[发明专利]一种具有碳纳米管的电刷-换向器结构

说明书

本发明涉及一种用于电机的电刷‑换向器结构，在电刷本体/换向器上设置碳纳米管刷，并以碳纳米管的外壁与换向器/电刷接触，与传统的电刷本体直接与换向器接触导电或者以碳纳米管的端部与换向器接触导电相比，能够显著降低电刷的机械磨损和电气磨损。

技术领域

本发明涉及一种用于发电机或电动机里的电刷和/或换向器结构。

背景技术

众所周知，在具有相对运动的装置中，两个界面之间不可避免的存在着摩擦。两个固体的表面之间的摩擦和磨损来源于表面之间微观下的粗糙性，二者之间正压力越大，摩擦越大，因而磨损越大。根据库伦定律，摩擦力(f)与法向力(FN)成正比：f＝μFN，其中μ为摩擦系数。多数固体间摩擦系数在0.1-0.5之间，含液体润滑剂时摩擦系数在0.05-0.1之间。冰刀与冰面之间约0.01。通常情况，是希望这种摩擦越小越好(以离合器、CVT(带式无极变速器)等以摩擦作为传动方式的场合希望界面之间能提供较大的摩擦力)，以提高系统的效率，减少损耗。但是，不期望的摩擦及其引发的磨损无处不在。例如，驱动汽车行驶的功率的1/3－1/2是用于克服各种摩擦，其中包括发动机内、传动部件之间等的摩擦。

电机中的电刷的功能是在电机的固定部件与旋转部件(换向器或集电器)之间传导电流。电刷在旋转着的换向器或集电器表面上滑动，从而起着导电或换向。电刷的磨损简单分为机械磨损和电气磨损。电刷与换向器的接触是靠弹簧(或者其它能向电刷施加朝向换向器的压力的其它弹性部件)的压力决定，三者是电机整流(换向)的三大核心部件。而在电机的高速运行过程中，电刷始终要承受弹簧压力而与换向器接触，而压力上升，则机械磨损增大而电气磨损下降；反之，则机械磨损下降而电气磨损增大。因此，电刷作为电机的重要的零件，必须具备相互矛盾的特性：磨损系数和磨损量小，不研磨或损伤换向器或集电环，电阻系数小等。

通常，电刷与换向器的接触并不是面接触。电流并不通过整个接触面，而仅限于通过成为导电点的小面积，这是由于依靠两个接触面的几个微小突起碰到一块的点来进行接触的缘故，电流流过这些点时集中而产生电阻，这就使得与面接触相比电阻较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种应用于电机中的电刷-换向器结构，电刷和换向器之间具有极低摩擦系数，摩擦损耗极低。本发明中提到的换向器，包括了集电器、集电环和滑环。

本发明在电刷上设置碳纳米管，碳纳米管的外壁与换向器接触。碳纳米管与换向器之间能够依靠范德华力相互作用，由此，碳纳米管与换向器能靠范德华力而彼此之间柔性贴合，由此起到导电好、电弧少、接触可靠的效果。换向器可以是铜、铝、不锈钢或相关合金，也可以是镀有石墨，石墨烯，氮化硼，过渡金属硫化物、黑磷等范德华层状材料的铜、铝、不锈钢等合金，可以采用PECVD等方法将范德华层状材料镀在铜、铝、不锈钢等合金上。

本发明所述的电刷可以是多根碳纳米管组成，也可以是碳纳米管阵列组成，其中碳纳米管长度和使用环境相适应。

碳纳米管也可以是布置在换向器上。

优选的，所述碳纳米管与与其接触的换向器部分至少大部分处于非公度状态。当两个晶面的晶格常数和取向完全匹配时，称这两个晶面是公度的。

本发明所述的碳纳米管刷与电刷本体或换向器的连接可以是通过导电胶或金属熔融固化。也可以是生长在导电基底上，导电基底进一步用导电胶或金属熔融固化或结构形式固定到电刷本体上。

本发明所述的电刷尤其适用于在真空环境下，电刷跟换向器的接触表面是晶面，并且二者保持在一个封闭的空间，也可以是接近真空环境。

附图说明

图1为现有技术中具有碳纳米管的电刷的示意图；其中图1(a)为电刷示意图，图1(b)为电刷与旋转体(换向器/集电器)接触时的示意图；

图2为本发明碳纳米管刷设置在电刷本体上时的示意图；