1、第十二章换向器制造第一节换向器基本结构及要求换向器是直流电机的主要部件。它的主要作用是通过电刷与换向器表面的接触，在转动的绕组和静止的电路部件之间进行电流换向，将电枢绕组的交变电势转变为电刷间的直流电势；或将外部直流电压转变为交变电压加到电枢绕组上。换向器由导电部分、绝缘部分和支承紧固部分组成，经过片装、器装等多次烘压成为一个整体。换向器的导电部分及绝缘部分是换向器的有效工作部分，对支承结构（及对地）是绝缘的。换向器基本结构换向器按紧固方式的不同，可分为五种结构型式：用V型压圈紧固的圆柱形换向器、紧圈式换向器、分段式换向器、辐射换向器、塑料换向器。1.1用V型压环紧固的圆柱形换向器这种换向器的2、结构如图12-1所示，它是由换向片和片间绝缘间隔排列，围成一个圆柱形，两侧车成V形槽，隔以两个V形绝缘环，用两个具有相同V形的压环组装而成。根据压紧力的不同，V型压环紧固的换向器又可分为两种结构型式：拱式和钳式。拱式换向器的压紧力全部作用在换向片V形槽的30o面上，此压紧力在换向片间产生拱压力，从而使换向片紧固，拱式换向器的V形压环与换向片只有一个接触面，制造上比较容易，一般直径较小、长度较短的换向器都采用这种结构。1-换向片2-片间绝缘3-套筒4-套筒绝缘5-压圈6-螺栓7.8-V形绝缘环图12-1用V型压环紧固的换向器拱形换向器根据紧固件的形式不同，又可分为三种：见图12-2所示：用环形螺3、母紧固式、短螺钉紧固式、螺杆紧固式。前两种适用于大功率牵引电动机。钳式换向器的压紧力作用在V形槽的两个面上，由于换向片悬臂部分具有压紧力，在一定程度上平衡了换向片离心力所引起的中间挠度，对防止换向器工作面变成腰鼓形有一定的作用，这种结构用于直径较大、长度较长的换向器。1.2紧圈式换向器分内紧圈式换向器和外紧圈式换向器两种。1.2.1内紧圈式换向器这种换向器结构如图12-3a图所示，它的换向片和云母片的加工与烘压处理，同V形压圈式换向器。它的特点是换向片与云母片不采用v形槽，而是长方形沟槽，为内圆与紧圈之间为过盈配合，以使紧圈箍紧换向片组。紧圈与换向片组之间有可靠的绝缘层隔开。在紧圈外园留有间隙4、，以便于装配；装配好以后用绝缘材料密封，防止潮气、炭刷灰及浸漆时漆液流进去。套筒和换向片组之间应置有足够的绝缘。与V形压圈式换向器相比较，这种换向器的优点是：取消了V形环，结构简单，加工方便，制造成本较低。同环形螺母紧固的换向器1-螺母2-V形钢压圈3-V形绝缘环4-换向片5-绝缘套筒6-钢套筒用短螺钉紧固的换向器1-螺钉2-V形压圈3-换向片4-套筒图12-2拱式换向器的三种结构式时由于紧圈是套到换向片里去，可以节省轴向长度，适用于轴向位置较紧促的电机；缺a内紧圈式换向器1-换向片2-钢紧圈b外紧圈式换向器3.4-绝缘5-套筒4-绝缘5-螺母6-转轴1-钢紧圈2-铜片组3-锥形套筒图12-35、紧圈式换向器点是换向片要略高一些，用铜量较多，装好后不易拆开，修理困难，因此要求在制造过换向中严格控制质量，尽量避免返修。1.2.2外紧圈式换向器图12-3b图表示具有三个外紧圈的外紧圈式换向器，钢紧圈热套在换向器的外圆上，紧圈与换向片之间用绝缘隔开，有0810mm的过盈量（双边）。这种结构的优点，能够防止换向片中段因离心力而产生过大的挠度，缺点是要增加放置紧圈的长度，须用铜材较多。一般在3000r/min的高速电机，换向器直径大于300mm时，才采用这种结构。13分段式换向器分段式换向器是将换向器作成多段，各段之间用连接片连接，最外面两个V形压环用螺杆拉紧。分段式换向器可防止换向器工作表面呈6、腰鼓形，一般用于直径较大、长度大于500mm的换向器。如图12-4为双段式换向器。