專利名稱：陶瓷固定環(huán)及采用這種陶瓷固定環(huán)的換向器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷產(chǎn)品以及采用這種陶瓷產(chǎn)品的電機產(chǎn)品，尤其涉及一種陶瓷固定環(huán)以及采用陶瓷固定環(huán)的換向器。
背景技術(shù)：
在直流電機中(比如用于錄像機、錄音機、自動化控制等方面的電機)和一些串激電機(如用于電鉆、吸塵器等方面的電機)都使用了換向器。一般地，換向器由相互絕緣的多個銅質(zhì)換向片通過絕緣結(jié)合材料緊固成一個封閉環(huán)筒，各個換向片通過各種緊固方式環(huán)繞在封閉環(huán)筒的外圍，并在換向器高速旋轉(zhuǎn)時，保證各個換向片不會在離心力的作用下相對封閉環(huán)筒移動甚至向外飛出。在高溫或者高速旋轉(zhuǎn)時，僅僅依靠絕緣結(jié)合材料緊固在一起的換向片之間容易產(chǎn)生松動，使換向片相對移位，造成與電刷接觸的表面高低不平或者換向片之間絕緣失效，從而造成換向器使用壽命降低或者報廢甚至發(fā)生安全事故。
為了提高換向器的穩(wěn)定性，技術(shù)人員在不斷的研發(fā)一種能夠保證各個換向片之間穩(wěn)定絕緣結(jié)合的換向器，如中國專利第03206365號所揭示的一種多翼鉤片式換向器，包括絕緣筒體和分布于筒體周面并與筒體結(jié)合的若干換向片，換向片與筒體結(jié)合的內(nèi)側(cè)具有鉤片，各換向片之間通過絕緣槽相互絕緣，所述換向片每個具有至少兩組在絕緣筒體的軸線方向排列的鉤片，每組鉤片包括從根部叉開的一個端部鉤片和一個中間鉤片，端部鉤片與換向片之間成銳角。從以上描述可以看出，中國專利第03206365號所揭示的多翼鉤片式換向器為了防止換向器飛片或跳片現(xiàn)象，在各換向片內(nèi)壁與絕緣筒體之間設置了多個鉤狀結(jié)構(gòu)以增大各換向片與絕緣筒體之間的結(jié)合力，但是，其各個換向片之間還是依靠絕緣筒體間接聯(lián)系在一起，因此各個換向片原則上還是單獨受力，承受的離心力較小，而且，在高溫條件下，各個換向片之間依然容易松動。
又如中國專利第99103798號所揭示的一種換向器，包括換向片、云母片、填充料，換向片與云母片間隔排列形成外圓環(huán)部分，特點是換向片是一種“工”字型換向片，在換向器軸向兩內(nèi)側(cè)設置二只或四只鋼質(zhì)加強環(huán)。這種換向器使用“工”字型換向片，增加了換向片與填充料之間的接觸面，增加了各換向片與填充料之間的粘著力，增加了換向器的機械強度；并且在換向器軸向兩內(nèi)側(cè)設置鋼質(zhì)加強環(huán)，增加了換向器的整體強度，避免產(chǎn)生或減少電刷跳動及換向片的飛片或跳片現(xiàn)象。但是，這種換向器的加強環(huán)采用的是導電的鋼質(zhì)材料，因此為了和換向片絕緣，必須在加強環(huán)與換向片之間填充絕緣材料，也就是說，這種加強環(huán)并不能緊緊地套住各個換向片，在使用過程中，依然會因為換向片與絕緣材料之間的結(jié)合力問題導致?lián)Q向片松動，從而造成換向器使用壽命降低或者報廢甚至發(fā)生安全事故；另外，導電的鋼質(zhì)加強環(huán)容易造成換向片之間擊穿短路。
