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电动自行车用直流电机换向问题

 摘要：换向问题是影响直流电机质量的主要问题之一。本文介绍了如何评价换向合格的指标；论述了影响换向的原因包括电磁、机械、电化学等方面；提出了改善换向的方法和措施：一是调节电刷位置，二是要重视换向器的质量，三是重视电刷的选择，四是优化刷盒尺寸和弹簧压力，五是电刷的磨合非常重要，最后要进行严格准确的寿命测试。
    目前，电动自行车的驱动方式大多是轮毂式的，有直接驱动的，也有齿轮减速驱动的。其中，直接驱动方式采用低速直流电动机（每分钟转几百转），而齿轮减速驱动方式则采用转速较高的直流电动机（一般2000r/min以上），通过齿轮减速来满足电动自行车所需要的行驶速度。前者的优点是不需要齿轮减速，因而简化了结构，提高了可*性，降低了噪声；后者的优点是体积小、重量轻。
    无论是哪种驱动方式的轮毂电机都分为有刷直流电动机和无刷直流电动机两种。采用有刷直流电动机，优点是控制简单，因而控制器结构简单、可*性好、故障率低。但因为电机内有换向器和电刷（又称碳刷）的存在，便产生换向问题，它是有刷直流电动机易出故障的根源之一。因此，如何改善换向是保证有刷直流电动机（以下简称直流电机）质量和减少返修率的重要问题。下面就来谈谈直流电机的换向问题。
    1、换向合格的评价
    直流电机的换向是指旋转着的电枢绕组元件，从一个支路经过电刷进入另一个支路时元件中电流方向的变换过程（简称换向）。在电流方向变换的过程中，一般在电刷与换向器之间要产生火花，它是换向困难和产生故障的主要原因。所以，国家标准根据电机换向时火花大小将其分成几个等级（1，5/4，3/2，2，3）。对连续工作的直流电机，其换向火花不应超过3/2级。电动自行车用直流电机属于连续工作的电机，应满足不大于3/2级火花的要求。标准规定：3/2级火花时，电刷边缘大部分或全部有微弱的火花，因此换向器上有黑痕出现，但不会继续发展，用汽油擦其表面即能除去，同时在电刷上有轻微的灼痕，这些都不会影响电机连续正常运行。
    2、影响换向的原因
    直流电机换向过程中为什么会产生火花呢？根据理论和实践分析，影响换向的原因很多，有电磁的、机械的、电化学的等等，并且它们之间又相互影响，十分复杂。这里不准备在理论上作过多的分析，只针对电动自行车用直流电机为改善换向在生产中应注意的问题做一些分析，或许会对生产起到一定的指导作用。
    2.1电磁原因
    在换向时，换向元件中会产生电抗电势和换向电势，这些电势之和一般大于零，称延迟换向。当换向时，后刷边离开一个换向片转向另一个相邻换向片时，换向电流不为零，有电磁能量储存在换向元件内，在前个换向片离开电刷时，换向回路被突然切断，换向元件中的电磁能量就只有击穿空气而释放，从而产生火花。
    2.2机械原因
对生产而言由于机械原因而导致换向不良是一个重要方面。机械方面的原因很多，例如：平面换向器表面的平整度、粗糙度及装配时换向器表面与电机轴线的垂直度；换向器片间绝缘突出或换向片突出；电刷接触面研磨不好，电刷与换向器表面只有局部接触；电刷上弹簧压力大小不合适；电刷在刷盒里太松或太紧；各个刷杆之间距离不相等，致使有些电刷所短路的换向元件不在几何中心线上；换向器表面不洁等。
 2.3电化学原因
    正常运行的电机，换向器表面会产生很薄的一层褐色氧化亚铜薄膜。实践表明，氧化亚铜薄膜的存在，是电机良好换向的必要条件。这是因为氧化亚铜薄膜本身不仅具有较高的电阻，且其表面还常吸附着薄层水份、氧气和石墨粉末，具有良好的润滑作用，有利于减少电刷和换向器的磨损。
