一种差动自均衡碳刷接触压力调节机构、电刷组件及电机的制作方法

本发明涉及有刷电机、电刷组件及滑动电接触领域，尤其涉及一种利用公共预紧载荷和机械差动均衡结构，对同一碳刷不同载荷区域的接触压力进行被动自均衡的碳刷接触压力调节机构、电刷组件及有刷电机。该机构适用于汽车用有刷直流电机、泵类电机、风扇电机、雨刮电机、执行器电机、座椅电机、工业直流电机以及其他采用碳刷与换向器或集电环形成滑动电接触的电机设备。

背景技术：

1、有刷电机通常通过弹簧直接或经传力件将碳刷压向换向器，使碳刷接触面与旋转换向器保持稳定的滑动电接触。碳刷与换向器之间的法向压力不仅影响接触电阻和电流传递，还会影响换向火花、碳刷跳动、机械磨损、噪声以及换向器表面的热负荷。传统电刷结构多数采用单一弹簧在碳刷背部中央区域或近似中央区域施加压力，其结构简单，但压力传递路径基本是单通道的。

2、在实际电机中，碳刷接触面并不始终处于理想的完全平行状态。换向片之间可能存在微小高度差，换向器表面可能存在局部圆度误差、波纹、磨损沟槽或加工残余形貌；转子轴和刷架之间还可能存在装配倾斜，换向器可能存在轴向锥度或端部偏差；碳刷在长期工作后也可能出现接触面斜磨。另外，换向片交替经过碳刷接触面时，会在碳刷接触面的不同位置形成周期性局部扰动。上述因素均可能使碳刷接触面的不同区域在短时间内出现微小的相对位移或载荷偏置。

3、当传统单点或单通道预紧结构遇到上述局部位移时，碳刷自身、刷架间隙和弹簧系统需要共同吸收该位移。若传力位置过于集中，局部位移容易转化为碳刷姿态变化、某一接触边缘压力升高以及另一接触边缘压力降低，严重时会造成局部离面、碳刷拍击、噪声或换向火花增加。为了改善接触，一些现有结构采用多个独立碳块、分体式碳刷或多弹簧分别加载不同碳块，但这类结构增加了碳块数量、导电连接和装配界面，并且多个弹簧的制造离散、装配公差以及寿命变化会带来新的压力一致性问题。

4、因此，需要一种能够保留单一碳刷的电气连续性和装配简洁性，同时又能在碳刷背部形成两个空间分离的压力作用路径，并允许两条压力路径之间产生受控差动位移的机械结构。该结构还应使两个压力路径由同一个公共预紧载荷源驱动，从而避免采用两个完全独立的压力弹簧，并通过机械均衡关系减小两个载荷区域之间的瞬态压力差。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种差动自均衡碳刷接触压力调节机构、电刷组件及电机，能解决现有技术中采用单点或单通道预紧结构时，因换向器局部几何扰动（如换向片高度差、圆度误差、磨损沟槽、装配倾斜等）导致碳刷接触面不同区域产生相对位移，引起压力偏置、某一接触边缘压力升高而另一侧降低、局部离面、碳刷拍击、换向火花增加及机械磨损加剧的问题；同时避免采用多个独立碳块与多弹簧分别加载所导致的零件数量增多、装配复杂、各弹簧制造离散及压力一致性差的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种差动自均衡碳刷接触压力调节机构，包括：碳刷，碳刷为单体连续型，沿朝向换向器的磨损进给方向可滑动地设置在电刷架壳体内，碳刷的前端用于与换向器滑动接触；连接帽，设置在碳刷的背部，连接帽上设有两组翻边耳片，使两个翻边耳片作为载荷区域；差动支撑部，通过中间轴相对于电刷架壳体产生限定范围内的差动运动，差动支撑部的两个端部为输出端；两个连接件，分别连接在差动支撑部的两个输出端与两组翻边耳片之间，以形成两条空间分离的压力传递路径；主预紧弹性件，设置在电刷架壳体与差动支撑部之间，用于向差动支撑部提供公共预紧载荷，使差动支撑部通过两个连接件将预紧力传递至碳刷背部的两个不同载荷区域；其中，当碳刷的两个载荷区域因换向器局部几何扰动产生相对位移时，差动支撑部能够绕中间轴产生受限摆动，使两个连接件产生受控差动位移，以吸收碳刷两侧的相对位移并实现接触压力的自均衡；而在碳刷正常磨损时，碳刷能够沿磨损进给方向整体移动。

