电机换向器的优化设计

 电机换向器的优化设计

罗静

贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550081

摘要：换向器是电机的关键部件，结构复杂。电机运行时，换向器不仅要通过电流，还要承受电刷与其相对运动产生的滑动摩擦力等。因此在电机运行过程中，换向器因流过电流及高速旋转与电刷滑动摩擦而产生大量热量。由于换向器上每个零部件的材料和热膨胀的差异，各零部件之间会发生显著的热挤压应力，导致换向器在长期高速运行后变形或膨胀，从而导致换向片变形断裂甚至飞片，影响电机的绝缘及性能。换向器的重要考察特性是换向器在特定温度特定转速下的变形量。基于此，在换向器设计阶段的数值模拟极为重要。本文对换向器进行了工艺装配过程的数值模拟，为合理选择换向器的结构、材料和制造工艺提供了参考。

关键词：换向器；优化设计；

应用有限元分析方法对电机换向器的应力和变形量进行了计算分析。首先确定有限元模型的相关材料参数，通过拉伸和热膨胀实验获得银铜合金换向片和电木粉绝缘套筒的力学性能参数。考虑了分析的准确性和效率，讨论了有限元模型的网格和边界条件的建立。在高温和高速条件下模拟加载，这些条件接近实际工作条件。建立的有限元模型用于计算高温高速运行过程中换向器应力分布和变形量，分析换向器断裂飞片问题，并通过换向器驱动试验验证有限元模型的准确性。对存在问题的换向器产品进行选材及结构优化，并通过实验验证了优化的有效性。

一、换向器有限元模型的建立

换向器由银铜合金换向片、电木粉绝缘套筒、云母绝缘片组成。云母绝缘片与换向片数量相同，二者相间分布组成一个完整圆。某些换向器由换向片、电木粉、云母绝缘片、金属套筒以及加固圈等组成。

1.材料特性的测量。（1） 银铜合金的弹塑性力学参数。换向片的材料是银铜合金，可以满足抗拉强度、硬度和软化温度的要求。它被定义为弹性体，其材料性能参数可以通过金属拉伸试验来确定。使用万能拉伸试验机WAW-300测试样品拉伸力随材料伸长值的变化曲线。取原始长度的1%作为伸长值点1，取原始长度的8%作为伸长值点2，在点1点2之间取合适距离的两个点作为采样点，读取两采样点的伸长值和拉伸力，使用以下公式计算弹性模量E：

式中：E为弹性模量；Δp=p1-p2是两采样点拉伸力差值（大减小）；L为原始长度；Δ（ΔL）=ΔL1-ΔL2是两采样点伸长值差；A0为原始横截面面积。

使用以下公式计算银铜合金的泊松比μ：

式中：Δd为横向变形值，ΔL为纵向变形值，二者均无量纲。银铜合金的密度是通过参考铜材料的相应参数获得的。将拉伸力随材料伸长值的变化曲线换算成实际应力σ随实际应变ε的变化曲线。实际应力σ与计算应力σnom（σnom为拉伸力P与原始横截面积A0的比值）的关系：σ=σnom(1+εnom)；实际应变ε和计算应变εnom（εnom为材料伸长值ΔL与材料原始长度L的比值）的关系：ε=ln(1+εnom)。

银铜合金拉伸时没有明显的弹性现象，产生0.2%应力σ0.2的轻微塑性变形作为屈服极限。强度极限σb由拉伸力极限值Pb计算：

截取屈服极限与强度极限之间的点，得到每个点的数据，得到软件输入所需的银铜合金材料塑性段的参数，如表1所示。

表1银铜合金塑性段参数

(2)银铜合金的热力学参数。物体的体积或长度随温度增加的现象称为热膨胀，物体的热膨胀特性通常用热膨胀系数α表示。目前，材料线性膨胀系数的测试仪包括激光干涉仪、上杆膨胀仪、衍射膨胀仪等。研究表明，上杆膨胀设备使用方便，结构简单，适用于各种形状的样品，其测量范围广、精度高。使用耐驰DIL402C推入式热膨胀机进行测试，根据相关标准确定样品的具体尺寸，并测量材料长度随温度T的变化曲线，由曲线可以计算材料的膨胀率，材料的膨胀率为材料长度差（即材料伸长值）与温度差的比值，热膨胀系数α为材料膨胀率与材料原始长度的比值。从而得到热膨胀系数α随温度T的变化曲线。选择所需温度范围内的多个点，读取数据作为软件输入参数，如表2所示。

