一. 换向器的功用及要求:
在具有换向器的微型电动机中, 换向器的作用是:
1. 将转子各线圈抽头至换向器耳仔,λ形成一个闭合回路.
2. 与碳刷结合, 形成一个通过滑动摩擦接触面传递电流的动态传导系统. 提供电流给处于某些位置的转子线圈,λ使之产生转矩旋转和在转子转动中使处于某一位置的线圈中的电流改变方向, 以产生转矩, 使转子持续的运转, 从而使电动机输出持续的转矩动力. 鉴于以上功用, 我们对换向器有以下几点要求:
1. 能使碳刷在其表面平稳的运行, 在运转中噪声小, 火花在一定的范围内.λ 2.λ有足够的硬度、刚度.
3. 有一定的耐热能力, 在运行温度下不变形, 不发脆.λ
4.λ能够在旋转中使转子线圈准确换向.
5. 有足够的运行寿命.λ
二. 换向器材料:
我公司微型电动机所用的换向器大多是塑料换向器, 其制造材料主要是铜, 少量的银和锡, 以及塑料. 1. 换向器中的铜料:λ
为了保证换向器的高质量和足够的强度, 换向器所用的铜料必须有一定的硬度范围, 一般取值是HB80 - HB120, 最好是处在中段HB95 - HB105, 标准的材料应该是电解铜和一定含量的银, 这可以保证换向器哪怕是在极端温度时也有足够的硬度. 例如碰焊或者将线圈用锡焊到换向器上时, 所产生的温度超过了纯铜硬度改变的最低值时, 换向器的铜片硬度却不受影响, 银可以使铜片在350 ?C 的温度时, 其硬度仍不受影响, 经验表明, 可以使银的含量在0.03% 和0.1% 之间. 2. 铜面上的银:
因为银有很好的导电性, 所以我们常在换向器的铜面上镀银或镶银来提高换向器的性能, 这种方法可以降低换向器与碳刷接触的火花, 延长换向器的寿命. 但由于银的价格昂贵, 镶银铜片的工艺也较复杂, 因此, 这种换向器成本较普通铜片换向器为高, 非必要一般不要选用.
3. 换向器耳仔位镀锡:
在碰焊时, 当漆皮线的线径较大时, 采用给换向器耳仔位镀锡的方法来改善漆皮线和换向器耳仔的导通情况和耳仔的粘附力. 4. 制造换向器用的塑料:
叉车钢圈塑料换向器的质量和压制工艺在很大程度上决定于塑料的特性, 因此, 塑料材料的选用在换向器的制造中是很重要的, 选用塑料时, 必须注意以下几点. a) 具有良好的机械性能.
b) 具有适当的电气绝缘性能.
c) 具有较高的耐热性, 在运行温度下不变形、不发脆.
d) 温度膨胀系数与铜相近, 以免在反复冷热变化中造成换向片的松动或变形. e) 具有良好的流动性, 成型良好.
f) 压制前后体积变化小.
制造换向器所用的塑料, 一般有热固性塑料和热塑性塑料两种, 对于使用条件不同的各种电机, 选择时还要考虑到使用上的特殊要求, 如耐温性、耐油性、防霉性等等特殊性能. 热固性的塑料, 是由热固性人造树脂加填料混合而成, 常用的填料有粉状和纤维状(木粉、石英粉、云母粉、石棉、玻璃丝和其它
纤维), 粉状塑料流动性好, 机械强度较差, 仅用于小型塑料换向器, 纤维状塑料具有较高的机械强度而流动性较差, 塑料中最常用的苯酚甲醛树脂, 它的特点是具有高度的抗酸碱作用, 在热压时, 能很快的变成不溶化和不溶解的
固体. 用热固性的塑料制造的换向器, 主要用于温度较高的场合, 最常用的热固性塑料是酚醛玻璃纤维压塑料, 这种塑料以玻璃纤维(紊乱的或定向的)浸以改性的酚醛树脂(碳酸甲醛树脂), 经干燥后而制成的纤维塑料, 它是目前应用最广的一种塑料, 它的特性如下:
a) 冲击强度: 纤维质填料70% 时为最高值, 若再增加填料反而使强度降低. b) 弯曲强度: 纤维质填料为50-70% 时最大, 再大或再小都降低弯曲强度. c) 压缩强度: 填料量40-60% 时压缩强度最大.
d) 吸水量: 随填料量增大而稍有增加. e) 电气绝缘性好.
