有刷式航空直流电机装配试验中的关键工艺分析

田苗++龙素华++刘强

摘 要：文章在产品设计不存在缺陷及零组件加工精度可保证设计要求的前提下，仅对有刷式航空直流电机总装和试验方面的四点工艺问题进行剖析。所涉及的分析可涵盖所有有刷式直流电机，理论阐述仅以直流发电机为例。

关键词：直流电机；工艺；刷盒校正；精磨；轴承装配；调整

中图分类号：TK416；TP205 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04

0 引 言

在电机装配过程中的刷盒校正工作是有刷式直流电机一道必不可少的工序，其主要目的是使电刷与换向器接触时，处于设计要求的角度偏差范围之内，以保证电刷和换向器的相对位置精度。

1 刷盒的校正

1.1 机理

每种直流电机都以不同的设计指标来实现较理想的性能，对于物理中性线和几何中性线尤其关键。保证物理中性线的两个重要指标都在电枢上，一个是换向器上换向片对轴线的偏斜量，另一个是换向器的定位。而决定产品几何中性线的两个因素都在产品定子上，即磁极定位孔的位置度以及磁极加工装配的精确程度。除这些尺寸外，换向极几何尺寸的设计也会在电机运行过程中对磁场畸变的改善起着举足轻重的作用。另外电刷装于端盖上的相对位置的精确性以及端盖与定子固定后的相对位置等因素也会影响到产品运行时物理中性线和几何中性线的偏移程度。

从电机理论上讲，对于直流电机，整机的各项指标均与换向有着密切的联系，特别是发电机的激磁电流，其大小取决于磁场的强弱即主磁通的丰富程度。首先应明确的是直流发电机在低转速、轻载状态下工作时，磁场不饱和电枢反应的程度不大，物理中性线和几何中性线偏离不多，主磁通也较丰富，系统自我调节较好，电机工作稳定。但直流发电机在高转速、满负载状态下工作时，磁场趋于饱和或已经饱和，电枢反应的程度也加深。主磁通量比低转速时少的多，主磁极磁势也相应很小，但电枢磁势取决于线负荷，因此其合成磁场的分布严重畸变，使得电机运行时的物理中性线远离几何中性线，导致电刷下换向元件的电势增大，不但激磁电流会增大，还会使换向恶化。可见物理中性线和几何中性线偏离越多，越不利于产品工作。校正刷盒的工作就是针对电刷装于端盖上的相对位置的精确性进行控制。

1.2 现行的工艺状况

我们现行的校正刷盒工艺一般情况下是使用专用的夹具来完成，夹具中心是模拟的电机换向器。操作时先将刷盒预装在电机的端盖或定子上不固紧，然后整体定位安装在夹具上，再用与夹具配套使用的导尺穿过刷盒使其相对位置固定之后再将刷盒固紧，此时导尺便是未来电刷的模拟件。专用夹具上刷盒的准确定位和精确的导尺尺寸是保证校正精度的前提。

1.3 存在问题

对于成熟的老产品，专用夹具和导尺经过长期使用，其关键尺寸必定会产生磨损，如定位角度增大、定位宽度减小等将直接影响到校正精度。对于新研制的直流产品，若工艺员对校正工序的认知不足，所定制的专用夹具结构不完善、精度不高，甚至不采用工装，对工艺资料不做要求，抑或漏掉校正工序等必将对产品的整机性能产生不良影响。

1.4 改进意见

将校正工序的专用夹具纳入量具的管理范畴，对其进行定期检定以保证其关键尺寸的精度。对相关人员进行深入培训，提高其理论水平和操作水平。

2 电刷的磨合

2.1 机理

电刷磨合的目的是在换向器表面充分形成氧化膜。电机工作时，在电刷与换向片之间有一层主要由氧化亚铜和碳粉组成的氧化层，氧化亚铜是一种红褐色半导体，能以空穴形式导电并具有单向导电特性，它受温度影响很大。由于氧化亚铜的单向导电特性，在电机工作的过程中正、负电刷接触压降不同，其正、负电刷下的换向火花状态也不尽相同。由于电刷与换向器的不断摩擦，会破坏已生成的氧化亚铜薄膜。但由于电流通过时，温度升高空气中又有水分，将使铜很快被再次氧化。这种铜表面氧化膜的破坏和再生交替进行，维持了动态平衡。氧化膜电阻较大有利于换向，也有利于激磁电流的稳定，同时这种氧化膜还起润滑作用可以保护电刷，以维持电刷与换向器之间的正常压降，而这也是我们在日常直流电机生产过程中要求电刷进行较长时间研磨的原因。此举不仅可以使电刷与换向器充分贴合还能形成良好的氧化膜，尽可能减小电刷压降。若此项工作不到位，不但会影响电机的换向，还会使其它参数发生偏差。

