Технология сборки и обработки коллекторов электродвигателей постоянного тока

Материаллы диссертации - Пелипенко, Ярослав Николаевич.

Повышение точности изготовления деталей электродвигателя с помощью переносного станочного модуля : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.02.08 / Белгород. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2006. - 21 с.
Электрические машины и аппараты -- Электрические машины -- Электрические двигатели -- Коллекторы -- Шлифование -- Проектирование технологического процесса
Технология машиностроения
устранение биения коллектора.   

https://search.rsl.ru/ru/record/01003289111

Принято считать, что история электрических машин начинается с создания М. Фарадеем в1821 г. электродвигателя, который представлял собой постоянный магнит, вокруг которого вращался проводник с током.

При создании электрических машин положенны в основу труды таких ученых как: П. Барлоу, Ф. Арато, Д.К. Максвелл, Э. Ленц, Б.С. Якоби и др.

Первым коллекторные электродигатели были построены в1870 г. немецким ученым З. Гролич.

За основу им были взяты ранее выполненные работы итальянского ученого А. Пачинотти по применению кольцевой обмотки.

Электрическая машина с кольцевой обмоткой и коллектором принято называть Пачинотти – Грамма (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Электрическая машина с кольцевой обмоткой Пачинотти – Грамма.

1 – кольцевой якорь; 2 – кольцевая замкнутая обмотка; 3 – отпайки на коллекторные пластины; 4 – щетки; 5 – постоянные электромагниты; 6 – полюсные наконечники.

В этой машине коллектор и обмотка были изготовлены из стали.

Прототипом современных коллекторных электродвигателей постоянного тока стала машина, созданная в1973 г. Ф. Гефнер-Альтенеком и В. Сименсом (рис. 1.2). Ее якорь по форме напоминал барабан, а обмотки и коллектор впервые были изготовлены из меди.

Рис. 1.2. Электрическая машина с барабанным якорем.

1 – коллектор; 2 – якорь; 3- щеточный механизм.

Начав свою историю с машин, в которых электромеханическое преобразование энергии осуществлялось в электрическом поле, в XIX и XX вв. электромеханика достигла больших успехов.

Мощности машин возросли в 100 и 1000 раз, расход материалов на единицу мощности был уменьшен в 10 – 100 раз. Были созданы для различных областей техники уникальные электрические машины не только как силовые преобразователи, но и как индикаторные устройства для точных навигационных и других систем автоматики.

В последнее время каждый день патентные организации во всем мире выдают патенты с названием «Электромашина» . В связи с этим трудно выделить из этого потока выдающиеся изобретения, так как слишком много было создано уникальных электромеханических систем, позволивших решить сложные технические проблемы.

Широкое внедрение электродвигателей во все сферы человеческой деятельности вызывает необходимость как увеличения конструкторских и технологических исполнений, так и улучшения их эксплуатационных и экономических показателей. Высокое качество электродвигателей, их эксплуатационная надежность и снижение трудоемкости изготовления в большой степени зависят от правильно построенного технологического процесса, соответствующего уровню современной технологии, обеспеченной необходимым технологическим оборудованием и оснасткой.

Технология электромашиностроительного производства – это часть общей технологии машиностроения, объектом которой является изготовление электрических машин необходимого качества, в установленном производственной программой количестве и в заданные сроки при минимуме себестоимости.

Технологическая структура изготовления электродвигателя включает в себя: производство заготовок, изготовление деталей, сборку машины, испытание, окраску, консервацию и упаковку .

В процессе совершенствования конструкции электродвигателей постоянного тока претерпевали изменения все узлы и детали, в частности серьезные изменения претерпел узел, выполняющий функцию коммутации между якорем и статором. На протяжении длительного времени были опробованы разные материалы и конструктивные решения, в результате чего был получен современный щеточно-коллекторный узел.

Надежность электродвигателей во многом зависит от технологии изготовления ее деталей и сборки.

