（电机与电器专业论文）多媒体pmdc马达电刷和换向片材料的分析及改良.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m a n yk i n d so fn e wm u l t i m e d i a p r o d u c te m e r g ei ne n d l e s s l y , f r o me a r l yv c d a n dc d - r o mt or e c e n tp o r t a b l ed v d , w r i t a b l e d v dd r i v e ra n dc a ra u d i op l a y e r , w h i c hn e e dp e r m a n e n tm a g n e td i r e c tc u r r e n t m o t o r o a m d c l a su s u a l d r i v i n gp a r t t ob eo p e r a t e du n d e rn e wa n dm o r ei m p o r t a n t r e q u i r e m e n t h o w e v e r , o u re n g i n e e r sf o u n dt h a to r i 昏h a lp r o d u c tc a r ln o tm e e tc u s t o m e r sn e w s p e c i f i c a t i o n ，w eh a v et of u r t h e rs t u d yo u rp r o d u c ta n dt r yt oi m p r o v em o t o rp e r f o r m a n c e i n t h i sd i s s e r t a t i o n , t h es p e c i a lr e q u i r e m e n to fl o wd r i v i n gv o l t a g ea n dl o ws p e e do fw r i t a b l e d v d - r 幻s p i n d l ep m d cm o t o ri s a n a l y z e d ，a n dt h e m o t o ra p p l i c a t i o n a n a l y s i s ， p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，f a i l u r ea n a l y s i sa n dm a t e r i a li m p r o v e m e n ta r ep e r f o r m e d m o r e o v e r , t h ee x p e r i m e n t sa r ed o n et ov e r i f yt h ep o s i t i v er e s u ko fi m p r o v e dm a t e r i a lf o rp m d cm o t o r b a s e do nr e s e a r c ho b j e c to f j o h n s o ne l e c t r i ca u d i ov i s u a lm o t o r - - p c 2 0 0 d ga n da p p l i c a t i o n p l a t f o r mo fj a p a nf u n a ic o r p o r a t i o nd v d rt h ef o l l o w i n gp a r t sa r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i li n t h i sd i s s e r t a t i o n ： 1 m o t o rr u n n i n gs t a b i l i t ya n dl i f er e l i a b i l i t yu n d e rs u p e rl o wv o l t a g ea n dl o ws p e e d 2 f a i l u r ea n a l y s i sf o ro r i g i n a lm o t o r 3 a n a l y s i sf o rp r e c i o u sm e t a lm a t e r i a lo f c o m m u t a t o ra n df i n g e rl e a f 4 i m p r o v e m e n tf o rp r e c i o u sm e t a lm a t e r i a lo f c o m m u t a t o ra n df i n g e rl e a f k e y w o r d ：p m d cm o t o r m u l t i m e d i ac o m m u t a