2.2 现行的工艺状况

一般情况下电刷的磨合分为粗磨和精磨两个工步。粗磨是为了使电刷与换向器基本贴合，操作过程是将电刷的来料拉出基本符合要求的弧度，此工步一般靠与产品精度相同的工艺换向器及工艺刷盒来完成，操作方面不存在明显问题。精磨是为了形成良好的氧化膜，需要给电机通直流电，使其工作在低速电动机工作状态下，磨合的时间一般为2472小时，不同产品施加的直流电压也不尽相同。在精磨过程中，电机表面需要通风冷却，现行生产使用普通轴流风扇实现。

2.3 存在问题

实践证明，氧化膜的存在是电机良好换向的必要条件。这是因为氧化膜本身不仅具有一定的电阻，其表面还经常吸附着薄层的水份、氧气、碳和石墨粉末，具有较好的润滑作用，有利于减小电刷和换向器的磨损。而氧气和水份是形成这一层氧化亚铜薄膜的必要条件。但因为自然气候的变化，在高温干燥的气候条件下，磨合中成膜较困难。在限定的时间内换向器表面无法形成良好的氧化层，甚至有些电机因过热而出现换向器严重变色的现象。

2.4 改进意见

对精磨电刷厂房实施湿度控制，改善通风条件。

3 轴承的装配

3.1 轴承质量和装配质量的重要性及我公司电机生产方面面临的严峻形势

一般情况下，电机两端轴承安装后的状态是不同的，其中一端的外环被轴承盖压死，不能有任何方向的活动，而另一端的外环端面与轴承盖止口端面有一定的间隙（也称自由端），且轴承外环与轴承室为间隙配合，所以该轴承外环可以在轴向有一定量的活动空间，同时也可有在轴承室内微量旋转的余地。这样设计的原因有以下两个方面：

（1）一端固定是为了限制转子轴向过大的窜动量；

（2）另一端留一定的活动余量是为了解决转子因运行产生热量使其转轴膨胀伸长带来的一些问题。

若两端轴承都被压死，则会发生以下现象：

（1）轴承内、外环在轴向上的错位量将可能达到极限，使轴承滚动体阻力加大，产生过热和较高的噪声、振动，严重时会造成轴承损坏；

（2）转轴产生较大的挠度，严重时会造成定、转子相擦而扫膛。

上述两种情况都会导致整机因过流而烧毁。

轴承质量的好坏以及装配是否符合要求，包括所使用润滑脂质量的优劣和用量都将直接影响一台电机整机质量的水平。因轴承质量不合格或装配质量未达到工艺要求所造成的电机质量问题，大部分能在出厂检查时发现，但也有一部分会在用户使用一段时间之后发生，此时若能及早发现，通过较简单的处理或更换，对一般用户来讲可能损失还不会太大，但若未能及时发现，就会造成轴承严重损坏，导致运转不灵直至定、转子扫膛。若再加上无控制保护或保护失效，很快就会发生绕组过热烧毁的重大事故，给用户造成较大损失。所以对轴承使用前的检查以及装配工艺的确定和实施，是电机组装中一个非常重要的环节。

我公司生产的X型号的直流发电机近年来交付数量较多，用户需求骤增。随着使用频次的增加，该电机在使用过程中屡次发生扫膛故障，而最难分析的是电机已扫膛，且轴承全部解体，整机已面目全非的失效故障，往往以上几种情况搀杂在一起，了无头绪。有时是一因多果，有时是一果多因。通过对设计、工艺、生产过程等环节的复查结果来看，不能排除轴承质量和装配方面存在的隐患。

3.2 对润滑脂添加量的要求

润滑脂注入过多或过少都将对电机的运行产生不利影响。注入量过多时，轴承运转阻力增大，将产生过多的热量，使轴承温度升高，机械损耗增加，当轴承温度达到“滴点”（滴点是指润滑脂从不流动向流动转变时的温度值）时，就将成为液体状而从轴承的缝隙中流出，最终失去润滑作用导致轴承损坏，甚至损坏电机；反之，注入量过少则会因润滑不充分而造成滚子与轨道较快磨损，在运转过程中先出现较大的噪声，且轴承温度较高，随后噪声进一步增大，温度急剧升高直至损坏，严重时会导致轴承抱死或者定、转子扫膛等。比较合适的油脂注入量应视轴承室空腔容积（将两个轴承盖与轴承安装完毕后，其所包容的内部空间中空气占有的部分）大小和所用轴承的极限转速及电机工作转速而定。一般情况下，所需的注油量根据产品的设计经过细致计算之后得出。

