本發(fā)明涉及一種包括電刷換向器結(jié)構(gòu)的電機(jī)。

背景技術(shù)：

電機(jī)可以用作發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)并且可以用于各種應(yīng)用。存在許多類型的電機(jī)。在一種類型中，轉(zhuǎn)子可以相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)，并且通過包含在轉(zhuǎn)子中的電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與包含在定子中的永久磁體或者電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。在這種方式中，必須將電功率輸送到轉(zhuǎn)子及其電磁體。

通常，電刷換向器結(jié)構(gòu)用于這種電功率輸送。典型地，兩個(gè)或者多個(gè)電刷設(shè)置于固定位置，例如設(shè)置于定子，并且具有兩個(gè)或者多個(gè)片的換向器設(shè)置于轉(zhuǎn)子。換向器可以相對(duì)于電刷運(yùn)動(dòng)。電刷電連接到電源，例如連接到DC電源。換向器電連接到定子的電磁體。電刷通過電刷與換向器的表面以機(jī)械方式接觸的接觸區(qū)與換向器電接觸。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電刷在旋轉(zhuǎn)的換向器的表面上滑動(dòng)，由此將電功率輸送到轉(zhuǎn)子的電磁體。

WO 2009/083433 A1中描述了一種電機(jī)和包含于電機(jī)中的電刷換向器結(jié)構(gòu)的例子。

已經(jīng)觀察到，包括電刷換向器結(jié)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在電刷處和/或換向器處發(fā)生顯著磨損。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

需要一種包括例如減小運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損的電刷換向器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型電機(jī)。

獨(dú)立權(quán)利要求中限定的電機(jī)可以滿足這種需要。從屬權(quán)利要求限定了有利實(shí)施例。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種具有包括至少兩個(gè)電刷和換向器的特殊電刷換向器結(jié)構(gòu)的電機(jī)。其中，所述電刷中的每一個(gè)和所述換向器配置為所述電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所述電刷和所述換向器在橫向位移方向上相對(duì)于彼此位移，并且所述電刷的接觸面沿著重疊區(qū)與所述換向器的接觸面以機(jī)械方式接觸，從而沿著所述重疊區(qū)在所述電刷和所述換向器之間產(chǎn)生電接觸。在這種電接觸時(shí)，電流穿過所述重疊區(qū)在所述電刷與所述換向器之間傳輸。此外，所述電刷和/或所述換向器在垂直于所述電刷和/或所述換向器的接觸面的方向上的各自的電導(dǎo)率在局部沿著所述橫向位移方向變化。在此，將垂直于所述電刷和/或所述換向器的接觸面并且因此也垂直于所述位移方向的這種電導(dǎo)率稱為“垂直電導(dǎo)率”。所述電刷中和/或所述換向器中的垂直電導(dǎo)率分布特殊地配置為即使所述電機(jī)以最大允許功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于所述電刷和所述換向器相對(duì)于彼此位移時(shí)的全部空間組態(tài)的至少90％，穿過所述重疊區(qū)的電流密度不超過穿過所述電刷換向器結(jié)構(gòu)的額定最大平均電流密度的130％。

盡管下面將進(jìn)一步描述基于本發(fā)明實(shí)施例的思想和觀察的細(xì)節(jié)，但是一些通用思想和觀察可以總結(jié)如下：

已經(jīng)觀察到，電刷與換向器之間可能發(fā)生火花，并且這種火花可能對(duì)電刷換向器結(jié)構(gòu)造成磨損和惡化。當(dāng)電刷的接觸面與換向器的接觸面之間的重疊區(qū)的尺寸減小時(shí)，即，當(dāng)在換向器旋轉(zhuǎn)中，電刷在換向器片的橫向緣上移動(dòng)時(shí)，尤其發(fā)生這種火花。

在觀察到這些影響，而且最定性地理解這些影響的同時(shí)，本發(fā)明的發(fā)明人開發(fā)了一種模型，該模型允許定量地理解該影響并且因此允許限定量化的措施，以減小或者甚至防止該影響。

特別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以改變用于形成電刷或者換向器的材料的性質(zhì)，使得電刷或者換向器的材料中的垂直電導(dǎo)率，即，垂直于接觸面的方向上的電導(dǎo)率，在平行于接觸面的方向上變化。因此，垂直電導(dǎo)率例如可以在靠近電刷或者換向器的前沿的區(qū)域中，即，電刷和換向器相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)首先接觸的區(qū)中，比靠近后沿的區(qū)域中更高。