t o r f i n g e rl e a f 一 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论义l ；_ 作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：期：2 生芝么z 乃、7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：师签名： 期： 绪论 绪论 o 1 永磁直流微电机在多媒体产品中的应用 一般意义上所说多媒体，是指基于微电子技术、数字技术和计算机软件控制技术的 声音和图像处理、传输或播放设备，如v c d 、d v d 、数码相机和微型摄录机等产品。 其动力输出部件绝大多数采用永磁直流微电机，在控制软件作用下驱动运动部件如主轴 ( s p i n d l e ) 、激光头( s l e d ) 、碟片盒( l o a d i n g ) 等。 主轴电机( s p i n d l em o r o r ) 用于驱动转盘带动碟片旋转，要配台碟片使扫过激 光头的线速度恒定，当激光头接近内环中心时，碟片旋转速度应该快些，当激光头接近 碟片外环边缘时，碟片旋转速度应该慢些。所以，要求主轴电机的机械时间常数和电气 时间常数小，转速变化平稳，电流波形接近正弦波形且有良好的重复性。内置控制电路 通过计算电流波形得到电机转速信号，控制软件据此控制电机输出正确的转速以控制碟 片旋转。因为多媒体产品在播放时，经常使用到快速、慢速、回放、瞬间暂停和突然起 动等方式，主轴电机也常常经受突然的电压变化和电流冲击，这种情况会加剧对电机换 向器和电刷的电火花腐蚀和机械磨损，故该应用对换向器和电刷系统要求严格。不但要 求换向器和电刷有足够的寿命，而且能长期保持电流波形的规则、完整和稳定。一般地 我们使用表面覆盖有贵金属如金、铂、钯等的换向器和电刷。下图就是典型主轴电机的 运行变化循环实例之。 电 压 伏 + 7 0 ，0 4咂q 4 图0 - 1主轴电机运行周期实例 激光头驱动电机( s l e dm o t o r ) 通过齿轮和蜗杆传动系统驱动激光头做直线往 复运动，类似于s p i n d l e m o t o r ，控制系统通过测量电机的电流波形来控制转速，电 机长期运行于变电压和变转速的情况之下，对电机换向器和电刷的要求办类似。不同之 处在于s l e dm o t o r 的电压冲击和转速变换更甚，在这种情况之下的换向器和电刷系 统磨损更加严重，更易造成电机失效，此问题将在后面详细论述。下图是s l e dm o t o r 的运行变化循环实例之一。 东南大学硕士学位论文 图o 2 激光头驱动电机运行周期实例 碟片盒进出驱动电机( l o a d i n gm o t o r ) 相对要求较简单，其运行仅是规则的 正反往复运动，为降低成本，换向器和电刷材料可选用普通的铜基镀银材料，无需表面 贵金属镶嵌层。下图为l o a d i n gm o t o r 的运行变化循环实例之一。 4 。 o 4 图0 - 3 碟片盒进出驱动电机运行周期实例 以上三种应用所选用的p m d c 电机除了换向器和电刷材料外，在外形和基本结构 上并无多大区别，下面的图0 - 4 、0 - 5 、0 - 6 是常用p m d c 电机的外观图。 图0 - 4s p i n d l em o t o r 外观图 p 阻卜1 班捆 m c 附l 图0 - 5s l e dm o t o r 和l o a d i n gm o t o r 外观图 e 匹渔i l 烈 蹦 庇3 ：i 飞 裂飞 图0 - 6 另外一种型号的s l e dm o t o r 图0 7 用于较大的家用d v d 的s p i n d l em o t o r 3 东南大学硕士学位论文 o 2 永磁直流微电机在多媒体产品工作中出现的问题 过去的多媒体产品由于控制技术方面的限制，碟片旋转和激光头运动速度都较快， 驱动电压高于3 伏，s p i n d l em o t o r 转速一般为3 0 0 0 r p m ，s l e dm o t o r 转速一般 为2 5 0 0 r p m 。电机运行时换向器和电刷形成稳定的滑动摩擦平衡，二者之间形成一层 动态润滑层，延缓了材料的磨损，而且较高的电压又可完全将磨损出来的金属磨屑烧蚀 从而避免其在换向器槽中的堆积导致短路。 然而新型的多媒体产品，特别是便携式产品，为降低耗电量，延长电池使用时间， 采用很低的电压驱动电机，一般低至o 3 o 8 伏，此时的s p i n d l em o t o r 转速不足 1 0 0 0 r p m ，s l e dm o t d r 转速低至6 0 0 - - - - 8 0 0 r p m 。换向器和电刷之间不能形成稳定的 滑动摩擦平衡，也形成不了动态润滑层，加剧了材料的磨损，更为严重的是由换向器和 电刷磨损出来的金属磨屑无法在如此低的电压下烧蚀，大量地堆积在换向器槽当中，导 致片间短路( s h o r tb a r ) 而使电机失效。 