汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件

摘要

本发明提供了一种汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件，包括具有正温度系数特性的聚合物芯片，其上下表面分别贴合金属箔片，金属箔片外表面焊接金属电极，聚合物芯片的熔融焓在30～55J/g，熔点为160℃～180℃，添加导电性微颗粒如炭黑和无机填料构成，所述无机填料是粒径小于50μm的无机物，金属电极的热传导系数为30～100W/M·K，本发明能在较宽的温度和电压范围内对电机进行有效保护，特别是能在－40℃～120℃温度范围和8V～16V电压范围内对电机进行有效保护且使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车微型电机用保护器件技术领域，更具体地，涉及汽车微型电机用过流/过温保护器件技术领域，特别是指一种汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件。

背景技术

近年来，汽车微型电机已经广泛的用于汽车的驱动和控制上，但电机驱动和控制装置经常要经受-40℃～120℃严酷的工作环境，而且要求能够连续和可靠地运行。传统的保护方法是在电机上串联双金属片热保护器和采用环氧粉末包封的聚合物PTC器件来保护汽车微型电机。

但由于汽车电机使用环境的严酷性，特别是在-40℃～120℃，电源电压经常在8V～16V之间变化时，双金属片热保护器在循环闭合过程中触点容易失效，材料易疲劳，使用寿命短。传统的环氧粉末包封的聚合物PTC器件由于采用PTC芯片直接焊接引线，再采用环氧粉末包封，由于环氧层导热性差，不能敏感的感应电机内部温度的变化，在低温低压下不能进行有效保护，高温高电压的条件下误保护，导致电机不能工作或失效。因为现有的PPTC的转折温度特性不能完全满足汽车电机在-40℃～120℃的环境下，电源在8VDC～16VDC波动时的环境要求，不能对电机进行有效保护，特别是在低温低电压和高温高电压下进行有效保护；通常，具有低转折温度的过流/过温保护器件不能满足高温高电压的下电机的有效保护，具有高转折温度的过流/过温保护器件不能在低温低电压环境下对电机进行保护。

在此，为适应上述工作温度范围和电压范围的使用要求，特别是在低温低电压以及高温高电压的使用要求，对由聚合物复合物与导电碳黑构成的过流/过温保护器件进行了研究。

发明内容

本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供一种汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件，其能在较宽的温度和电压范围内对电机进行有效保护，特别是能在-40℃～120℃温度范围和8V～16V电压范围内对电机进行有效保护且使用寿命长。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：

一种汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件，其特点是，为三层结构，包括上层、中层和下层，所述上层和所述下层分别贴合所述中层的上表面和下表面，所述中层是具有正温度系数特性的聚合物芯片，所述上层和所述下层是导电层，所述导电层包括内表面和外表面，所述内表面与所述中层贴合，所述外表面与一电极连接，所述聚合物芯片包括聚合物基体树脂、导电性微颗粒和无机填料，所述聚合物基体树脂的熔融焓在30～55J/g，熔点为160℃～180℃。最外面的电极可以根据电机使用要求做成不同形状，比如片状。上述聚合物基体树脂也可以将两种和两种以上，熔点在160℃～180℃之间，熔融焓在不同范围内的聚合物，采用双螺杆进行挤出共混造粒得到，这里具体的指偏氟聚合物。

较佳地，所述无机填料是粒径小于50μm的无机物。

较佳地，所述聚合物基体树脂是热塑性树脂的结晶性聚合物。

更佳地，所述聚合物基体树脂是聚偏氟乙烯均聚物或聚偏氟乙烯共聚物的一种或几种；所述无机物是氧化锌、氧化镁、氢氧化镁或氢氧化铝的一种或几种；所述导电性微颗粒是导电碳黑。聚偏氟乙烯共聚物，比如由基于一种含有聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物。

较佳地，上述保护器件通过所述聚合物基体树脂、所述导电性微颗粒和所述无机填料混炼挤出成片材后热压所述导电层，再冲切成所需形状后采用辐照交联方式进行交联，再将所述导电层分别连接所述电极而制成。

更佳地，所述辐照交联方式是采用γ射线或电子束辐照进行交联，辐照剂量为10～20Mrad。γ射线可以是Co60。

较佳地，所述外表面与所述电极焊接连接。

较佳地，所述内表面是粗糙面，所述外表面是光滑面。

较佳地，所述导电层是金属箔电极，所述电极是金属电极，所述金属电极的热传导系数为30～100W/M·K。从而，所述金属电极具有很好的热传导性能和低的电阻率。

更佳地，所述金属箔电极是镀镍铜箔电极，所述电极是黄铜电极或钢电极。

本发明的汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件主要有三层结构，具有正温度系数特性的聚合物芯片(PPTC芯片)上下两面各贴覆一层金属箔电极，在箔电极外表面焊接有金属电极，PPTC芯片主要由一种熔融焓在30～55J/g，熔点在160℃～180℃的的聚合物复合物添加导电碳黑和无机填料构成，这种PPTC具有较低的转折温度，能在较宽的温度和电压范围内能对电机的进行有效保护，特别是在-40℃～120℃的环境下，电源在8V～16V波动时，能有效感应汽车微型电机内部电流或温度的变化，对汽车微型电机进行有效保护；本发明不像双金属片热保护器那样使用中材料易疲劳，触点容易失效，因此使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的一具体实施例的主视示意图。

