电机的寿命和可靠性

电机的寿命和可靠性绝缘——影响寿命和可靠性的关键因素在国民经济和社会生活领域里，电机已经得到了越来越广泛的应用，电机的寿命及使用可靠性也越来越被人们所关注。在正常使用的条件下，电机的寿命一般定义为10——15年。传统的观念认为，影响电机寿命的主要因素是绝缘的老化，因此绝缘结构的确定、绝缘材料的选用，就成为电机设计制造的首要任务之一。绝缘系统的选择主要取决于电机的电压等级和耐温要求，而同一等级使用哪一种绝缘材料，则要综合考虑其耐温要求，机械性能，电气性能及使用工艺性能等因素后最终选定。电机对地绝缘（亦称主绝缘）的等级决定了电机的绝缘等级，一台电机上可以按不同部位的发热状况和使用要求，来选用不同等级的绝缘材料，而不必规定一台电机上所有的部位必须选用同一等级的绝缘材料。微电机常用电气绝缘材料的耐热等级和允许的极限使用温度见下表：表1耐热等级极限使用温度℃电机允许温升K常用绝缘材料A10560浸渍的棉麻丝绸E12075聚酯薄膜，聚酯薄膜粘带B13080云母带（B）DMD纤维纸（B）3240环氧布板1132环氧漆F155100DMD（F）云母带（F）H180125聚酰亚胺薄膜，0840浸渍漆电机各导电部件由于电位不同，因此须用绝缘材料将其分隔开。按使用部位及功能的不同，常分为以下几种：1、对地绝缘：指电机带电部位与接地部位（如铁芯、机壳、轴等）之间隔开所用的绝缘，为环氧粉沫涂敷，DMD纤维纸，聚酯薄膜纸，尼龙一体成型槽绝缘等。2、匝间绝缘：指一个多匝绕成的线圈，电位不同相邻匝间的绝缘，微电机中一般是漆包线本身的外包漆作为匝间绝缘。3、层间绝缘：指电枢线圈在槽内或端部上下层之间分隔开所用的绝缘，微电机中常用漆包线本身的外包漆作为层间绝缘。4、相间绝缘：指放置于同一部位的电位不等的几种线圈之间隔离所用的绝缘，如交流电机不同相（A、B、C相）之间，不同激磁方式直流电机的激磁绕组（串激、复激、他激）及不同转速档（高速、中速、低速）各激磁线圈之间所用的绝缘。二、合理设计——电机寿命和可靠性的先天保证电机设计是产品质量链中的第一环节，如果设计不合理，甚至不正确，那么后道再完善的工艺及再精心的制作都将变成无效，最终不可能做出适用性好的、客户满意的产品。我们常听说这电机先天不足，意即设计不好造成的。电机设计的主要任务是按客户对产品的设计输入要求，外形安装要求，电机使用场合，负荷大小，工作环境条件，工作制长短等，通过电路、磁路计算选取合理的发热和磁路参数，决定电机各主要零部件的关键尺寸，并通过这些主要条件进行机械强度计算，最终绘制电机主要零部件的工作图及总装图，设计时必须同时考虑到制作时良好的工艺性及制造成本的经济合理性。下面列出一些直流微电机中常用的电磁计算公式及应控制的电磁设计参数。1、PN=0.1047nNTN其中：PN——额定功率（瓦）TN——额定转矩（牛·米）nN——额定转速（转/分）2、NnNPaENN81060其中：N——每极额定磁通（高斯）NE——额定功况下的反电势（伏）p——磁极对数N——电枢总导体数3、DaNIAN其中：A——电枢的线负荷（安/厘米）NI——电枢额定支路电流（安）Da——电枢直径（厘米）4、310975NnIUTNNN其中：TN——额定转矩（公斤·米）——电机额定效率NU——额定电压（伏）5、Pl=UNIN其中：Pl——电机输入功率（瓦）6、lPP1其中：P——电机总损耗（瓦）电机的主要发热和磁路参数有定子电流密度，转子电流密度，电枢线负载，电枢发热因素，每极磁通量，气隙磁通密度，电枢齿部磁通密度等。