1.4辐射换向器这种换向器的工作表面垂直于轴的平面，如图12-5所示，它的主要优点：电刷接触面与电机轴向垂直。电机在运行中振动时不易产生火花，适用于轴向长度较短、安装地点振动较大的电机、或要求声音小的电机。由于工作面积的限制，这种换向器只能用于小电机上。图12-5辐射换向器图12-4双段式换向器1.1塑料换向器这种换向器采用塑料或带有补强材料的塑料作为换向器的对地绝缘部分及紧固部分，如图12-6所Zjo塑料换向器的优点：简化了结构和工艺过程：塑料换向器由于用塑料作结构件和对地绝缘，这就简化了结构，省去金属压圈、V7、形绝缘环以及螺柱螺母等紧固零件；减轻了重量，省去繁琐的烘压工艺过程，以及所需的很多工模量具。降低了对零件的加工要求，节省工时；由于用塑料压制.对于换向片U形槽的加工精度要求大大降低。换向片和云母片都可以直接冲出V形槽，减少了机械加工量。降低成本：由于节省了贵重的云母材料和工时，制造成本平均可降低30%左右。改善了换向器的性能；由于塑料与换向片紧密配合，可改善换向器的整体性，减少凸片现象，减轻换向器的重量，相应地降低了电枢的转动惯量，同时也使换向器的电气绝缘性能大大提高，而且电机的绝缘的使用寿命长。但由于塑料的机械性能较差，目前塑料换向器只用于直径300mm以下的小型换向器。图12-6(a)为不8、加套筒的结构，换向片及云母片均热压于塑料中，塑料内孔与轴直接配合，换向片为工字结构，这种结构楔力较好，运行时不易发生凸片。图12-6(b)换向片根部为Q形，可用以提高换向器的强度，一般用于换向器直径为40125mm长度大于50mm的小型直流电机。图12-6)为有钢套筒的塑料换向器，在换向片槽部加加强环用以提高换向器的机械强度，这种结构可用于换向器直接大于125mm的小型直流电动机。株洲电机厂研制替代ZD303空气压缩机电机的ZD316直流电动机就采用了Q型结构塑料换向器。其直径为125mm,换向器内面用两个无纬带环来加强换向器机械强度。在换向器档圈上置有平衡槽，供电枢校正动于衡时装平衡块用。换9、向器云母下刻深度为15mm,换向片两侧倒角为0.5X45,换向器表面粗糙度要求不低于16。X2对换向器的技术要求换向器是由铜、钢、云母等各种物理性质差异悬殊的材料制成的。在长期反复的温度与离心力作用下，必须保持工作面的几何形状不发生变形。因此要求组成的各个零件的加工精度必须准确，材料的电气性能和物理性能必须符合规定，并且要求严格按工艺规程进行压装和烘压处理，才能使换向器的质量得到保证。总的来说，对换向器的技术要求可分两个方面，即工艺要求和运行要求。T工艺要求丄片数要淮确。对片数多的换向器，较易发生多片或少片的差错，在装配时必须注意检查。工作表面的直径，长度应符合规定的尺寸公差，应成规则的圆拄形10、c园度公差应小于005mm二o.03换向片的对称性，即整个换向器在各电刷之间的换向片数应相等。根据各厂的制造经验，允许偏差不大于一个云母片的厚度或三分之一换向片厚料换向器换向片对轴中心线的平行度，在换向器的全长内，一般容许平行度公差见表12-1。云母片的下刻尺寸，必须符合规定。换向器的绝缘应可靠(包括片问绝缘和对地绝缘)，应能承受规定的电压试验。V形绝缘环3表面绝缘涂封应严密，表面应有较高的耐电弧性。换向器表面光洁度不低于16。换向器套筒上的键槽，应按图纸要求，对正换向片中心或对正云母片，以保证换向片与电枢铁心槽的相对位置。表12-1换向片对轴线平行度换向片长度(mm平行度公差(mm)100以11、下0.81004001大于4001.5运行要求为保证电机运行的可靠性和延长使用寿命，对换向器的具体要求如下：外形的稳定性当电机运行在允许的温升限度内，换向器因受热膨胀和离心力的作用，换向片可能产生弯曲变形，如图12-7所示。