盡管在例如WO 2009/083433 A1中描述的現(xiàn)有電機(jī)中已經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于電導(dǎo)率配置電刷或者換向器中的材料性質(zhì)，但是未定量地理解或模型化這種配置的影響。因此，不能根據(jù)任何定量模型或者模擬來(lái)優(yōu)化垂直電導(dǎo)率的變化。

本發(fā)明人開發(fā)出一種可以定量地模擬和分析電刷換向器結(jié)構(gòu)的特征的模型。

對(duì)模擬結(jié)果的分析揭示出，當(dāng)以穿過電刷與換向器之間的重疊區(qū)的電流密度不超過穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)的額定最大平均電流密度的130％，或者優(yōu)選不超過110％的方式，配置電刷和/或換向器中的垂直電導(dǎo)率分布時(shí)，可以改善電刷換向器結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。

額定最大平均電流密度，在下文中也簡(jiǎn)稱為“RMAECD”，是對(duì)于給定導(dǎo)電材料的電刷或者換向器不會(huì)超過的電流密度，并且通常由這種電刷/換向器材料的生產(chǎn)商或者供應(yīng)商給出，作為電刷與換向器之間的典型接觸區(qū)上的平均值。

即使當(dāng)電機(jī)以最大容許功率，即，例如由電機(jī)的生產(chǎn)商定額的最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該電流密度限制仍適用。

盡管針對(duì)電刷換向器結(jié)構(gòu)的所有可能配置，即，對(duì)于在電刷和換向器相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)換向器相對(duì)于電刷的所有可能位置，相應(yīng)地限制電流密度可能有好處，但是針對(duì)電刷和換向器相對(duì)于彼此位移期間的所有空間配置的至少90％，相應(yīng)地限制電流密度可能就夠了。

實(shí)驗(yàn)表明，通過作為適當(dāng)選擇或者改變電刷或者換向器的材料性質(zhì)的結(jié)果，特殊地配置電刷或者換向器中變化的垂直電導(dǎo)率，能夠顯著減小電刷換向器結(jié)構(gòu)的磨損。特別地，已經(jīng)觀察到，如果例如電刷中的垂直電導(dǎo)率在電刷的各段中不同，使得在電刷相對(duì)于換向器位移時(shí)沒有組態(tài)或者只有非常少的組態(tài)的電流密度超過穿過電刷結(jié)構(gòu)的額定最大平均電流密度，則可以顯著抑制火花，從而減小惡化磨損。

根據(jù)實(shí)施例，對(duì)于橫向位移方向，電刷的第一段中的垂直電導(dǎo)率比設(shè)置于電刷的第一段的下游的電刷的第二段中的垂直電導(dǎo)率高。作為一種選擇或者另外，換向器的第一段中的垂直電導(dǎo)率比設(shè)置于換向器的第一段的上游的換向器的第二段中的垂直電導(dǎo)率高。

換句話說(shuō)，通常，電刷中和/或換向器片中的垂直電導(dǎo)率靠近其前沿處比靠近其后沿處更高。因此，當(dāng)電刷靠近換向器片的后沿以及在換向器片的后沿上移動(dòng)并且電刷的接觸面與換向器的接觸面之間的重疊區(qū)逐步減小時(shí)，由于垂直電導(dǎo)率逐步減小，穿過這樣縮小的重疊區(qū)的電流減小。因此，電流密度不超過或者僅短暫地超過RMAECD的130％或者110％的限制并且不發(fā)生或者僅少量發(fā)生火花。

在此，根據(jù)實(shí)施例，電刷的第一段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率比電刷的第二段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率高至少5倍，優(yōu)選地高10倍。作為一種選擇或者另外，換向器的第一段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率比換向器的第二段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率高至少5倍，優(yōu)選地高10倍。

換句話說(shuō)，靠近電刷和/或換向器片的前沿的單位面積中的平均垂直電導(dǎo)率優(yōu)選地比靠近后沿的單位面積中的高5倍甚或10倍以上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，垂直電導(dǎo)率沿著電刷和/或換向器片的接觸面的橫向位移方向的這種顯著變化有效地抑制了火花或者電弧。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，電刷和/或換向器至少包括沿著橫向位移方向依次排列并且具有不同垂直電導(dǎo)率的第一段、第二段和第三段。

換句話說(shuō)，電刷和/或換向器片可以至少包括形成不同段的3層或者3部分：第一段靠近前沿，第二段在中間，第三段靠近后沿。例如作為使材料或者材料成分不同的結(jié)果，這些段的垂直電導(dǎo)率不同。