图2是图1所示的具体实施例的侧视示意图。

图3是图1所示的具体实施例的导电层的截面示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明的内容，下面结合具体实施例作进一步说明。

本发明的过流/过温保护器件中的热塑性树脂优选为结晶性聚合物，树脂的熔点应高于120℃，更优选为160℃～180℃，熔融焓为30～55J/g之间，更优选为熔融焓在40～55J/g之间。以下为下述具体实施例中用到的相关聚合物基体树脂：1.聚偏氟乙烯(例如：PVDFHomopolymer，商品名：SOLEF 1008，熔点174℃，熔融焓为67J/g，(苏威苏莱克斯生产)；商品名：SOLEF 1010，熔点174℃，熔融焓为66J/g，(苏威苏莱克斯生产)；商品名：HYLAR 460，熔点160℃，熔融焓为46J/g，(苏威苏莱克斯生产)；2.由基于含有一种聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物(例如：PVDF Copolymer(VF2-HFP)商品名：SOLEF 11010，熔点160℃熔融焓38J/g，(苏威苏莱克斯生产)；商品名：SOLEF 31008，熔点169℃，熔融焓为34J/g，(苏威苏莱克斯生产)。若是将两种和两种以上的聚合物复合后，获得的复合物的熔融焓也应该为30～55J/g之间，更优选为熔融焓在40～55J/g之间，熔点应高于120℃，更优选为160℃～180℃。

请参见图1～3所示，本发明为三层结构，包括上层1、中层2和下层3，所述上层1和所述下层3分别贴合所述中层2的上表面和下表面，所述中层2是具有正温度系数特性的聚合物芯片，所述上层1和所述下层3是导电层4，所述导电层4包括内表面5和外表面6，所述内表面5与所述中层2贴合，所述外表面6与一电极7连接。较佳地，所述内表面5是粗糙面，所述外表面6是光滑面。

实施例1：

作为热塑性树脂，使用聚偏氟乙烯的均聚物(SOLEF 1008)和聚偏氟乙烯的共聚物(SOLEF 11010)，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。先将两种聚偏氟乙烯进行挤出共混造粒，混合比(质量比)一般为：1008∶11010＝100∶80～120，最佳比例为1008∶11010＝100∶100，得到母料，母料的熔融焓为52J/g，熔点为165℃，将得到的母料和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有正温度系数的芯片；共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶30～70∶5～10，本例使用的比例为母料∶N660∶ZnO＝100∶50∶10。

实施例2：

作为热塑性树脂，使用聚偏氟乙烯的均聚物(SOLEF 1010)和聚偏氟乙烯的共聚物(SOLEF 31008)，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。先将两种聚偏氟乙烯进行挤出共混造粒，混合比(质量比)4一般为：1008∶31008＝100∶80～140，最佳比例为1008∶31008＝100∶100，得到母料，母料的熔融焓为45J/g，熔点为170℃，将得到的母料和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有正温度系数的芯片；共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶40～70∶5～10，本例使用的比例为母料∶N660∶ZnO＝100∶50∶10。

实施例3：

作为热塑性树脂，使用聚偏氟乙烯的均聚物HYLAR 460，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。将热塑性树脂和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有正温度系数的芯片；共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶40～60∶5～10，本例使用的比例为SOLEF 1010∶N660∶ZnO＝100∶50∶10。

实施例4：

由实施例1得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用黄铜电极(导热系数为93W/m·K，H65、δ＝0.5mm、中铝洛阳铜业有限公司)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，动作时间为65s；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为11.7s；16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为0.86s。

实施例5：

由实施例1得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用钢电极(导热系数为35W/m·K，SPCC、δ＝0.5mm、上海宝钢生产)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转测试，动作时间为103s，在12.6VDC，25℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为12.5s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为1.08s。

实施例6：

由实施例2得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用黄铜电极(导热系数为93W/m·K，H65、δ＝0.5mm、中铝洛阳铜业有限公司生产)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，动作时间为54s；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为10.8s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为0.62s。

实施例7：

由实施例2得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用钢电极(导热系数为35W/m·K，SPCC、δ＝0.5mm、上海宝钢生产)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转测试，动作时间为83s，在12.6VDC，25℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为11.7s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为0.91s。

实施例8：

由实施例3得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用黄铜电极(导热系数为93W/m·K，H65、δ＝0.5mm、中铝洛阳铜业有限公司生产)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，动作时间为164s；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为13.8s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为1.20s。

对比例1：

由实施例1得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，镀镍铜箔电极的光滑面焊接φ＝0.8mm，H65黄铜引线，采用环氧粉末(规格CP93-ST上海大洲公司厂)包封，包封后用Co60射线交联，剂量14Mrad，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，PTC器件在200s不动作，打开电机发现电机线圈变色，电机损坏；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为14.3s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为1.45s。

