换向器焊接技术

2018-11-13 13:48:00
陆启蒙
原创
1892

换向器 焊接方法

有许多方法可以把通用电机或直流电电 机线圈引线焊接到换向器上,最简单的方法 是用锡 /铅合金焊接。当 TIG( 钨极惰性气体 ) 焊接有时使用时,换向器的压熔焊是起重要 作用的方法。换向器熔焊通常使用在建造相 当大的电枢时,而换向器压熔焊通常是用在 制作最小的马达电枢线圈到中等的电枢线 圈。

锡/铅焊接或无铅合金都有缺点。使用软 焊料比较困难。在某些情况下,如把有毒铅 或其他废料释放到周围环境,当焊接的电枢 超负荷,焊料有再次融化的趋势,这样会污 染换向器甚至是毁坏电枢圈。当足够的焊料 离开接口,引线会离开换向器,毁坏连接。 TIG 焊 接 产 生 很 高 的 温 度 , 超 过 6000F(3315C), 维持相当长的时间。要掌握这 个温度,需要设计一个特殊的换向器。在使 用中, TIG 焊接对电枢并不实用,除了一些 特大型的铁路牵引电机外。 然而,铜焊比 TIG 焊接便宜,与 TIG 焊接比它使用较低的温度, 可以有效地用在目前已知的最大的电枢上。 在十九世纪六十年代,完全机械的换向 器连接系统发展,已经可以将绝缘磁引线嵌 入有槽的换向器。在中等速度、压力、高强 度下,通过钢轴与换向器线槽的摩擦产生热 量。线槽两端加热的铜,被压入槽中,在槽 中热金属气化了磁线的绝缘薄膜,把引线收 拢于槽中,来固定引线。这个过程与今天的 摩擦移动绕线工艺非常相似。


换向器压熔焊

压熔焊是一种用电阻焊接机械连接低 电阻金属的系统,而溶接的零件没有明显变 形。事实上零件被加热和推压在一起,直到 零件之间所有的空气消除为止,一个零件的 高位被推入到另一零件的低位。反之亦然。 表面粘附接触将零件固定在一起。

表面相互粘附接触不是裂缝,它是压接 接头,仅影响表面深度 0.0002 英尺( 0.005 毫米),无金属混合作用。中等强度的接头, 适用于特殊设计的压熔焊零件。

换向器的压熔焊是使用通用压熔焊工艺 的一种特定方法,这种方法是将串激通用电 机或者直流电马电机电枢的引线(表面绝缘 的电磁线)焊接到换向器上。

换向器一直由铜, 不锈钢,镍,碳,石 墨,碳和石墨的混合物,银,金等制成。这 些物质是被用来满足特定型号电机的特定要 求。

导线通常用铜制成, 但是也用铝, 黄铜, 银,锡包红铜,镍包红铜,和许多特殊合金, 无铜导线被使用在特殊场合,例如,一些要 求无铜材料的场合。

在微电机到中型串激电机或直流电机生 产中,现在将引线连接到换向器上的唯一可 实行的经济方法就是换向器压熔焊。当换向 器设计成使用压熔焊时,则压熔焊的接头比 银钎料更牢固,除了机器成本和机器的使用 费用外无其它费用。

历史

大约五十 年前,管壳型换向器被用于大 批量生产的串激电机和直流电机。这种换向 器是用铜管或扁铜轧成管子制成。管内填充 模塑料,铜管被切成若干个换向片或换向器 铜排。换向片之间没有用云母或其它材料隔 开,它们被气隙隔开。

在开展换向器压熔焊之前,换向器和导 线之间的大多数连接是在锡 /铅合金熔池中 用软钎料实现的。通常,换向器安装在电枢 轴上,去掉绝缘层的引线嵌入换向器铜排的 槽口内,然后放入钎料槽。可以使用各种方 法防止焊料仍留在电刷接触面上。例如,选 择部分溶剂和遮盖等。当焊料仍留在电刷接 触面上时,这些方法通常不用。其后电刷接 触面只能在车床上车削电枢。