在此，根據(jù)實(shí)施例，電刷和/或換向器的第一段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率分別比電刷和/或換向器的第二段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率高至少5倍，優(yōu)選高至少10倍。此外，電刷和/或換向器的第二段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率分別比電刷和/或換向器的第三段內(nèi)的單位面積上的平均垂直電導(dǎo)率高至少5倍，優(yōu)選高至少10倍。

換句話說(shuō)，電刷和/或換向器片的垂直電導(dǎo)率，在靠近前沿的區(qū)段中比在靠近后沿的區(qū)段中高至少25倍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，垂直電導(dǎo)率沿著電刷和/或換向器片的接觸面的橫向位移方向的這種顯著變化有效地抑制了火花或者電弧。

根據(jù)實(shí)施例，在電刷和/或換向器中，垂直電導(dǎo)率在橫向位移方向上連續(xù)變化。

換句話說(shuō)，優(yōu)選地，垂直電導(dǎo)率沿著橫向位移方向從靠近電刷/換向器片的前沿的高值到靠近電刷/換向器片的后沿的低值逐漸變化。這樣逐漸變化的垂直電導(dǎo)率可以有助于防止電刷相對(duì)于換向器片位移期間發(fā)生過大的電流密度峰值。然而，準(zhǔn)備沿著橫向位移方向具有連續(xù)變化的垂直電導(dǎo)率的材料是技術(shù)挑戰(zhàn)。

根據(jù)可選實(shí)施例，在電刷和/或換向器中，垂直電導(dǎo)率在橫向位移方向上逐步變化。

換句話說(shuō)，電刷和/或換向器片可以具有沿著橫向位移方向依次排列的不同段，并且每段可以具有單一均勻的垂直電導(dǎo)率。這種均勻的單一段容易生產(chǎn)和堆疊。

根據(jù)實(shí)施例，在電刷和/或換向器中，電導(dǎo)率是各向異性的，并且垂直于各自接觸面的方向上的垂直電導(dǎo)率顯著高于平行于各自接觸面的方向上的橫向電導(dǎo)率。

換句話說(shuō)，電刷和/或換向器的材料的電導(dǎo)率不是各向異性的。而是在垂直于各自接觸面的方向上呈現(xiàn)比橫向上顯著高的電導(dǎo)率。這種各向異性可以由電刷/換向器材料的各向異性特征獲得。例如，該材料可以具有顆粒主要朝向特定方向的粒狀結(jié)構(gòu)。由于這種各向異性，電流可以容易地在垂直方向上，即，例如從在后側(cè)接觸電刷或者換向器片的供電線到相應(yīng)對(duì)置的前側(cè)接觸面流動(dòng)。然而，由于平行于位移方向上的低電導(dǎo)率，該方向上的橫向電流幾乎不可以流動(dòng)。

根據(jù)該實(shí)施例的具體形式，垂直電導(dǎo)率比橫向電導(dǎo)率高至少50％。例如，垂直電導(dǎo)率和橫向電導(dǎo)率可以相差至少2倍，優(yōu)選地相差至少5倍、10倍甚或更多倍。例如，通過采用特定類型的石墨并且/或者將六方氮化硼摻入石墨體中，可以實(shí)現(xiàn)這種倍率。

根據(jù)實(shí)施例，電刷和/或換向器由碳對(duì)電導(dǎo)率起主要作用的材料制成。

換句話說(shuō)，電刷和/或換向器片可以例如由石墨材料的主體部分制成。該石墨材料可以對(duì)電刷/換向器的整體電導(dǎo)率起主要作用。通常，這與許多傳統(tǒng)電刷/換向器相反，在傳統(tǒng)電刷/換向器中，例如銅含量高于石墨含量并且提供主要部分或者提供設(shè)備的電導(dǎo)率。根據(jù)本實(shí)施例，任選地，諸如粘合劑的添加劑或者諸如金屬顆粒的導(dǎo)電顆?？梢园诨闹?，但是不提供電刷/換向器的主要電導(dǎo)率。這種主要基于碳的材料可以提供電刷和/或換向器的有益特征。例如，石墨材料可以降低摩擦系數(shù)并且?guī)缀鯖]有磨損。其形狀和石墨晶體的本征各向異性一般是該部分的電導(dǎo)率的各向異性的根源，這通常有助于換向。由于銅的高電導(dǎo)率，在一些應(yīng)用中，添加銅可以有助于提供高電性能。

根據(jù)實(shí)施例，作為包含在碳基體中的石墨片、粘合劑成分和氮化硼中的至少一個(gè)的含量改變的結(jié)果，電刷和/或換向器的垂直電導(dǎo)率在局部沿著橫向位移方向變化。

