電機(jī)的壽命和可靠性

1、電機(jī)的壽命和可靠性作者:日期:電機(jī)的壽命和可靠性絕緣影響壽命和可靠性的關(guān)鍵因素在國民經(jīng)濟(jì)和社會生活領(lǐng)域里，電機(jī)已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，電機(jī)的壽命及使用可靠性也越來越被人們所關(guān)注。在正常使用的條件下， 電機(jī)的壽命一般定義為 1015年。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，影響電機(jī)壽命的主要因素是絕緣的老化，因此絕緣結(jié)構(gòu)的確定、 絕緣材料的選用，就成為電機(jī)設(shè)計(jì)制造的首要任務(wù)之一。絕緣系統(tǒng)的選擇主要取決于電機(jī)的電壓等級和耐溫要求，而同一等級使用哪一種絕緣材料，則要綜合考慮其耐溫要求，機(jī)械性能，電氣性能及使用工藝性能等因素后最終選定。電機(jī)對地絕緣（亦稱主絕緣）的等級決定了電機(jī)的絕緣等級，一臺電機(jī)上可以按不同部位的發(fā)熱

2、狀況和使用要求， 來選用不同等級的絕緣材料， 而不必規(guī)定一臺電機(jī)上所有的部位 必須選用同一等級的絕緣材料。微電機(jī)常用電氣絕緣材料的耐熱等級和允許的極限使用溫度見下表：表1耐熱等級極限使用溫度C電機(jī)允許溫升K常用絕緣材料A10560浸漬的棉麻絲綢E12075聚酯薄膜，聚酯薄膜粘帶B13080云母帶（B） DMD纖維紙（B） 3240環(huán) 氧布板1132環(huán)氧漆F155100DMD (F)云母帶(F)1H180125聚酰亞胺薄膜，0840浸漬漆電機(jī)各導(dǎo)電部件由于電位不同，因此須用絕緣材料將其分隔開。 按使用部位及功能的不同，常分為以下幾種：1、對地絕緣：指電機(jī)帶電部位與接地部位（如鐵芯、機(jī)殼、軸等）之

3、間隔開所用的絕緣，為環(huán)氧粉沫涂敷，DMD纖維紙，聚酯薄膜紙，尼龍一體成型槽絕緣等。2、匝間絕緣：指一個(gè)多匝繞成的線圈，電位不同相鄰匝間的絕緣，微電機(jī)中一般是漆 包線本身的外包漆作為匝間絕緣。3、層間絕緣：指電樞線圈在槽內(nèi)或端部上下層之間分隔開所用的絕緣，微電機(jī)中常用 漆包線本身的外包漆作為層間絕緣。4、相間絕緣：指放置于同一部位的電位不等的幾種線圈之間隔離所用的絕緣，如交流 電機(jī)不同相（A、B、C相）之間，不同激磁方式直流電機(jī)的激磁繞組（串激、復(fù)激、他激） 及不同轉(zhuǎn)速檔（高速、中速、低速）各激磁線圈之間所用的絕緣。、合理設(shè)計(jì)電機(jī)壽命和可靠性的先天保證電機(jī)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品質(zhì)量鏈中的第一環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)不

4、合理，甚至不正確，那么后道再完善的工藝及再精心的制作都將變成無效，最終不可能做出適用性好的、客戶滿意的產(chǎn)品。 我們常聽說這電機(jī)先天不足，意即設(shè)計(jì)不好造成的。電機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是按客戶對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)輸入要求，外形安裝要求，電機(jī)使用場合，負(fù)荷大小，工作環(huán)境條件，工作制長短等，通過電路、磁路計(jì)算選取合理的發(fā)熱和磁路參數(shù)， 決定電機(jī)各主要零部件的關(guān)鍵尺寸，并通過這些主要條件進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算，最終繪制電機(jī)主要零部件的工作圖及總裝圖，設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮到制作時(shí)良好的工藝性及制造成本的經(jīng) 濟(jì)合理性。下面列出一些直流微電機(jī)中常用的電磁計(jì)算公式及應(yīng)控制的電磁設(shè)計(jì)參數(shù)。1、 Pn=O 1047nNTN其中：Pn 額