Работа щеточно-коллекторного узла связана с воздействием трех групп факторов, связанных с электромагнитными процессами, физико-химической природой, скользящего контакта, механическими воздействиями и температурным нагревом.

К факторам электромагнитного характера относятся условия коммутации: электромагнитные нагрузки, напряжения между смежными пластинами, реактивная ЭДС, токовые перегрузки, в значительной мере определяемые настройкой добавочных полюсов.

Факторы физико-химической природы скользящего контакта определяются условиями токосъема (состояние контактной пленки на поверхности коллектора) и состоянием окружающей среды.

Факторы механического воздействия определяются технологическими и конструктивными особенностями машины (ослабление прессовки, эксцентриситет и эллиптичность коллектора, марка щеток и материал коллектора, технология сборки и изготовления, давление на щетку, частота вращения).

При этом наиболее опасными причинами нарушения работы щеточно-коллекторного узла остаются причины, вызванные влиянием факторов именно механического воздействия.

Одними из основных причин механического воздействия, нарушающими работу щеточно-коллекторного узла являются разрушение щеток вследствие нарушения цилиндричности коллектора, то есть наличия выступающих коллекторных пластин, а также искрение под щетками и круговой огонь вследствие биения, эллиптичности и эксцентриситета коллектора.

Трудоемкость его текущего обслуживания составляет основную долю затрат на содержание двигателя в целом. Особенно трудоемки: обточка коллекторов, устранение последствий круговых огней и «наволакивания» меди в межламельных промежутках. Поскольку эти явления принципиально взаимосвязаны, кардинальное решение проблемы надежности щеточно-коллекторного узла лежит на пути комплексного использования имеющихся резервов.

В частности данная проблема очень остро стоит на тяговых электродвигателях для электровозов.

В тяговых двигателях всех вновь проектируемых электровозов применяют коллекторные профили из медно-кадмиевого сплава (бронзы) БрКд-1. По сравнению с серийно используемой коллекторной медью с присадкой серебра (сплав МС-1) этот материал обеспечивает снижение интенсивности износа коллекторов и щеток в 2-2,5 раза. Он имеет низкий коэффициент трения и высокую стойкость к образованию наволакивания меди. Скользящая пара сплав БрКд-1 и щетки марки ЭГ61А обеспечивают пробеги без обточки коллекторов грузовых электровозов не менее 600 тыс. км, а пассажирских 0,8 - 1 млн. км. Смена щеток требуется через 150 тыс. км на грузовых и через 200 тыс. км на пассажирских электровозах.

И еще, что необходимо сделать в первую очередь - это повысить стабильность качества электрощеток ЭГ-61А. Данная марка - лучшая из отечественных для тяговых двигателей магистральных электровозов, по своим техническим параметрам - допустимой плотности тока, коэффициенту трений, механической прочности - она не уступает, а по некоторым параметрам превосходит электрощетки ведущих зарубежных фирм. Однако в последние годы наблюдается нестабильность технических характеристик электрощеток  серийного производства.

Определенные резервы повышения надежности щеточно-коллекторного узла заложены в дальнейшем совершенствовании его конструкции и технологии изготовления. Прежде всего, необходимо повысить поверхностную электрическую прочность и трекингостойкость изоляционных деталей - пальцев кронштейнов щеткодержателей, изоляционного вылета манжеты конуса коллектора.

На современных электровозах внедряется регулируемая система вентиляции, и тяговые двигатели большую часть времени работают при сниженном расходе обдуваемого воздуха до 1/3 номинальной величины. К сожалению, это приводит к недостаточно интенсивному выносу электропроводящих продуктов износа щеток, их осаждению на изоляционных деталях и при сопутствующем увлажнении - к поверхностному электрическому перекрытию.

В процессе работы происходит нагрев электродвигателя, особенно ее коллектора. В отдельных машинах температура нагрева коллектора достигает 200°С. Поэтому в конструкции электродвигателя предусмотрены специальные устройства охлаждения: воздушные, водяные, водородные и др.