其园度一船应小于0.03005mm二图12-7换向片的热变形（2）工作表面的稳定性换向器工作表面应该形成一层具有暗红色光泽的氧化亚铜，以改善换向性能，提高换向片的抗磨能力,保证电机有较长的使用寿命。（3）片间压力的稳定性要求严格控制换向片角度的公差尺寸。在制造及运行一段时间后经过车外圆，仍不降低片问压力。（4）运行对应无云母片挤出和胶粘剂流出现象。第二节换向器的主要部件换向12、片是换向器的导电部分，在工作时既要传导电流，又要承受离心力、热应力、摩擦力、电火花甚至电弧的作用，因此制作换向片的材料应具有良好的导电性、导热性耐磨性及优异的机械性能。.换向片的材料换向片的材料的成分在牵引电机中换向片梯排的材料有电解紫铜、银铜、镉铜、铭铜、稀土铜合金等，通过型模拉制或用轧机轧制成梯形状的通排。主要性能见表12-2o表12-2各种材质换向片梯排的性能种类电解铜银铜镉铜铭铜错铜稀土铜化学成分（含量）含铜99.9含银0.070.2含镉1含铭0.40.6含错0.2含镯0.1抗拉强度（MPa350450350450500450500400450350450硬度（HB801109511013、10011511013045012013045095110导电率(100%IACS)98968580851J9096软化温度（C）200290280400400280密度8.98.98.98.98.98.9注：IACS为国际退火工业纯铜标准简称。与纯铜梯排相比，银铜梯排具有硬度高、耐磨性好、抗拉强度高、热态性能稳定等优点，在300c以下硬度几乎不变，导电率与纯铜相近。所以在牵引电机大多使用银铜梯排。换向片材料的形状和尺寸要求梯形铜排的截面形状为梯形。为了保证换向器片间的压力，梯形铜排的截面形状及尺寸都有较高的精度要求。如图12-8所示，a图中角度a应取负偏差（一般为a=30），这样使压装后靠近14、内圆处的压力比外圆大。车削外圆后,换向器仍可以保持足够的紧度而不致松动，如图12-8bo反之如角度a取正偏差，则装配后内园比外园松，如图12-8c。外园车削后，换向器容易松动或发生变形，影响电机的使用。换向片厚度a边的允许偏差见表12-3oabc图12-8换向片及其装配后的情况换向片四周允许有园角。a边的园角可以保证在换向器压装时压力通过换向片中心。b边装配后不加工，它的园角可以增大片间爬电距离。换向片截面准确性可用图12-9所示的样板检查。换向片与样板紧贴后，a边尺寸应在最大与最小尺寸之间。表12-3一般换向片厚度a和高度h的公差换向片厚度a按精度等级的允许偏差（mm换向片高度h（mm允许偏15、差（mmIT10IT113及以下-0.04-0.0610及以下-0.1010.518-0.203.016-0.05-0.0818.530-0.3030.550-0.606.0110-0.06-0.1050.580-0.8080.5150-1.0010.0118-0.07-0.123换向片制造工艺要点把换向片与换向器升高片在冲料时冲成一体的称为整体式换向片，把两体的换向片与换向器升高片焊接成一体图12-9换向片检查样板的称为焊接式换向片。在中、小型电机中，电枢直径与换向器直径相差较小时，为了提高使用的可靠性，一般使用整体式换向片。大、中型电机，电枢直径与换向器直径相差较大（一般在电枢直径与换向器16、直径比值接近14时，）也仅仅在大电枢直径时才有可能用大的升高片。换向器升高片较长时，整体式换向片冲裁易变形。此时升高片一般采用0610紫铜板或紫铜带制成。采用焊接式换向片，这样既可以减少废料又可以减少变形。