換句話說(shuō)，在基于碳的材料中，通過有目的地改變包含于材料中的石墨片的含量分布或者大小分布，可以改變垂直電導(dǎo)率。作為一種選擇或者另外，可以改變碳基體中的粘合劑成分及其濃度。此外，作為一種選擇或者另外，在改變濃度時(shí)可以將氮化硼顆粒或者諸如MoS₂或者WS₂顆粒的其他片材料的顆粒包含于碳基體中，并且影響其電導(dǎo)率。

根據(jù)實(shí)施例，該電機(jī)適于在燃料泵中使用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，特別是在用于車輛燃料泵的電機(jī)中，當(dāng)使其電刷和/或換向器具有在此描述的變化的垂直電導(dǎo)率時(shí)，可以顯著減小磨損。在車輛燃料泵中，電機(jī)必須在諸如液體燃油接觸電刷和/或換向器的特定條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有燃料泵中，這種情況似乎支持發(fā)生火花，利用本發(fā)明的特定實(shí)施例可以抑制火花的出現(xiàn)。然而，本發(fā)明的實(shí)施例還可以應(yīng)用于其他電機(jī)，如車輛電動(dòng)起動(dòng)器的電動(dòng)機(jī)或者車輛的ABS(防抱死系統(tǒng))結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)或者其他應(yīng)用。

應(yīng)當(dāng)指出，在此關(guān)于電機(jī)或者電刷換向器結(jié)構(gòu)的各種細(xì)節(jié)描述了本發(fā)明實(shí)施例的可能特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，為了創(chuàng)建其他實(shí)施例并且為了能夠獲得協(xié)同效果，可以組合、修改或者替換各種特征。

附圖說(shuō)明

根據(jù)下面參考附圖對(duì)特定實(shí)施例所做的描述，本發(fā)明的實(shí)施例的可能方面、特征和優(yōu)點(diǎn)顯而易見，其中不應(yīng)將該描述和附圖理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1示出表明電刷換向器結(jié)構(gòu)的原理的電機(jī)的前視圖。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電機(jī)的電刷換向器結(jié)構(gòu)的局部側(cè)視圖。

圖3示出沿著圖2中的線A-A取得的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電機(jī)的電刷換向器結(jié)構(gòu)中的電刷和換向器的各段和重疊區(qū)。

附圖只是原理圖，并且比例也不是真實(shí)的。在各附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或者類似的特征。

具體實(shí)施方式

圖1示出電機(jī)100的基本特征。電機(jī)100包括定子102和轉(zhuǎn)子104。定子102包括沿著定子102的圓周排列的若干個(gè)永磁體或者電磁體(未示出)。轉(zhuǎn)子104包括沿著轉(zhuǎn)子104的圓周排列的電磁體(未示出)。轉(zhuǎn)子104可以繞著軸線106相對(duì)于固定的定子102旋轉(zhuǎn)。

為了將電功率輸送給可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子104中的電磁體，設(shè)置電刷換向器結(jié)構(gòu)1。電刷換向器結(jié)構(gòu)1包括至少兩個(gè)電刷3和具有至少兩個(gè)片2的換向器5。電刷3設(shè)置于固定位置，并且可以例如固定在定子102處。換向器5可以與轉(zhuǎn)子104一起旋轉(zhuǎn)，并且例如可以固定到轉(zhuǎn)子104。

這樣，在電機(jī)100運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電功率從電刷3輸送到換向器5，然后進(jìn)一步輸送到電磁體。由于在這樣供電時(shí)電磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)并且這些磁場(chǎng)與定子102的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，所以產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子104上的力，使得轉(zhuǎn)子104相對(duì)于定子102旋轉(zhuǎn)。在這樣旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向器5關(guān)于電刷3連續(xù)位移。在圖1中所示的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)中，這種位移將持續(xù)幾乎180°旋轉(zhuǎn)。然后，電刷3到達(dá)換向器5中的間隙8，該間隙使換向器5的第一片2與換向器5的第二片2分離。當(dāng)每個(gè)電刷2在其后沿6脫離與換向器5的兩個(gè)片2之一的接觸，然后在其前沿4與另一個(gè)換向器片2接觸時(shí)，提供轉(zhuǎn)子104中的電磁體的電的極性反轉(zhuǎn)。由于該反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子104繼續(xù)其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且換向器5在橫向位移方向7上相對(duì)于電刷3連續(xù)位移，如圖1中的箭頭所示。

