串激电机在高速运转中转子“飞线”的分析与探讨

刘述平

(宁波大华电器有限公司,浙江宁波315400)

本文将已经过全过程制造工艺的串激电机整机在高速运转过程中,转子换向器钩部的漆包线出现脱钩的现象称之为飞线。

1 工艺分析

纵观串激电机转子制造的所有工序环节,引起飞线的一般是转子绕线工序及其后续工序的所有环节,排除工件搬运过程中有碰撞的外在因素,基本要素锁定在转子绕线、转子点焊、转子滴漆、换向器外圆精车四个环节。下面按逆序逐一分析。

1.1 换向器外圆精车环节

该环节主要由于换向器精车机设备精车刀位置或轴向进刀位置调试不当所至。目前一般采用聚晶金刚石PCD左斜面宽刀刃的刀具来车削换向器外圆,如果刀具斜角过大或在满足车削轴向尺寸前提下将刀具中心调整过高,刀具上半部分极有可能碰撞换向器钩端面造成脱焊,此情形下,若在精车前沿工序的转子绕线环节本身存在首尾挂钩处双线头挂钩不完整,加之精车后续工序未设有包含检测焊阻项目的设备,则有脱焊的转子流入整机转配环节,在整机高速运转时就有飞线的可能。

解决措施有:(1)准确无误地调试好精车设备并加强三检(首检、互检、巡检);(2)控制好绕线环节;(3)在整机装配前增设包含焊阻项目检测的转子综合检测设备。

1.2 转子滴漆环节

该环节主要由于转子滴漆量不足,绝缘漆未将换向器钩部以下的漆包线有效地胶固住,此情形下,如存在绕线挂钩不良、点焊不良的隐藏缺陷时,转子在高速运转中将会甩脱漆包线,即所谓的“飞线”。

控制措施有:(1)无论是工艺参数的制定还是滴漆作业的生产过程中均要确保滴漆量的均匀饱满;(2)有效控制前沿工序中的绕线挂钩、换向器点焊环节。

1.3 换向器点焊环节

点焊环节是影响整个电机质量的关键环节。有效地控制换向器点焊是避免飞线必不可少的要素,其措施主要从控制点焊诸多参数中的点焊压力及防止虚焊和炸焊三大方面着手。

1.3.1 控制点焊压力

点焊压力既不宜过小也不宜过大,过小会造成虚焊和炸焊,过大则会使钩部漆包线被过分受压和过分受损,一般以受压后的漆包线的截面积为受压前原截面积的60%～80%为佳。点焊压力的控制又体现在控制虚焊和炸焊的设备调整上。

1.3.2 控制虚焊

所谓“虚焊”则是被焊接的转子换向器钩的内表面与钩内包裹的漆包线间的电阻值超出工艺标准(例如对于吸尘器电机,一般要求焊接电阻小于0.1mΩ,超出该标准则判为虚焊)。虚焊的表现特征是换向器钩内包裹的漆包线的漆皮未焦化或处于不完全焦化状态,致使漆包线的导电体(铜)与换向器钩内表面未形成有效的熔池而不能充分接触,虚焊较严重的可以看出被点焊的换向器钩与换向器片存在间隙。虚焊产生的原因有以下几个方面:

(1)点焊机设备的动电极(钨棒)和静电极(铜棒)与工件间的位置调整不当。较适合的动电极和静电极位置在此推荐如表1所示。

表1 动电极、静电极与工件的位置表

(2)弹簧压力与加压时间、通电时间的调整不适合

弹簧压力视各设备的机械结构和点焊后的漆包线受压截面积而定,加压时间与通电流时间则是在保证生产效率和点焊质量并重的前提下根据设备性能来设置这些参数。较先进的控制电源的加压时间和通电流时间包含如下几个部分,如图1所示。

图1 点焊时序图

图中:SQ为初期加压时间;RC为电阻预检时间;CP为电阻值判定时间;U1为第一通电阶段电流缓升时间;W1为第一通电阶段时间;D1为第一通电电流缓降时间;CO为停止时间;U2为第二通电阶段电流缓升时间;W2为第二通电阶段时间;D2为第二通电流缓降时间;HO为通电后保持时间。

调试中,为提升生产效率,将图1中的CO值设置为0,本文认为此举不妥,因为从电气控制角度而言,欲使可控硅从导通到关断要一个变化过程。该关断过程要么使阳极电位低于阴极电位,要么阳极电流小于维持导通电流,要如此变化就必然存在一个变化的时间。

(3)熔接电流值

设置熔接电流的参数视设备性能和工件材质及产品规格而定。根据图1的时序图解,结合实际经验,建议处于W2阶段下的第二通电电流WE2比W1阶段下的第一通电电流WE1要大,如果有的设备通电流阶段分得更细的话,例如将WE1细分成WE11、WE12、WE13,WE2分成WE21、WE22、WE23,在电 流设置上则可将整个过程的电流设置成:WE22＞WE12＞WE13=WE23＞WE11=WE21,之所以将WE11、WE21设置小一些,是因为对于无电阻预检(RC)功能的设备可以避免电极与工件接触的瞬间因接触不良而释放大电流产生“炸焊”的可能,而WE13、WE23较WE11、WE21设置得大一点,是因为经WE12、WE22大电流释放后作回火处理,设置WE22＞WE12是从钎焊的物理性质去考虑,即熔池的热量是从小到大进行变化的过程,而熔池中分子运动是由弱到强的渐变过程。