上述失效形式有两种，一种为片问短路导致电流波形畸变缺失，电机转速无法被检 测，使电机失去控制。另一种失效形式是片问短路致使控制芯片烧毁。 o 3 本课题论文的目的和任务 由于德昌电机公司在开始阶段对上述多媒体产品应用研究不足，仍然采用老的 p m d c 电机用于主轴和激光头驱动，导致了大量的客户投诉和退货。本文对s p i n d l em o t o r 和s l e dm o t o r 进行深入研究，特别是换向器和电刷材料对电机寿命和电流波形的影响。 本课题的任务是： 1 ) 掌握p m i ) c 马达在多媒体产品中的工作方式； 2 ) 深入分析换向器和电刷材料的相互磨损情况和失效原因； 3 ) 研究对换向器和电刷材料的改良方案； 4 ) 通过实验验证改良材料对电机性能的改善作用。 第一章客户要求及电机失效型式 1 1 概述 第一章客户要求及电机失效型式 本章以a u d i o v i s u a l m o t o r p c 2 0 0 d g 作为分析研究对象，日本f u n a i 公司 的可擦写d v d - r 为应用平台，阐述典型的客户要求，电机性能和失效模式。 1 2 客户要求和电机性能 鱼12 0 0 0 m 肚6 0 晰 伏- 30 v 7o 圹 图1 1o v l ) 一r 用s p i n d l em o t o r 模拟实际运行的寿命实验规格要求 上图是客户对d v d r 用s p i n d l em o t o r 的寿命实验规格要求，可见电机在很低转 速6 0 0 r p m 和1 2 0 0 r p m 长期运行，占整个c y c l e 的9 0 以上，此时电机的驱动电压低于 l v 。 其它规格要求如下： 1 ) 负载：马达输出端安装碟片托盘( t u r n t a b l e ) ，放置标准d v d 光碟一张，与实 际负载完全相同： 2 ) 环境：室温2 5 摄氏度，6 5 相对湿度； 3 ) 寿命要求：总运行2 0 0 0 小时( 0 n - o f ft i m e ) ； 4 ) 电流波形要求：相对于实验前，电机电流波形不能有大的畸变，即应保持明显 的重复性的波形，没有接近零点的掉线，没有波形断开，没有高的谐波峰值。 5 ) 判断标准：2 0 0 0 小时后，额定负载转速相对于寿命实验前变化率不超过2 0 ， 额定电流相对于寿命实验前的变化率不超过3 0 ，起动电压保持在规格范围之内，无明 显噪音和振动。 我们所采用的p m d c 电机是p c 2 0 0 d g 型号，主要物料清单如下 东南大学硕士学位论文 表1 - 1s i n i ) l em o t o r - p c 2 0 0 1 ) 6 主要物料清单 物料名称物料类型描述 换向器 a yc 蝴l无氧铜基材，表面为银 9 5 5 _ 铜4 _ 镍0 5 合金 镶嵌层。 电刷片三爪金属片铜一镍一锡合金基材，表面 镶嵌银5 0 9 6 _ 钯5 0 贵金属 层。 永磁体橡胶磁磁底中心磁感应强度 2 1 0 g s ，径向充磁。 芯片冷轧硅钢片 j i sh 1 4 绕组聚酯漆包线线径0 1 1 ，每槽匝数4 2 0 轴承铜基粉末烧结含f 9 4 7 润滑油 图i - 2p c 2 0 0 d g 电机外观照片 圈卜3p c 2 0 0 d 6 电机外形图 靠 i ： l ： g 基 碍、 ? 嚣 孽 鼙： i j z z i 州0 p b 畦 螂埋描掣暴脚oo。no“丫_【匝 9f1j!$le ndaii 一#邑孚8p 暑 。一 _ _ _ _ d 口 f d 罟 u 自l，h两岛0u目p互宴rih裔sj_备uh笛hu固r1日z0nz昌0， 橱剥柽水毒删趟*雕疋仲姗1妹 i*m-l自 i t o ：|，口，口冒 吕瞄兽 =-=_u暑e q叱一岔j山。h，醒鍪哟 。卜最贷垣拦掣 东南大学硕士学位论文 1 3 电机失效型式 将上述电机按照客户要求进行寿命实验，实验样板电机从5 0 小时开始出现波形不 良，9 0 小时之后出现波形缺失和降落到零点，1 2 0 小时后出现部分电机无法起动。拆开 分析，失效原因皆为金属粉末在换向器槽中堆积，导致片问短路。 图卜5 为换向电流波形的测试方法。 图1 - 5 电流波形测试方法 以下为电机在不同时间的电流波形记录，横轴为时间，单位为毫秒：纵轴为电压 值，单位伏特。 图卜6 为正常电机的电流波形具有良好的重复性，无明显杂波，无较高的电流蜂 值，可见该马达的换向平稳，换向火花亦较小。 图卜7 为5 0 小时后出现的不良波形，表明电机的换向开始恶化，虽然仍保持一定 的重复性，但杂波明显增多，并出现了一些小的峰值，这将加速换向情况的恶化。 第一章客户要求及电机失效型式 图i - 75 0 小时后出现的波形不良 图卜8 为9 0 小时后电机的换向电流波形，出现严重畸变，每一槽的换向电流都有 很严重的蜂谷值产生，这将扰乱客户产品的控制系统对波形的记数，从而出现转速检测 错误或检测不到转速，电机失控或无法起动。客户投诉的正是这种情况。 图卜89 0 小时后出现的波形不良 将投诉电机拆开，观察并拍照如图1 - 9 所示。