在轉(zhuǎn)子104旋轉(zhuǎn)并且換向器5在橫向位移方向上相應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷3的接觸面9沿著換向器5的片2的接觸面11滑動(dòng)并且與換向器5的片2的接觸面11接觸，使得電流可以從電刷3傳輸?shù)綋Q向器5。在這樣旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷的接觸面9首先在其前沿4接觸換向器5的片2，然后沿著接觸面11運(yùn)動(dòng)，最后在后沿6脫離接觸。在此，當(dāng)前沿4到達(dá)電刷3時(shí)，換向器5的接觸面11首先在電刷3的前沿10接觸電刷3的接觸面9，然后在換向器5旋轉(zhuǎn)幾乎180°后，在電刷3的接觸面9的后沿12脫離接觸。

已經(jīng)觀察到，電刷換向器結(jié)構(gòu)1的磨損和腐蝕主要發(fā)生在前沿4、10處，尤其分別發(fā)生在換向器5和電刷3的片2的后沿6、12處。

一般認(rèn)為，只有當(dāng)超過特定點(diǎn)火電壓并且可以流過最低接觸電流時(shí)，才在形成電接觸的兩個(gè)物體之間發(fā)生火花或者電弧。

例如，當(dāng)兩個(gè)碳觸點(diǎn)提供電接觸時(shí)，這種點(diǎn)火電壓是20V左右，并且最小接觸電流是至少約100mA。通常，點(diǎn)火電壓和最小接觸電流尤其取決于觸點(diǎn)的材料及其幾何形狀或者拓?fù)洹?/p>

在電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，從理論上說(shuō)，在任何時(shí)間點(diǎn)都不應(yīng)當(dāng)超過點(diǎn)火電壓和最小接觸電流。然而，這種理論是基于從外部提供給電機(jī)的電刷換向器結(jié)構(gòu)的電壓和電流，并且假定電刷3的接觸面9與換向器9的接觸面11之間存在大面積接觸。

然而，這種宏觀的大面積接觸不能正確地反映電刷3和換向器5的接觸面9、11之間接觸的微觀現(xiàn)實(shí)。實(shí)際上，這些接觸面9、11不是理想的平面，因此不沿著一方是電刷3的接觸面9另一方是換向器5的接觸面11的相鄰部分的整個(gè)面積形成大面積以機(jī)械方式接觸。而是似乎形成尺寸是平方微米級(jí)的微觀接觸點(diǎn)。由于這種接觸點(diǎn)的形成，電流可能不穿過大的重疊接觸面從電刷3流到換向器5，而必須只集中在有限面積的接觸點(diǎn)上。因此，在這些接觸點(diǎn)處，可能發(fā)生局部電流密度的顯著升高。

可以認(rèn)為，穿過接觸點(diǎn)的導(dǎo)電機(jī)制和導(dǎo)致的局部電流密度升高最終導(dǎo)致電刷3與換向器5之間的火花或者電弧。

特別地，當(dāng)電刷3處于或者接近換向器5的片2之間的間隙8時(shí)，僅電刷3的接觸面9的局部區(qū)域與換向器5的接觸面11的局部區(qū)域接觸。因此，當(dāng)在接觸面9、11的后沿6、12，電刷3與換向器5之間的電接觸將要完全脫離時(shí)，穿過接觸面9、11之間的接觸點(diǎn)傳送的電功率可能極度升高。由于所傳送的電功率的升高，可能發(fā)生接觸點(diǎn)的局部故障。例如，電刷3和/或換向器5的材料可能突然發(fā)熱，并且因此熔融或者汽化，使得當(dāng)電刷3靠近換向器5的后沿6時(shí)，一些或者全部接觸點(diǎn)可能突然中斷。然而，在換向過程尚未完成的時(shí)間點(diǎn)，即，線圈的電流尚未達(dá)到其換向值并且/或者電刷3尚未完全到達(dá)間隙8時(shí)，穿過轉(zhuǎn)子104中的電磁體的繞組的電流在短時(shí)間段內(nèi)顯著變化。其結(jié)果是，感應(yīng)出大的電壓。然后，該感應(yīng)電壓可能使電刷3與換向器5之間的電勢(shì)差顯著升高，從而超過點(diǎn)火電壓。這種過電壓和在電刷3與換向器5之間的電接觸突然中斷的瞬間仍超過該電壓時(shí)電弧點(diǎn)火所需的最小接觸電流的電流一起可以導(dǎo)致在電刷3與換向器5之間點(diǎn)火的電弧。

本發(fā)明人已經(jīng)將用于解釋電刷換向器結(jié)構(gòu)中的電弧或者火花的上述可能原理實(shí)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)模型。已經(jīng)利用該計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行了各種模擬，并且觀察到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)之間的良好對(duì)應(yīng)性。