再如中國專利第02287776號所揭示的一種加固換向器，包括換向片、電木粉，所述的換向片的腳部連接有非金屬不導電加固環(huán)，且換向片的腳部鉚緊在加固環(huán)內(nèi)。但是，這種加固換向器需要先對換向片腳部進行鉚沖，這增加了制造工序和制造成本；而且安裝緊固環(huán)的時候需要克服被鉚沖了的腳部的阻力，安裝不方便；此外，這種加固換向器的加固環(huán)可以采用玻璃纖維制造，但是，玻璃纖維的拉力有限(一般在150MPa以下)，電機在高速運轉(zhuǎn)過程中由于玻璃纖維制作的緊固環(huán)的拉力小于銅電極的離心力而產(chǎn)生變形，使銅電極產(chǎn)生位移，表面出現(xiàn)高低不平現(xiàn)象，在與電刷接觸過程中容易嚴重產(chǎn)生火花并造成絕緣材料擊穿，降低電機的使用壽命；而且，玻璃纖維含有的細微纖絲容易在加固環(huán)的制造和安裝過程中插入人體肌肉，并且不能分解，造成永久性的傷害，即使附著在皮膚上也會造成皮膚瘙癢過敏。此外，玻璃纖維做成的加固環(huán)在高速旋轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生纖維粉塵，一旦被人體吸入將產(chǎn)生極大傷害。
因此，提供一種緊固效果好、使用壽命長、安裝方便、在制造和安裝過程中不會對人體造成傷害的換向器成為業(yè)界目前需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強度高、耐高溫、絕緣性能好的陶瓷固定環(huán)以及應用這種陶瓷固定環(huán)的換向器。
本發(fā)明的一種技術(shù)方案是提供一種陶瓷固定環(huán)，包括Y2O3和ZrO2，其中ZrO2的含量在92～99.5wt％之間，Y2O3的含量在0.5～8wt％之間。
其中，陶瓷固定環(huán)采用Y2O3作穩(wěn)定劑，采用ZrO2粉料作主要成分，并可以適量添加一些輔料，比如粘合劑，如聚乙烯酸、羧基纖維素、分散劑等。優(yōu)選地，其中ZrO2的含量在94～99wt％之間，Y2O3的含量在1～6wt％之間。Y2O3和ZrO2混合后再經(jīng)冷等靜壓成型后燒結(jié)。進一步優(yōu)選地，ZrO2的含量為94.5～95wt％，Y2O3的含量為5～5.5wt％，陶瓷固定環(huán)的拉伸強度大于190MPa，優(yōu)選的是拉伸強度大于300MPa。
陶瓷固定環(huán)的外直徑為5～130mm、徑向厚度為0.5～20mm、軸向高度為0.5～20mm。優(yōu)選地，所述陶瓷固定環(huán)為高強度陶瓷材料制成，且陶瓷固定環(huán)的外直徑為10～80mm、徑向厚度為1～10mm、軸向高度為1～10mm。陶瓷固定環(huán)的內(nèi)外邊角均設有用于方便安裝的圓倒角，圓倒角的圓弧所在圓的半徑為0.1～1mm。
本發(fā)明的另一種技術(shù)方案是提供一種換向器，換向器采用了上述的本發(fā)明的陶瓷固定環(huán)，用于從換向器內(nèi)部向換向器的各個換向片同時施加向心力。
具體地，換向器包括若干個換向片、若干個絕緣片以及絕緣填充層，每個換向片包括一主片、至少一個固連片以及至少一個連接部，每兩個相鄰的主片之間通過至少一個絕緣片絕緣隔離，主片與固連片之間設有至少一個收容槽，若干個換向片與若干個絕緣片圍成封閉環(huán)形后，各個收容槽形成用于收容陶瓷固定環(huán)的收容環(huán)槽，絕緣填充層填充包覆在裝設了陶瓷固定環(huán)的收容環(huán)槽、固連片、連接部、以及主片的至少部分頂壁和至少部分底壁，每兩個相鄰的換向片的固連片及連接部之間通過絕緣填充層絕緣隔離。
