電刷與電機裝配位置的分析與檢測

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興 314009 ）

電刷與電機裝配位置的分析與檢測

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興 314009 ）

針對電動工具電刷與電機之間裝配位置所見問題，簡述電刷、刷架、電機間的位置關(guān)系。從電刷與換向器的軸向、切向、徑高三個方向，舉例介紹一種實用的檢測方法，為電刷與電機間裝配位置的調(diào)整提供了技術(shù)參考。

電動工具；電機；電刷；換向器；檢測

0 引言

電機是電動工具的核心部件，大多通過電刷與換向器的滑動接觸實現(xiàn)電流的導入導出。

在實際生產(chǎn)制造過程中，電刷與電機之間的裝配位置不正確現(xiàn)象屢有發(fā)生，由此帶來的直接后果是損壞電刷和電機，繼而降低工具的使用壽命。本文以對開式機殼結(jié)構(gòu)的串勵電機為例，介紹一種電刷與電機裝配位置的檢測方法，為電刷與電機間裝配位置的調(diào)整提供技術(shù)參考。

1 概述

電刷的材質(zhì)較脆，往往需要被穩(wěn)固在刷架的刷盒中使用。電刷在刷盒內(nèi)不僅需要上下自由移動，在彈簧的壓力下，還需在不斷磨損的同時與換向器持續(xù)保持緊密接觸。

對電機而言，刷架和電刷都是極其重要的部件，不管電刷的特性多么好，如果刷架不合適，電刷不僅不能充分發(fā)揮它的優(yōu)良特性，而且會給電機本身的性能和壽命帶來較大的負面影響。電刷架的結(jié)構(gòu)必須牢固，保持電刷穩(wěn)定期間還需減小除了受彈簧壓力外的其他力對電刷的影響；另外，電刷架的結(jié)構(gòu)還應便于進行電刷的檢查或更換。

在電動工具產(chǎn)品中，需要調(diào)整電刷與電機間的裝配位置時，可通過調(diào)整電刷架裝配位置來實現(xiàn)。

2 分析

圖1為某對開式機殼的電刷與電機之間裝配結(jié)構(gòu)，圖2為電刷與換向器間的位置方向。圖1中，左機殼的刷架定位筋牢牢控制住了上刷架、下刷架相對于換向器在軸向、徑向的定位和切向的其中一個方向定位，垂直于左機殼分型面的另一個切向方向被右機殼的刷架定位筋（圖中未顯示）壓配定位；電刷安放在刷盒中，在彈簧的壓力下，始終與換向器緊密接觸。

圖1 某對開式機殼的電刷與電機間裝配結(jié)構(gòu)

圖2 電刷與換向器間的位置方向

1）電刷在換向器的軸向位置

在換向器的軸向位置，靠近轉(zhuǎn)子后軸承一側(cè)，電刷端面一般會向換向器端面的內(nèi)側(cè)伸入一段距離。如果電刷端面伸至換向器端面外側(cè)，僅部分截面與換向器的圓表面接觸，電刷的電流密度增加，電刷和換向片間的火花增大；增大的電刷火花迅速損壞換向片在端面與圓弧面的相交部分，進一步增大電刷火花，加速電刷磨損，縮短了電刷使用壽命。

與換向器圓表面沒有接觸到的電刷截面部分，隨著電刷在刷盒中的不斷磨損、跳動，因與電刷主體連接太少而掉落，掉落的電刷顆?；蚩蓳p傷換向器表面或電機繞組，造成電機損壞。反之，電刷端面距離換向器端面內(nèi)側(cè)太多，則與電刷接觸的換向器外圓表面有必要加寬，由此增加了換向器的制造成本。如果與電刷接觸的換向器外圓表面欠寬，朝向換向器掛線鉤方向的電刷端面，可能觸及換向器繞線掛鉤附近的未加工面，產(chǎn)生較大火花，引起換向器繞線掛鉤點焊處過熱，繼而造成繞組短路或斷路損壞。

如上，在轉(zhuǎn)子后軸承一側(cè)的電刷端面，建議距離換向器銅排端面內(nèi)側(cè)0.8mm～1.0mm較為適合。

2）電刷在換向器的切向位置

在換向器的切向位置，電刷中心應處在電機的幾何中心線上，以預防運行時電機繞組因電抗電勢作用在電刷和換向片間產(chǎn)生較大火花甚至環(huán)火現(xiàn)象，保護電刷和換向器不被燒毀。