5、定功率（瓦）Tn 額定轉(zhuǎn)矩（牛米） nN 額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）8不60aEN02、：.JN =P N nN其中：:N 每極額定磁通（高斯）En 額定功況下的反電勢（伏）P磁極對數(shù)N電樞總導(dǎo)體數(shù)八In NA -3、其中:4、Tn其中:Un5、 Pi=U nI nDaA電樞的線負(fù)荷（安/厘米）In 電樞額定支路電流（安）Da電樞直徑（厘米）Un|nJ3= 975 10nNTn 額定轉(zhuǎn)矩（公斤米）電機(jī)額定效率額定電壓（伏）其中：Pi電機(jī)輸入功率（瓦）6、十JPi電機(jī)總損耗（瓦）電機(jī)的主要發(fā)熱和磁路參數(shù)有定子電流密度，轉(zhuǎn)子電流密度，電樞線負(fù)載，電樞發(fā)熱 因素，每極磁通量，氣隙磁通密度，電樞齒部磁通密度等

6、。7、Tn =0.16-AB.Dla 10其中:i電機(jī)計(jì)算極弧系數(shù)B.氣隙磁通密度（高斯）la電樞鐵心長度（厘米）Djla電機(jī)有效體積，表征電機(jī)體積的大小由上式可見，當(dāng)選取較高的電磁發(fā)熱參數(shù)（:.i、A、B ）時(shí)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，或可縮小電機(jī)的體積來達(dá)到相同的轉(zhuǎn)矩，但電機(jī)的制造難度及要求也相應(yīng)提高。另外由上式也可見，電機(jī)體積的大小與其額定轉(zhuǎn)矩成正比，而與其功率沒有直接的關(guān)系。三、精心制作一電機(jī)壽命和可靠性的主要保證各種電機(jī)使用實(shí)踐表明，電機(jī)損壞大多不是由于絕緣材料的自然老化，而是由于電機(jī) 零部件制作過程中工藝不當(dāng)，制造粗陋，留下隱患，而電機(jī)在運(yùn)用過程中，繞組等部件受發(fā)熱、磁場、機(jī)械外

7、力、潮濕、化學(xué)、油污等各種因素的侵蝕，使其喪失使用功能而提前夭折 的。因此精心制作，減少隱患，是提高電機(jī)壽命和使用可靠性的主要保證。對微型直流電動機(jī)，關(guān)鍵工序有換向器精車、電樞線與換向器之間的點(diǎn)壓焊接、電樞動平衡，環(huán)氧粉末涂敷，絕緣處理，定子與轉(zhuǎn)子的繞線等。1、 換向器精車：換向器是一個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，其工作面與電刷滑動接觸并傳送電能，因此要求其工作面必須是一個(gè)穩(wěn)定的圓柱體，徑向跳動小于等于0.01，不得有凹片和凸片，表面光潔度要達(dá)到 Ra0.8以下（相當(dāng)于原、7 、8）換向器精車必須使用高精度的車床，床身和傳動機(jī)構(gòu)牢固、可靠、且應(yīng)避免默默振動 的影響。切屑量、切屑速度和走刀量要選取合理。金剛

8、石車刀由于硬度高、耐熱性好，可以 提高切削效率且避免粘刀現(xiàn)象，從而減小切削毛刺。提高了換向器表面的光潔度。控制圓度是對換向器工作面檢測評價(jià)的一項(xiàng)先進(jìn)和實(shí)用的手段，比用百分表測徑向跳 動的宏觀手段更精確，更深透，向微觀檢測邁出了關(guān)鍵的一步。2、 電樞導(dǎo)體與換向器鉤之間的點(diǎn)壓焊接（FUSING）這是目前微型直流電機(jī)中最關(guān)鍵，最不穩(wěn)定也是最難以控制的工序，它直接影響著電 機(jī)的壽命和可靠性。點(diǎn)壓焊較錫鉛合金釬焊及鎢極惰性氣體TIG保護(hù)焊有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，非常適合帶鉤的微型電機(jī)換向器與電樞導(dǎo)體的焊接，它是通過電阻焊時(shí)產(chǎn)生的高溫高熱，加熱銅導(dǎo)體和鉤子，熔化掉漆膜排擠掉接觸面處的空氣，推壓并將它們粘附在一起。