管壳型换向器、换向片之间具有气隙, 当浸沉焊管时,换向片之间积累的焊料,使 它们短路。半削电枢将不能去除这些焊料。 唯一的解决办法是下割换向器,但是,这种 方法也有问题,因为不能得到一种锯片靠近 换向器后段,还有,下割的成本被认为含消 除管壳型换向器。

许多生产商用烙铁或钎棒堆放在换向片 上的焊接导线的那个部位,但是,要做好这 项工作,要求熟练的技术人员。各种类型的 自动焊机都已试用,发现电阻焊剂最好。 为此目标, JOYAL 公司以前一直生产电 阻焊接机,发现不用钎料就能生产合格接头, 这是换向器压熔焊的开始,过去生产各种焊 剂,基本上都是电阻焊剂。这些焊剂虽然工 作 良 好 , 但 是 只 能 压 熔 焊 其 导线 尺 寸 在 AWG20-70 范围内的那些电枢和已经开槽的 换向器。当人,这种导线的连接部位必须预 先去除绝缘层。

1959年下半年,发明了专门适合换向器 压熔焊的焊剂,并取得专利(美国专利号: 3045103)。这种焊剂使用专门生产的大型压 熔焊变压器,绝缘等级发,有弹簧随动件, 压熔焊头及电极周围的冷却装置。这种焊剂 有各种型号,其区别仅仅是转动电枢从一个 换向片到另一个换向片所用的饿分度机构类 型以及单机上使用的压熔焊头数量。这些年 来,焊剂结构已经发生了明显变化, 但是 1959 年设计的基本原理仍然适用。

压熔焊与焊接比较

“压熔焊”与“焊接”这两个词被很多 人混,但是两个过程和它们的机械是有区别 的。电阻焊接(点焊)是将金属局部加热塑 性状态,然后对这种塑性金属加压,使之结 合一起的一种连接金属方法。被连接的金属 通电,使金属内部加热。金属本身的电阻及 被焊金属(或许电极)之间的接触电阻决定 了电流两及金属达到塑性状态所需的通电时 间。因为被焊金属必须内部加热,导电装置 的电阻必须比被焊金属的电阻低。 当压熔焊时,情况相反。通常,载流装 置中有一个装置变热,这是因为该装置的电 阻高于被压熔焊的零件。这个变热的载流装 置(电极)将其热量扩散到被压熔焊的零件 内。

在焊接中,需要冷却系统来保护焊接变 压器,电焊电极和其它载流装置免受被焊零 件传来的任何热量。由于热量是在零件本身 产生的。工件将这种热量的一部分扩散到工 件本身,所以冷却系统将不需吸收大部分热 量。在压熔焊中,热量是在电极产生的,并 在工件和其余载流系统之间扩散,因此压熔 焊系统中的冷却系统必须比焊接系统中的冷 却系统大。无论压熔焊变压器还是焊接变压 器都同样产生热量,但是,由于较多的热量 从压熔焊电极传到压熔焊变压器,所以压熔 焊变压器必须有较高的热额定值。冷却系统 和熔焊变压器是专门设计的。

当压熔焊时,由于金属是在没有达到塑 性状态时加压合成一体,所以必须对工件施 加更大压力。这就是说,我们仍只能使工件 变软,依靠压力强行把零件合成一体。因此 必须通过电极对工件施加一致的预定重压 力,当然,如果载流量相同,压熔焊头比电 焊头重很多。如前所述,当焊接时,金属将 被混合化,而在压熔焊中,金属仅受压力, 依靠表面黏附力把金属固定在一起。压熔焊 头和有关部件也是专门设计的。

在换向器压熔焊中,外接导线通常是绝 缘的,在绝缘层驱除之前尚未作为接通的零 件处理。这就是说,必须把足够的电流加到 压熔焊电极上,将电极加热到能够扩散足够 的热量去除绝缘层。电与导线本身可能会破 坏,此热量必须在非常短的时间内通过和用 绝缘方法完全去除,否则引线不能被熔焊到 换向器上。去除这种绝缘层的唯一方法是采 用火花汽化法。通常在小于 80 毫秒的时间 内,温度高于 3000℉(1648℃)。一般地说, 如果我们在规定时间内施加的电流密度如同 压熔焊中所有电流密度那样大,则电阻焊接 系统将过热,即使采用最佳冷却系统也是如 此。与电阻焊接相比,压熔焊机必须使用大 多的载流装置,不同副边绕组的压熔焊变 压器,和一个完全不同的电极系统。再则, 实际取得压熔焊接头所用的装置是专门设计 的。