3.3 经验总结

3.3.1 关于轴承游隙

轴承游隙的定义为一个套圈固定，另一个套圈不受载荷时，沿径向或轴向从一个极限位置到另一个极限位置的移动量。按其移动方向，前者称为径向游隙，如图1所示，后者称为轴向游隙，如图2所示。游隙是滚动轴承的重要指标，也是轴承应用中的一个重要参数。不同的轴承游隙对电机的运行会有不同的影响，其中影响最明显的是振动和噪声，另外是轴承发热和不正常的损坏，所以应按规定装配。

3.3.2 深沟球轴承游隙的简易测量方法

深沟球轴承的游隙可用专用的仪器进行测量，得到比较精确的数值。在条件不具备时，可使用简易测量法，这种简易测量法适用于个体差异较大的轴承的分析与对比。

3.3.2.1 径向游隙的简易测量方法

（1）挤压熔丝法

采用挤压熔丝法可粗略测量径向游隙。将一段熔断器用熔丝（俗称保险丝）插入两个滚珠的空隙中并用手拿住，固定轴承内圈，转动外圈，使熔断丝压入外圈与滚珠之间，挤压之后取出熔丝，用外径千分尺测量挤压部分的厚度尺寸，该值即为该轴承的径向游隙尺寸。挤压熔丝法测量径向游隙示意图如图3（a）所示。

（2）千分表测量位移法

首先将轴承的内圈压在一个与水平面垂直的平板上，内圈的下面垫上一层薄片，使外圈与平板不接触并靠其自身的重力下垂，轻轻旋动轴承外圈，使滚珠与内圈和外圈沟道中心线接触，见图3（b）所示。在上述轴承的自由状态下，用千分表的测头对准轴承外圈外表面的上侧面（图中B方向）中部，调整好千分表的测量力之后，转动表盖使指针对准零位（使用数显式千分表时将显示值置零）。之后扶住外圈下端（图中A端），并用适当的力沿轴承径向（竖直向上）朝B端方向推，使球在A方向与内、外圈均密切接触。记录下千分表的读数。该读数值即为被测轴承在这一位置时的径向游隙。最后将外圈转动一定的角度再重复上述操作，得到几个不同角度的径向游隙值，取平均值作为最终结果。

3.3.2.2 轴向游隙的简易测量方法

首先将轴承的内圈压在一个平台上，内圈的下面垫上一层薄片，使外圈在靠自身重力的作用下自然下沉不与平台接触，用千分表在外圈端面中心圆处在整个圆周上每相隔90°测量一点数值并做好记录，测量时千分表对轴承的压力应尽可能小，以防止另一端翘起，见图3（c）所示。其次将轴承外圈整体向上拉起并保持稳定，用上述方法按照要求测量同4个点的数值，然后计算每点两次测量值之差，取其绝对值的平均值作为被测轴承轴向游隙的最终结果。

3.3.3 生产过程中的控制要点

3.3.3.1 组装现场的要求

在组装现场，可用手感法简单检查轴承游隙是否合适。手握轴承前后晃动或两手托起轴承上下左右晃动，不应有明显的撞击声，这种简易的方法可对轴承的加油量进行感性判断，以此杜绝漏加油问题出现。

3.3.3.2 装配时的关键工艺要求

（1）对工装、设备等的要求

进行轴承装配所使用的压床（或压力机）必须完好，具有设备管理方面的证明标志。支座、压头等工装必须完好，符合工具管理的相关要求，不允许使用有缺陷的工装或任意取用其它工装。支座、压头应保证轴承压入轴承室内时轴承的外环受力与轴承压入转子轴颈上时轴承的内环受力。

（2）对装配用料的要求

用于轴承压装过程中的润滑脂必须为专用润滑脂，单独锁存，与其它油脂严格区分。每次使用之前确认油脂的使用期限应在油脂规定的范围之内且没有被其它物质污染。用于涂润滑脂的画笔也应与其它画笔区分，严禁与涂漆、涂油的画笔混合使用，不同牌号的润滑脂也应使用不同的画笔。对于新产品的生产，与轴承装配有关的定子、转子、端盖、轴承等零组件必须具有合格证。对于大修或故障等外场返回产品，必须确认待装配零组件的配套性。