由图可见，电机失效的直接原因明 显是由于金属磨屑在换向器槽中严重堆积，甚至在相邻换向片之间搭桥，导致片间短路。 东南大学硕士学位论文 图1 _ 9 失效马达的换向器照片 由图卜1 0 可见金属电刷片磨损虽正常，但其上明显沾有金属碎屑。 图卜l o 失效马达的金属片电刷照片 由此，可以断定电机失效的根本问题，或者说是弱点，在于换向器或电刷片的过 快磨损。由于电机主要在低于l v 的低电压下运行，电火花磨损可以忽略不计，基本上 由机械磨损决定，而对摩擦副的材料则是影响机械磨损的决定性因素。 第二章电机失效型式分析 2 1 概述 第二章电机失效型式分析 根据上述电机失效型式，我们着重对电刷片和换向器片材料进行了详细的分析和 研究，以求找出电刷片和换向器片对电机长期运行稳定性的影响以及改善方法。 2 2 电刷片分析 该马达所使用的电刷片外观图和外形图如下： 图2 1p c 2 0 0 d g 电机用电刷片外观照片 1 t 1 8 ； 1l r ， i l 一一j ： 一；生 图2 - 2p c 2 0 0 d g 电机用电刷片外形图 _；， 一 一 - i川甫睡瞰nj!f 一墨日 i 4 1 v x；。r： d n ：n， ， 东南大学硕士学位论文 该电机所使用的金属片电刷是以铜一镍一锡合金基材，表面镶嵌银钯贵金属层的复 合材料，详见下面的表格。 表2 - 1 电刷片材料组分 分层组分厚度( m )硬度( h v ) i表面镶嵌层a g 一5 0 ，p d 一5 0 0 0 1 5 + - 0 0 0 42 0 0 + - 2 0 i基材 c u - n i - s n 0 0 6 5 + - 0 0 0 6 2 7 9m i n i u h t u _ m - - - i w l i f o t l l 4 0 t 一一，叫撕哪-h 啪 ，c l ni _ lj _ 1 女目舞孵，一 i j e il e a fi n l a y i j i l 一 i 。k ；蕾，o 蕾 尊 i 图2 - 3 该电刷片镶嵌层的材料分析图谱 从图2 3 的图谱分析可见，银和钯的含量相当。此外，银和钯在光谱上的频率很 接近，表明二者相容性非常好。 图2 4 该电刷片基材的材料分析图谱 r k ， ik 第二章电机失效型式分析 2 2 1 电化学分析 正常运行情况下，即电机在电压3 v 左右，转速2 5 0 0 r p m 以上运行时，电刷与换向 器可形成稳定的动态接触平衡，接触面间形成一层氧化薄膜润滑层，一方面降低了电刷 与换向器的相互磨损，另一方面这层膜的电阻可以抑制换向电流，减轻换向火花的产生， 改善换向。 但是当电压低至1 0 v 以下电机工作在6 0 0 r p m - 2 0 0 r p m 的低转速时，电刷与换向 器之间的相对运动速度虽然低了，但二者之间不可能生成氧化薄膜润滑层，电刷与换向 器的金属材料直接接触摩擦，机械磨损和电气腐蚀都趋严重化。 本实验失效电机的电刷片因运行时间较短，仅1 0 0 小时左右，但其与换向器摩擦 产生金属碎屑的速度却大大加快了，导致金属碎屑来不及分散，且由于电压太低无法烧 蚀而堆积在换向器槽里。 对电刷片上所沾金属碎屑的分析如下： 图2 - 5电刷片上所沾金属碎屑的放大照片 图2 - 6 电刷片上所沾金属碎屑的电镜照片 东南大学硕士学位论文 从上面显微照片看出，金属碎屑呈长条卷曲状，显然是从基体上撕扯或刮削下来， 显示了较快的磨损，并且没有烧蚀。 u 1 1 i 川d ， l h b 训1 3 7 3p o 帅r h v2 5 0 t 1 1 0 01 h k m ，77 臼p ，v i 矸o u t v v r p 、5t 4 0 f s8 b dq ，d 77 一a p 一4 6 0 12 9 a 口 o - _ 一， 4 一n 。w “m h h - “w w ， m 一。 6 i 1 j 1 i 1 i ? io o ? j o o 图2 7电刷片上所沾金属碎屑的材料分析图谱 根据图2 7 的图谱，金属碎屑成分为a g 、c u 、n i 、c 、0 等，而没有电刷片所富含 的钯( p d ) ，可知这些金属碎屑来源于换向器，而非来源于电刷片。 对电刷片做纵向切面观察，电刷片表层的h g s o - p d 5 0 镶嵌层磨损量很少，如下图 所示。 图2 8 贵金属电刷片纵向切面照片 对比电刷片贵金属镶嵌层硬度2 0 0 h v 和换向器贵金属镶嵌层硬度1 4 0 h v ，我们可以 直接推知在这种低转速情况下，硬度相差悬殊的两种材料直接磨擦导致换向器表面的银 9 5 5 _ 铜4 一镍0 5 9 6 镶嵌层磨损太快，产生金属碎屑过快而来不及分散，过低的电压又 无法将金属磨屑烧蚀而堆积于换向器槽内导致片问短路。故适当地降低电刷片材料硬度 将有助于减轻对换向器的磨损。 2 2 2 磨损形貌观察 ( 1 ) 宏观检查： 在体视显微镜下观察，电刷片磨损并不严重，表面有聚集的磨屑存在。聚集方向 第二章电机失效型式分析 和相对运动的前进方向一致，局部有类似流体的铺展特征。如图2 - 9 。 图2 - 9 电刷片磨损区低倍形貌 ( 2 ) 扫描电镜观察： 在宏观观察的基础上，利用扫描电镜对电刷片的磨损形貌进行了更为细致的观察 和分析。