压熔焊接头

就像先前说过的,被压熔焊到换向器上 的那部分导线上的全部绝缘层必须去除掉, 如果仅有部分绝缘层被去除掉,呀 2 熔焊则 仅在此部分导线上取得。

从电机设计师的观点看,绝缘层必须被 剥到裸导线表面面积至少与导线剖面面积那 样大。如果换向器设计得当,处理现今使用 的任何已知类型的表面绝缘电磁线是非常容 易的。使用压熔焊图表尺寸,可以得到连接 面积至少等于导线截面积的 10 倍。大多数问 题出现是因为换向器设计不正确或者使用不 当。

因为接头包括未混合化的金属,而且仅 靠表面粘附力使金属固定在一起的,所以这 样接头在物理性能方面不及焊接头坚固。在 钩型换响器上,弯钩可能会被强行拉开,而 在槽型换向器上,有可能拉出这些在槽底的 那些底线。如果换向器设计成压熔焊。这种 物理性能减弱并不影响到接头的完整,因为 你要取出导线或提起弯钩,将不得不破坏接 头。

作为共同关心的问题,因为接触到热电 极的材料达到熔融状态,一起流动,所以连 接到槽型换向器的上部导线与换向器的轻微 的混合化作用。这样轻微动效应形成相对坚 固的合格接头,因为这样接头的结构一般是 实心的。

上槽压熔焊是一种特殊焊接方法,换向 器槽内的上下导线融合,正象单根上导线那 样,这种方法要求使用一台换向器机将导线 插入换向器内。 最终连接是融合上, 下导线, 但只需要一般融合常规材型换向器能量的 20%,然后需要记住,换向器机必须在这种 工艺中使用。

压熔焊的钩型换向器现在用于转速超过 150000转/分钟的电枢上,换向器直径约 0.05 英寸(12.70MM ),在旋转时即使离心力加到 弯钩上,压熔焊的弯钩也不会升起。在高转 速期间,压熔焊的换向器将会在压熔焊的接 头断裂之前分裂开来。

SN-压熔焊

除了电机使用不分裂换向片的钢云母型 换向器,SN 压熔焊可以用于导线连接到换向 器,过程不能被用于换向器的焊接。这是由 于运用 SN 压熔焊的热量水平太高以至于不 能用在任何型号的塑模换向器。

SN 压熔焊方法,首先用于焊接单一绝缘 导线和铅导线。在焊接过程中,绝缘膜自动 被去除。后来,有了许多方法的,用锡管可 以焊接大量的磁性导线,以及将导线焊接到 锡上。同样,也可以将大量的锡焊接到装在 起动和牵引电机上的换向器。

SN 压熔焊需要一个镀锡的导线。 锡的作 用是对被焊接的金属进行清洁和净化。没有 锡包裹的话,可以获得连接头,但是没有强 到足够有效。也可以用金和银代替锡,考虑 到成本,通常金和银不实际。

要获得一个好的连接头,绝缘和相异的 物质必须在焊接中去除。 这样,裸锡和铜(或 富含铜的合金,如黄铜)在连接面上。连续 加热连接处,导致了连接处的锡被去除。如 此,连接处在热度和压力下,锡就和铜连接 在一起了(或富含铜的合金)。干净的金属被 紧紧地夹在一起,而且加热到它们融化连接 到金属表面,结果形成扩散压熔焊。其定义 如下:

扩散压熔焊 :也称作扩散焊接法,一个 固体状态的 焊接工艺,通过应用压力,在一 个上升的温度下,工作对象不产生微塑变形 或移动。 以上的定义来自杰弗逊的焊接百科全 书,于 1997年由美国焊接协会出版 (坐落在 美国弗洛里达的迈阿密) ,是工业标准, 美国 国家标准机构的标准 a3.0-94,1940 年,第一 次出版,最近一次在 1994 年修订。

