简析一种中小型电机预磨刷技术

引言

有刷电机由于其具有低速扭力性能优异、转矩大、控制结构简单等优良性能,在航天航空等军事领域占据着非常重要的地位。直流有刷电机电枢绕组中的电势和电流是交变的,只有借助旋转的换向器和静止的电刷配合,才能获得稳定的直流电压和电流。因此,有刷电机中的电刷与换向器接触面对电机正常运转、各项性能参数影响非常大。但是对于有刷电机而言,换向器与电刷的接触可靠性一直是广大有刷电机研究人员着重关注并致力解决的问题。对于军用电机而言,往往要求电机从开始启动使用到最终使用寿命结束,其电机性能参数基本稳定保持不变,因此也就要求电机在使用过程中,电刷与换向器的接触面能保持长期稳定不变的状态,要求电机装配后电刷与换向器能100%全面接触。由于中小型电机寿命一般较长,电刷一般非常耐磨,如果完全靠换向器表面对电刷表面进行磨合,磨合时间将非常长,不利于提高生产效率,而电机预磨刷技术模拟换向器与电刷结合面,采用切屑的方式对碳刷进行预磨合,可以提前将换向器接触面90%以上磨合出来,可有效减少整机磨合时间,减少碳粉堆积对整机性能的影响,提高加工效率,提高电机绝缘性能。

1碳刷预磨刷技术

1.1技术原理

有刷电机预磨刷原理主要是模拟碳刷与换向器实际工作过程,加工一件跟换向器外圆尺寸相同的刀具,采用车、铣设备或通电模拟转子运转过程,使得跟换向器外圆相同尺寸的刀具通过高速运转,电刷与模拟的换向器外圆刀具不断切割、摩擦,从而使电刷磨合面不断扩大,最终形成90%以上的磨合表面。

1.2预磨刷装置结构特点

该预磨刷装置核心为磨刷芯轴(图1),磨刷芯轴一般采用耐磨工具钢Cr12加工,首先材料粗车外圆,两端加工中心孔,外圆留约0.2mm磨量后,将材料硬度调质处理到HRC50~56,以保证其耐磨性,再磨加工各档外圆到尺寸。其中一端为电机轴承档外圆尺寸,加工完成后装入轴承,与端盖组件中的轴承室配合作为定位基准。另一端与车、铣床设备接口相连接。中间段为磨刷芯轴的核心环节,其尺寸模拟换向器外圆尺寸,为了提高加工效率,将磨刷外圆采用线切割方法加工成一个个齿状刀具,芯轴高速旋转过程中,齿轮面不断切削电刷表面,达到磨刷效果。但要求齿轮模数尽可能小,切削时排布在电刷上的齿尽可能多,如果齿数太少,电刷磨合表面会出现一条条纹路,影响电刷表面的磨合质量,只有有效控制切削时电刷面上的齿数,才能既保证一定的加工效率,又保证磨刷面光滑,不会在整机装配磨刷过程中损伤光滑的换向器表面。一般在预磨刷齿轮每次磨合过程中进入电刷圆弧面的齿数不得少于2~3齿。

对于电刷硬度较高,齿轮面磨损较快的磨刷装置,为节约加工成本,磨刷芯轴最好采用分体式结构,一部分为芯轴支撑部分,该芯轴支撑部分可采用普通钢材调质处理HRC28~32,用于提高其加工性能,一端与轴承配合用于后端盖作为定位基准,另一端与磨合设备相连接,作为磨刷接口用,中间部分外圆尺寸与磨刷部分的齿轮内孔配合,一般采用小间隙涂胶固定。磨刷部分刀具档采用工具钢调质处理到HRC50~56或采用白钢刀加工,电加工切齿和内孔后粘接到磨刷芯轴上,最终形成磨刷装置。这样加工的磨刷装置齿轮刀具面磨损后可直接进行更换,芯轴支撑部分可以重复利用,能更好地节约加工成本。

例如,某电机电刷宽度为6.5mm(图2),换向器外圆尺寸为小80mm,轴承内孔尺寸为小30mm,拟采用铣床预磨碳刷,该铣床钻夹头内孔尺寸小12mm,则设计的磨刷装置如图3所示。齿轮刀具设计为选取齿轮模数m=0.4,齿顶圆直径da=80mm,经过计算齿数Z=198,每次磨合时碳刷面上约有7~8齿。

2技术应用

目前该项技术已大量应用于我厂中小型有刷电机的预磨刷工艺过程中,采用该技术预磨刷,较整机换向器磨刷效率得到大幅度提高。以普通铣床磨刷速度约为1000r/min为例,采用磨刷装置预磨电刷磨合面大于90%计,一般一次磨合4件电刷时间仅约15min,再在整机上磨合约1440min即可完成全部磨刷过程,在换向器表面可形成良好的氧化膜。而如果单整机采用电机换向器表面磨刷,一般磨合4件电刷时间约为5760min,可节约4305min,效率提高74.74%。同时,由于磨合时间较短,碳粉堆积少,清理工作更简单,还能减少清理碳粉时间。

该项技术针对大型或微特电机同样适用,只需要在磨刷芯轴上稍作改进即可。对于批量较少的微特电机,还可以采用磨合外圆包砂纸替代齿轮刀具,利用砂纸粗造的外圆还可实现粗磨、精磨加工,可实现磨刷工具的快速更换。

3结语

通过采用上述碳刷装置对电刷进行预磨加工,整机装配后的磨刷时间较没有预磨刷的时间短很多,加工效率得到很大程度的提高。同时,电刷在前期预磨刷过程中,绝大多数与换向器外圆不匹配的碳刷已经磨合过,整机磨刷过程中的碳粉堆积少,减少碳粉清理的工作量,提高了产品绝缘性能。因此,对产品生产过程非常有利。