(4)动电极(乌棒)的几何角度

在保证乌棒机械位置调整正确的前提下,乌棒焊接端面与乌棒轴线间形成的角度也至关重要。对于不同规格、线径的漆包线应该采用不同角度的乌棒,以确保点焊后既无虚焊也能确保点焊处漆包线的线径变化在允许范围内。线径变化的允许范围一般规定为:受压后的线径为受压前的60%～80%,表2列举几种常规线径所对应的乌棒角度(并附上检验乌棒角度的简易检具的角度),供参考。

表2 漆包线线径与乌棒角度对应表

(5)炸焊

所谓炸焊,则是由于乌棒与换向器钩的外表面之间,或者换向器钩的内表面与漆包线之间,或者铜棒与换向器片之间的接触不良而总体上体现在设备释放电流时该瞬间流通乌棒与铜棒之间的电流未形成回路,造成炸焊,通常也称之为“炸钩”。防止炸焊的措施有:排除电极与工件间不应有污垢或表面氧化物,调整好上述的电极位置和设置好上述的加压压力、加压时间、通电时间、通电电流值等参数。

综上所述,点焊环节控制好以上要素后可有效预防电机转子产生“飞线”的现象。

1.4 转子绕线环节

转子绕线环节是引起“飞线”的内核环节,该环节主要体现在绕线张力机构调整、张力参数设置和首尾钩挂线拉断时角度位置调整不当。

(1)绕线张力机构调整与张力参数设置不当

对于有电子张力器的转子绕线设备,绕线张力一般包括设备的待机张力、飞叉加速时张力、飞叉最高速时张力、挂线时张力、分度张力等类别,其中对“飞线”造成影响的张力主要是挂线时张力和分度张力。

挂线时张力又称挂钩时张力,即为飞叉带着漆包线打向换向器钩部时和使线缠绕好钩后飞叉再带线抬起时的线的张力,该张力过小会产生挂钩不紧凑,过大则会使漆包线在挂钩的折弯处造成损伤,对于那些损伤极为严重的,在折弯处漆包线截面呈现出几乎断裂状态(该断裂状态能在转子拆线中体现出来,当拆线拆到钩部时线就断了)。隐藏此种状态的转子即便后续工序上的制造环节是完好的,但到电机高速运转时该隐患就暴露出来出现“飞线”。与挂钩张力相对应的是挂钩时飞叉打下去和抬上来的速度及加速时间、减速时间参数,根据不同规格的线径除选择适宜的挂钩张力,还要选择适宜的挂钩速度和加速时间。

分度张力则是飞叉完成挂钩动作后转子在绕线模内旋转到绕线位置时这一过程中的线的张力,该张力如果过大,如同挂钩张力一样造成挂钩折弯处漆包线严重受损,要么直接将线拉断,要么几乎断裂的截面埋下电机在高速运转时产生“飞线”的隐患。

为达到控制“飞线”的目的,必须设置适合的张力及其对应的速度等参数。即便在初次确定出适合的参数后,面对制程控制中的动态过程:如换向器钩部棱角变得较原来锋利或漆包线的材质发生变化、绕线机张力机构异常等等,那么原来所谓适合的参数也就不具有时效性,因此在制程控制中有必要通过拉升实验来确定参数的设置是否具有时效性。拉升实验的方法如下:(一)抽检出一绕好线的转子,将其挂钩部位的线段拆下置于拉升试验机上以某一匀速进行拉升,直至漆包线挂钩的折弯处断开时所产生的拉断力即为所测得的拉断力。(二)将所测得的拉断力数值与工艺规定的许可值进行比较,若小于许可值则判定为不合格。并及时调整绕线机设备的张力等参数或检查张力机构的机械部分是否异常或其他,纠偏至拉断力合格为止。

常规的线径所对应的拉断力列举如表3所示。

表3 不低于许可拉断力值参考表

(2)首尾钩挂线拉断时角度位置调整不当

挂钩绕线过程中挂完第一钩后转子需要旋转到某一位置由拉线机构将线头拉断,该位置常称为开始折断线角度,同理,挂完尾钩后需要折断线头的位置称为最后折线角度。这两种角度参数和起拉线作用的线夹机构位置调整不当会造成折断后的线头不完全缠绕在换向器钩上,滑落至钩边缘的线头如果在点焊后被压的范围极小,那么,这一线头在电机高速旋转中极有可能由于离心力的作用而甩出造成“飞线”。因此,设备调试时必须调整好以上两个角度位置,使首尾挂钩处挂钩完整。

2 结 语

通过以上分析可知,控制好转子绕线环节是控制好“飞线”的关键环节所在,辅之其他几个不可忽略的环节。伴随今后新技术设备与新工艺的发展,我们将开展进一步的探索。