檢測機殼（尤其是筒式機殼）上的電刷架時，通常采用通規(guī)貫穿上、下電刷架，查看通規(guī)在電機的上、下電刷架內(nèi)活動順暢情況來確定電刷架的垂直度和位置度，從而判定電刷是否處在電機的幾何中心線的位置上。

該方法精確度欠佳，原因在于上、下電刷架間的垂直度和位置度與電機的中心線之間沒有直接關(guān)系。即使上、下電刷架的中心恰好處在電機的幾何中心線上，電刷的中心也并不完全處在電機的幾何中心線上。電刷與電刷架的內(nèi)腔間應留有一定的間隙，以確保電刷在不斷磨損的過程中，能在彈簧的壓力下與換向器持續(xù)保持緊密接觸。當電機旋轉(zhuǎn)時，隨著電刷與換向器的摩擦，電刷在換向器的切線方向靠在電刷架的側(cè)面，所以電刷的中心并不完全在電機的幾何中心線重合。電刷越短，電刷中心相對電機幾何中心線的偏移量越多。

3）電刷在換向器的徑向位置

在換向器的徑向位置，電刷截面與換向器的外圓面始終緊密接觸，所要考慮的是電刷在刷盒下的露出部分，即刷盒下端邊緣與換向器表面的間隙，建議取2.0mm即可。太大則電刷易因顛動而破碎，太小則刷架易碰擦，電刷與換向器接觸表面間的熱量不易散開，進而融化、損壞刷架。另外，電刷受熱后易膨脹，電刷粉末易在刷盒口堆積，一旦堵塞刷盒口，電刷即被卡在刷盒中，損傷電刷與換向器的接觸面導致工具斷路。

上、下電刷架相對獨立裝配在機殼中，電刷架在換向器的徑向方向上，存在上、下刷盒的下端邊緣至換向器軸線間距離不相等的裝配偏差。該偏差值大，上、下刷盒內(nèi)的電刷彈簧對電刷的彈性壓力差值相應增大，從而造成上、下電刷架內(nèi)的電刷磨損不一致。

3 檢測準備

在左、右機殼的轉(zhuǎn)子前、后軸承檔位處，確定左、右機殼定位筋形成的圓孔直徑與轉(zhuǎn)子前、后軸承外圈為過盈配合。

取一套完整的新機殼，去除一部分軸承定位筋，保留能檢測軸承定位筋尺寸及正確安放軸承的部分，在轉(zhuǎn)子前、后軸承的定位筋位，分別放入對應軸承外圈的軸承，合上機殼，鎖緊機殼螺釘，確定軸承外圈與對應機殼定位筋為過盈配合。

確定左機殼的刷架定位筋符合設計要求。如圖3所示，采用卡尺檢測圖3中左機殼的上、下電刷架定位筋尺寸A、B、C、D，確定符合設計要求（注意：B、D要求固定電刷架前、后端的機殼定位筋符合設計尺寸要求）。檢查刷架其他定位筋，確認無“大飛邊”等缺陷影響電刷架的正確裝配。

確定裝配入機殼中的電刷架被緊固。電刷架在機殼中產(chǎn)生松動會影響電刷架在機殼中的位置判斷，導致電刷在工作中火花增大。預先在右機殼靠近電刷架的位置處開孔（注意盡量少的損傷到定位、壓緊電刷架的筋），孔的大小以確保用手或其他工具可觸碰到電刷架為宜。將上、下刷架裝配入左機殼中，合上右機殼，鎖緊螺釘。用手或其他工具觸碰到電刷架，分別向電刷架的各個方向施加一定的力，確保緊固效果。

圖3 左機殼的刷架定位筋

4 檢測過程

4.1 軸向檢測

將檢測合格的電機、電刷、刷架等料件，正確裝入圖1所示的左機殼內(nèi)，合上右機殼，鎖緊螺釘。啟動電源，電機在機殼中空載運行一段時間，待電刷截面與換向器表面全部接觸后打開機殼，發(fā)現(xiàn)在換向器表面留下與電刷的磨痕，用卡尺直接測量磨痕與換向器端面間的距離。