在牵引电动机中全部采用整体式换向片，为减少加工量目前采用了预冲鸽尾换向片。冲制好的换向片存在变形需要整平，可采用在摩擦压力机上用模具整平和在平台上手工敲平两种方式整平。换向片升高片部位嵌线槽的加工。分为片装前单片铳槽和器装后整体铳槽两种方式。整体铳槽即在换向器器装完成后，先对升高片部位和工作面部位进行加工，达图纸尺寸要求，再进行整体铳槽。铳槽时对铳刀采用蜂蜡进行冷却。其优点是铳槽后槽底尺寸均17、匀，位置度好，有利于嵌线，对保证电枢的质量有好处。但是存在一个换向片铳废后整个片组报废的危险，因此目前只在厚度较大、升高片尺寸较短的换向器上采用。大多数换向器仍采用单片铳槽工艺。V型绝缘环V形绝缘环是换向器的主绝缘，其主要作用是把换向片与V形压环（套筒、压圈）隔开。在器装后,v形绝缘环要受到很大的压力，热应力，要发生塑性变形以保证换向器的稳定性。因此V形绝缘环要具备高的机械性能、介电性能及适当的弹性。V型绝缘环目前全部由专业绝缘厂制作，其材质有塑性云母板、NomeX氏、玻璃坯布等。在直、脉流牵引电动机上,全部采用塑性云母板制作的V型绝缘环，称为云母环。国内目前用于制作云母环的塑性云母板有52318、1虫胶塑性云母板（B级）、改性虫胶塑性云母板（F级）、WD2535250等有机硅塑性云母板（H级）等。云母环的质量要求：（1）尺寸符合图纸要求。（2）表面光滑、无皱纹、无裂缝、无机械损伤和分层现象。（3）结构致密、厚度均匀，在灯光照射下各处透亮均匀。（4）耐压试验在表12-4规定的电压下保持1分钟，无击穿闪烙现象为合格。表12-4云母环耐压试验值云母环厚（mm度11.21.52.02.53.0试验电压（kV）5.55.56.5811.011.0片间绝缘片间绝缘的作用是把不同电位的换向片隔开，同时在片装过程中，为保证片组尺寸稳定性，片间绝缘要受到很大的压力、热应力，要发生弹性压缩和塑性变形。同时19、由于制作换向器各个零配件材料的热胀冷缩系数不一样，换向器片间绝缘要起到调节片间压力和吸收尺寸的作用，所以片间绝缘应具有高的介电性能、机械强度、耐电弧性以及适当的弹性。牵引电机换向器片间绝缘采用换向器云母板，可分为片云母板和粉云母板两种。（1）片云母板片云母板一般采用剥片白云母，刷上胶粘剂贴制成板状，再经烘压、铳削（或磨削）加工而成。国内牌号有5535虫胶换向器云母板（B级）、5560-2磷酸钱换向器云母板（H级）、558双马换向器云母板（H级）等。云母含量在90%以上；弹性压缩w4%;塑性变形4%;密度22g/cm3；厚度公差土004mm,个别值土008mmo（2）粉云母板粉云母板是用粉云母纸20、作为基材经单面刷胶粘剂，多层叠加后烘压而成，云母含量在90%以上。国内生产的这类材料有WD550-3换向器金粉云母板、X5551-1换向器粉云母板、P14换向器金粉云母板等。云母含量在90%以上；弹性压缩w2%;塑性变形w2%;密度24g/cm3;厚度公差0.03mm。由于换向器粉云母板具备厚度均匀、弹性压缩和塑性变形小、不易分层、价格低等优点，目前牵引电机换向器片间绝缘已全部采用换向器粉云母板。V形压环（压圈、套筒）V形压环是换向器的主要支撑，一个换向器使用两个V形压环，根据其结构的不同分别称为套筒及压圈，要求具有较高的机械强度，采用黑色金属制成，一般为锻钢件或铸钢件，采用数控冲床加工而成。21、保证较高尺寸精度和位置精度，特别是同轴度，同轴度超差会使降低。.换向器紧固螺栓换向器紧固螺栓（见图1210）是换向器的关键部件，它不同于一般的螺栓，必须有较高的精度和强度以及优良的弹性性能。