7、321016.0aaiNlDABT其中i——电机计算极弧系数B——气隙磁通密度（高斯）al——电枢铁心长度（厘米）aalD2——电机有效体积，表征电机体积的大小由上式可见，当选取较高的电磁发热参数（i、A、B）时，电机的额定转矩也相应增大，或可缩小电机的体积来达到相同的转矩，但电机的制造难度及要求也相应提高。另外由上式也可见，电机体积的大小与其额定转矩成正比，而与其功率没有直接的关系。三、精心制作—电机寿命和可靠性的主要保证各种电机使用实践表明，电机损坏大多不是由于绝缘材料的自然老化，而是由于电机零部件制作过程中工艺不当，制造粗陋，留下隐患，而电机在运用过程中，绕组等部件受发热、磁场、机械外力、潮湿、化学、油污等各种因素的侵蚀，使其丧失使用功能而提前夭折的。因此精心制作，减少隐患，是提高电机寿命和使用可靠性的主要保证。对微型直流电动机，关键工序有换向器精车、电枢线与换向器之间的点压焊接、电枢动平衡，环氧粉末涂敷，绝缘处理，定子与转子的绕线等。1、换向器精车：换向器是一个高速运转的部件，其工作面与电刷滑动接触并传送电能，因此要求其工作面必须是一个稳定的圆柱体，径向跳动小于等于0.01，不得有凹片和凸片，表面光洁度要达到Ra0.8以下（相当于原87~）换向器精车必须使用高精度的车床，床身和传动机构牢固、可靠、且应避免默默振动的影响。切屑量、切屑速度和走刀量要选取合理。金刚石车刀由于硬度高、耐热性好，可以提高切削效率且避免粘刀现象，从而减小切削毛刺。提高了换向器表面的光洁度。控制圆度是对换向器工作面检测评价的一项先进和实用的手段，比用百分表测径向跳动的宏观手段更精确，更深透，向微观检测迈出了关键的一步。2、电枢导体与换向器钩之间的点压焊接（FUSING）这是目前微型直流电机中最关键，最不稳定也是最难以控制的工序，它直接影响着电机的寿命和可靠性。点压焊较锡铅合金钎焊及钨极惰性气体TIG保护焊有着明显的优点，非常适合带钩的微型电机换向器与电枢导体的焊接，它是通过电阻焊时产生的高温高热，加热铜导体和钩子，熔化掉漆膜排挤掉接触面处的空气，推压并将它们粘附在一起。因此我们认为，通过点压焊接应使铜导体与换向片钩部之间有适度的粘附和熔焊，是本工序的关键要害所在，如果只达到熔化掉漆包线的漆膜，铜线与钩公有表面的接触，没有粘熔的状态，则该处的焊接电阻将是不稳定的，一旦该连接处的状态有所变化（如外力移位及漆液渗入），焊接电阻将逐步变大，发热加剧，直到该连接点脱开而不能正常使用。目前公司所有电机电枢的焊接电阻控制值均为0.3mΩ，如果点压焊良好，则达到0.3mΩ以下不是问题，但各电机的情况是不平衡的。以BZY17为最差，首次检的不合格率为1/3，经三次点焊后仍不过关而报废的还有10%，还有一些电机较差如BZR14、16及BZR01，而以BZR11、13为最好。在点压焊机中，现用的DNH焊机具有一系列的优点，如温度监控器控制焊点的温度，稳定的恒流控制系统等。并且有宽广的调节范围，供我们不同大小电枢点压焊时选用。对于目前焊接电阻不太稳定的电枢，可以再做焊接参数变动的试验，以寻求不同大小电枢的各自最佳焊接参数，以达到稳定的焊接电阻保证值。四、提高电机寿命和可靠性的途径：1、影响电机安全作用的四个极限条件发热强度极限：绝缘结构的热芯化，使其绝缘性能变坏而失去绝缘性能，对微型电机，由于负荷电流较小。因此一般不必考虑和担心电机发热强度极限的影响，除非像BZY20A，BZY21的寿命试验时要求那么严酷的发热条件。电气强度极限：对直流微电机而言，电压都非常低，均在100伏以下，除非电机制造中存在大的缺陷和隐患（如果匝间和层间绝缘损伤），电气强极限也要不必考虑。