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摘要：针对现有多极直流电机的碳刷组件的结构复杂性、工艺复杂性以及外部电源供应的不可持续性等问题，本文设计出一种新型碳刷组件，工艺简单、结构合理，能持续可靠地为电机供电。
关键词：多极 直流电机 碳刷 外部电源 连接
中图分类号：TM3
Optimal Design of Caborn Brush Components Structure of Multi—pole DC Motor
（LiuJian1 TanZhiYun1，2 Liu Qiyuan3）
（1. School of Physics and Mechanical &Electrical Engineering，Zunyi Normal College，Zunyi 563002
2. Mathematics&Science College，Shanghai Normal University，Shanghai 200235
3. College of Materials &Engineering of Hunan University，Changsha，410082）
Abstract： One kind of new carbon brush components is designed to solve the problem of complex structure、complex technics and unreliable power supply for motor exsting in multipolar DC motors.The new carbon brush components have simple technics and reasonable structure， and can supply power for motor sostenuto and reliably.
Key words：multi—pole；DC motor；carbor brush； external power；connection
1 引言
作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中占据的低位越来越重要[1]。电机的种类繁多，根据电源性质大致分为直流与交流电机。直流电机由于转子的转动，需要根据线圈在恒磁场中的位置变化而不断切换电流的方向，因而，直流电机需要安装换向器和碳刷。碳刷的作用是将电机外部的电源通过换向器提供到转子的绕组上，以实现换向，将直流电变成交流电，驱动直流电机转动。
根据磁极对数的不同，直流电机又可分为2级、4极、6极。。。。。。等[2]。对于4极以上的多极直流电机的碳刷在与外部电源相连接时，通常需要引出多根连接线，然后再通过某种装置在马达外面将这些连接线两两相连后再与外部电源相连接[3]，或在碳刷座内注塑连接线，以将碳刷相连接，或者由两根电源线与导电片焊接后，通过出线夹引出电机，再为电源线配上端子连接器或者其他接插件，然后与外电源相连，以使外部电源能为电机正常供电[4]。第一种方式会占用马达以外空间，导致马达在其他地方的安装空间增大。第二种方式则需要额外制模从而使工时增加，同时这两种连接方式工艺复杂、连接不可靠、且碳刷更换不易，连接线容易断裂或短路，难以保证外部电源持续、可靠地为电机供电。第三种方式工艺上需要增加剥线、与导电片焊接、穿过出线夹、打端子等过程，该结构费时费料，同时也增大电机装配空间。廖树城、游孟等2006年发明一种马达后盖，因为结构上的原因使得碳刷座占用比较大空间[5]。2008年魏新民、廖启国等[4]又发明一种碳刷组件，一定程度上节省了电机装配空间，但是它并不太适合用于多极直流电机时内部多个碳刷彼此间的连接，而且它涉及到的左右导电片，因本身结构的原因需要的制模费很高导致成本较高。
为了克服以上技术的不足，本文设计出一种新型碳刷组件。该碳刷组件结构简单合理、制作成本低、节省电机空间，能保证外部电源持续、可靠地为电机供电。
2 结构设计及连接
图1所示为带有碳刷的插头连接件结构示意图，呈中空长方体状部分1（简称安装部）用来装插连接碳刷的导线，碳刷与插头连接件电性焊接。位于长方体部分一侧的平板状部分2（简称焊接部）与其一体成型并沿其径向连接于其一侧壁上，其余安装部一体成型，呈平板状，其中部设有呈翻边状的连接孔3，具有弹性切口，以便下面将描述的连接线的焊接。
