微电机用新型换向器材料

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万方数据
使用寿命。 在电刷和换向器的接触面上， 如果能够实现均匀、 平 滑的接触， 就能实现平稳换向； 但因磨损颗粒的存在， 以 及表面粘附物的产生， 电刷和换向器的接触稳定性受到 破坏， 甚至出现材料的转移。实验证明， 阳极电刷相对于 阴极电刷造成的材料转移现象更为严重。 ! ! ! 换向器的磨损 滑动接触的换向器磨损主要由机械磨损和电磨损。 在无电负荷的情况下运行时， 磨损很小； 在有电负荷的情 况下运行时， 由于换向和不良的电接触引起的电火花和 电弧， 可使换向器表面发生很大变化， 致使磨 损 成 倍 增 加。因此电磨损是主要的磨损形式， 此外表面氧化也会 加速磨损。 （"）电刷与换向器的接触面微观上有一定的凹凸不 平度， 在相对滑动中往往出现较硬的器件 （电刷） 在较软 的器件 （换向器） 上进行刮削的过程。这些刮屑沉积在电 刷上形成硬而尖锐的支点， 出现粘附磨损的状况， 会进一 步加剧这种刮削过程； 刮屑沉积在换向器的沟槽内， 会造 成极间短路而引起 “停机” 。或者使换向器的表面贵金属 复层全部被刮掉， 形成基带裸露， 增大接触电阻， 使电机 不能正常工作。 换向器的磨损与其和电刷的接触压力之关系： 接 （#） 触压力太小， 由于电刷的跳动会加剧电磨损； 压力太大， 则会增大机械磨损。 电机运行速度和换向器的振幅对换向器磨损的 （$） 影响成平方关系。 环境状况诸如温度、 湿度、 腐蚀性气体、 尘埃等都 （%） 会加速换向器磨损。温升可能降低材料的表面硬度； 潮 湿的环境会造成换向器表面堆积大量粉尘和脏物， 造成 颗粒磨损的情况出现。因此微电机工作在干燥洁净的环 境里易获得运行平稳和长寿命的良好效果。 ! ! " 换向器的表面腐蚀 （"）电弧作用下的化学反应 在电弧的作用下， 生成氧化氮， 再与空气中的水气反 应， 生成硝酸， 因此， 换向器在工作过程中， 由此产生的腐 蚀现象会导致接触电阻增大。 （#）应力裂纹腐蚀 换向器材料在机械应力作用下受液体和气体介质的 腐蚀， 会引起突发性的晶间或穿晶裂纹， 造成 换 向 器 损 坏。 （$）手汗腐蚀机理 手汗引起的腐蚀与氧气作用有关。换向器在加工制 造过程中残留的手印， 含有脂油和皮肤屑， 在湿气和氧气 作用下， 形成所谓 “通气元电池” ， 就是在被覆盖的部位形 成使氧气通向阴极的阳极区。在阳极区金属被氧化， 在 阴极区氧气还原。这类反应导致较稳定的金属也会被手 汗所侵蚀， 由此给换向器带来的危害已经引起制造业的
理的分析， 阐明了换向器材料设计的基本要求， 并介绍了目前 微电机用新型换向器材料的研究和开发状况。 关键词： 换向器； 贵 9 廉金属； 复合材料 中图分类号： !/676 8 9 文献标识码： : 文章编号： （9776） ;77< 5 =7;> 79 5 776; 5 79 :?2,.-4,： :44+6;/,- 5+ 1,1<2=/= 5*> +?>615/+, 4*16145>6/=5/4= 1,; @>16 A>4*1,/=A +B 5*> 4+AA0515+6 A15>6/1<= /, A/46+ # A+5+6， 5*> C1D =/4 6>.0/6>= +B 5*> ;>=/-, +B 4+AA0515+6 A15>6/1<= 16> ;>=46/C>; /, 5*/= ?1?>6， 1,; 5*> 6>4>,5 4+,;/5/+, +B =50;2 1,; ;>E><+?A>,5 +B 5*> ,>@ # 52?> 4+AA0515+6 A15>6/1<= /, A/46+ # A+5+6 16> /,56+;04>;8 4+AA0515+6； >F?>,=/E> 9 4*>1? 1<<+2； 4+A?+=/5> A15>D @#&%).A2： 6/1<=