如图2 - 1 0 和2 - 1 1 。 电刷片表面的粘附物表面光滑，显示流体铺展特征。附着物颗粒聚集呈舌头状， 其形成过程具有粘着磨损特征，由于电刷片材料的硬度比换向器片材料高得多，粘着于 电刷片表面的换向片材料沿摩擦方向发生变形，在电刷片与换向片分开时，材料的分离 发生在二者的粘着界面，部分粘附于电刷片上，还有部分粘附在换向器上。电刷片表面 局部有细小的剥落坑，显示接触疲劳的特征，表明电刷片受到了磨粒磨损的作用。 图2 1 0电刷片表面粘附物的流体铺展特征 东南大学硕士学位论文 图2 - 1 1 粘着物放大特征 以上磨损形貌分析表明，电刷片以机械磨损为主，没有发现电弧烧蚀的特征。从 磨损基理看，主要是粘着磨损和磨粒磨损。 2 2 3 金相组织观察 将电刷片拆卸后，分别观察了其横断面和纵断面的金相组织特征，如图2 1 2 和图 2 一1 3 。该电刷片镶嵌层是a g - p d 合金，室温下为单一的固溶体，其耐磨性取决于硬度， 硬度分布，晶粒大小及其均匀性。由于电刷片硬度较高达成2 0 0 h v ，故其耐磨性远好于 换向器片。所以，适当降低电刷片材料硬度将有助于减轻对换向器的磨损。 图2 - 1 2 电刷片横断面金相组织 图2 - 1 3 电刷片纵断面金葙蕴雾r 第二章电机失效型式分析 2 3 换向器分析 该电机所使用的换向器外观图和外形图如图2 1 4 、图2 1 5 。 图2 - 1 4p c 2 0 0 d g 电机用换向器外观照片 图2 - 1 5p c 2 0 0 d g 电机用换向器外形图 东南大学硕士学位论文 对于p m d c 电机的换向器，换向片是最关键部件，而换向片原材料又基本上决定了 电机在长期运行中的寿命和可靠性，表2 - 2 为此换向片原材料的组分。 表2 - 2 换向片材料组分 分层组分厚度( 啪)硬度( h v ) 表面镶嵌层 a 9 9 5 5 一c u 4 - n i o 5 0 0 3 + - r 0 0 0 11 4 0 + - 1 5 i基材o x y g e nf r e ec o p p e r0 3 0 + - 0 0 l 1 2 0 + 一l o 图2 一1 6 为该换向器片的切面放大照片。 图2 一1 6 换向片切面照片( 上表面的白色薄层就是h g c u - n i 镶嵌层) 图2 一1 7 换向片镶嵌层材料分析图谱 上图2 一1 7 的图谱中，银的吸收峰一枝独秀，显示其占绝大部分的含量，铜以4 的含量仅存在很小的吸收峰，镍的0 5 含量太低而无法在图谱中相对体现。 第二章电机失效型式分析 图2 一1 8 换向片基材的材料分析图谱 上图2 1 8 的图谱中仅有铜的吸收峰，没有其他物质的吸收峰存在，可见此基材无 氧铜的纯度较佳。 2 3 1 磨损形貌观察 ( 1 ) 宏观检查： 在体视显微镜下观察发现，换向器表面有三条明显的磨痕，其宽度不一，两边的 较宽，中间的较窄，磨痕中存在类似车轮碾过泥地留下的磨损花样( 下文称轮胎印迹) 。 换向片间的槽中有大量磨屑堆积，这显然是电机短路失效的主要原因。见下图2 1 9 和 2 2 0 。 图2 一1 9 换向器低倍形貌 东南大学硬士学位论文 图2 - 2 0 磨痕中存在的轮胎印迹 轮胎状的印迹表示换向器表面材料被撕扯和刮削，这种情况只有在一对摩擦副硬 度相差悬殊时才出现。 图2 2 1上图所示轮胎印放大，其前进方向的前端有脱落的磨屑 上述有规律的轮胎印迹是既是硬度相差悬殊的证据，又是快速磨损的印证。硬度 接近且磨损较慢的显微情况应该是无规律的颗粒状表面形态。 第二章电机失效型式分析 图2 - 2 2 磨痕边缘被电刷片刮擦引起的条状损伤 如上图2 - 2 2 ，电刷片边缘锋利似刀，其对换向片的刮削作用类似于高硬度的电刷 片对较低硬度的换向片的撕扯，所以上面照片中的磨痕边缘被电刷片刮擦引起的条状损 伤很接近于磨痕中存在的轮胎印迹。 ( 2 ) 扫描电镜观察： 在宏观检查的基础上，利用扫描电镜对换向器的磨损特征进行了更为细致的观察 和分析。 换向器表面的磨损可以分为两类，一类是与电刷片表面摩擦引起的损伤，另一类 是电刷片对磨痕正面粘滞撕扯和刮削导致的损伤，随着换向器轴向运动的加剧，这类损 伤更加严重。前者产生的磨屑常成细小片状，后者则会造成一些针状或条状磨屑。两类 磨屑都会在换向器槽中堆积。磨损初期磨屑较少，堆积部位限于磨痕位置，随着数量增 多，则会逐步连接起来。 图2 - 2 3 中的磨屑应属正常磨损，虽然因为未烧蚀而堆积，但不会形成搭桥。如果 电机转速较高，这些磨屑可以分散而不会导致短路。 图2 - 2 3 换向片与电刷片摩擦产生的片状及粒状磨屑 东南大学硕士学位论文 图2 2 4 和图2 - 2 5 所示的条状或针状磨屑才是导致片间短路的罪魁祸首。磨屑呈 条状，针状甚至折叠和卷曲状，相互纠缠和连续延伸，出现搭桥效应。 图2 - 2 4 电刷片对磨痕正面粘滞撕扯和刮削导致的条状或针状磨屑 图2 - 2 5 条状或针状磨屑放大，显示多种形貌特征 图2 - 2 6 磨屑的堆积部位限于磨痕位置，显示磨痕相对应 换向器表面的轮胎印迹是典型的机械磨损特征，其形成过程可以依据粘着磨损机 第二章电机失效型式分析 制分析如下： 换向片和电刷片接触时，表面的真实接触点发生粘着。