图2所示为连接线示意图，连接线为PVC或者原子线等柔性连接线，其两端呈尖状并带有焊锡，对应插入上述插头连接件的连接孔中。连接线插入连接孔时挤刮焊锡于连接孔内侧，增大连接线与插头连接件的接触，使得连接线与插头连接件的连接更加可靠。
图3所示为碳刷、插头连接件以及连接线的连接示意图。通过连接碳刷的导线来连接插头连接件的安装部，四个碳刷与四个插头连接件分别电性连接。再分别将两根连接线的两自由端依次连接错开设置的两个插头连接件。这样一来，四个带导线的碳刷通过四个插头连接件及两条连接线就两两连接在一起了。然后，在位于最外侧的两插头连接件的安装部中分别插入连接外接电源的两接线柱。
图4所示为碳刷座示意图，呈圆形或方形，其中部由四个通槽形成十字形连通孔1。四个碳刷分别对应四个通槽2嵌于碳刷座上。根据实际电机极数的具体情况，可以对碳刷座结构进行相应调整，以适应不同形状与数目的碳刷的需要。碳刷座的下表面设有四个固定部分3，用以固定如上所述的四个插头连接件。固定部分设有通孔4及穿孔5，通孔与插头连接件的连接孔对应，穿孔与插头连接件的安装部对应，两接线柱穿出穿孔与外部电源相连接。除此之外，碳刷座的下表面还设有数个相间隔的嵌槽，嵌设于其中的两条连接线得到碳刷座的支撑并相互绝缘，其自由端穿过通孔与插头连接件的连接孔相焊接。
图5所示为碳刷座、设于碳刷座上的数个碳刷、数个插头连接件，连接线及接线柱的总装图。
图6为该碳刷组件在电机上的安装示意图。明显看出，只要将碳刷座与电机壳体匹配设计，整个碳刷组件就能非常吻合地装配在电机壳体内部与位于电机壳体内部的转子端部匹配。两接线柱穿过电机壳体端部的通孔即可与外部电源连接。
3 工作原理
工作时，连接外接电源的两接线柱通过连接线及插头连接件将电流供应给数个碳刷，进而供给到转子结构的电枢绕组。定子磁铁和电枢绕组相互作用，驱动转子结构在定子结构内旋转。
4 结论
本文设计出的碳刷组件焊接可靠，绝缘性好，避免了断裂和短路，能保证多极直流电机外部电源的持续可靠供电，同时工艺简单、结构合理，大大拓宽了多极直流电机的应用范围。
参考文献：
[1]辜成林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
[2] 汤蕴璆 ，罗应立， 梁艳萍.电机学[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]野口秀明，福井正，志村笃.多极直流电动机：中国，CN1140356A[P].1997—01—15
[4]廖树城，游孟偙. 马达后盖：中国，ZL200520122361.X[P].2006—12—20.
[5]魏新民，廖启国.碳刷组件.中国，ZL200720048673.X[P].2008—02—06
作者简介：
刘健，男，1978年生，硕士，讲师，主要研究方向为机电一体化教学与研究、材料科学与工程教学与研究。
关键词：多极 直流电机 碳刷 外部电源 连接
中图分类号：TM3
Optimal Design of Caborn Brush Components Structure of Multi—pole DC Motor
（LiuJian1 TanZhiYun1，2 Liu Qiyuan3）
（1. School of Physics and Mechanical &Electrical Engineering，Zunyi Normal College，Zunyi 563002
2. Mathematics&Science College，Shanghai Normal University，Shanghai 200235
3. College of Materials &Engineering of Hunan University，Changsha，410082）
Abstract： One kind of new carbon brush components is designed to solve the problem of complex structure、complex technics and unreliable power supply for motor exsting in multipolar DC motors.The new carbon brush components have simple technics and reasonable structure， and can supply power for motor sostenuto and reliably.