螺栓材料为35CrMo或42CrMo,热处理后屈服极限大于850Mpa,许用应力为500Mpa换向器紧固螺栓在制造和运行的过程中将受到较大的热应力、振动和冲击力，为确保器装压力换向器紧固螺栓不仅要用好的延伸性、柔性、热适应性材料还要有较高的制造精度。图12-10换向器螺栓其它辅助材料在换向器制造中还有有些辅助材料：绝缘套筒作用是把换向片中部与套筒隔开，一般使用塑性云母板。保护绝缘在于提高换向器的抗电弧能力，22、使用单面拉毛聚四氟乙烯活化板涂封材料为了防止灰尘、污物和水分等进入换向器内部，用来涂封换向器两端面和V形绝缘环之间的间隙，可采用环氧树脂及室温硫化硅橡胶等。第三节装配工艺.第一次装配（片装配）片装配是将换向片和云母板排列成圆筒形，经过烘、压使得片间云母板在高温高压作用下充分发生塑性变形和弹性压缩，使片组成为一个稳定的整体。换向器片装配的工艺流程为：排园一冷压一烘焙一热压一冷压一烘焙一热压排园：将云母板与换向片间隔排列组成一个圆筒形，对于单片铳槽的换向片还要注意深槽换向片和浅槽换向片的排列顺序。换向器片组的压装方法分：环形压圈加压法、锥度压圈及压块加压法、径向螺栓加压法三种。在牵引电机换向器上采23、用锥度压圈及压块加压法。其压装工具如图12-11所示。冷压的压力按下式计算：已1.11X2TTSPtg（a+3）（MN）式中S换向片单侧面积（铳槽部分不计入）（m2）;2p一片间单位面积压力，一般取3035MN/m;一片装工具锥面斜角，一般为3。5。；一片装工具配合摩擦角，一般取15。；.11一修正系数（考虑压瓦底面与底盘间的摩擦系数）。片装冷压应达到：比较相邻两次冷压同一直径变化量，要求变化量小于02mm,且内径尺寸符合图纸要求。烘焙温度的确定：烘焙的目的是为了热压，热压的目的是为了使云母板充分发生塑性变形。为了保证换向器的稳定性片装烘焙温度要高于器装烘焙温度20Co对于粉云母板片装烘焙温度24、可为200220Co烘焙时间的确定：烘焙时间是要保证片组充分加热，烘焙时间一般为45小时。若云母板的质量非常理想，几乎不发生塑性变形，换向器的片装可只进行冷压，而不需进行热压。国外一些著名公司有此范例。加工V形梢换向器片组加工V形槽过去采用普通卧式车床加工，使用成型刀具，用样板进行检查，这种方法效率较低，而且需要两次定位，两端V形槽的同轴度要受影响。目前对V形槽采用数控双面车床一次将两面V形槽加工出来，提高了加工的精度和两端V形槽的同轴度，加工效率也相应提高。V形槽加工完后，要清理毛刺并对片组进行匝间耐压检查，防止片间短路。匝间耐压值由换向器的设计参数来确定。第二次装配（总装）总装将换向器的套25、筒、云母环、绝缘筒、片组、压圈按顺序组装在一起，用换向器螺栓将其固定,然后用专用工装进行烘压，使换向器成为一个稳定的整体。换向器总装工艺过程分如下两种:总装一冷压-烘焙-热压-冷压-烘焙-热压-冷压-烘焙-热压一冷压。总装一冷压-烘焙-热压一冷压（使用弹性工装）图12-11圆锥形压装工具总装前要将各种配件全部清理干净。清理的方法是用白布带蘸少量的酒精将换向器的零部件擦拭干净，防止粉尘及污物进入换向器内部。总装压力的确定：P=181p2s2式中P压床施于换向器压圈上的压力（MN）;P2一总装时换向器片间单位面积压力（MN/R），与片装时相同；S2一车过V型槽后换向片的侧面积（吊）。烘焙温度的确定26、：烘焙的目的是为了热压，热压的目的是为了使云母环充分发生塑性变形。为了保证换向器的稳定性总装烘焙温度要低于片装烘焙温度20Co对于用虫胶塑型云母板制作的云母环，总装烘焙温度一般为165175C。烘焙时间的确定：烘焙时间是要保证换向器充分加热。对于采用弹性工装烘压的换向器，烘焙时间一般为16小时。对于不使用弹性工装，采用三烘七压工艺的换向器，烘焙时间一般为45小时。