其中，主片與至少一個固連片通過至少一個連接部結(jié)合成一個整體，進一步在主片與固連片之間設有至少一個間隙，用以填充絕緣填充層。從而當換向器結(jié)合成一個整體后，絕緣填充層可以與各個換向片充分的結(jié)合固定，增大換向器的穩(wěn)固性。具體地，采用一個主片與一個固連片通過兩個連接部結(jié)合成一個整體的換向片，主片、固連片、以及兩個連接部之間形成間隙。在主片、固連片、以及其中一個連接部遠離間隙的一側(cè)之間形成第一個收容槽。在主片、固連片、以及其中另一個連接部遠離間隙的一側(cè)之間形成第二個收容槽。
進一步地，絕緣填充層將固連片、連接部、陶瓷固定環(huán)、以及主片的至少部分頂壁與部分底壁包覆并固結(jié)成一個整體。具體地，換向片的主片設有用于和電機的電刷接觸的電接觸區(qū)，電接觸區(qū)設置在主片的側(cè)壁的未被絕緣填充層包裹的區(qū)域。
可選擇地，陶瓷固定環(huán)可以在內(nèi)壁設有至少一個凹入部，收容環(huán)槽中的其中一個收容槽的內(nèi)壁對應設有凸出部，凸出部可將凹入部擋止從而防止整個陶瓷固定環(huán)在收容環(huán)槽中轉(zhuǎn)動。
可選擇地，陶瓷固定環(huán)可以在內(nèi)壁等間距或者對稱設有多個凹入部?；蛘?，陶瓷固定環(huán)的內(nèi)壁上設有與換向片數(shù)量一致的凹入部，每個凹入部可與每個收容槽的槽壁的凸出部分對應嵌合，從而防止整個陶瓷固定環(huán)在收容環(huán)槽中轉(zhuǎn)動。進一步可選擇地，凹入部可以設置在陶瓷固定環(huán)的外壁或者內(nèi)外壁都有。
可選擇地，陶瓷固定環(huán)的軸向高度可以高于收容槽的深度?？梢允且粋€主片設兩個或兩個以上固連片?？梢栽谝粋€收容槽內(nèi)裝設兩個或者兩個以上陶瓷固定環(huán)。可以一個換向器只使用一個陶瓷固定環(huán)。陶瓷固定環(huán)的內(nèi)壁與收容環(huán)槽的內(nèi)壁之間可以是過盈配合，從而，當陶瓷固定環(huán)安裝到收容環(huán)槽以后，換向器就被緊固成了一個整體。當然也可以根據(jù)需要采用間隙配合?？梢栽谥髌c固接片之間設有兩個或者兩個以上空隙。主片、固連片、連接部的形狀和空間朝向可以根據(jù)使用需要而調(diào)整。
其中，絕緣片目前優(yōu)選的是云母片，絕緣填充層目前優(yōu)選的是電木。但是不排除將來有更適合的材料替代它們。
本發(fā)明的換向器可用于直流或交流電機或者用作直流發(fā)電機中的整流子。進一步在換向器的內(nèi)壁設置一軸套，用于和電機主軸固連。
本發(fā)明的換向器可以應用于任何類型的換向器。比如全塑槽形、鉤形等等。
本發(fā)明的有益效果是由于陶瓷固定環(huán)本身的優(yōu)良絕緣性、耐高溫性能和高抗拉強度等優(yōu)點，因此采用陶瓷固定環(huán)從換向器內(nèi)部對各個換向片同時施加向心力，即能保證各個換向片之間的絕緣性，又能保證換向器的整體結(jié)構(gòu)不變形，不會出現(xiàn)換向片松動或移動的現(xiàn)象；而且，在主片與固連片之間設置間隙可以進一步增大換向片與換向器主體之間的結(jié)合力度，提高了換向器的穩(wěn)固性；另外，陶瓷固定環(huán)是一種環(huán)保產(chǎn)品，在制造和安裝過程中都不會對人體造成傷害，廢棄后也不會對環(huán)境造成污染；此外，在陶瓷固定環(huán)設置凹入部，可有效防止陶瓷固定環(huán)在收容環(huán)槽內(nèi)轉(zhuǎn)動，進一步提高穩(wěn)固性。
以下結(jié)合附圖和實施例，來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于這些實施例，任何在本發(fā)明基本精神上的改進或替代，仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求書中所要求保護的范圍。