热塑性的塑料, 主要有尼龙、液晶高分子树脂塑料等, 在应用中常加入玻璃丝和其它纤维来提高其机械性能, 由于是热熔性的, 所以, 这种换向器只可用于温度较低的场合. 液晶高分子树脂塑料, 通常呈半透明的自然, 它的物理特性参数如下:
a) 热变形温度是346 ?C 左右. b) 洛氏硬度R77.
c) 弯曲强度23300 PSI. d) 吸水量0.1% MAX.
e) 电气绝缘性好.
尼龙玻璃纤维压塑料, 以玻璃纤维(紊乱的或定向的)混以尼龙, 经加热模铸而成, 它主要用在换向器体的制造, 它的物理特性参数如下:
a) 热变形温度是250?C 左右
b) 熔点265 ?C .
c) 弯曲强度2700 kgf/cm2 MIN. d) 吸水量1.7% .
e) 电气绝缘性好.
类似的材还有好多种, 这里就不一一赘述了.
三. 换向器的结构:
我公司微型电动机所用的塑料换向器. 它的结构形式大致有两种. 一是整体式的, 例如MOULD COMM. 和FLAT COMM., 它的特点是结构简单、制造效率高. 一是组合型的, 例如AY COMM. 、HC COMM. 和MC COMM.等.
1. 模压成型换向器(MOULD COMMUTATOR) 这种换向器基本有三种形式:
a)利用塑料内孔与转轴配合, 结构简单, 但塑料内孔的尺寸不易把握, 必须
大电流导线严格的控制压模的尺寸和塑料的收缩率, 才能保证轴孔的公差, 应该尽量避免压好后对塑料进行加工, 因为塑料的机械加工性能一般均较差.
b)铜套与塑料压在一起, 轴孔尺寸易达要求, 为了防止塑料与套筒之间发生
移动, 常在套筒外圆表面开沟或滚花，套筒材料可用铜、钢或铝合金等. 但须注意其材料的硬度必须与转子轴的硬度相匹配, 略低于转子轴的硬度.
c)在换向器片的U 形槽中放入加强环. 常用在换向器直径较大, 转速较高
的情况下, 加强环承受较多的离心力. 环的材料如用钢, 则必须保证环与换向器片之间的绝缘. 采用加强环, 换向器的直径可以作大到500 mm.
2. 平面形换向器(FLA T COMMUTATOR)
平面换向器一般的结构如所示, 它实际上也是一种模压成型的换向器. 因它与电刷接触的铜面是一个环
形平面. 因而称为平面换向器, 这种换向器有一种特别的结构, 就是在铜片之上还有一层石墨片, 它的作用是减小换
向器与碳刷的磨擦, 延长换向器的寿命.
3. 直接装配换向器(ASSEMBLY COMMUTATOR)
这种换向器外形尺寸较小, 一般是将换向器铜片的下部插入换向器体, 然后用一个白紧圈将铜片压贴在换向器体外圆表面上, 由于组件的几何尺寸很小, 机械加工的难度较大, 这种换向器的精度一般较低.
4. 热打接换向器(HOT STACKING COMMUTATOR)
这种换向器的铜片顶部有一个勾和根部有两个直凸分别插入换向器体, 使铜片紧贴在换向器的外圆表面上, 再用下部的两个倒扣将铜片固定住. 须注意的是这种换向器在车削时如果进刀量过大会产生飞铜片的次品, 因而
在车削时一定要控制进刀量在一定的范围内. 必要时可多几道车床工序, 以获得希望的效果.
5. 机械连接换向器(MECHANICAL CONNECT COMMUTATOR)
这是一种分体式的换向器, 装配完成后有五个组件, 俗称为“五合一”, 其铜片的顶部有一个内陷的环扣, 扣在换向器体的凸起上, 下部以倒剌扣入换向器的托体, 有连接换向器体和托体的作用. 铲除漆皮线漆皮后使换向
器的铜片与漆皮线连接导通. 须注意的是这种换向器在车削时如果进刀量过大也会产生飞铜片的次品.
四. 换向器设计的其它考虑因素:
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1. 换向器的瓣数.
换向器的瓣数是根据额定电压、磁极的对数、以及换向器在不会产生环火和过大火花的片间平均电压来决定的.
2. 换向器的托位长度.
园林垃圾桶换向器的托位长度的设计, 主要是保证在马达有虚位、换向器在转子上装配位置有偏差和碳刷与换向器接触的轴向位置有偏差的情况下, 碳刷能够正常地运行在换向器的托位上所需要的托位长度.
假设一马达的虚位最大为A, 碳刷轴向长度为, 碳刷中心的轴向偏摆公差为, 换向器的轴向位置偏差为, 则换向器的托位长度可简单的计算为:
.