（3）对装配环境的要求

在装配现场，特别是压床（或压力机）的压头部位及周边应清洁到位，不允许有铁屑、木渣、刷毛等任何杂物。另外工装、设备、工作台、工作车等也应无油污、溶剂等物质。

（4）操作要求

首先在转子的轴颈部位、轴承室的内壁上均匀涂一层工艺资料要求的润滑脂，在压装时压床给压头第一次施压时应轻触，找正后再均匀施压压装。一般情况下应分3或4次压完，不允许一次完成，每压下一个行程，抬起压床的压头将转子轻转约1/41/2圈之后再次施压。严禁用榔头或其它物体直接敲击轴承。最后对于轴承外环和轴承室配合关系为间隙配合的产品，严禁使用任何压装工具或敲击，应手按即入或呈自由状态装入，否则应停止装配。

4 最佳工作点的调整

4.1 机理

有刷式直流电机最佳工作点的调整，其中心目的是在电机工作时，几何中性线和物理中性线之间的偏移达到最小，从而最大限度减少加载状态下的电枢反映，使各项性能参数达到最佳值。对于发电机来说，在负载工作时，主极前极尖（即电枢旋转时首先遇到的极尖）的磁场被削弱，后极尖的磁场被加强。物理中性线将顺着电枢旋转方向从几何中性线前移动一个角度，如图4（a）所示的角。此角度越大，说明电枢反应越强烈，去磁作用越强，主磁通越弱，激磁电流水平越高。因此尽可能减小这个角度就成为我们改善产品性能的主要考虑。一般情况下，可通过调节电刷与换向器的相对位置来实现降低激磁电流水平的目的。

在调整激磁电流的同时，需兼顾换向火花。移动电刷，使换向元件置于主极磁场下，这时换向元件将切割由主极磁势和电枢反应磁势共同产生的气隙磁感应强度，产生感应电势。当该感应电势的大小和方向合适，使其抵消电抗电势便达到了改善换向的目的。参照图4（a），直流电机计及交轴电枢反应之后，物理中性线偏转了角，因此若将电刷位置偏转角（与电枢旋转方向相同），那么换向元件处在物理中性线位置，不存在切割电势。如果电刷偏转超过角，使换向元件所处的气隙磁场极性和几何中性线位置的磁场极性相反，就可产生与电抗电势方向相反的切割电势，达到上述目的。根据物理中性线偏转方向分析，为改善换向，直流发电机的电刷应顺电枢旋转方向偏转，而直流电动机则按逆电枢旋转方向偏转电刷。为取得最佳的整机参数，在调整激磁电流的同时需兼顾换向火花。

4.2 现行的工艺状况及存在问题

在日常生产过程中，操作者只要求做调整，但不知为什么调整？有些操作者知道为什么调整，但不知如何调整？还有一些操作者对调整的机理和方法都较清楚，但不能熟练操作。特别是批生产首次进行调整的直流电机，如果相关工艺人员及试验工对调整工作的机理、意义、目的、方法、技巧等不能充分认知和掌握，势必造成整机的电性能无法处于最佳状态。这就需要针对不同产品的参数、性能、操作人员进行一系列强化培训，以期获取最佳的产品参数。

5 结 语

在某教练机12 kW主电源直流发电机研制初期，该产品曾出现过几次激磁电流超标、调节特性不佳、换向火花不稳定等发电机性能问题，当时采取的改进措施是将该产品换向器端端盖的固定孔从圆形改为条形孔，如图5所示，其它直流发电机的换向器端端盖多数为可调型，用以调节电刷和换向器的相对位置，获得理想的换向和激磁电流水平。在发电状态下，按逆电枢旋转方向调节电刷使激磁电流水平降低的机理在于：使直轴电枢反应呈现助磁作用，如图4（b）所示，从而增加有效磁通，使激磁电流水平下降。应注意不同产品的特性需求，每次的调节量不宜过大，以12 mm为宜。电动机状态下，顺电枢旋转方向调电刷，直轴电枢反应呈现助磁作用，如图4（c）所示。电动机状态下，逆电枢旋转方向调电刷，直轴电枢反应呈现去磁作用，如图4（d）所示。

参考文献

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