換向器本身是一個通常由銅制成的開口環(huán)，該環(huán)的每一段都連接到電樞線圈的兩端。如果電樞具有多個線圈，則換向器將類似地具有多個段-每個線圈的每一端一個，彈簧刷位于換向器的每一側(cè)，并在換向器旋轉(zhuǎn)時與換向器接觸，為換向器片和相應(yīng)的電樞線圈提供電壓。當(dāng)電刷經(jīng)過換向器中的間隙時，所提供的電荷會切換換向器片，從而切換電樞線圈的極性。線圈中極性的這種切換可保持電樞沿一個方向旋轉(zhuǎn)。

電刷之間的電壓幅度在零和最大值之間波動，但始終保持相同的極性。換向器是分段構(gòu)造的，這些分段彼此絕緣。當(dāng)刷子從一個片段傳遞到另一片段時，有瞬間刷子同時接觸兩個片段。這被稱為中性面，此時，感應(yīng)電壓為零。否則，電刷會使線圈的兩端短路，并由于高壓而引起火花。

換向器表面要求

為了碳刷能在換向器表面既快速又平穩(wěn)的運行，換向器的表面必須有一定的峰谷高度， 為了避免產(chǎn)生過大的摩擦系數(shù)，換向器表面沿軸向測量時的峰谷高度為 6-10um時為最佳，在這個高度的前題下，車床紋數(shù)越多越好。

同時， 換向器的軸線在整個銅片長度上應(yīng)該是平穩(wěn)的運行， 如果換向器的表面太光滑， 碳刷在換向器表面運行的摩擦系數(shù)就會增大， 甚至于爬行而發(fā)出咯咯聲。在這種情況下， 換向器表面就不能形成正常的金屬氧化膜接觸層， 電火花會使換向器表面涂色不均， 從而增大碳刷的磨損。有好的一種情況是，在這種情況下?lián)Q向器有時會因為火花放電而變得粗糙起來， 持續(xù)一段時間后，碳刷最終會變成平穩(wěn)的運行。但多數(shù)會因為這種不平穩(wěn)的運行使換向器變得不圓， 碳刷會很快磨完，從而使電機短命。

換向器精車加工特點 換向器工作表面的精車加工質(zhì)量已經(jīng)成為影響有刷電機運行換向性能的關(guān)鍵，而對微特電機換向器表面精車加工的主要質(zhì)量要求有：換向器的外徑和長度尺寸符合工藝要求，外圓相對軸承擋的跳動不大于 0.006mm，外圓圓度不大于 0.003mm，片間高低差不大于 0.0015mm，表面粗糙度 Ra0.1μm ～ Ra0.8μm、 Rz0.8μm ～ Rz3.2μm，下刻槽槽口應(yīng)無飛邊或拉伸現(xiàn)象，表面紋路清晰、光滑、粗細均勻，表面無銅屑粘黏。

換向器表面加工特性

在電機行業(yè)中換向器的換向片材料主要有無氧銅（或電解銅）和銀銅合金材料兩大類。其主要成分均為銅，由于銅屬于典型的塑性材料，質(zhì)地韌軟，強度、硬度低。線膨脹系數(shù)大，加工易發(fā)熱，尺寸精度較難控制，易產(chǎn)生銅屑粘黏。且換向器工作表面加工有下刻絕緣槽，精車加工為斷續(xù)切削，在槽口邊緣易產(chǎn)生飛邊或拉伸現(xiàn)象。在切削過程中，隨刀尖的不斷切入，當(dāng)切應(yīng)力達到 并超過工件材料的屈服強度，開始發(fā)生塑性變形，形成剪切滑移 變形，而后隨著剪刀面對材料的擠壓，最終形成絲狀或帶狀切屑， 沿前刀面流出。

已加工表面受到切削刃鈍圓部分與后刀面的擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形和回彈，造成纖維化和加工硬化。在換向器 精車加工過程中，應(yīng)選擇合適的刀具材料、刀具幾何參數(shù)及切削參數(shù)，以控制切削溫升和已加工表面的變形及回彈，以保證換向器表面精車加工質(zhì)量。

換向器精車刀具選擇

PCD 刀具材料的特點 聚晶金剛石復(fù)合材料（簡稱 PCD）的主要優(yōu)點有：硬度高；耐磨性好；摩擦系數(shù)??；導(dǎo)熱系數(shù)高；熱膨脹系數(shù)低；與有色金 屬和非金屬材料間的親和力很小。其脆性大是 PCD 材料的缺點，這可以通過合理選擇刀具角度 和制訂相應(yīng)的加工工藝，以降低沖擊對它的影響。PCD 材料一般選擇淡黃色十二面體，結(jié)晶純、顆粒重不 大于 1.5 克拉的為最好。在刃磨之前應(yīng)對 PCD 材料精車定向，確定晶軸，找出刃磨方向，晶體盡量要完整，晶體頂角處不得有裂紋和裹體。

刀頭幾何形狀選擇 在車削加工過程中，車削加工后在已加工表面會留下極小部分未加工，殘留在已加工表面。當(dāng)進給量 f 不變時，刀頭圓弧半徑 r 增大則H減小，粗糙度下降。但一味增大r，由于與精車切削深度（即切削余量）、進給量不匹配，導(dǎo)致切削過程中對已加 工表面產(chǎn)生擠壓，以致加工表面刀紋紊亂、粗細不一致、有斷點、 不光滑。根據(jù)微特電機換向器精車加工留量和精車后的表面粗糙度要 求，精車刀尖形狀選擇 R0.1mm 較為合適。

刀具幾何角度選擇 根據(jù)換向器材料特性和微特電機換向器精車加工的余量很小等特點，故選擇較小的前角 γ=12°來保證刀具切削刃的鋒利性和較大的后角 α=14°以減少刀具后角面與換向器表面摩擦，控制切削溫度升高，導(dǎo)致切屑形成積屑瘤。

PCD 車刀刀刃非常鋒利，刃部粗糙度很低，摩擦系數(shù)小，切屑易于排出，但由于換向器為非連續(xù)的銅排表面，有下刻云母的窄槽存在，切下的銅屑呈針狀或顆狀，若不及時排出，很易飛濺或粘黏在換向器表面或刀尖上，影響換向器表面質(zhì)量。

由于 PCD 材料的耐熱性較差，當(dāng)切削溫度超過 700℃~800℃時， 它就會碳化（形成CO2）而完全失去硬度。銀銅的塑性變形大，摩擦系數(shù)大，在切削時和刃口及刀面的摩擦大，這樣當(dāng)提高切削速度，加大吃刀量時，因切削熱猛增而破壞正常切削，這給進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量造成障礙，在 PCD 車刀加工過程中選用高負壓的抽風(fēng)排屑方法，用高速氣流將切屑及時吸走，同時也對換向器和刀具表面起到冷卻作用。

結(jié)論

PCD 材料有硬度 大、耐磨、表面粗糙度值低、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點，采用此材料的刀具并選擇合適的刀具幾何角度和切削參數(shù)精車加工換向器，完全能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量要求，避免了傳統(tǒng)精車后用鉤刀清理槽口的弊端，因而能有效改善電機換向。

來源 |老趙說制造

審核編輯 黃昊宇