圖1是本發(fā)明的換向器的俯視示意圖。
圖2是本發(fā)明的換向器在填充包覆電木層以前的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的換向器在填充包覆電木層以后的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的換向器的陶瓷固定環(huán)的側(cè)視示意圖。
圖5是本發(fā)明的換向器的陶瓷固定環(huán)的俯視示意圖。
具體實施例方式
實施例1請參照圖1至圖3，本發(fā)明的換向器，能夠應用于需要高速旋轉(zhuǎn)的電機，比如轉(zhuǎn)速為每分鐘2萬轉(zhuǎn)以上的電機。本發(fā)明的換向器包括若干個換向片10、若干個絕緣片(在本實施例中為云母片20)、陶瓷固定環(huán)30、以及絕緣填充層(在本實施例中為電木層50)。
其中，每個換向片10包括一個主片11、一個固連片12以及兩個連接部15，主片11與固連片12通過兩個連接部15結(jié)合成一個整體。主片11、固連片12、以及兩個連接部15之間形成一個間隙17，用以填充電木層50。在主片11、固連片12、以及位于上端的連接部15遠離間隙17的一側(cè)之間形成第一個收容槽19。在主片11、固連片12、以及位于下端的連接部15遠離間隙17的一側(cè)之間形成第二個收容槽19。
每兩個相鄰的主片10之間通過至少一個云母片20絕緣隔離，當全部換向片10與全部絕緣片20間隔排列圍成中空的封閉環(huán)形后，各個換向片10的收容槽19連成一個收容環(huán)槽40，收容環(huán)槽40的外形與陶瓷固定環(huán)30相對應，當兩個陶瓷固定環(huán)30分別被安裝到位于上下端的兩個收容環(huán)槽40后，所有換向片10和所有絕緣片20被緊固成了一個整體的半成品換向器。
電木層50將半成品換向器填充包覆后固結(jié)成一個整體的換向器，具體地，各個主片11的內(nèi)壁111所在的第一柱面、各個固連片12的內(nèi)壁121所在的第二柱面、各個主片11的頂壁所在的第一平面以及各個主片11的底壁所在的第二平面所圍成的立體空間被電木層50完全填充，并且第二柱面也被包覆了一層具有一定厚度的電木層50，從而形成了第三柱面55，從而，陶瓷固定環(huán)30、收容環(huán)槽40、固連片12、連接部15、間隙17都被電木層50填充或包裹。因此，其中一個換向片10的固連片12及連接部15與相鄰的另一個換向片10的固連片12及連接部15之間通過電木層50有效的絕緣隔離。此外，電木層50包覆主片11的至少部分頂壁與部分底壁，一般應至少包覆主片11的頂壁和底壁的一半。其中，第三柱面55上可選擇裝設一軸套60，用于和電機主軸(圖未示)固連。
換向片10的主片11設有用于和電機的電刷接觸的電接觸區(qū)，電接觸區(qū)可以設置在主片的側(cè)壁上。
其中，本發(fā)明的陶瓷固定環(huán)30用于從換向器內(nèi)部向換向器的各個換向片10同時施加向心力，陶瓷固定環(huán)30外直徑為10～80mm、徑向厚度為1～10mm、軸向高度為1～10mm。在本實施例中，陶瓷固定環(huán)30外直徑為24.4mm、徑向厚度為1.2mm、軸向高度為2.5mm。陶瓷固定環(huán)30的內(nèi)外邊角均設有用于方便安裝的圓倒角33，圓倒角33的圓弧所在圓的半徑為0.4mm。