Относительно коллектора можно сказать, что является одним из наиболее трудоемких, сложных и дорогостоящих узлов, в значительной мере определяющим срок службы электрической машины. В конструктивном отношении коллектор – это один из наиболее ответственных ее узлов. Он является основным преобразовательным звеном в работе машины. Коллектор вместе со щеточным механизмом исполняет роль выпрямителя в режиме работы машины постоянного тока генератором и роль инвертора – в режиме двигателя.

Сложность конструкции коллектора объясняется, во-первых, структурой кольца, состоящего из большого количества медных пластин, чередующихся с миканитовыми прокладками, во-вторых, сложными геометрическими формами сопряжения металлических и изоляционных деталей, какими являются стальные нажимные конусы, миканитовые манжеты и медные ласточкины хвосты коллекторных пластин, и, наконец, силовыми явлениями, возникающими под действием центробежных сил и температурных изменений.

Эксплуатационные требования, предъявляемые к коллектору, сводятся к обеспечению удовлетворительной работы скользящего контакта, то есть условий безискровой коммутации в сочетании с малым износом рабочей поверхности коллекторных пластин и достаточно длительным сроком службы щеток.

Одним из основных условий, обеспечивающих удовлетворительную работу скользящего контакта, является плотное прилегание щеток к рабочей поверхности коллектора при его вращении с заданной частотой. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы рабочая поверхность коллектора имела строго цилиндрическую форму и геометрическая ось этого цилиндра совпадала с осью вращения якоря.

Для обеспечения хорошей коммутации биение коллектора в собранной машине должно быть не более0,02 ммдля средних коллекторов и не более0,03 мм. Если учесть, что половина этого значения обуславливается зазором подшипников, эксцентриситетом подшипниковых щитов, то на долю допустимого биения коллектора остается 0,015...0,02 мм.

Конструкции коллекторов непрерывно развиваются и совершенствуются.

В настоящее время известны десятки конструкторских исполнений коллекторов для электрических машин малой и средней мощности, а также для крупных машин.

По конструкции и технологии изготовления коллекторы можно разделить на следующие основные типы:

1) коллекторы со стальными корпусами (см. рис. 1.4);

2) коллекторы быстроходных машин с бандажными кольцами;

3) коллекторы на пластмассе.

Коллекторы со стальными корпусами используют в машинах средней и большой мощности.

Конструкция представленного на рис. 1.3 коллектора называется арочной, так как посредством усилий, создаваемых стальными конусами, пластины коллектора прижимаются одна к другой, и между ними создается боковое давление, которое называют арочным распором.

Рис. 1.3. Конструкция коллектора на стальной втулке.

1 – стопорный винт, 2 – гайка, 3 – кольцевые канавки для балансировочных грузов, 4- нажимной конус, 5 – бандаж, 6 – изоляционные миканитовые манжеты, 7 – рабочая часть коллекторной пластины, 8 – зазор, 9 – изоляционный цилиндр, 10 – ласточкин хвост, 11 – петушок, 12 – корпус коллектора (стальная втулка), 13 – шлиц в петушке, 14 – комплект коллекторных пластин, 15 – коллекторная миканитовая прокладка



В связи с тем, что коллектор в основном состоит из коллекторных пластин и способы их закрепления в коллекторе достаточно известны , обратим внимание на технологию изготовления самих коллекторных пластин.