基于對(duì)模擬結(jié)果的分析，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)將穿過電刷3的接觸面9與換向器5的接觸面11之間的重疊區(qū)的電流密度限制為保持低于特定電流密度限制。

盡管也許不能夠?qū)τ趽Q向器5沿著位移方向7相對(duì)于電刷3位移期間的所有空間組態(tài)都對(duì)電流密度進(jìn)行這種限制，但是應(yīng)當(dāng)對(duì)于所有這種空間組態(tài)的至少90％，或者優(yōu)選地至少95％或者98％，將電流密度限制到低于最大電流密度限制。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，確定針對(duì)特定電刷換向器結(jié)構(gòu)的最大電流密度限制是個(gè)困難任務(wù)。通常，這種限制強(qiáng)烈取決于形成電接觸的材料和形成電接觸的接觸面9、11處的結(jié)構(gòu)特征。材料特征尤其可以包括材料的特有電阻率、這種電阻率的各向異性、電阻率的空間分布、溫度行為等等。結(jié)構(gòu)特征尤其可以包括表面特性，如接觸面9、11的光滑性或者曲率，或者這種接觸面9、11之間的重疊區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)。由于這眾多的影響，難以針對(duì)具體的電刷換向器結(jié)構(gòu)精確確定最大電流密度限制。實(shí)際上，為了針對(duì)接觸的具體類型和組態(tài)確定該限制值，可能需要進(jìn)行具體的模擬和/或?qū)嶒?yàn)。

然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以基于穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)1的額定最大平靜電流密度進(jìn)行適當(dāng)并且可靠的近似來(lái)確定該限制值。這種額定最大平均電流密度“RMAECD”是通常由電刷3、換向器5或者這個(gè)電刷換向器結(jié)構(gòu)1的生產(chǎn)者給出的值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿過電刷3的接觸面9與換向器5的接觸面11之間的重疊區(qū)的電流密度不超過穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)1的額定最大平均電流密度的130％，優(yōu)選地不超過110％時(shí)，可以顯著降低電刷換向器結(jié)構(gòu)1的磨損或者腐蝕。

可以看出，本發(fā)明的主要思想是通過具體改變電刷和/或換向器中的垂直電導(dǎo)率分布，將穿過重疊區(qū)的電流密度限制為低于該最大限制值。在此，該垂直電導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)配置為例如沿著橫向位移方向7變化。優(yōu)選地，該垂直電導(dǎo)率被設(shè)定為在靠近換向器5和/或電刷3的后沿6、12的區(qū)域中比后沿6、12更上游的區(qū)域中，即，更靠近各自前沿4、10的區(qū)域中小得多。

通常，作為一種“經(jīng)驗(yàn)法則”，為了實(shí)現(xiàn)具有電刷換向器結(jié)構(gòu)1的電機(jī)的滿意換向，應(yīng)當(dāng)將電刷3與換向器5的片2之間的接觸區(qū)的電阻率配置為滿足以下假定和/或要求：

－電刷3和/或換向器5中的垂直電導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)在遠(yuǎn)離后沿12、6的區(qū)域中大，并且向著后沿12、6減小。特別是，當(dāng)與電刷3的接觸面9和換向器5的片2的接觸面11之間的重疊區(qū)中的許多接觸點(diǎn)相比時(shí)，該垂直電導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)向著后沿12、6過比例(over-proportional)減小。

－從而，在電刷3與換向器5之間的接觸將要斷開時(shí)的到換向器5的電流和對(duì)應(yīng)的電流密度可以被限制為低于穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)1的額定最大平均電流密度的例如130％的特定可接受限制值。

－這樣，可以適當(dāng)防止發(fā)生電刷3與換向器5之間的電接觸不再承載傳送的電功率的情況。

－在最終斷開電刷3與換向器5的在先的片2的接觸之前，換向器5的在后的片2足以接收轉(zhuǎn)子104中的電磁體的換向線圈的電力供應(yīng)，從而能夠更早完成換向。

如在此講述的，電刷3和/或換向器5中的垂直電導(dǎo)率分布應(yīng)當(dāng)配置為使得穿過電刷3的接觸面9與換向器5的接觸面11之間的重疊區(qū)的電流密度不超過穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)1的額定最大平均電流密度(RMAECD)的130％，應(yīng)當(dāng)注意，RMAECD通常不是任意值，而是針對(duì)每個(gè)電刷換向器結(jié)構(gòu)1具體確定的。