换向器的设计

过去把导线连接到电机换向器上几乎都 采用焊接, 90%换向器嵌线固定导线,而不 是弯钩,弯钩被用在一些有限的使用场合, 但其形状与当今压熔焊使用的弯钩形状有很 大差异。现在二者之间的百分比正好相反, 将导线固定到换向器上,使用弯钩为主。

槽型换向器

设计钎焊时,换向器的嵌线槽必须足够 宽,使以至于可以允许焊料流入槽内,包住 导线。如果我们试图在专门为钎焊设计的槽 内进行压熔焊,我们一般得不到满意的接头。 换向器嵌线槽的槽壁和导线之间必须没有或 几乎没有空隙。当我们压熔焊这种槽时,我 们必须使导线变形到槽的形状,把导线推到 槽壁,推到槽内各个角落, 迫使所有的空气 排出。如果我们使用更加宽大尺寸的钎料槽, 我们将不能把导线推压到槽壁,因为槽壁分 开太大。


理想的换向器嵌线槽是槽宽小于漆包线 直径,换向器穿线机用来把导线推入到宽度 较小的槽内。一个例子是 AWG20 导线,其 标称绝缘直径是 0.0346 英寸( 0.87 毫米), 可以用配备适当夹具的换向器穿线机将这种 导线插入到 0.032 英寸( 0.81 毫米)宽的槽 内。由于必须考虑到其它可变因数,例如, 换向器设计,漆包线绝缘类型,电极设计及 其它可变因数,理想的换向器槽不总是切实 可行的。

手工将导线嵌入槽内,槽宽必须大于线 径, 通 常 , 漆 包 线 直 径 和 槽 宽 之 间 相差 0.003-0.005英寸( 0.076-0.127毫米)是可以 接受的,但是,差值越小,连接越好。

槽深是所要嵌入漆包线总高度的 1.5 倍 左右,例如,如果我们把两根 0.020英寸(0.5 毫米)漆包线放在槽内,一根导线放在另一 根导线之上,则槽深必须是 0.060 英寸( 1.5 毫米)。如果两根导线左右平放, 槽深也不得 小于导线高度的 1.5 倍。如果槽深不够,导 线可能会被压熔焊电极切断,减弱其性能。 如果槽太深,将不能把导线推压到槽壁。

槽型换向器槽角约 30o,便于手工将导 线嵌入槽内,同样,也方便机器嵌线。 当使用槽型换向器,槽角约 30o的换向 器进行手工嵌线时,导线的直径一般较小。 引线被推压到槽壁,多余的导线只需少许推 力就可以解决,而且对电枢和换向器均没有 损害。

直角槽与斜槽角有些不同,直角回产生很多的导线留在槽的两壁。从工艺上讲,有槽角的换向器,其焊接结果可以满足生产要求。


顶部槽型换向器

顶部槽型换向器是一个将压熔焊电极的 热量直接转移到换向器导线周围区域的方 法。在压熔焊过程中,如果不先去除导线上 的绝缘薄膜,会直接地将热量转移到槽内的 导线内。为了完成这项工作,导线必须和换 向器引线机连接,并适当地被嵌入,以使槽 的宽度比导线的直径略微大一点。在导线插 入换向槽之后,借由主联机器,它们自动地 在换向器的表面被切断,以便导线裸露的交 叉域能到达换向槽表面的顶部。然后压熔 焊电极会接触到裸露的交叉区以及与换向槽 相连的壁面。采用这种方法,只需要很少的 热能,尤其是和通常的槽型换向器比较的时 候,热量被导入换向槽的内壁或是直接进入 了导线。

顶部槽型换向器的压熔焊因槽型结构, 无法进行手工嵌线。这种类型的槽型换向器 必须采用机器嵌线。换向器槽和刀片的尺寸 可参见压熔焊图表。

碳换向器

碳换向器有一个由碳和石墨(一种碳的 形式)构成的碳刷。这种换向器被采用的原 因是它能使电机里的电刷有很长的使用寿 命,也允许特定化学环境中对电机的使用, 并且不对碳刷造成损害。