    为改善换向应该针对影响换向的原因在生产中采取一些必要的方法和措施。下面介绍一些生产中应注意的问题。
    根据产生火花的电磁原因，为了减小换向元件中的电势，应将电刷位置调节到物理中心线，但因为物理中心线是随着负载大小而移动的，所以，一般要求将电刷位置调节到几何中心线处。确定几何中心线的方法是：对绕组端部连接到换向器对称的电机，电刷位置应对准磁极中心线；而对绕组端部不对称的电机，视不对称程度而定。总的原则是：被电刷短路的绕组元件的两条边应位于几何中心线或很接近几何中心线处。
    理论和生产实践都证明，电刷位置调节的好坏，对电机的空载电流和性能影响很大，应引起足够的重视。
    换向器的质量应包括材质和加工质量两方面。
    换向器的材料是铜合金，如镉铜、银铜等，材质不同，它的硬度、耐磨度，与电刷的接触电阻及导电性能等都会有差别，当然还要考虑价格因素。
    从加工质量方面，应检测换向器的尺寸、形位公差和表面粗糙度。换向片分布应均匀，换向片间绝缘应下刻，对平面换向器表面平面度要好，与电刷接触的表面其粗糙度应不低于0.80。允许用玻璃砂纸研磨换向器表面（不要用金钢砂纸）。对平面换向器，安装时要注意其与电机轴线的垂直度。
    电刷是与换向器的滑动接触件，电刷的成份和接触特性好坏，直接影响到电机运行时换向的好坏和它的磨损程度。电刷的接触特性主要指一对电刷接触压降（因正、负级电刷下接触压降不相等，故用一对电刷接触压降来评价）和摩擦系数，这些因素影响到电机运转时电刷与换身器之间的接触损耗（包括电损耗和磨擦损耗）和磨损度。影响电刷接触特性的主要因素有圆周速度、电流密度和施于电刷的单位压力等。对电动自行车用直流电机，圆周速度不大，一般都能满足要求。对这种直流电机的电刷一般提出以下要求：
    （1）因为电动自行车采用低压电源，因此一对电刷接触压降不能大，一般应在1v以下，这样功率损耗较小。
    （2）若按照用户使用2年不用更换电刷，按每天骑行2h计算，电刷寿命应在1500h左右。电刷寿命是由它允许磨损的高度决定的，而允许磨损高度则由允许弹簧的最小压力和电刷磨短后在刷盒中运行的稳定性决定。
    （3）电刷截面积的大小应符合电刷允许电流密度。电流密度过大，引起发热过高，摩擦系数增大，极易引起火花，电机甚至不能正常运行。
    （4）换向器的磨损应在允许范围内，运行噪声小等。
    关于施于电刷的压力问题将在后面讨论。
电刷分石墨电刷、电化石墨电刷和金属石墨电刷3大类。
对低压直流电机宜采用金属石墨电刷，因为它的一对电刷接触压降小（一般在1.5v以下），耐磨性较好，使用寿命长，并适合于圆周速度低的电机。
    我们曾经用两种不同成份的电刷对电动自行车用直流电机分别做额定负载下的寿命试验。一种是用金属石墨电刷，运行700h，电刷磨损量为允许磨损量的45%。照此推算，这种电机可以运行1500h才需要更换电刷，可以满足用户使用2年不换电刷的要求。另一种是用石墨电刷，运行600h，电刷已经磨损到不能再用而需要更换了，也就是说用户最多使用1年就要送维修站了。
    刷盒的作用是将电刷固定在应有位置，但又要保证电刷在刷盒中能自由活动，配合间隙既不能太大，又不能太小。太大了电机运转时电刷可能在换向器表面产生倾??下发热膨胀时可能卡死。而弹簧的作用是施于电刷一定的压力，以保证电刷与换向器在电机运转时始终有良好的接触。施于电刷的单位压力增大，电刷与换向器的接触电阻就减小，则电损耗减小，但摩擦系数增加，使摩擦损耗增加。总损耗呈马鞍形变化，而在总损耗最小时的单位压力下，电刷的磨损率也最小。所以，选择施于电刷的压力时，应考虑电机运行中总损耗和电刷磨损最小时相应的单位压力。对金属石墨电刷这个压力一般在1.5-2.5n/cm2之间。在确定初始压力时，应考虑在电刷磨损过程中缩短时弹簧因伸长其压力会减小的因素。施于电刷的单位压力减小到低于某一极限时，电刷与换向器之间的接触就开始不稳定，容易出现机械性火花，这时就应该更换电刷了。