若粘着强度较大，则当二 者相对滑动产生位移时，粘着面不能立即分开，于是强度相对较低的换向片材料发生塑 性变形及开裂，变形到一定程度以后彻底断开产生磨屑，并在换向器表面留下磨损痕迹。 此过程循环进行，引起轮胎印迹。影响该过程的主要因素有：材料的冶金相容性，材料 的强度，接触压力，表面的粗糙度以及匹配表面的三维形貌等。在换向片边缘并未发现 电弧坑，仅在槽间磨屑中发现少量近似球形的磨屑及高温氧化特征反映出的电弧作用， 表明由于作用于电机上的驱动电压很低( 仅0 6 v 左右) ，此换向片的电弧损伤并不严重， 因此可以断定该换向器的损伤主要是机械磨损。磨损产生的碎屑部分可能直接脱落，由 于电压太低无法烧蚀而堆积。另一部分则会继续粘附于电刷片表面或夹持在电刷片与换 向器之间，当电刷片旋转到换向槽的位置时，其与换向器有瞬间分离，而后又与另一换 向片接触，这一过程中，换向器片边缘会将电刷片表面的磨屑刮落下来。如果这些磨屑 粘附在换向片边缘，并不断增多，形成搭桥状把相邻两个换向片连接起来，则最终将引 起短路，导致电机失效。如图2 2 7 。 图2 - 2 7 直接脱落的磨屑 直接脱落的磨屑靠近换向片边缘堆积，向另一片边缘分布逐渐减少。这是磨损初 期从换向片上脱落的碎屑，由于未烧蚀而堆积。如图2 2 8 。 图2 2 8 粘附于换向器槽边缘的磨屑，向相邻换向片边缘方向搭桥 东南大学硕士学位论文 随着电机运行时间延长，电刷片从换向片上撕扯下来的磨屑并未跌落，而是在空 中伸展，出现搭桥情况，延续下去就会导致换向器片间短路。 图2 - 2 9 和图2 3 0 所显示的近似球形的磨屑和磨屑中的白色颗粒在分析中发现所 占的比例非常小。前者显示高温熔化特征，后者显示氧化特征。这两种特征只有在发生 电弧作用，导致局部高温时才会产生。很小的比例证明该电机的换向过程中发生的电弧 作用很弱，其原因正是过低的驱动电压和低转速。 图2 - 2 9 近似球形的磨屑，显示高温熔化特征 图2 3 0 磨屑中的白色颗粒，显示氧化特征 图2 - 3 1 是宏观照片的证据。 第二章电机失效型式分析 图2 3 l 换向器片表面并无明显的电弧灼伤，未被烧蚀的磨屑在片间搭桥 图2 3 2 表明粘附于电刷片表面的磨屑保持了其自然形貌，没有烧蚀的痕迹。 图2 - 3 2 粘附于电刷片表面的磨屑 由图2 3 3 可明显看出，未烧蚀的条状或针状磨屑象蜘蛛网一样相互缠绕支撑着向 空中伸展，向对面的换向片搭桥。 东南大学硕士学位论文 图2 3 3 未烧蚀的磨屑粘附在换向片边缘向空中伸展 2 3 2 金相组织分析 将换向器拆卸后，分别制样观察了其横断面和纵断面的金相组织特征，以及横断 面上三条磨痕的形貌。 该换向片由a g c u n i 合金制成，由于室温下c u 和n i 在a g 中的溶解度极低，而 c u 与n i 可以无限互溶，所以使用状态下换向片组织中容易存在析出相，基体为银基固 溶体，析出相富含c u 和n i ，经压力加工后，析出相沿加工方向拉长变形，纵断面上成 条状，横短面上则成粒状或点状。 根据材料亚微观理论，细小，弥散且均匀分布的析出相相对基体可以产生定的 强化作用，提高其耐磨性和抗粘着性能，但是当析出相较多且分布不均匀时，则会引起 材料性能不均一，降低材料性能，在摩擦过程中，局部聚集的析出相容易剥落导致磨屑 快速出现。 从图2 3 4 的横断面照片上可以看出，不管在未磨损处还是在磨损区，其金相结构 中都存在明显的析出相，而且成较大的颗粒状，分布不均匀，并且有数颗连接在起的 情况。纵断面上的析出相则成长条形，其长度和分布也不均匀，有局部集聚的情况。这 正是粘着磨损机制如此明显地发生在换向器与电刷片之间的重要原因。 图2 - 3 4 三条磨痕的横断放大 第二章电机失效型式分析 图2 3 5未蘑磊万丽臃箱组织 研究图2 - 3 5 未磨损处的横向金相组织，颜色较深的颗粒为析出相，可见其金相结 构中都有较多的析出相，而且成较大的颗粒状，分布很不均匀。磨损区的横向金相组织 的情况类似，如图2 3 6 和图2 3 7 。 图2 - 3 6 磨损区横向金相组织 图2 - 3 7 横断面上的磨痕放大 少量均匀分布的析出相就象复合材料中的增强材料，加固了整体基材的强度，提 东南大学硬士学位论文 高其耐磨性。但量多且分布不均的析出相，不但无法起到加固作用，反而损害了基础材 料的强度。上图中放大的磨痕区内磨损很不均匀，与析出相的分布不均有直接关系。 图2 - 3 8 和图2 - 3 9 为纵断面的金相组织分析照片，可见析出相成长条形，其长度 和分布也不均匀，有局部集聚的情况，对基体起不到加固作用，且引起材料性能不均一， 降低了材料性能。在摩擦过程中，局部聚集的析出相容易剥落导致磨屑快速出现，加快 了基体的磨损。 