由于上、下電刷架相對獨立裝配在機殼中，存在兩電刷架中心線在換向器的軸向上相對錯位問題。

相同時間內(nèi)互相錯位的兩個電刷，在與換向器表面的摩擦過程中，單個電刷截面與換向器表面之間產(chǎn)生的磨痕淺于兩個電刷截面同時與換向器表面之間產(chǎn)生的磨痕。分別測量深、淺磨痕與換向器端面間的距離，計算出差值，即可得到上、下刷架在換向器軸向錯位尺寸。

4.2 切向檢測

在電刷與換向器的軸向位置檢測中，我們老化了電刷。此時可將電刷從刷盒中取出，察看電刷與換向器表面摩擦配合的弧形截面，確認電刷截面全部與換向器表面接觸后，用卡尺分別測量電刷弧形截面的上、下端面長度，見圖4。

圖4中，如M≠N，表明電刷不在電機的幾何中心線上，需在換向器的切向方向測算出電刷中心的偏移量，并調(diào)整電刷架位置至M=N或M、N之間的差值處于允許的偏差范圍內(nèi)為止。

圖4 下電刷截面中心相對換向器中心的偏移量

假定圖4所示電刷為機殼中下電刷架的電刷，電刷的換向器切向尺寸為5mm，與電刷配合的換向器外徑為24mm，經(jīng)測量電刷上端面M為14.7mm，電刷下端面N為15mm?？衫枚S軟件畫出如圖3所示的電刷截面二維圖形，后以電刷的上、下端面與弧形截面間的交點a、b為圓心，以12mm（換向器直徑的一半）為半徑分別畫圓，圓交點為O，則O點即是換向器相對于電刷截面的實際所處中心，測量電刷中心線至圓心O的距離為0.703mm。

換向器圓心O作固定值可得出，電刷在換向器的切向方向上，電刷中心相對于換向器中心下偏了0.703mm，即電刷架中心相對于換向器中心，需向上偏移0.703mm。同理，也可得出機殼的上電刷架中心相對于換向器中心的偏移量。

對于可正反轉(zhuǎn)的電機，僅能保證電刷架處在電機的幾何中心線上，具體操作方法可參照上法。仍以機殼中的下電刷架內(nèi)的電刷為例，先使電機正轉(zhuǎn)一段時間，取下電刷，確認電刷弧面與換向器外圓表面全部接觸，測量并計算出電刷架中心相對于換向器中心的偏心量；將電刷再次裝入下刷架，使電機反轉(zhuǎn)一段時間，確認電刷弧面與換向器的外圓表面全部接觸，測量并計算出電刷架中心相對換向器中心的偏心量；將兩個偏心量相減，結(jié)果為零或差值處于允許的偏差范圍內(nèi)，則表明電刷架基本處在電機的幾何中心線上了。同理，也可保證機殼的上電刷架處在電機的幾何中心線上。

4.3 徑向檢測

從上述分析可知，電刷相對于換向器徑向位置的檢測，主要是針對刷盒下端邊緣與換向器表面間隙的檢測。在檢測前，可預先準備一套模擬轉(zhuǎn)子，模擬轉(zhuǎn)子的前、后軸承檔裝配尺寸和實際轉(zhuǎn)子保持一致，軸承型號與實際轉(zhuǎn)子的前、后軸承相同，模擬轉(zhuǎn)子在換向器位置處的軸徑略大于轉(zhuǎn)子后軸承的內(nèi)孔。

模擬轉(zhuǎn)子的前、后軸承檔上裝配軸承，在模擬轉(zhuǎn)子換向器位置軸向畫出標記線。盡量減小機殼變形的情況下，在右機殼的換向器處挖孔洞，孔洞大小可依據(jù)量具能準確測量到刷盒的下端邊緣，盡量靠近刷盒側(cè)面邊壁的位置，與模擬轉(zhuǎn)子標記線之間的距離為止。開孔時盡量保留電刷架固定筋。

如圖5所示，將裝配前、后軸承的模擬轉(zhuǎn)子組件，以及經(jīng)上、下電刷架一并裝配入左機殼中，合上右機殼，鎖上螺釘。用量具（如卡尺）測量刷盒的下端邊緣、盡量靠近側(cè)面邊壁位置，與模擬轉(zhuǎn)子標記線處之間的距離，分別為圖5中的E、F、G、H。