    电刷与换向器表面接触的好坏、接触面积的大小，直接影响直流电机换向的好坏、火花的大小和电刷磨损的速度。所以，电机装配完成后应对其进行空载磨合。磨合的目的是增大电刷与换向器的接触面积，一般应使接触面积达到80%以上，这样在负载时才能保证良好换向。为了缩短磨合时间，可以用提高电压的方法使电机转速提高，但要考虑电机的机械强度，不能高出额定转速过多。未经磨合的电刷与换向器的接触面不够，即为局部接触，使接触处电流密度增大，造成换向不良，电机出厂后造成返修率增加。
    电刷的磨合为什么在这里单独讨论？因为现在大多数生产电动自行车用直流电机的厂家省去或忽略了电刷磨合这一重要工序，原因有二：①有刷磨合需要设备、场地和时间，在不了解它的重要性的情况下，就把它省掉了，特别是生产任务紧张的时候；②整车厂的误区：整车厂由于无电机正规检测设备，一般只检测电机的空载电流和运行噪声，并对这两个指标提出过高要求。而未磨合的电机，由于电刷与换向器接触面小，有时反映出空载电流和噪声还低一些，整车厂反而觉得满意。所以，劝告电机生产厂家，电刷磨合步骤不能省；还希望整车厂的技术人员，不要盲目追求小空载电流、低噪声。这两项指标只要符合标准就行。
    衡量电机换向好坏最简便的方法是：当电机在额定负载下运行时，观察电刷后刷边产生火花的情况。为此，在电机刷架处应有能打开的窗口，以便观察。但是，对电动自行车用直流电机，由于设计紧凑，不存在这样的窗口，也就无法观察电机换向的情况，也就无法回答换向好坏的问题。而换向好坏又是影响电机性能的重要指标。怎么办？最好的办法是根据标准（目前一般是企业标准）进行寿命试验（又称无故障运行试验）。寿命试验后，将电机解剖，检查换向器表面和碳刷磨损情况。若寿命试验合格，说明电机换向也应该是合格的。
    目前，因为寿命试验需要设备和时间，有的企业也不清楚寿命试验怎么做及其有什么样的要求，因此很少有企业做此试验的，虽然企业标准中有此要求。
实际上，只有通过做寿命试验，企业对自己的产品才能真正做到心中有数。
    综上所述，换向问题是直流电机的一个重要问题，换向好坏直接影响直流电机无故障运行的时间。换向出现问题是电动自行车用直流电机的主要故障之一，应引起充分重视。如前所述，换向问题是一个复杂问题，但换向好坏最终体现在电机负载运行时后刷边火花的大小上。要采取措施使火花大小符合要求，这样就能使电机无故障运行时间延长。
    上面介绍了改善换向的方法和措施，企业在生产中应该加以注意。能否应用这些方法和措施，关键看企业的质量意识如何。为了使产品换向合格、质量稳定，应抓住三个方面：第一，把住进厂关，对进厂的零部件要进行严格的检验，不让不合格零部件进入生产线；第二，把住生产工艺关，要有合理的工艺流程和操作规范，要有必要的保证产品质量的工装夹具，要有熟练的按操作规程要求操作的工人；第三，把住出厂试验关，产品出厂前应做必要的试验，该做电刷磨合试验应该坚持做，出厂试验应按照符合试验标准要求的试验规范严格进行，使不合格产品出不了企业大门。
    当前，电动自行车市场竞争激烈，产品质量鱼龙混杂，但最终必然是优胜劣汰。只要企业能重视质量，不断提高自己产品的品质，就一定能在激烈竞争中胜出，并将企业做大做强。
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