图2 3 8 纵向组织析出相分布不均且有局部聚集现象 图2 3 9 纵向组织析出相成长条状 第三章电劂片和换向器片材料的改良研究 3 1 概述 第三章电刷片和换向器片材料的改良研究 综上所述，导致电机在低电压低转速下短时间内短路失效的主要原因如下： ( 1 ) 电刷片贵金属镶嵌层硬度和换向器贵金属镶嵌层硬度相差悬殊，低转速下电 刷片与换向片之间无法形成润滑层，两种材料直接磨擦导致换向器表面镶嵌层磨损太 快，产生金属磨屑过快而来不及分散，过低的电压又无法将金属磨屑烧蚀而堆积于换向 器槽内导致片间短路。 ( 2 ) 换向器片的金相结构中有较多的析出相，而且成较大的颗粒状，分布不均匀， 并且有数颗连接在一起的情况。纵断面上的析出相则成长条形，其长度和分布也不均匀， 有局部集聚的情况。这种情况大大降低了其耐磨性和抗粘着性能，导致磨屑快速出现， 并堆积和搭桥导致短路。 为此，我们与重庆川仪一厂技术部合作研究改善电刷片和换向器片复合材料的技 术工艺，详细论述如下。 对于多媒体用精密型电机，电枢电路的电阻和电流波形的好坏直接影响转速取样 信号，因此对电刷片和换向器的接触部分要求很高。这类电机中，一般要求换向器材料 的工作表面化学性能稳定，长期放嚣不易生成绝缘氧化膜，导电率高，与电刷片材料良 好配合，接触电阻小且稳定。 对电刷片材料的要求则为磨损要小，摩擦系数要小，摩擦系数大会引起电刷片跳 动，加剧火花放电和磨屑的产生积累，以及引起材料疲劳接触使压力发生变化。弹性要 适宜，能保持与换向器的良好接触，且接触电阻小而稳定，导热性能好，起弧电压高且 耐火花烧蚀。 为满足上述要求，必须采用贵金属或其合金来制造电刷片及换向器，并且注意两 者的匹配。 3 2 对电刷片材料的改良 采用先进的复合技术，将贵金属材料通过固相轧制连续复合镶嵌入c u - n i s n 合金 基材，该基材保持良好的弹性和较高的硬度，主要是对镶嵌层即接点材料进行改善。 一般接点材料分为铂系合金接点材料，钯系合金接点材料，金系合金接点材料和 银系合金接点材料。根据电机电刷接触易于产生火花的特点，不宜产生电弧的要求很重 要。在铂系贵金属中，钯( p d ) 的起弧电压比较高，在常见贵金属中则以金( a u ) 最好， 银( a g ) 次之。因此，在电刷片中总要用到钯，金和银或者它们的合金。 钯( p d ) 容易受到有机污染，目前对有机污染的理论认为，p d 属过渡族金属元素， 它的特点是d 层缺少自由电子，因此容易吸附有机气体。有机气体吸附在接点表面以后， d 层电子从有机气体的原予中获得电子，同时起催化作用，使这些有机分子分解而引 起碳氢聚合物的沉积。根据这种理论，可以设想，如果加入一种能够提供自由电子的合 适的金属元素到p d 中去，使它的d 层电子填满，那么就可以提高抗有机污染的能力。 根据研究实验，对于a g - p d 合金，由于a g 的耐腐蚀性甚差，一方面a g 解决了p d 耐有 机污染的问题，另一方面j ) d 又解决了a g 耐腐蚀的问题，故a g p d 合金具有了既耐腐 蚀耐有机污染而且起弧电压高的特点。 我们仅仅通过调节a g 与p d 的比例来调整接点材料的硬度，从原有的a g 一5 0 和 东南大学硬士学位论文 p d 一5 0 9 6 调节为a g 一6 5 和p d 一3 5 ，此接点材料的硬度由从2 0 0 h v 降低到1 7 0 h v ，再适当 加厚该接点材料即镶嵌层的厚度以保持足够的完全磨损时间。将这种改良的材料实际用 于电机中，经过实验证明换向器片的磨损大大降低，磨屑产生的速度亦降低，有足够的 时间分散，避免了堆积短路。 图3 - 1 和图3 2 为改良了的电刷片不同部位的硬度测量照片，其硬度控制在1 7 0 h v 左右，比改良前降低了1 5 。 图3 - 1电刷片显微硬度压痕( 1 7 2 h v ) 图3 2电刷片显微硬度压痕( 1 6 9 h v ) 新的固相轧制连续复合技术使贵金属层的晶粒细化，提高了材料性质的均一性和 耐磨性。金属材料属于晶体，由晶粒构成，其亚显微结构为晶格点阵，实态为多晶体颗 粒。晶粒越小，晶格越紧凑，结合力越大，材料强度越高，耐磨性和耐疲劳性越好。 图3 - 3 显示改良了的电刷片的晶粒明显细化，其耐磨性和耐疲劳性的改善足以补 第三章电刷片和换向器片材料的改良研究 充由于硬度下降导致的性能损失。图3 - 4 、图3 - 5 为改良了的材料的微观情况。 图3 - 3 细化晶粒 图3 - 4 晶界清晰( 左) ，晶粒细小( 右) 图3 - 5 细化了的枝晶，有利于成分的均匀化 东南大学硕士学位论文 3 3 对换向器片材料的改良 换向器片材料的表层接点层为a 9 9 5 5 - c u 4 n i 0 5 合金，通过固相轧制连续复合 镶嵌入其无氧铜基材。通过改进熔炼及浇铸工艺减少析出相的产生，得到洁净的晶界和 致密的晶粒结合，保持基体材料本身的强度、耐磨性和抗粘着性能。改良品经过实验证 明换向器片的磨损明显改善，磨屑堆积的情况消除。 图3 - 6 改进的熔炼及浇铸工艺 通过如图3 - 6 所示调整熔炼和浇铸过程中的温度、压力和时间来改善铜一镍析出相 的产生。如图3 - 7 ，左边为改善前的析出相，沿晶析出严重且分布不均，右图为改善后 的情况，基本消除了沿晶析出。 