9、因此我們認(rèn)為，通過點(diǎn)壓焊接應(yīng)使銅導(dǎo)體與換向片鉤部之間有適度的粘附和熔焊，是本工序的關(guān)鍵要害所在，如果只達(dá)到熔化掉漆包線的漆膜，銅線與鉤公有表面的接觸，沒有粘熔的狀態(tài)，則該處的焊接電阻將 是不穩(wěn)定的，一旦該連接處的狀態(tài)有所變化（如外力移位及漆液滲入），焊接電阻將逐步變大，發(fā)熱加劇，直到該連接點(diǎn)脫開而不能正常使用。目前公司所有電機(jī)電樞的焊接電阻控制值均為 0.3mQ，如果點(diǎn)壓焊良好，則達(dá)到 0.3m Q以下不是問題，但各電機(jī)的情況是不平衡的。 以BZY17為最差，首次檢的不合格率為 1/3, 經(jīng)三次點(diǎn)焊后仍不過關(guān)而報(bào)廢的還有 10%，還有一些電機(jī)較差如 BZR14、16及BZR01，而 以BZR1

10、1、13為最好。在點(diǎn)壓焊機(jī)中，現(xiàn)用的 DNH焊機(jī)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如溫度監(jiān)控器控制焊點(diǎn)的溫度， 穩(wěn)定的恒流控制系統(tǒng)等。 并且有寬廣的調(diào)節(jié)范圍， 供我們不同大小電樞點(diǎn)壓焊時(shí)選用。對于目前焊接電阻不太穩(wěn)定的電樞，可以再做焊接參數(shù)變動的試驗(yàn)，以尋求不同大小電樞的各自最佳焊接參數(shù)，以達(dá)到穩(wěn)定的焊接電阻保證值。四、提高電機(jī)壽命和可靠性的途徑：1、影響電機(jī)安全作用的四個(gè)極限條件發(fā)熱強(qiáng)度極限：絕緣結(jié)構(gòu)的熱芯化，使其絕緣性能變壞而失去絕緣性能，對微型電機(jī)， 由于負(fù)荷電流較小。因此一般不必考慮和擔(dān)心電機(jī)發(fā)熱強(qiáng)度極限的影響，除非像BZY20A，BZY21的壽命試驗(yàn)時(shí)要求那么嚴(yán)酷的發(fā)熱條件。電氣強(qiáng)度極限：對直流微電

11、機(jī)而言,電壓都非常低，均在100伏以下，除非電機(jī)制造中存在大的缺陷和隱患（如果匝間和層間絕緣損傷），電氣強(qiáng)極限也要不必考慮。換向強(qiáng)度極限：對直流微電機(jī)，設(shè)計(jì)的換向參數(shù)如電抗電勢最大片間電壓等都非常低，因此理論上講都應(yīng)有良好的換向， 但往往由于使用環(huán)境條件的惡劣及劇烈的振動等原因，使換向器工作表面很難形成一層氧化膜， 電刷及換向器上磨損很快， 表面燒蝕及炭化嚴(yán)重， 使 電刷與換向器表面無法正常良好接觸，導(dǎo)致電機(jī)失效。機(jī)械強(qiáng)度極限：常見的是電樞線甩出卡定子（槽內(nèi)及兩端部），平衡泥甩出，軸承超速損壞等。2、直流微型電機(jī)提高壽命及可靠性的措施：詳見下表電機(jī)按工作時(shí)間的長短，分連續(xù)工作制（ S1）、短時(shí)