3、作为本发明的一种优选技术方案，连接件为短连杆，短连杆的两端分别与差动支撑部的端部及翻边耳片转动连接。

4、作为本发明的一种优选技术方案，差动支撑部为刚性摇臂结构，中间轴穿设于差动支撑部的中部。

5、作为本发明的一种优选技术方案，差动支撑部为一体式柔性均衡件，具有中央受力区和两个分支输出臂，两个分支输出臂通过薄壁柔性区与中央受力区连接。

6、作为本发明的一种优选技术方案，还包括复位弹性件，复位弹性件跨设在差动支撑部与中间轴之间，用于在差动支撑部摆动后提供复位力矩。

7、作为本发明的一种优选技术方案，电刷架壳体上设有两个差动行程限位件，两个差动行程限位件之间形成导向缝，碳刷安装在两个差动行程限位件之间且可沿换向器周向产生位移，差动行程限位件与碳刷之间保留初始间隙，用于在异常冲击时限制碳刷的过度摆动。

8、作为本发明的一种优选技术方案，电刷架壳体上开设有导向槽，导向槽与导向缝沿轴向同轴布置，中间轴的两端分别位于导向槽及导向缝内，中间轴位于导向槽和导向缝内的一端均设有角度限制凸台,用于限制差动支撑部的最大差动转角，且中间轴外侧套设有定位套筒，用于限制差动支撑部相对于中间轴的轴向窜动。

9、一种电刷组件，包括电刷架壳体、碳刷以及上述的差动自均衡碳刷接触压力调节机构。

10、作为本发明的一种优选技术方案，碳刷的柔性导电连接件从导向缝内引出.

11、一种有刷电机，包括转子、设置于转子上的换向器以及上述电刷组件，碳刷在主预紧弹性件作用下与换向器形成滑动电接触，差动支撑部能够对两个方向的局部扰动进行可逆差动响应。

12、一种有刷电机碳刷接触压力自均衡方法，包括以下步骤：通过主预紧弹性件向差动支撑部施加公共预紧载荷；通过差动支撑部的两个输出端，将公共预紧载荷经两个连接件分别传递至连接帽的两组翻边耳片，使碳刷背部的两个空间分离的载荷区域同时受到预紧力作用，以保持碳刷与换向器的接触；当换向器的局部几何扰动导致碳刷的两个载荷区域产生相对位移时，差动支撑部绕其中间轴产生受限摆动，使两个连接件产生受控差动位移，以吸收碳刷两侧的相对位移，从而减小两个载荷区域之间的瞬态压力差，实现接触压力的被动自均衡。

13、作为本发明的一种优选技术方案，还包括以下步骤：在差动支撑部摆动后，通过复位弹性件提供反向复位力矩，使差动支撑部回到中性位置；碳刷逐渐磨损变短后，主预紧弹性件持续向差动支撑部施加载荷，推动碳刷向换向器方向推进以补偿磨损量；当碳刷的接触面单侧受到局部表面扰动时，对应侧的连接件首先退让，带动差动支撑部向相反侧摆动，使另一侧的连接件继续贴合。

14、与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：

15、1、通过在同一碳刷背部设置连接帽及两组翻边耳片，并利用差动支撑部、连接件与主预紧弹性件构成双路径传力结构，能够在保留单一碳刷电气连续性和装配简洁性的前提下，实现两个空间分离载荷区域的差动自均衡加载；

16、2、采用同一个主预紧弹性件作为公共预紧载荷源驱动两个压力作用路径，避免了多弹簧因制造离散、装配公差及寿命变化导致的压力不一致问题；

17、3、当碳刷接触面受到换向器局部几何扰动而产生局部位移时，差动支撑部能够围绕中间轴产生受限摆动，使两个连接件之间产生受控差动位移，从而吸收碳刷两侧的相对位移，减小两个载荷区域之间的瞬态压力差，抑制碳刷姿态变化和边缘压力集中，有助于降低换向火花、噪声和机械磨损；

18、4、本发明的差动自均衡功能与碳刷的正常磨损进给互不冲突。在碳刷逐渐磨损变短的过程中，主预紧弹性件持续向差动支撑部施加载荷，使碳刷向换向器方向推进；差动支撑部主要处理碳刷两个接触侧的相对小位移，而碳刷寿命周期内的较大总体进给位移由主预紧弹性件的正常工作行程承担，从而在碳刷全寿命周期内保持差动自均衡功能。