当然, 这不是绝对的. 因为在实际生产中, 机械加工而成的零件, 几何尺寸是符合正态分布的, 一般都有一定的对中性, 几个几何尺寸同时到达最大值的组合可能性很小, 因此, 在实际生产中, 可按经验适当缩小此尺寸.
3. 铜片的厚度.
铜片的厚度主要取决于换向器的寿命要求, 在大批量生产的设计中, 为了提高换向器的通用性, 一般从长寿命要求的马达出发考虑换向器铜片的厚度. 由于马达运行条件, 运行环境的不同, 这个厚度很难用公式计算出来, 一般是在实验中得出的. 另外, 还必须考虑铜片的稳定性. 以免铜片受热不均与换向器体分层变形.
4. 铜片间的间隔距离.
铜片间的间隔距离的大小, 主要根据铜片间的绝缘要求来决定. 对MOULD COMM. 来说, 一般要求片到片之间在承受600 VAC 电压时, 其高压漏电电流不大于500 ?A. 对低电压的马达来说, 可降低电压要求到250 VAC.
5. 换向器的总长.
换向器的总长取决于马达内的轴向空间和绕线情况, 在轴向空间允许的情况下, 取合适的换向器总长.
6. 换向器的内径.
换向器的内径, 设计时主要考虑换向器与芯轴的装配方式, 以及维持换向器正常运转所需的装配过盈量. 例如MOULD COMM. 它与轴枝的装配, 是间隙配合, 如果换向器的内孔太大, 有可能在装配时造成换向器轴心与芯轴轴心的偏离, 但如果换向器的内径过小, 则有可能过盈量过大, 使换向器在装配时爆裂. 塑料换向器的内径, 在模铸过程中很难控制, 必须严格控制材料的收缩率, 模铸的温度等. 因此, 在换向器内径尺寸要求严格, 或是要求的过盈量过大时, 常采用给内孔加金属套筒的方法来解决, 金属套筒可承受更大的过盈量和控制更高的孔径精度.
7. 换向器的外径.
换向器的外径的大小的设计, 应联合碳刷共同考虑, 在考虑到换向器外圆与碳刷接触运行的最大线速度的限制、换向器的外圆半径, 必须配合碳刷的接触圆弧半径外, 还必须考虑到碳刷应有的空间, 因此, 在换向器结构和制造精度允许的情况下, 在满足碳刷与换向器之间传递最大电流密度所需的铜片的最小面积的条件下, 换向器的外径越小越好.
8. 换向器耳仔的圆弧半径及长度.
换向器耳仔的圆弧半径及长度主要取决于漆皮线的直径及碰焊, 也就是说圆弧的半径应该能保证最大直径的漆皮线能够到底的同时, 最小径的漆皮线不要平齐的排在弧底, 以免在碰焊时碰断线. 而其长度应在包围了两根漆皮线之后, 还有一定的余量留给碰焊.
五. 换向器的安装及运转要求:
1. 换向器的安装. 不同的换向器其安装方法也不同, 分述如下: a. AY COMM. 和HC COMM.
其内孔与轴枝为过渡配合, 底面直接与芯片接触, 根部凸起与芯片星孔配合决定换向器与芯片的角度. 因此, 角度不可调, 在装配时只要将换向器的凸起对准芯片的星孔装到底就可以了.
b. MOULD COMM. 和FLAT COMM.
塑料内孔的MOULD COMM. 和FLAT COMM. 其内孔与轴枝为间隙配合, 通常依靠在轴枝上加打喱士和搽胶来固定换向器, 换向器的角度可调, 但须注意控制喱士的外径, 过小会使换向器定位不稳定, 而过大又会出现爆换向器的次品. 同时, 喱士的端部最好是在换向器内孔配合长度的一半处. 内孔带有金属套筒的换向器, 其内孔与轴枝的配合是过盈配合, 装配时需要将轴枝冷冻降温使其轴径缩小, 然后再装上换向器, 以增加正常温时换向器所能承受的轴向推力.
以下是各种MOULD COMM. 在搽胶及焗干后承受轴向推力的能力:
#200 马达: 25 Kg. Min.
#300 马达: 45 Kg. Min.
#600 马达: 60 Kg. Min.
#700 马达: 100 Kg. Min.
#900 马达: 100 Kg. Min. c. MC COMM.
DC 马达#100 #200 所用的MC COMM. 和#300 所用的五瓣MC COMM. 其装配方法与AY COMM. 和HC COMM. 的装配方法一样.