器装后的第一次冷压非常重要，必须加全压，冷压到位，按规定力矩拧紧换向器螺栓。如此可防止在以后的烘压过程中，换向器压圈和套筒与云母环之间的相对错动过大，造成云母环损坏！若云母环的质量非常理想，几乎不发生塑性变形，换向器的器装可只进行冷压27、，而不需进行热压。国外一些著名公司有此范例。.换向器涂封换向器涂封的目的是防止灰尘及污物进入换向器内部。在总装过程中已经对片组与套筒和压圈之间的缝隙用硅酮胶进行涂封。换向器烘压完成后在换向器前端片组与压圈之间粘贴聚四氟乙烯带（或整体聚四氟乙烯环），主要是起防弧作用。.动压成型动压成型是指换向器旋转时加热，在离心力的作用下，迫使换向器的鸽尾压紧于V形云母环上。如果在烘压过程中烘压处理不完善，或云母环厚度不均匀，则在动压成型时，可依靠离心力的作用压紧，使换向器不致在运行时发生凸片现象。超速试验是在125135倍额定转速的情况下进行，考验换向器的机械强度和质量的稳定性。动压成型前，需半精车换向器外表28、面。将换向器校好动平衡，装上工艺轴，装入动压成型机。首先用千分表测量换向器外园的跳动值，做好记录。转动换向器致最高转速的50%,开始加热，在2小时内由室温升至1255C。保持温度不变，将转速升至最高转速，旋转2小时。停车后测量外园跳动值，与冷态下测得的值比较，相差不超过003mm为合格。若超过允许值则重新精车外园，再作动压成型处理，直到合格为止。若相差超过015mm,说明换向器凸片严重，需重新进行热压和冷压一次，拧紧换向器螺栓，重新精车外园，重作动压成型处理。第一次动压成型合格后即可进行第二次动压成型。第二次动压成型是和超速试验一起进行的。开始时和第一次动压成型相同。测量跳动值后，在两小时内使29、换向器温度均匀地上升到125土5C,并以最高运行转速旋转一小时，然后停止加热，升速到最高运行转速的125135%旋转515分钟，停车后用千分表测量跳动值，同原测量值相差也不得超过0.03mmo如果超过此值，须同第一次动压成型一样，重新处理，直到合格为至。动压成型设备可采用立式和卧式两种形式，采用电热管加热，热电偶控温，直流电机拖动。动压成型机箱体起保温和防护两重功能，箱体的强度应足够大，防止换向片飞出造成事故。换向器电气性能检查对制作好的换向器要进行电气性能检查。片间耐压和对地耐压要符合图纸要求。换向器质量要求电气性能符合产品图纸要求；键槽中心对换向片中心或云母板中心的偏差符合图纸要求；换向片30、端面对底面的平行度w05mm;压圈端面对底面的平行度w06mm;换向片前端面到套筒底面的高度要符合图纸要求；聚四氟乙烯带粘贴牢固，无明显鼓包、气泡、划伤等缺陷。接逢无搭接，接缝间隙w1mm与V形压环凸台下部的间隙w2mm接缝和间隙用环氧填满；涂封应连续、严密、光滑；换向器螺栓无松动现象。用力矩扳手按规定力矩检查。换向器片组的等分度要符合图纸要求；(9)各部件不得有磕碰伤。第四节换向器的质量问题分析1云母环滑片问题分析云母环滑片是换向器制造过程中最常发生的质量问题之一。其情况比较复杂，可分为如下几方面原因：云母环本身的问题：云母环在制造过程中胶粘剂没有完全固化，在器装过程中受温度影响，胶粘剂再次软化甚至流动，造成云母片滑动，引起云母环滑片。发生此类滑片，云母环往往与套筒或压圈粘牢，很难清理。另一个原因是云母环在制造过程中，厚度不均匀，特别是在30。面上，同一圆周上厚度不均匀，在器装过程中，云母环受力不均匀，造成局部受力过大，引起云母环滑片。发生此类滑片，云母环往往呈现发糟现象。配合尺寸不当：由于加工或云母环模具方面的原因，造成云母环的30面和压圈或套筒的30。面不能完全吻合，在器装过程中受压力作用，造成云母环滑片、断裂。发生此类滑片，云}