如果您想要了解关于碳转换器更详细的 信息,请联系 Allem 并索取题为“碳转化器 —电动马达的未来”的论文样本。

热塑性基本换向器

大多数换向器是用热塑料为基础或做绝 缘体的(比如酚和三聚氰胺)。在换向片和电 枢轴,经过加热既不会变软也不会融化。耐 热材料相对是很贵的。作为替代品,一些相 对不那么昂贵的转换器就采用热后可塑性物 质(例如尼龙)。然而,加热后可塑性材料在 适度的温度中变软或融化。压熔焊的时候, 压熔焊电极产生的热量将会使得加热后可塑 性材料变软或融化,也可能扭曲或损坏换向 器。在热能控制的地方需要特殊的仪器,而 且必须被用于采用热后可塑性物质换向器的 方式焊接电枢。

换向器切断

线槽

为了允许导线的嵌入,线槽必须被切入 到换向片。这个类型的切割要么是进入换向 器的主体(升起切割)要么是切入垂直的附 加物内(梯级切割)。两种切割入铜通常都是 不可视的。这意味着只切割了铜并且进刀出 刀是同一个位置。借助梯级换向器,有可能 做到可视切割。

裂缝是分开换向器各部分的切处。这个 类型的切割通常被用于生产贝壳形转换器。 它是一种可视切割 , 如裁剪者经过铜的切割 进入一些类型的绝缘材料和(或)空气。

底切

底切是在换向器各部分之间消除预定数 量的绝缘材料的裂缝。理论上,切割只要除 去绝缘部分而不是铜;而实际上,少量的铜 也常常被切掉。绝缘物质,可能是云母,纸, 成型树脂等等肯定会被除去,以便不摩擦电 机的电刷或是过早使用。这个类型的切割是 可视的。

换向器的旋转

当电枢完全被装配好 , 换向器碳刷表面 必须和电枢轴同中心,而且必须提早完成。 为了获得这完成和同中心,加工电枢的旋转 车床和钻石或钨碳化物切割机一起运作。 在本文中,关于使用电枢旋转转车床的 工艺不作更进一步讨论。

钩型换向器

采用钩型换向器,是因为在电枢的旋转 过程中导线通过旋转机器被安装上,消除了 对手动或机动插入而需要的换向钩。实际上 导线是被钩子包裹着,连接到机器的各个部 分。压熔焊所用的换向钩通常是无支撑的钩 子,并和换向器的表面呈 45o,它们必须和装 在工作台上的铁芯一起焊接。这类型的换向 器有许多问题,因此在大多数情况下都是不 实用的。最大的问题是几乎不可能通过机械 操作剥去导线上的绝缘物质。因此,绝缘的 自变电磁导线就被限制了。

设计得当的钩型转换器有一个大小充分 的圆形钩子来接受特定的导线。 理想情况下, 设计得当的话应该是个非导体 ,否则问题将 会出现在尝试使热在离钩型换向器区域不远 和不发生允许电线的绝缘薄膜蒸发过程中 , 而且是在不加热整个的转换器的条件下。换 向钩的形状从边上看应该是一个 U字形。如 果这个弯看起来像一个 V字形,那么在钩型 换向器关掉的时候,就可能有一种在压熔焊 过程中将导线切断的趋势,或是迫使导线出 换向钩。换向钩的厚度和宽度最起码要和电 线的直径相等,换向钩的长度至少是直径的 3.5倍。

没有提到的还有一些其他变数,而为了 使压熔焊接点结实则必须纳入考虑范围。换 向器的设计,磁性导线的绝缘类型,压熔焊 电极的类型,是必须考虑的三个变数。

结论

换向器压熔焊已经增加了通用电机和直 流电机的可靠性,必须理解电枢线圈和换向 器之间的连接是整个电机中最薄弱的环节, 如果我们充分领悟换向器压熔焊的理论,应 用它时应该几乎没有什么问题出现,并且这 个薄弱环节将稍许增强一些。

换向器铜焊是线圈引线连接到换向器上 的一种广泛使用的、证明令人满意的方法。 电机生产中的过去薄弱点一直是换向器连 接,如果正确进行,换向器铜焊将在可能的 较低成本上取得优于任何其他已知方法的结 果。但是,在能够成功地使用铜焊方法之前, 要求更充分理解这个方法。

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