典型地，RMAECD由電刷換向器結(jié)構(gòu)的制造商以書面數(shù)據(jù)表的形式給出。RMAECD通常是基于實(shí)驗(yàn)確定的，該實(shí)驗(yàn)通過改變電流密度值來(lái)估計(jì)電刷換向器結(jié)構(gòu)的特定磨損或者惡化特征。

例如，實(shí)驗(yàn)可以使用與電刷接觸并且在與電刷換向器結(jié)構(gòu)的以后實(shí)際操作中采用的條件類似的條件下操作的換向器環(huán)或者滑環(huán)。首先，可以建立小值的電流密度，并且可以確定電刷和/或換向器的關(guān)聯(lián)磨損。然后，可以逐漸增加電流密度，并且可以監(jiān)視電刷和/或換向器的磨損。當(dāng)超過一特定電流密度時(shí)，該磨損將開始急劇增大。通常將磨損增大20％時(shí)的電流密度設(shè)定為RMAECD。

請(qǐng)注意，在確定RMAECD的這種實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)考慮到例如到電刷的供電線具有足夠的截面，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要反映電刷換向器結(jié)構(gòu)中使用的材料的特征，并且不受到例如電刷的具體設(shè)計(jì)或者供電線的尺寸的過度影響。

下面將關(guān)于圖2和圖3進(jìn)一步詳細(xì)解釋本發(fā)明的特定實(shí)施例的一些特征。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電機(jī)的電刷換向器結(jié)構(gòu)1的局部側(cè)視圖。圖3示出該電刷換向器結(jié)構(gòu)1的電刷3和換向器5的各段和重疊區(qū)。

電刷3和/或換向器5可以主要由基于碳的材料構(gòu)成。在這種基于碳的材料中，碳對(duì)該材料的電導(dǎo)率起主要作用，即，提供該材料的電導(dǎo)率的50％以上，優(yōu)選地90％以上，或者甚至95％以上。除了碳顆?；蛘咛蓟w以外，基于碳的材料還可以包括石墨片、粘合劑成分和/或氮化硼顆粒。這些添加劑可以影響基材的電導(dǎo)率。例如，US 7,586,230 B2中描述了包含于碳材料中的氮化硼的影響。

然而，盡管提供主要由基于碳的材料構(gòu)成的電刷3和/或換向器5例如對(duì)于潤(rùn)滑或者磨損特征有益，但是需要指出，在此不排除在電刷3和/或換向器5中包含大量諸如銅顆粒的金屬顆粒。

可以通過擠壓并且燒結(jié)包括碳顆粒并且任選地包括上面提及的其他添加劑的粉末來(lái)形成電刷3和/或換向器5或者其各段。由于該擠壓和燒結(jié)，通常形成碳顆粒的晶粒，使得所得到的基于碳的材料具有各向異性物理特征。

例如，與晶粒相交的方向相比，這種材料中的電導(dǎo)率在沿著晶粒的方向上不同。這種各向異性電導(dǎo)率特征可以對(duì)在此描述的電刷換向器結(jié)構(gòu)1有益。

在此將與電刷3的接觸面9或者換向器5的接觸面11垂直的方向25上的電導(dǎo)率稱為“垂直電導(dǎo)率”。由于通常主要在該垂直電導(dǎo)率的方向上通過電刷換向器結(jié)構(gòu)1提供電機(jī)中的電流，所以主要是該垂直電導(dǎo)率影響電刷換向器結(jié)構(gòu)1的電特征。垂直于圖2中的箭頭25并且因此平行于接觸面9、11的方向上的橫向電導(dǎo)率可以顯著小于垂直電導(dǎo)率，并且可以例如小于垂直電導(dǎo)率的一半。電導(dǎo)率的這種各向異性可以支持穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)1的電流主要在垂直于接觸面9、11的方向25流動(dòng)，而且基本上不在平行于這些接觸面9、11的方向上流動(dòng)。

圖2示出電刷3包括3個(gè)段15、17、19的電刷換向器結(jié)構(gòu)1。第一段15設(shè)置在或者靠近電刷3的前沿10。換句話說(shuō)，當(dāng)電刷換向器結(jié)構(gòu)1工作并且電刷3和換向器5在如圖2和圖3中的箭頭7所示的橫向位移方向上相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷3的第一段15首先接觸換向器5。第二段17與第一段15相鄰設(shè)置，并且在隨后的時(shí)間點(diǎn)與換向器5接觸。最后，第三段19距離前沿10最遠(yuǎn)，并且最靠近電刷3的后沿12。