Key words：multi—pole；DC motor；carbor brush； external power；connection
1 引言
作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中占据的低位越来越重要[1]。电机的种类繁多，根据电源性质大致分为直流与交流电机。直流电机由于转子的转动，需要根据线圈在恒磁场中的位置变化而不断切换电流的方向，因而，直流电机需要安装换向器和碳刷。碳刷的作用是将电机外部的电源通过换向器提供到转子的绕组上，以实现换向，将直流电变成交流电，驱动直流电机转动。
根据磁极对数的不同，直流电机又可分为2级、4极、6极。。。。。。等[2]。对于4极以上的多极直流电机的碳刷在与外部电源相连接时，通常需要引出多根连接线，然后再通过某种装置在马达外面将这些连接线两两相连后再与外部电源相连接[3]，或在碳刷座内注塑连接线，以将碳刷相连接，或者由两根电源线与导电片焊接后，通过出线夹引出电机，再为电源线配上端子连接器或者其他接插件，然后与外电源相连，以使外部电源能为电机正常供电[4]。第一种方式会占用马达以外空间，导致马达在其他地方的安装空间增大。第二种方式则需要额外制模从而使工时增加，同时这两种连接方式工艺复杂、连接不可靠、且碳刷更换不易，连接线容易断裂或短路，难以保证外部电源持续、可靠地为电机供电。第三种方式工艺上需要增加剥线、与导电片焊接、穿过出线夹、打端子等过程，该结构费时费料，同时也增大电机装配空间。廖树城、游孟等2006年发明一种马达后盖，因为结构上的原因使得碳刷座占用比较大空间[5]。2008年魏新民、廖启国等[4]又发明一种碳刷组件，一定程度上节省了电机装配空间，但是它并不太适合用于多极直流电机时内部多个碳刷彼此间的连接，而且它涉及到的左右导电片，因本身结构的原因需要的制模费很高导致成本较高。
为了克服以上技术的不足，本文设计出一种新型碳刷组件。该碳刷组件结构简单合理、制作成本低、节省电机空间，能保证外部电源持续、可靠地为电机供电。
2 结构设计及连接
图1所示为带有碳刷的插头连接件结构示意图，呈中空长方体状部分1（简称安装部）用来装插连接碳刷的导线，碳刷与插头连接件电性焊接。位于长方体部分一侧的平板状部分2（简称焊接部）与其一体成型并沿其径向连接于其一侧壁上，其余安装部一体成型，呈平板状，其中部设有呈翻边状的连接孔3，具有弹性切口，以便下面将描述的连接线的焊接。
图2所示为连接线示意图，连接线为PVC或者原子线等柔性连接线，其两端呈尖状并带有焊锡，对应插入上述插头连接件的连接孔中。连接线插入连接孔时挤刮焊锡于连接孔内侧，增大连接线与插头连接件的接触，使得连接线与插头连接件的连接更加可靠。
图3所示为碳刷、插头连接件以及连接线的连接示意图。通过连接碳刷的导线来连接插头连接件的安装部，四个碳刷与四个插头连接件分别电性连接。再分别将两根连接线的两自由端依次连接错开设置的两个插头连接件。这样一来，四个带导线的碳刷通过四个插头连接件及两条连接线就两两连接在一起了。然后，在位于最外侧的两插头连接件的安装部中分别插入连接外接电源的两接线柱。
图4所示为碳刷座示意图，呈圆形或方形，其中部由四个通槽形成十字形连通孔1。四个碳刷分别对应四个通槽2嵌于碳刷座上。根据实际电机极数的具体情况，可以对碳刷座结构进行相应调整，以适应不同形状与数目的碳刷的需要。碳刷座的下表面设有四个固定部分3，用以固定如上所述的四个插头连接件。固定部分设有通孔4及穿孔5，通孔与插头连接件的连接孔对应，穿孔与插头连接件的安装部对应，两接线柱穿出穿孔与外部电源相连接。除此之外，碳刷座的下表面还设有数个相间隔的嵌槽，嵌设于其中的两条连接线得到碳刷座的支撑并相互绝缘，其自由端穿过通孔与插头连接件的连接孔相焊接。
图5所示为碳刷座、设于碳刷座上的数个碳刷、数个插头连接件，连接线及接线柱的总装图。
图6为该碳刷组件在电机上的安装示意图。明显看出，只要将碳刷座与电机壳体匹配设计，整个碳刷组件就能非常吻合地装配在电机壳体内部与位于电机壳体内部的转子端部匹配。两接线柱穿过电机壳体端部的通孔即可与外部电源连接。
3 工作原理
工作时，连接外接电源的两接线柱通过连接线及插头连接件将电流供应给数个碳刷，进而供给到转子结构的电枢绕组。定子磁铁和电枢绕组相互作用，驱动转子结构在定子结构内旋转。
4 结论
本文设计出的碳刷组件焊接可靠，绝缘性好，避免了断裂和短路，能保证多极直流电机外部电源的持续可靠供电，同时工艺简单、结构合理，大大拓宽了多极直流电机的应用范围。
参考文献：
[1]辜成林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
[2] 汤蕴璆 ，罗应立， 梁艳萍.电机学[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]野口秀明，福井正，志村笃.多极直流电动机：中国，CN1140356A[P].1997—01—15
[4]廖树城，游孟偙. 马达后盖：中国，ZL200520122361.X[P].2006—12—20.
[5]魏新民，廖启国.碳刷组件.中国，ZL200720048673.X[P].2008—02—06
作者简介：
刘健，男，1978年生，硕士，讲师，主要研究方向为机电一体化教学与研究、材料科学与工程教学与研究。