其中，本發(fā)明的陶瓷固定環(huán)30采用3mol％的氧化釔(Y2O3)作穩(wěn)定劑，采用氧化鋯(ZrO2)粉料作主要成分，并可以適量添加一些輔料，比如粘合劑，如聚乙烯酸、梭基纖維素、分散劑等。其中ZrO2的含量可以選擇在92～99.5wt％之間，Y2O3的含量可以選擇在0.5～8wt％之間。優(yōu)選地，ZrO2的含量選擇94.8wt％左右，Y2O3的含量在5.2wt％左右。
本發(fā)明的一種具體實施方式
的陶瓷固定環(huán)30的制作工藝如下首先將Y2O3和ZrO2按比例混合，并加適量粘合劑；將混合物冷等靜壓成型；將成型后的混合物進行陶瓷燒結(jié)；對燒結(jié)后的陶瓷進行磨削加工，比如磨外圓、磨內(nèi)圓、磨端面、倒角等；最后對產(chǎn)品進行檢驗。
對本發(fā)明的一種具體實施方式
的陶瓷固定環(huán)30進行測試，測得的相關(guān)數(shù)據(jù)如下拉伸強度大于190MPa，密度大于6.0g/cm3，硬度大于10GPa，彈性模量為200GPa左右，導熱率為3w/m.k，熱膨脹系數(shù)9.6×10×10-6/k(20到400度)，壓碎強度大于等于15KN，斷裂韌性8MPa m3，晶粒大小小于等于0.3μm。
實施例2作為本發(fā)明的可選擇的實施方式，可選擇地，本發(fā)明的陶瓷固定環(huán)30可以應用于換向器以外的需要提供高拉伸強度的高絕緣性的場合。
陶瓷固定環(huán)30可以在內(nèi)壁上設有至少一個凹入部(圖未示)，收容環(huán)槽40中的其中一個收容槽19的內(nèi)壁對應設有凸出部(圖未示)，凸出部可將凹入部擋止從而防止整個陶瓷固定環(huán)30在收容環(huán)槽40中轉(zhuǎn)動。
可選擇地，陶瓷固定環(huán)30可以在內(nèi)壁等間距或者對稱設有多個凹入部?；蛘?，陶瓷固定環(huán)的內(nèi)壁上設有與換向片10數(shù)量一致的凹入部，每個凹入部可與每個收容槽19的槽壁的凸出部分對應嵌合，從而防止整個陶瓷固定環(huán)30在收容環(huán)槽40中轉(zhuǎn)動。進一步可選擇地，凹入部可以設置在陶瓷固定環(huán)30的外壁或者內(nèi)外壁都有。
可選擇地，陶瓷固定環(huán)30的軸向高度可以高于收容槽19的深度?？梢允且粋€主片11設兩個或兩個以上固連片12?？梢栽谝粋€收容槽19內(nèi)裝設兩個或者兩個以上陶瓷固定環(huán)30?？梢砸粋€換向器只使用一個陶瓷固定環(huán)30。陶瓷固定環(huán)30的內(nèi)壁與收容環(huán)槽40的內(nèi)壁之間可以是過盈配合，從而，當陶瓷固定環(huán)30安裝到收容環(huán)槽40以后，換向器就被緊固成了一個整體。當然也可以根據(jù)需要采用間隙配合?？梢栽谥髌?1與固接片12之間設有兩個或者兩個以上空隙17。主片11、固連片12、連接部15的形狀和空間朝向可以根據(jù)使用需要而調(diào)整。
其中，絕緣材料選用的是云母片和電木層。但是不排除將來有更適合的材料替代它們。
本發(fā)明的換向器可以應用于任何類型的換向器。比如全塑槽型、半塑鉤形、槽型、平面型等等。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷固定環(huán)，包括Y2O3和ZrO2，其中所述ZrO2的含量在92～99.5wt％之間，所述Y2O3的含量在0.5～8wt％之間。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷固定環(huán)，其特征在于，其中所述ZrO2的含量在94～99wt％之間，所述Y2O3的含量在1～6wt％之間。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷固定環(huán)，其特征在于，所述Y2O3和所述ZrO2混合后再經(jīng)冷等靜壓成型后燒結(jié)，所述陶瓷固定環(huán)中進一步包括粘合劑。