换向强度极限：对直流微电机，设计的换向参数如电抗电势最大片间电压等都非常低，因此理论上讲都应有良好的换向，但往往由于使用环境条件的恶劣及剧烈的振动等原因，使换向器工作表面很难形成一层氧化膜，电刷及换向器上磨损很快，表面烧蚀及炭化严重，使电刷与换向器表面无法正常良好接触，导致电机失效。机械强度极限：常见的是电枢线甩出卡定子（槽内及两端部），平衡泥甩出，轴承超速损坏等。2、直流微型电机提高寿命及可靠性的措施：详见下表电机按工作时间的长短，分连续工作制（S1）、短时工作制（S2）及断续工作制（S3）三种，以边疆工作制对电机寿命的要求最高，特别是很多客户要求寿命达5000~1000小时，对电机的设计和制造带来很高的要求。采取的措施预期效果1、2、3、4、5、加大电刷载面积加长电刷长度选用电阻系数高、磨擦系数小的电刷提高换向器的硬度，啬其耐磨性能尽量减少电刷炭粉的生成与堆积1、减小电刷电流密度，降低电刷，改善电机换向。2、在正常换向条件下，电刷长度与使用寿命成正比，在换向不良时，电刷烧损严重、正常磨损比例减小。3、低压微型直流电机均选用金属电刷，以减小电压降，但含铜量越多磨损越快，磨擦系数越大易增大噪音。因此在不影响性能的前提下，尽量选用电阻系数高一些的电刷。4、换向器因磨损后形成凹槽，影响了电刷的正常接触，电刷产生跳动及换向器积灰发黑。彩银铜换向器铜片及降低点压焊时的退火温度都是提高换向器硬度的有效方法。5、从客户返回电机情况看，最多的是电机电流增大、转速降低直至电机失效。拆检发现换向器上未形成氧化膜，沟槽上大量堆积黑灰，使换向器接触面电压降增大，导致电机性能下降，严惩时电刷不能与换向器接触而死机。改善的措施是选用耐磨性好，石墨含量略高些的电刷，提高换向器表面的圆度及光洁度，减小机械磨损确保电机不因电气强度极限、发热强度极限超过而损伤，提高安全使用的可靠性。6、7、8、9、10、11、12、选用综合性能高适应性好的绝缘材料必要时选用高级别材料降级使用过流保护器装配操作工艺提高冷压连接及锡焊连接头的可靠性采用合适的刷握弹簧结构及材质采用涡卷弹簧结构选用合适的电刷与刷盒之间的间隙值按电机防护要求，做到寿命期内密封性能不降低6、综合性能系指耐温指数、机械强度、操作工艺性等，用增加材料成本来换取长的寿命及可靠性。7、对双金属片型过流保护器，其弧形大小绝不能有所变动，在装配到位时，决不可压到金属片，一旦弧度变小，断开时间会变短，这种故障失效在BZR02A中已发生四次。8、BZR02有一台返回电机，拆检发现是黑引出线内形接头压接不良，接触电阻逐步变大发热加剧而破坏了正常的连接。因此各冷压接点处应加强首末检及巡检，锡焊连接处应防止虚焊。9、目前彩的螺旋弹簧在刷盒内被压缩而对电刷产生压力的方法结构简单，装配方便，但随着电刷磨损，压力变小，变化率达50%以上。恒压刷握的结构使压力变化率控制在10%以下，有利于电刷、换向器部位的正常运行及减小噪音。刷握弹簧应选用热退火温度高，弹性稳定的材质制造。10、微电机中用涡卷弹簧的径向尺寸，加长电刷有效长度，以延长电刷磨损时间。11、电刷在刷盒孔内应滑致动自如，不得有卡滞现象，但是过大的间隙值时，双向运转电机的电刷会产生二个圆弧磨合面。目前在宽度方向（即沿换向器旋转方向）一般有0.20以上的间隙，高度方向甚至到0.3以上，间隙间隙太大时电刷易跳动，可能产生异音及破坏正常换向条件。建议将电刷与刷盒公称尺寸的差值从0.10减小为0.05。12、电机各密封部位一旦性能被破坏，外界油水进入，引起电机损坏，在BZR02已有二台电机被返回。因此必须不断寻找更可靠耐用密封工艺和材料。