要求4所述的發(fā)電機，其特征在于，接觸件包括從該接觸件沿軸向延伸而成的倒角部分(49a、49b、50a、50b)。
7.如權利要求4所述的發(fā)電機，其特征在于，電刷支撐件(45、46)由與電刷件金屬不同的金屬制成。
8.如權利要求7所述的發(fā)電機，其特征在于，電刷支撐件(45、46)包括圍繞環(huán)和電刷件的圓筒件。
9.如權利要求1至8中任一權利要求所述的發(fā)電機，其特征在于，所述環(huán)(6)包括多孔導電金屬環(huán)件和注入該金屬環(huán)件中的碳粉。
10.如權利要求4所述的發(fā)電機，其特征在于，電刷支撐件(45、46)包括用于固定電刷件的軸向延伸部分。
11.如權利要求10所述的發(fā)電機，其特征在于，連接組件(6、7)包括可在環(huán)套空間中容納所述電刷件(43)和所述環(huán)(41)的圓筒件；以及電刷支撐件(45、46)固定在該圓筒件上。
12.如權利要求11所述的發(fā)電機，其特征在于，所述電刷件(43)包括在與轉軸平行的方向固定在所述支撐件上的夾板部分(48、48a、48b、48c)。
13.如權利要求4所述的發(fā)電機，其特征在于，電刷件含有圍繞所述環(huán)的半環(huán)部分(47)。
14.如權利要求4所述的發(fā)電機，其特征在于，所述連接組件(6、7)包括可在環(huán)套空間中容納所述電刷件和所述環(huán)的圓筒件；以及所述電刷元件(7)包括裝在上述圓筒件上的一對電刷件，二電刷件在軸向和圓周方向相互分開。
15.權利要求14所述的發(fā)電機，其特征在于，電刷件含有圍繞環(huán)的半環(huán)部分(47).
16.
全文摘要
一種滑環(huán)組件，它包括能自動潤滑的含碳環(huán)(41)和由層壓彈性銅合金片(43)制成的抗磨損電刷(43)，用于對交流發(fā)電機的轉子上所裝的勵磁線圈(34)提供勵磁電流。因此，容納交流發(fā)電機上的電刷(43)和滑環(huán)元件(6)所需的空間可以減小，交流發(fā)電機的體積也可縮小。
文檔編號H01R39/08GK1150714SQ96111288
公開日1997年5月28日 申請日期1996年9月6日 優(yōu)先權日1995年9月6日
發(fā)明者向井拓三, 三谷涓三 申請人:日本電裝株式會社