Традиционно коллекторные пластины изготовляют из холоднотянутой меди специального трапецеидального профиля . Для большинства коллекторов применяют медь марки М1. В зависимости от эксплуатационных характеристик двигателя используют также коллекторную медь с присадками кадмия, серебра, циркония и др. Традиционный технологический процесс изготовления коллекторных пластин имеет ряд существенных недостатков. Основным из них является экономичное использование дорогого медного сырья: только при штамповке пластины 30-40% меди идет в отход. Второй серьезный недостаток – низкая точность и качество штампованных пластин. Нарушением основных правил технологии является очередность операции штамповки, которая производится после более точной операции получения трапецеидального профиля. Поэтому, для того чтобы получить первоначальную точность профиля, вводят дополнительные доводочные операции: зачистку заусенцев, правку, калибровку при сборке. При этом многие операции выполняются вручную. Но даже при таком количестве дополнительных операций пластины, поступающие на сборку, не имеют достаточно высокую точность и качество. Дело в том, что окончательную механическую обработку контактной поверхности (поверхность, по которой пластины контактируют со щетками) производят после сборки коллектора. А при сборке (опрессовке) пластин в кольцо базовой является именно эта поверхность. Погрешности штамповки вызывают значительные колебания диаметра коллектора.

При изготовлении пластин из коллекторного профиля она подвергается значительным нагрузкам, особенно при холодной штамповке.

На рис. 1.4 показано коробление в поперечном и продольном сечении не смотря на выполнение последовательных операций рихтовки, имеют место остаточное коробление. Трудно устранимым является также деформация кромок и возникновение крупных заусенцев. В этом случае штамповочная операция выступает, как черновая формообразующая операция, что в принципе является нарушением принятом в машиностроении методов достижения точности. Дело в том, что операция формирования угла пластины является окончательной операцией, достигаемой в процессе волочения и калибровки профиля. Поэтому для особо ответственных электрических машин коллекторные пластины изготовляются непосредственно на металлорежущих станках. В этом случае достигается высокая точность, и устраняются погрешности, описанные выше.

Проблема механической обработки является дорогостоящей операцией, поэтому все стремяться использовать методы, позволяющие снизить стоимость механической обработки.

На рис. 1.5 показана схема наладки станка на обработку так называемых заготовок «габариток», обработка осуществляется дисковыми фрезами в специальном приспособлении, обеспечивающем отрезку заготовок за один рабочий цикл.

Пакетная обработка, резка заготовок профиля по длине пластины, осуществляется пакетом до 10 штук в пакете (рис. 1.5а) и резка фрезами (рис. 1.5б), где 1 – пакет коллекторных пластин, 2 – фрезы, размещенные на расстоянии .

На рис. 1.6 показана обработка ласточкиного хвоста коллекторной пластины, таким образом, значительно удобней обрабатывать на двухшпиндельном фрезерном полуавтомате с использованием специального приспособления кондуктора, позволяющего обрабатывать до десяти заготовок одновременно. Особенность такого приспособления - в наличии пластин прокладок соответствующих по углу профиля заготовки коллекторной пластины.

Рис. 1.4.

D₁ – погрешность в поперечном сечении коллекторной пластины

D₂ – погрешность в продольном сечении коллекторной пластины

Рис. 1.5

1 – пакет коллекторных пластин, 2 – фрезы,

l – длина заготовки, n – количество одновременно обрабатываемых пластин

Сопоставление стоимости обработки на фрезерных и токарных станках показало выгодность другого метода обработки, который заключается в том, что порезанные заготовки собираются в кольцевой пакет, опресовываются в кольцевом приспособлении с усилием 10 – 15 тонн и подаются вместе с кольцевой оснасткой на токарный станок (рис. 1.7). Обработка ласточкиного хвоста производится с одной установки, для обеспечения точности обработки использовался специальный измерительный шаблон, контролирующий правильность изготовления ласточкиного хвоста. Обработав, таким образом, комплект пластин коллектора зажимается в приспособлении, на этой операции базирование количественного пакета осуществляется по ласточкиному хвосту и ведется обработка наружной поверхности коллектора начерно.

Рис. 1.6.

1 – коллекторные пластины, 2 – Фреза

Рис. 1.7

Обработанный таким образом пакет коллекторных пластин подается на сборку, где производится его рассыпание и сборка в специальной оснастке, позволяющей устанавливать изоляционные пластины без повреждения.