4.如權(quán)利要求2所述的陶瓷固定環(huán)，其特征在于，所述ZrO2的含量為94.5～95wt％，所述Y2O3的含量為5～5.5wt％，所述陶瓷固定環(huán)的拉伸強度大于190MPa。
5.如權(quán)利要求4所述的陶瓷固定環(huán)，其特征在于，所述陶瓷固定環(huán)的外直徑為5～130mm、徑向厚度為0.5～20mm、軸向高度為0.5～20mm，所述陶瓷固定環(huán)的內(nèi)外邊角均設有用于方便安裝的圓倒角，所述圓倒角的圓弧所在圓的半徑為0.1～1mm。
6.一種換向器，其特征在于所述換向器采用如權(quán)利要求1～4之一所述的陶瓷固定環(huán)用于從換向器內(nèi)部向換向器的各個換向片同時施加向心力。
7.如權(quán)利要求6所述的換向器，其特征在于，所述換向器包括若干個換向片、若干個絕緣片以及絕緣填充層，所述每個換向片包括一主片、至少一個固連片以及至少一個連接部，每兩個相鄰的所述主片之間通過至少一個所述絕緣片絕緣隔離，所述主片與所述固連片之間設有至少一個收容槽，所述若干個換向片與所述若干個絕緣片圍成封閉環(huán)形后，所述各個收容槽形成用于收容所述陶瓷固定環(huán)的收容環(huán)槽，所述絕緣填充層填充包覆在裝設了所述陶瓷固定環(huán)的所述收容環(huán)槽、所述固連片、所述連接部、以及所述主片的至少部分頂壁和至少部分底壁，每兩個相鄰的所述換向片的所述固連片及所述連接部之間通過所述絕緣填充層絕緣隔離。
8.如權(quán)利要求7所述的換向器，其特征在于，所述主片與所述固連片之間進一步設有至少一個間隙，用以填充所述絕緣填充層。
9.如權(quán)利要求8所述的換向器，其特征在于，一個所述主片與一個所述固連片通過兩個所述連接部結(jié)合成一個整體，所述主片、所述固連片、以及所述兩個所述連接部之間形成所述間隙。
10.如權(quán)利要求9所述的換向器，其特征在于，所述主片、所述固連片、以及其中一個所述連接部遠離所述間隙的一側(cè)之間形成第一個所述的收容槽，所述主片、所述固連片、以及其中另一個所述連接部遠離所述間隙的一側(cè)之間形成第二個所述的收容槽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陶瓷固定環(huán)及采用這種陶瓷固定環(huán)的換向器，換向器包括若干個換向片、若干個絕緣片以及絕緣填充層，其中，每個換向片包括一主片、至少一個固連片以及至少一個連接部，每兩個相鄰的主片之間通過至少一個絕緣片絕緣隔離，主片與固連片之間設有至少一個收容槽，若干個換向片與若干個絕緣片圍成封閉環(huán)形后，各個收容槽形成收容環(huán)槽，陶瓷固定環(huán)收容于收容環(huán)槽內(nèi)，絕緣填充層填充包覆在裝設了陶瓷固定環(huán)的收容環(huán)槽、固連片、連接部、以及主片的至少部分頂壁和至少部分底壁，每兩個相鄰的換向片的固連片及連接部之間通過絕緣填充層絕緣隔離。
文檔編號H01R39/00GK1850720SQ20061003563
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者謝燦生 申請人:潮州三環(huán)(集團)股份有限公司