CN101951081B - 一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法及装置，采用燕尾槽形连接方式，通过紧固螺栓固定，其特征在于：通过调整燕尾槽槽形及尺寸，改变换向器的受力状况来解决换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题；其中，将换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽；其次，是将制作换向片的梯形铜排的机械强度提高约10％，使国产梯形铜排的抗拉强度提高到≥333MPa。
Description
技术领域
本发明涉及到一种电机性能的改进方法及结构，尤其是指一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法及装置，国际专利分类号为H01K，主要用于脉流牵引电动机。
背景技术
脉流牵引电动机是牵引电机的一种，主要由定子、转子、电刷装置、电枢轴承和抱轴轴承五个部分组成；其中，定子主要包括机座、主磁极 、换向极、补偿绕组、绕组接线，转子主要包括转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器。脉流牵引电动机主要适应工作条件十分恶劣的工况场所使用，主要特性有如下一些：
1、负载变化大
2、要承受承受轮轴的冲击力
3、使用环境恶劣
4、由单相整流器供电，电流是脉动的
目前为了减少电机与换向器连接的结构体积，都是采用一种紧凑型的换向器，这种紧凑型的换向器是由某国际著名公司设计的，采用的是图1所示的结构，其换向片环由压圈、套筒通过换向器螺栓紧固。换向片环与压圈、换向片环与套筒之间垫有V形云母环作电气绝缘。但在运行过程中发现，采用该种换向器后，电机运用中发现该换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障，严重影响机车正常运行，用户强烈不满。此后历经四年的多轮次攻关改进，均未解决此问题。
经过检索没有发现完全相同技术类容的专利文献报道，只发现一篇相关专利文献。
专利申请号为：200710068516.X，发明名称为：一种带换向器电机的低噪音处理工艺；该篇专利文献公开了一种带换向器电机的低噪音处理工艺，其电机包括换向器和转子，其特征是将电机转子的漆包线端线分别与换向器上的铜排进行搭接；然后将漆包线端线与换向器的铜排搭接处进行热压焊，构成电枢部件；将电枢部件烘具内进行烘烤，冷却后；对电枢部件中的换向器部分进行精车，最后对电枢部件与电机外壳进行装配。通过这种工艺制作的电机，消除了换向器与热固性材料之间的应力集中现象，保证换向器外圆跳动在控制范围内，从而来控制电机的噪声效果。但该专利技术仍不能解决前述所说的换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题。因此很有必要对此问题进一步加以研究解决。
发明内容
本发明所要解决的问题主要是：针对现有脉流牵引电动机紧凑型换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题，提出一种能有效提高电机紧凑型换向器机械稳定性，解决紧凑型换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题的提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法，采用燕尾槽形连接方式，通过紧固螺栓固定，主要通过调整燕尾槽槽形及尺寸，改变换向器的受力状况来解决换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题。
在研究中我们采用郁飞法对现有电机的紧凑型换向器做了机械强度核算，核算结果如表1所示，表中同时列出作为对比分析的目前2种成熟电机换向器的计算参数。
从表1可看出，3种电机的片间（云母）压力、换向器螺栓拉力等，均在许用范围内。
但现有电机的紧凑型换向器云母环压力和换向片环燕尾弯曲应力远大于其许用应力。甚至在其运行工况转速范围内，这2个应力都超过其许用应力，其中换向片燕尾应力223 MPa >[σ]=206 MPa，云母环压力超得更多，75.9 MPa > [σ]=58.8 MPa 。其换向器热态超速时，铜质的换向片燕尾应力266.5 MPa已大于梯排的屈服强度245 MPa。
通过分析计算还可以看出现有电机的紧凑型换向器远比对比分析的电机A和电机B的应力大。
表1 郁飞法计算换向器应力参数对比
此外，现在的标准规定，换向器梯形铜排抗拉强度≥304 MPa；铜母线屈服强度≥245MPa；但分析试验中发现，换向器梯形铜排铜母线和应力和严重超过标准要求；这样会使换向片燕尾和云母环都产生塑性变形。运用中，现有电机的紧凑型换向器在冷热交替、速度变化的条件下，其内部应力大小也跟随变化，使云母环断续滑片变薄，换向片燕尾断续变形，从而使换向片环的轴向夹紧力断续的、不均匀的减小。当压力减到云母环和换向片燕尾不变形时，换向片环的（切向）片间压力已大为减小，此时在较大的热态离心力作用下，夹紧力最小的换向片环某些部位率先外凸，从而使换向器工作表面产生凹凸不平，换向器变形，从而导致电机故障。分析结果认为，云母环和换向片燕尾应力严重超标，是造成本研究电机换向器故障的设计方面的主要原因。
本发明的改进主要也就是针对应力改善方面进行的，其中，将换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽。如此改进后，换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面弯曲应力和V形云母环压力都下降到接近电机A的水平，基本满足了机械强度要求。
需说明的是，换向片燕尾高H1和云母环V1不能再增大了。在紧凑型换向器的外形和外部接口尺寸保持不变的条件下，如果H1和V1再增大，就将使压圈和套筒的机械强度不合格。
其次是将制作换向片的梯形铜排的机械强度提高约10％：此前国内生产的梯形铜排的抗拉强度最大为≥304 MPa，我们通过改进，使国产梯形铜排的抗拉强度提高到≥333 MPa。采取此措施2后，使改进换向器的机械强度核算有了点裕量。