Обычно в качестве материала изоляционных пластин используется миканит (толщина0,2 мм). Выпускаемые в России миканитные листы имеют значительный разброс по допуску на толщину. Поэтому для достижения точности сборки коллектора рекомендуется использовать миканитовые пластины, вырезанные из одного листа, или одной партии. При наиболее совершенном способе изготовления особо точных коллекторов, рекомендуется миканитовые пластины, после их вырубки, шлифовать с двух сторон на шлифовальном станке. Такая операция позволяет получить пластины практически одинаковой толщины. Для закрепления изолированных пластин используется специальная плита с вакуумными присосками с маленькими отверстиями. Перед сборкой пакета коллектор и изолированные пластины подвергаются слесарной обработке. При этом важно не допускать при сборке заусенцев, пыли и других загрязнений. Работа должна выполняться на чистом рабочем месте.

Для особо крупных коллекторных пластин выполняются температурно-компенсационные пазы и отверстия, позволяющие избегать грубого коробления коллектора при эксплутационном нагреве.

Точность изготовления корпусных деталей коллекторов, в частности втулки ненажимного конуса, осуществляется по принципу соблюдения конструктивных и технологических баз.

Сборка и опрессовка собранного коллектора производится перед операцией динамической формовки (рис. 1.8). Динамической формовкой достигается точное положение коллекторной пластины в пакете с устранением перекосов и «завалов». Поэтому первая опрессовка коллектора ведется с ограниченным усилием согласно технологическим картам.

После динамической формовки коллектор подвергается холодной опрессовке, после которой 2 – 3 раза повторяется нагрев и опрессовка коллектора. Опрессовка осуществляется только холодного коллектора.

После затяжки крепежных болтов, производится прорезание пазов петушков. При этом надо обратить внимание на режимы резания и на устранение мелкой стружки.

1 – Сборка коллектора 2 – Формирование кольца коллекторных

пластин в кольцевой оснастке

Рис. 1.8

Принципиальное базирование коллектора - вертикальное с подачей прорезной фрезы сбоку и снизу, т.е. по принципу «коллектор сверху, фреза снизу».

После слесарной операции по устранению заусенцев коллектор подается на сборку.

Тщательно выполняется технологическая операция по сборке коллектора, позволяющая устранить набегающую ошибку по углу и обеспечить качественную работу электродвигателя, избежать искрения, стачивания щеток и других отрицательных эффектов. Следует иметь ввиду, что в процессе эксплуатации коллекторная пластина выбирает свое окончательное положение в коллекторе. Это происходит примерно через 120 часов наработки.

Трудно устранимыми являются температурные деформации коллектора. В отдельных случаях можно рекомендовать обработку нагретого коллектора с помощью переносного устройства. В этом случае погрешность коллектора будет носить знакопеременный характер.

Биение рабочей поверхности коллектора в холодном состоянии не столь опасно, так как после нагрева под рабочей нагрузкой оно устраняется. Этот метод обработки горячего коллектора позволяет компенсировать погрешности и обеспечить его качественную работу.

Таким образом, надежная работа коллектора обеспечивается конструктивно технологическими и эксплутационными методами. Только улучшенное сочетание этих методов позволяет обеспечить многолетнюю работу коллектора.

На надежность работы электрической машины и ее качественные показатели при эксплуатации оказывают и другие элементы: состояние рабочей поверхности и точность выходных концов вала (цилиндрических и конических), контактных колец и тормозных барабанов.

Согласно действующим стандартам России и стандартам МЭК биение выше упомянутых элементов в зависимости от размера электрической машины должно находиться в пределах 0,01¸0,04 мм.

Причиной изменения биения концов валов, контактных колец и тормозных барабанов являются эксплуатационные нагрузки, которые приводят элементы к их окончательному местоположению в электрической машине.

Таким образом, практически при производстве , ремонте и эксплуатации электрических машин возникает необходимость использования безрамной обработки выше упомянутых элементов, непосредственно на собранном электродвигателе.