对比例2

由实施例3得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，镀镍铜箔电极的光滑面焊接φ＝0.8mm，H65黄铜引线，采用环氧粉末(规格CP93-ST上海大洲公司厂)包封，包封后用Co60射线交联，剂量14Mrad，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，PTC器件在200s不动作，打开电机发现电机线圈变色，电机损坏；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为15.3s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为1.60s。

对比例3

作为热塑性树脂，使用现广泛使用的高密度聚乙烯HDPE 5000S(大庆石化生产，熔融指数0.9g/10min)，熔融焓在292.6J/g，熔点134℃，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。将热塑性树脂和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有正温度系数的芯片；共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶80～130∶5～10，本例使用的比例为HDPE 5000S∶N660∶ZnO＝100∶110∶10。得到具有低转折温度的芯片，转折温度约80℃，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用黄铜电极(导热系数为93W/m·K，H65、δ＝0.5mm、中铝洛阳铜业有限公司生产)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，动作时间为34s；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，3s后发现PTC烧毁，不能对电机进行有效保护，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，PTC烧毁，不能对电机进行有效保护。

对比例4

作为热塑性树脂，作为现广泛使用PTC器件，使用高密度聚乙烯HDPE 5000S(大庆石化生产，熔融指数0.9g/10min)，熔融焓在292.6J/g，熔点134℃，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。将热塑性树脂和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有正温度系数的芯片；共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶80～130∶5～10，本例使用的比例为HDPE5000S∶N660∶ZnO＝100∶110∶10。得到具有低转折温度的芯片，转折温度约80℃，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，镀镍铜箔电极的光滑面焊接φ＝0.8mm，H65黄铜引线，采用环氧粉末(规格CP93-ST上海大洲公司厂)包封，包封后用Co60射线交联，剂量14Mrad，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，动作时间为37s；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，3s后发现包封层裂开，PTC失效，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，PTC烧毁，不能对电机进行有效保护。

对比例5

作为热塑性树脂，使用聚偏氟乙烯的均聚物SOLEF 1008(苏威苏莱克斯生产，熔融焓67J/g，熔点174℃)，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。将热塑性树脂和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有较高转折温度的正温度系数的芯片；转折温度约为120℃，共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶40～60∶5～10，本例使用的比例为SOLEF1008∶N660∶ZnO＝100∶50∶10。由此得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，Co60射线交联，剂量14Mrad，镀镍铜箔电极的光滑面分别焊接金属电极，金属电极使用黄铜电极(导热系数为93W/m·K，H65、δ＝0.5mm、中铝洛阳铜业有限公司生产)，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，PTC在200s不动作，电机转子烧毁；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为15.4s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为1.33s。

对比例6

作为热塑性树脂，使用聚偏氟乙烯的均聚物SOLEF 1008(苏威苏莱克斯生产，熔融焓67J/g，熔点174℃)，作为导电碳黑使用N660(上海卡博特厂)，作为无机填料使用氧化锌(间接法，99.7％，上海岷民氧化锌厂)。将热塑性树脂和导电碳黑及无机填料进行共混，得到具有较高转折温度的正温度系数的芯片；转折温度约为120℃，共混物的比例(质量比)一般为：母料∶N660∶ZnO＝100∶40～60∶5～10，本例使用的比例为SOLEF1008∶N660∶ZnO＝100∶50∶10。由此得到的芯片，上下表面分别热压贴合一镀镍铜箔电极的粗糙面，镀镍铜箔电极的光滑面焊接φ＝0.8mm，H65黄铜引线，采用环氧粉末(规格CP93-ST上海大洲公司厂)包封，包封后用Co60射线交联，剂量14Mrad，在8VDC，-40℃下进行电机堵转，测试动作时间，PTC在200s不动作，电机转子烧毁；在12.6VDC，25℃行电机堵转测试动作时间，动作时间为15.6s，16VDC，120℃下进行电机堵转测试动作时间，动作时间为1.40s。

本发明器件一般与电机的线圈串联连接在一起，当流经电机线圈的电流或马达温度上升到一定程度时，PPTC器件被激活而发生保护，将电流控制到较小的数值，阻止电机受损。当PPTC保护时，电机马达的线圈和碳刷温度通常不会超过100℃，PPTC器件保护后，马达基本不再发热，因而马达不会被损坏或产生高温。

本发明人对汽车微型电机使用环境和发生堵转时线圈内部温度和电流的分析后发现在电机发生堵转时，流过线路的电流和电机内部的温度都会同时增加，本发明采用的导热系数良好的材料以及低熔融焓及高熔点的聚合物复合物对汽车内部温度和电流的变化非常敏感，因此其PPTC器件能够同时感受到电机内部电流和温度的变化，从而实现对电机的有效保护。

综上所述，本发明的汽车微型电机用新型可恢复过流/过温保护器件能在较宽的温度和电压范围内对电机进行有效保护，特别是能在-40℃～120℃温度范围和8V～16V电压范围内对电机进行有效保护且使用寿命长。

需要说明的是，在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。应理解，以上所述的是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改而不背离本发明的精神与范围，这些等价形式同样落在本发明的范围内。