而DC 马达#300 和#600 所用的三瓣MC COMM. 换向器, 其装配过程是分步完成的, 先将换向器的托体用喱士和胶按一定的角度固定在轴枝上, 等绕完线后, 再将换向器体和铜片的组合体(五合一)啤入换向器托体.海砂混凝土
2. 换向器铜片与漆皮线的连接. 换向器与漆皮线的连接, 一般有三种方法. a. 锡焊:
这种方法只可用于低温的漆皮线, 漆皮在锡焊时汽化, 使漆皮线与换向器的耳仔连接导通.
须注意的是不要将锡点溅在换向器铜片表面或是线圈外表, 造成短路 . 最好是在焊锡时给换向器表面加上护套和隔离焊锡面和线圈.
b. 碰焊:
这种方法较为普遍, 在碰焊时, 碰焊电弧使耳仔及与耳仔接触部分的铜面处于半熔状态, 在压力的作用下变形粘合在一起, 同时, 漆皮线的漆皮被碰焊时发出的高温汽化, 从而使漆皮线与换向器的铜片导通. 须注意的是, 碰焊压力的控制必须准确, 压力过小会产生耳仔不贴, 甩漆不良等次品, 而压力过大, 则会产生耳仔通孔, 压断线等次品. 在线径较大时, 为了加强漆皮线甩漆皮后的裸铜线与换向器铜片的导通性. 可在碰焊时加锡, 加锡碰焊还有加强耳仔与铜片的贴附力的作用.
c. 铲漆皮:
这种方法仅为MC COMM. 所有, 在铜片的下部, 有一个特殊的铲漆皮结构, 在啤入铜片的同时, 会铲掉漆皮在线的漆皮, 然后紧紧的卡在铜在线, 与铜线导通. 但这种特殊的铲漆皮结构, 每种尺寸的结构只能适用于一定范围的漆皮线直径, 往往需要几种尺寸结构的铜片来配合所有的漆皮线线径.
3. 换向器的外圆表面加工.
为了确保换向器有一个长的运转寿命, 在加工换向器的时候, 应特别注意以下几个方面. a. 换向器完成
表面的粗糙度:
为了碳刷能在换向器表面既快速又平稳的运行, 换向器的表面必须有一定的峰谷高度, 经验表明, 为了避免产生过大的摩擦系数, 换向器表面沿轴向测量时的峰谷高度为时为最佳, 在这个高度的前题下, 车床纹数越多越好. 同时, 换向器的轴线在整个铜片长度上应该是平稳的运行, 如果换向器的表面太光滑, 碳刷在换向器表面运行的摩擦系数就会增大, 甚至于爬行而发出咯咯声. 在这种情况下, 换向器表面就不能形成正常的金属氧化膜接触层, 电火花会使换向器表面涂不均, 从而增大碳刷的磨损. 有好的一种情况是, 在这种情况下换向器有时会因为火花放电而变得粗糙起来, 持续一段时间后, 碳刷最终会变成平稳的运行. 但多数会因为这种不平稳的运行使换向器变得不圆, 碳刷会很快磨完, 从而使马达短命. 为了保证换向器表面有希望的峰谷高度, 必须控制车床时车刀的角度/走刀速度和进给量. 在我们公司, 车刀的角度主要有两种和 . 走刀速度有每英寸300r, 600r, 700r, 1000r 等, 进给量最后一刀为0.05-0.10mm.
防火拉链各种刀纹及切削要求如下表所示. 车刀尖角度切削纹数完成表面(Rz)
另外还可以用砂纸打磨换向器表面来达到希望的换向器表面的粗糙度, 一般是选用某种型号的砂纸, 规定打磨换向器的时间来达到希望的效果. b. 换向器的不圆度
换向器的不圆度指偏离换向器圆周面的表面的偏离程度, 它们可能是有序的, 也可能是杂乱的, 例如换
向器的平面部分强度不够, 在移动中或受到高温冲击时变形, 单个或几个换向器铜片在加工中因受振动而突出换向器外圆表面.
引起换向器不圆度的原因可分成两种情况, 一种是在加工中产生的, 例如车削.
在车削工序中, 产生换向器不圆度的原因有几点: 整个车床或它的支架在振动, 夹紧工具未夹紧, 刀具太钝, 切削速度太快(推荐采用160 -
200m/min 的切削速度), 刀具装钭或切削平面与旋转轴心有偏距. 也可能是夹头盘与定位锥头没有正确的锁定, 可能是车床的导轨有污物或偏斜. 也可能是换向器内孔中心与旋轴加工中心不对齐等等.
另一种是在马达的运行中产生的, 在运行中产生换向器不圆度的原因, 可能是线圈受损, 换向器偏心, 或选错了换向器的材料等. 通常说如果换向器圆度超差, 肯定会减少碳刷的寿
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