图3 - 7 改善前后的沿晶析出对比 第三章电刷片和换向器片材料的改良研究 图3 - 8 为改善前的沿晶析出相的显微形态，它们存在于晶粒之间，析出严重，降 低了材料的耐磨性和抗粘着性能。 图3 - 8 改善前沿晶析出严重 图3 - 9 为改善后的晶界显微形态，基本消除了沿晶析出。 图3 - 9 改善后晶界洁净 图3 一l o 为改善前的材料组织形貌，由于析出严重而且析出相分布不均匀，导致材 料内部多晶体疏密不均，结合松散零乱，材料的性能当然不好。 图3 一l l 为改善后的材料组织形貌，由于基本消除了沿晶析出，晶界洁净，材料内 部多晶体疏密均一，结合紧密，耐磨性和抗粘着性能得到明显增强。 东南大学硕士学位论文 图3 一l o 改善前的材料组织形貌 图3 - 1 1 改善后的材料组织形貌 第四章采用改良材料的电机性能实验验证 4 1 概述 第四章采用改良材料的电机性能实验验证 将降低了贵金属镶嵌层硬度的电刷片和改善了析出相的换向器片装配电机样板， 进行寿命实验来验证改善效果。 4 2 实验电机特性和实验规格 4 2 1 实验电机特性 电机型号：p c 2 0 0 d g 主要物料清单如表4 一l 所示： 表4 1实验电机的主要物料清单 物料名称物料类型描述 换向器 a yc o m m 无氧铜基材，表面为改善 了的银9 5 5 耻铜4 - 镍 0 5 9 6 厶金镶嵌层。 电刷片三爪金属片铜一镍一锡合金基材，表面 为改善了的银6 5 - 钯3 5 贵金属镶嵌层。 永磁体橡胶磁磁底中心磁感应强度 2 1 0 g s ，径向充磁。 芯片冷轧硅钢片 j i sh 1 4 绕组聚酯漆包线线径0 1 l ，每槽匝数4 2 0 轴承铜基粉末烧结含f 9 4 7 润滑油 实验电机的外观图，外形图和性能曲线同第一章之1 2 4 2 2 实验规格 同1 2 之图卜1 ，为查阅方便，现表明如下。 运行循环要求如图4 - 所示。 最 鸯， 图4 一l 寿命实验规格 东南大学硕士学位论文 其它指标要求： 1 ) 负载：马达输出端安装碟片托盘( t u r nt a b l e ) ，放置标准d v d 光碟一张，与 实际的使用情况完全相同； 2 ) 环境：室温2 5 摄氏度，6 5 相对湿度； 3 ) 寿命要求：总运行2 0 0 0 小时( o n o f ft i m e ) ； 4 ) 电流波形：相对于实验前，电机的电流波形应保持明显的重复性，没有接近零 点的掉线，没有波形断开，没有高的谐波峰值( 电流波形的测量方法同2 2 ) ； 5 ) 判断标准：2 0 0 0 小时后，额定负载转速相对于寿命实验前变化率不超过2 0 ， 额定电流相对于寿命实验前的变化率不超过3 0 ，起动电压保持在规格范围之内，无明 显噪音和振动。 4 3 电机寿命实验结果 电机顺利通过了2 0 0 0 小时的循环运行，空载电流，空载转速，额定负载电流和额 定负载转速等性能皆在判断标准之内。对此不再详述，着重叙述改良了的电刷片和换向 器在寿命实验后的磨损情况以及其对电流波形的影响。 4 3 1 电刷片和换向器的磨损实验情况 电刷片的磨损状况正常，没有明显的磨屑沾在其上。 观察图4 - 2 之实验2 0 0 小时后的电刷片，磨损量很小，而且没有象被投诉电机那 样的沾满金属磨屑的现象。应该是磨损较慢，金属磨屑出现的速度也慢，虽然在低电压 下仍不能被烧蚀，但有足够的时间分散，避免了堆积。 图4 - 2 实验2 0 0 小时的电刷片 圈4 - 3 为实验2 0 0 0 小时后的电刷片照片，其与换向器接触位置有明显的磨损凹坑， 此属正常磨损。 第四章采用改良材料的电机性能实验验证 图4 - 3 实验2 0 0 0 小时的电刷片 当电机运行至2 0 0 小时的时候，随机抽取一只实验样板，测电流波形正常，拆开 观察，发现换向器片的磨损明显减慢，换向器槽处仅有很少量的磨屑。如图4 - 4 。 图4 - 4 实验2 0 0 小时的换向器片 运行至1 0 0 0 小时，拆开一只样板观察，换向器片表面磨损出较浅的沟槽，仍未有 磨屑堆积。如图4 - 5 。 图乒百实验1 0 0 0 不爵的换向器片 东南大学硕士学位论文 运行到2 0 0 0 小时，拆开电机观察，发现换向器片表面磨损出明显沟槽，但仍保留 一半左右未磨穿，仅有少量磨屑沾在换向器槽内，对电流波形无影响。如图4 - 6 。 图4 - 6 实验2 0 0 0 小时的换向器片 4 3 2 改良前后电机的电流波形实验比较 实验前，使用改良的电刷片和换向器的电机电流波形，与以前使用未改良材料的 电机的电流波形相比较，其波形已经有了明显改善，更接近正弦，峰值信号大大减弱。 这是我们所没有料到的，其原因可以认为是明显改良的换向器材料使换向器与电刷片的 接触电阻减小，电机运行时达到的机械和电气平衡状态更加稳定，换向感应电势降低而 不产生明显的尖峰信号。 通过测量改良电机在不同时段的电流波形，可以证明波形的保持对间大大延长，完 全避免了掉线到零和过高的峰值信号。到2 0 0 小时，电流波形几乎没有变化，相比改善 前电机的电流波形在5 0 小时即出现波形不良，改善效果可谓显著。到1 0 0 0 小时，电流 波形虽然偏离正弦波形，但仍维持良好的重