圖5 機殼中電刷架與假轉(zhuǎn)子標記線處間隙測量

理論上，E=F=G=H。實際中，同樣是由于上、下電刷架，相對獨立裝配于機殼中的緣故，上、下電刷架在換向器的徑向方向上存在著尺寸偏差，從而造成了E≠F≠G≠H。所以判定刷盒下端邊緣與換向器表面的間隙，依據(jù)E、F、G、H處在理論上允許的范圍內(nèi)即可。

5 結(jié)語

對電刷與電機之間的裝配位置進行檢測是電動工具制造中較為繁瑣的工藝過程，作為技術(shù)人員，不僅需要對電刷與電機間裝配位置的重要性保持清醒的認識，更需要有足夠的耐心，才能確保量產(chǎn)工具產(chǎn)品使用壽命的不斷延伸。

[1]汪鎮(zhèn)國.單向串勵電動機的原理設計制造[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1991.

小知識

三線表的規(guī)范格式

三線表是科技論文普遍采用的一種表格形式。通常只有3條線，即頂線、底線和欄目線，“三線表”便以此得名。當然，三線表其實并不一定只有3條線，必要時可加輔助線，但無論加多少條輔助線，仍稱為“三線表”。

1 表序與表題

表序即表格的序號。在論文中，表序按表格在文中出現(xiàn)的先后用“l(fā)”開始的阿拉伯數(shù)字連續(xù)編號，如“表l”、“表2”等。如果一篇論文中只有1個表格，則表序編為“表l”。

表題指表格的名稱。表題應準確得體，簡短精煉。要避免用泛指性的詞語做表題，如“數(shù)據(jù)表”、“對比表”、“參量變化表”、“計算結(jié)果”等，這樣使得一些標題缺乏專指性，不便于理解。

每個表格都必須有表序和表題，表序和表題之間留l個漢字的空格，其間不用任何點號。

2 項目欄

項目欄指表格頂線與欄目線之間的部分。項目欄中一般要放置多個“欄目”，每個欄目反映了該欄信息的特征和屬性。

3 表身

三線表內(nèi)底線以上，欄目線以下的部分叫做表身，它容納了表格內(nèi)大部分或絕大部分信息，是表格的主體。書寫表身時應注意以下問題：

①表身內(nèi)的數(shù)字一般不帶單位，百分數(shù)也不帶百分號(%)，應把單位符號和百分號等歸并在欄目中。如果表格內(nèi)全部欄目中的單位均相同，則可以把共同的單位標示在表格頂線上方的右端。

②表身中同一欄各行的數(shù)值一般應以個數(shù)位(或小數(shù)點)等符號為準上下對齊，而且有效位數(shù)應相等。

③相鄰欄內(nèi)的文字或數(shù)字相同，應重復寫出，不可使用“同上”等字樣或用其他符號代替。表身中的數(shù)據(jù)書寫應規(guī)范。小數(shù)點前的“0”不能省略；小數(shù)點前或后每隔3位數(shù)都應3位分節(jié)。

④表身中無數(shù)字的欄，根據(jù)GB7713—87規(guī)定：“‘空白’代表未測或無此項，而‘-’或‘…’(注意‘-’應與陰性反應表示相區(qū)別)代表未發(fā)現(xiàn)，‘0’代表實測結(jié)果為零”。

Analysis and Tset of SssemblyPosition between Brush and Motor

Li Xiaozhong

(YAT Electrical Appliance co.,ltd., Jiaxing 314009, China)

Due to the incorrect position of the assembly position between the brush and the motor of the electric tool, the relationship between brush, brush holder and motor is described.From the three direction of axial, tangentialand radial height to brush and commutator, a detailed analysis of the assembly position between the motor and the brushis given. This paper provides technical reference for the adjustment of the assembly position between the brush and the motor by introducing a testing method of it.

Electric tools; Motor, Brush; Commutator; Test

TM205

A

1674-2796（2017）01-0005-05

2016-11-07

李孝忠（1974—），男，大學?？?，工程師，主要從事電動工具產(chǎn)品研發(fā)及技術(shù)工作。