類似地，換向器5也可以設(shè)置有多個(gè)段。在圖2和圖3中所示的實(shí)施例中，換向器包括靠近前沿4的第一段21和靠近后沿6的第二段。

電刷3和換向器5中的每一個(gè)或二者可以具有2、3或者更多個(gè)這種段15、17、19、21、23。

電刷3的第一段15具有比第二段17高的垂直電導(dǎo)率，并且第二段17具有比設(shè)置在第一段15和第二段17下游的電刷3的第三段19高的垂直電導(dǎo)率。因此，與靠近后沿12相比，靠近前沿10，電刷具有明顯更高的垂直電導(dǎo)率。類似地，換向器5的第一段21比第二段23具有更高的垂直電導(dǎo)率，使得換向器5的垂直電導(dǎo)率也是靠近其前沿4比靠近其后沿6高。

各段15、17、19、21、23中的垂直電導(dǎo)率可以例如相差5倍以上，優(yōu)選地10倍以上。換句話說(shuō)，第一段15中的垂直電導(dǎo)率可以比第二段17中的垂直電導(dǎo)率高5倍以上，并且可以比第三段19中的垂直電導(dǎo)率高25倍以上。

在電刷換向器結(jié)構(gòu)1的一個(gè)具體例子中，以電阻率代替電導(dǎo)率來(lái)表示，第一段15中的垂直電阻率可以是9μΩm，第二段17中的垂直電阻率可以是45μΩm，以及第三段19中的垂直電阻率可以是225μΩm。第一段15、第二段17、第三段19中的橫向電阻率可以高3倍，即，可以分別是27μΩm、135μΩm和675μΩm。換句話說(shuō)，在各段15、17、19中，橫向電導(dǎo)率比相應(yīng)的垂直電導(dǎo)率低3倍。

需要指出的是，盡管在圖2和圖3中所示的實(shí)施例中，電刷3和換向器5二者都包括若干個(gè)段15、17、19、21、23，但是也可以電刷3和換向器5中只有一個(gè)設(shè)置有這樣的垂直電導(dǎo)率不同的多個(gè)段。

此外，應(yīng)當(dāng)指出，盡管在所示的實(shí)施例中，建立了各段15、17、19、21、23，使得垂直電導(dǎo)率在橫向位移方向7上以逐級(jí)方式變化，但是也可以以逐漸或連續(xù)方式建立垂直電導(dǎo)率的這種變化。換句話說(shuō)，盡管關(guān)于圖2和圖3描述了在同一個(gè)段中垂直電導(dǎo)率均勻的各段15、17、19、21、23，但是這種垂直電導(dǎo)率可以在橫向位移方向7上連續(xù)變化，并且例如可以分別從靠近電刷3或者換向器5的前沿10、4的位置到靠近后沿12、6的位置連續(xù)降低。

如果電刷換向器結(jié)構(gòu)1的電刷3和/或換向器5具有在此描述的在沿著橫向位移方向7的方向上變化的垂直電導(dǎo)率，則可以影響穿過電刷3的接觸面9與換向器5的接觸面11之間的重疊區(qū)13的電流密度，使得對(duì)于電刷3和換向器5沿著橫向位移方向7位移期間的幾乎所有空間組態(tài)，電流密度不超過穿過電刷換向器結(jié)構(gòu)1的額定最大平均電流密度的130％。

通過將重疊區(qū)13小并且靠近換向器5和電刷3的后沿6、12這樣的空間組態(tài)中的電流密度也限制為低于RMAECD的130％，可以防止電機(jī)中換向時(shí)發(fā)生過大火花或者電弧，并且可以減小電刷換向器結(jié)構(gòu)1的磨損和惡化。因此，可以提高電機(jī)的壽命和可靠性。

最后，應(yīng)當(dāng)指出，諸如“包括”、“具有”等術(shù)語(yǔ)不排除存在其他附加元件。術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”或者“一”不排除存在多個(gè)元件或者主題。術(shù)語(yǔ)“A和B中的至少一個(gè)”可以解釋為“A和/或B”的意思。權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記只是為了更容易閱讀，并且不以任何方式限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

附圖標(biāo)記列表

1、電刷換向器結(jié)構(gòu)

2、換向器片

3、電刷

4、換向器前沿

5、換向器

6、換向器后沿

7、橫向位移方向

8、換向器片之間的間隙

9、電刷的接觸面

10、電刷的前沿

11、換向器的接觸面

12、電刷的后沿

13、重疊區(qū)

15、電刷的第一段

17、電刷的第二段

19、電刷的第三段

21、換向器的第一段

23、換向器的第二段

23、垂直于接觸面的方向

100、電機(jī)

102、定子

104、轉(zhuǎn)子

106、軸線