表2银铜合金热膨胀系数

3）电木粉材料的力学参数。电木粉是一种粉状酚醛树脂粉末（PVC），属于热固性塑料。样品尺寸满足基准倾角50 mm、窄平行宽度10 mm和总长度160 mm的要求。采用实验银铜数据处理方法，测试电木粉拉伸力与材料伸长值数据，计算电木粉的弹性模量和泊松比。并且其密度是通过参考相应的参数来确定的。电木粉热膨胀样品的厚度和宽度为4mm，长度为25mm。通过同样方式可以测量多种电木粉的热膨胀系数。

4） 换向器其余材料的性能参数。换向器的其他材料参数是通过参考相应的数据获得的，热膨胀系数取平均线性热膨胀值。

2.简化和网格化几何建模。换向片和绝缘片结构决定绝缘套筒内部结构，换向片和绝缘片数量多且局部特征细小，在整个换向器预处理过程中，数量过大，这使得计算变得困难。基于换向器片的循环对称性，采用最小循环对称单元进行数值模拟，在保证工程设计准确性的同时，节省了大量工作和计算时间。

3.设置网格类型、限制和负载。换向器安装在电机中，绝缘套筒和轴紧密配合，不会产生相对运动。约束绝缘套筒的自由度，根据设计要求，首先将环境温度提高到要求温度；再给换向器施加旋转角速度，温度和角速度的振幅以表格形式均匀增加。模拟条件与实际条件具有良好的一致性，确保了换向器的正确操作，避免了换向器显著变形，导致模拟时间内不收敛。

二、换向器的计算与优化

1.换向器片应力的计算。对于先前建立的有限元模型，以某直流电机的换向器为例进行分析，该换向器由25个换向片和绝缘片组成。其性能设计要求在180°C的高温下以38000转/分的转速旋转10秒，没有任何异常。超速试验后换向器径向变形量不超过0.012mm。但是，在HG－9600S超速试验台上进行超速实验时还未达到38000 r/min已经出现断裂飞片问题，根据换向片数可知该换向器总共有25个（n=25）最小循环对称单元，其温度从30°C上升到180°C。Abaqus软件中的速度以rad/s为单位测量，输入参数可以从以下方程中获得，即3977.3 rad/s。

式中：ω为角速度；no是原始转速。利用电木粉RX6551作为电机的换向器绝缘套筒，根据计算的RX6551材料参数确定Abaqus中的输入参数。对换向器片应力分布的计算表明，应力最大值为447．2 MPa，远高于银铜合金的强度极限319.6MPa，导致断裂飞片问题。通过将模拟的应力分布图与换向器的实际试验情况进行比较，可以有效地验证有限元模型的有效性。换向器片的实际断裂完全对应于模拟计算的最大应力值。

2.换向器材料的选择和结构优化。电木粉材料有多钟。不同的电木粉配合同样的换向片时，因电木粉和换向片材料的热膨胀系数不同，在高温和高速下换向器片的应力大小也不同。用同样的方法模拟不同的电木粉换向器上换向片上的应力分布，根据计算出的应力值选择合适的电木粉材料。经过对换向器进行优化仿真分析，使用电木粉PG6559时，换向片所受最大应力处的应力值为308．8 MPa，低于换向片材料的应力极限319.6MPa，不会发生换向器片断裂现象。优化结构后的换向器产品加温至180℃，并进行38000r/min的超速试验。换向器未出现断裂飞片，由于外径只有几微米的微小变化，无法用肉眼观察到。用微米测量的外径最大变化为0.002mm，这与数值模拟结果一致，表明有限元方法的可靠性很高。

总之，电机换向器分析模型的建立基于建立的有限元模型，计算了高温和高速条件下的应力分布和换向器变形量。对换向器结构进行了分析，以确定其是否满足特定温度下超速性能的设计要求。将仿真结果与实验结果进行比较分析，并根据仿真结果对换向器材料和结构进行优化。通过实验验证了仿真结果和优化方案的可靠性。

参考文献：

［1］陈红艳．浅谈电机换向器的优化设计．2021.

［2］林海英，换向器行业发展现状及潜力展望.2020.