根据上述方法所提出的一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的装置是：一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的装置，包括压圈、换向片环和套筒，且套筒与压圈通过换向器螺栓紧固连接在一起，在套筒与压圈上各有一个V形云母环，并在套筒与压圈通过换向器螺栓紧固连接在一起形成一个燕尾槽，换向片环上有换向片燕尾，换向片燕尾卡在套筒与压圈上V形云母环所形成的燕尾槽内：其特点在于：换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽。
其次，将制作换向片的梯形铜排的机械强度提高约10％：此前国内生产的梯形铜排的抗拉强度最大为≥304 MPa，我们通过改进，使国产梯形铜排的抗拉强度提高到≥333 MPa。
本发明通过改进脉流牵引电动机紧凑型换向器连接燕尾槽的结构尺寸，改善了脉流牵引电动机紧凑型换向器的应力状况，使主要的应力都降至所允许的范围之内，从而提高了脉流牵引电动机紧凑型换向器机械稳定性，解决紧凑型换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题。
附图说明
图1是现有脉流牵引电动机紧凑型换向器结构示意图；
图2是本发明脉流牵引电动机紧凑型换向器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
附图1给出了本发明的一个实施例，从附图中可以看出，本发明涉及一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法，采用燕尾槽形连接方式，通过紧固螺栓固定，主要通过调整燕尾槽槽形及尺寸，改变换向器的受力状况来解决换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题。
在研究中我们采用郁飞法对现有电机的紧凑型换向器做了机械强度核算，核算结果如表1所示，表中同时列出作为对比分析的目前2种成熟电机换向器的计算参数。
从表1可看出，3种电机的片间（云母）压力、换向器螺栓拉力等，均在许用范围内。
但现有电机的紧凑型换向器云母环压力和换向片环燕尾弯曲应力远大于其许用应力。甚至在其运行工况转速范围内，这2个应力都超过其许用应力，其中换向片燕尾应力223 MPa >[σ]=206 MPa，云母环压力超得更多，75.9 MPa > [σ]=58.8 MPa 。其换向器热态超速时，铜质的换向片燕尾应力266.5 MPa已大于梯排的屈服强度245 MPa。
通过分析计算还可以看出现有电机的紧凑型换向器远比对比分析的电机A和电机B的应力大。
表1 郁飞法计算换向器应力参数对比
此外，现在的标准规定，换向器梯形铜排抗拉强度≥304 MPa；铜母线屈服强度≥245MPa；但分析试验中发现，换向器梯形铜排铜母线和应力和严重超过标准要求；这样会使换向片燕尾和云母环都产生塑性变形。运用中，现有电机的紧凑型换向器在冷热交替、速度变化的条件下，其内部应力大小也跟随变化，使云母环断续滑片变薄，换向片燕尾断续变形，从而使换向片环的轴向夹紧力断续的、不均匀的减小。当压力减到云母环和换向片燕尾不变形时，换向片环的（切向）片间压力已大为减小，此时在较大的热态离心力作用下，夹紧力最小的换向片环某些部位率先外凸，从而使换向器工作表面产生凹凸不平，换向器变形，从而导致电机故障。分析结果认为，云母环和换向片燕尾应力严重超标，是造成本研究电机换向器故障的设计方面的主要原因。
本发明的改进主要也就是针对应力改善方面进行的，其中，将换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽。如此改进后，换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面弯曲应力和V形云母环压力都下降到接近电机A的水平，基本满足了机械强度要求。
需说明的是，换向片燕尾高H1和云母环V1不能再增大了。在紧凑型换向器的外形和外部接口尺寸保持不变的条件下，如果H1和V1再增大，就将使压圈和套筒的机械强度不合格。
其次是将制作换向片的梯形铜排的机械强度提高约10％：此前国内生产的梯形铜排的抗拉强度最大为≥304 MPa，我们通过改进，使国产梯形铜排的抗拉强度提高到≥333 MPa。采取此措施2后，使改进换向器的机械强度核算有了点裕量。
根据上述方法所提出的一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的装置是：一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的装置，包括压圈、换向片环和套筒，且套筒与压圈通过换向器螺栓紧固连接在一起，在套筒与压圈上各有一个V形云母环，并在套筒与压圈通过换向器螺栓紧固连接在一起形成一个燕尾槽，换向片环上有换向片燕尾，换向片燕尾卡在套筒与压圈上V形云母环所形成的燕尾槽内：其特点在于：换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽。
其次，将制作换向片的梯形铜排的机械强度提高约10％：此前国内生产的梯形铜排的抗拉强度最大为≥304 MPa，我们通过改进，使国产梯形铜排的抗拉强度提高到≥333 MPa。
Claims (2)
1.一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的方法，采用燕尾槽形连接方式，通过紧固螺栓固定，其特征在于：通过调整燕尾槽槽形及尺寸，改变换向器的受力状况来解决换向器工作面批量出现变形，从而导致电刷异常磨耗甚至环火的惯性故障的问题；
其中，将换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽；
其次，是将制作换向片的梯形铜排的机械强度提高约10％，使国产梯形铜排的抗拉强度提高到≥333 MPa。
2.一种提高电机紧凑型换向器机械稳定性的装置，包括压圈、换向片环和套筒，且套筒与压圈通过换向器螺栓紧固连接在一起，在套筒与压圈上各有一个V形云母环，并在套筒与压圈通过换向器螺栓紧固连接在一起形成一个燕尾槽，换向片环上有换向片燕尾，换向片燕尾卡在套筒与压圈上V形云母环所形成的燕尾槽内：其特点在于：换向片燕尾Ⅰ－Ⅰ截面高H1增为35.8mm；V形云母环V1值增为29.9mm；套筒和压圈燕尾槽作相应的加深和加宽；其次，国产梯形铜排的机械强度提高到≥333 MPa。
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