12、工作制（S2）及斷續(xù)工作制（S3） 三種，以邊疆工作制對電機(jī)壽命的要求最高，特別是很多客戶要求壽命達(dá)50001000小時(shí)，對電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造帶來很高的要求。采取的措施預(yù)期效果1、加大電刷載面積1、減小電刷電流密度，降低電刷，改善電 機(jī)換向。2、加長電刷長度2、在正常換向條件下，電刷長度與使用壽 命成正比，在換向不良時(shí)，電刷燒損嚴(yán) 重、正常磨損比例減小。3、選用電阻系數(shù)高、 磨擦系數(shù)小的電刷3、低壓微型直流電機(jī)均選用金屬電刷，以 減小電壓降，但含銅量越多磨損越快， 磨擦系數(shù)越大易增大噪音。因此在不影 響性能的前提下，盡量選用電阻系數(shù)高 一些的電刷。4、提高換向器的硬度，嗇其耐磨性能4、換向器因磨

13、損后形成凹槽，影響了電刷 的正常接觸，電刷產(chǎn)生跳動及換向器積 灰發(fā)黑。彩銀銅換向器銅片及降低點(diǎn)壓 焊時(shí)的退火溫度都是提高換向器硬度的 有效方法。5、盡量減少電刷炭粉的生成與堆積5、從客戶返回電機(jī)情況看，最多的是電機(jī) 電流增大、轉(zhuǎn)速降低直至電機(jī)失效。拆 檢發(fā)現(xiàn)換向器上未形成氧化膜，溝槽上 大量堆積黑灰，使換向器接觸面電壓降 增大，導(dǎo)致電機(jī)性能下降，嚴(yán)懲時(shí)電刷 不能與換向器接觸而死機(jī)。改善的措施 是選用耐磨性好，石墨含量略高些的電 刷，提高換向器表面的圓度及光潔度， 減小機(jī)械磨損確保電機(jī)不因電氣強(qiáng)度極 限、發(fā)熱強(qiáng)度極限超過而損傷，提高安 全使用的可靠性。6、7、&9、10、11、12、選用綜合性能

14、高適應(yīng)性好的絕緣材料必要時(shí)選用高級別材料降級使用過流保護(hù)器裝配操作工藝提高冷壓連接及錫焊連接頭的可靠 性采用合適的刷握彈簧結(jié)構(gòu)及材質(zhì)采用渦卷彈簧結(jié)構(gòu)選用合適的電刷與刷盒之間的間隙 值按電機(jī)防護(hù)要求，做到壽命期內(nèi)密 封性能不降低6、 綜合性能系指耐溫指數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度、操作 工藝性等，用增加材料成本來換取長的壽 命及可靠性。7、對雙金屬片型過流保護(hù)器，其弧形大小絕 不能有所變動，在裝配到位時(shí)，決不可壓 到金屬片，一旦弧度變小，斷開時(shí)間會變 短，這種故障失效在 BZR02A中已發(fā)生 四次。& BZR02有一臺返回電機(jī)，拆檢發(fā)現(xiàn)是黑 引出線內(nèi)形接頭壓接不良，接觸電阻逐步變大發(fā)熱加劇而破壞了正常的連接。因此各冷壓接點(diǎn)處應(yīng)加強(qiáng)首末檢及巡檢，錫焊連接處應(yīng)防止虛焊。9、目前彩的螺旋彈簧在刷盒內(nèi)被壓縮而對 電刷產(chǎn)生壓力的方法結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，但隨著電刷磨損，壓力變小，變化率 達(dá)50%以上。恒壓刷握的結(jié)構(gòu)使壓力變 化率控制在10%以下， 有利于電刷、換 向器部位的正常運(yùn)行及減小噪音。刷握彈簧應(yīng)選用熱退火溫度高，彈性穩(wěn)定 的材質(zhì)制造。10、微電機(jī)中用渦卷彈簧的徑向尺寸，加長 電刷有效長度，以延長電刷磨損時(shí)間。11、電刷