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万方数据
换向器表面贵金属复层刮掉， 造成基体材料裸露， 接触电 阻急剧升高， 使电机运行速度不稳， 包括换向器表面氧化 和沾污， 都会出现 “掉速” 现象。 （!）换向器的磨损随接触压力增大而增加， 随材料自 身硬度的提高而减小。 （"）不同用途的电机对换向器接触电阻的稳定性有 不同要求。音响电机、 照相机电机等以 #$ % &’( 电机、 电池为动力的电机， 接触电阻的稳定性尤显重要。因此 电刷与换向器的配对选择是微电机设计的主要工作内 容。 ! ) " 换向器材料的技术要求 （*）尽可能小的接触电阻。 （+）具有较好的化学稳定性， 能够抗氧化、 耐腐蚀， 尤 其耐硫化腐蚀。 （,）有与所配电刷材料相匹配的硬度和耐磨性， 及较 好的韧性。 （!）有较好的灭弧能力， 导电导热性好， 电阻温度系 数小， 极限电弧参数大。
普遍关注。 ! ! # 硫化银转移 在含 & 气氛中 （空气中有 ’# &、 ， &(# 等） )* 合金表面 会生成 )*# &， 而且 )*# & 会随着时间的延续而向周 边 转 移， 不仅造成换向器材料的继续腐蚀， 而且可能引起极间 短路， 破坏电机运行的稳定性。 )*# & 针状晶体是一种坚 硬的物质， 它的存在会加剧换向器表面的磨损。实验证 明， 换向器 )* 合金表面涂覆一层薄 )+ 层 （厚度 , - ! # .） ! 对保护 )* 合金功能层不受含 & 气氛的侵蚀大有帮助。 在电场作用， 也会加速 )* 的 )* 极易被氧化和还原， 转移。 ! ! $ 金属须的形成 线状或发状金属产物称为金属须。 /01234 发现金属 须的生长有一定的潜伏期， 而且不同金属的活度不同， 如 果以 &4 为 " ! -， 则 56 为 - ! 7， 其他为 - ! -"， 主要 84 为 - ! 9， 由于内外应力存在所产生。金属须的存在会引起换向器 极间短路。 （"）金属须硬度很高， 可以穿透较软的绝缘层。 （#）金属须在室温下能够快速生长。 （$）对于含 84 基带 （黄铜、 锌白铜等） ， 可用 # . 的镀 ! :; 层阻止金属须的生长。 （%）电镀槽液中某些光亮剂的添加， 可以抑制金属须 的生长。 （<） 某些金属元素的添加， 如在 &4 中添加适量 =>， 可 使金属须的生长明显减少。 ! ! % 机械变形 机械应力和温升会引起换向器导电环的变形、 疲劳 和应力松弛， 使电接触的稳定性受到影响。
摘 要： 通过对微电机换向器材料的工作特点和磨损机
随后组织了 “六厂一所” 联合进行国产化科技攻关。 “七 五” 期间 （&G’$ # &GG"） ， 承担的换向器用复合材料的研发 任务， 取得了一些阶段性成果。终因技术装备条件的限 制， 未形成规模生产， 致使国内微电机制造业所需换向器 用复合材料几乎全部依赖进口， 严重制约了我国微电机 制造技术和生产规模的发展。当时国产微电机不仅产品 总量少， 质量和品种规格上均较日、 美等国存 在 较 大 差 距， 而且企业规模小而分散， 制造技术和工艺装备相对落 后。其中主要原材料的供应 （如电刷、 换向器材料等） 不 能立足国内解决也是主要原因之一。 !" 世纪 G" 年代引进并组建了国内第一条贵 9 廉金属 复合材料生产线， 开展了微电机换向器用新型层状复合 材料的研究， 研发了 :-);& 9 H0& 复合带， 在国内迅速推广 应用， 对我国微电机产业的发展起到重要的作用。 目前普遍采用的 :-);& 9 H0& 换向器材料已经不能满 足微电机规格品种多、 技术要求高的需要， 微电机品种单 一， 质量水平低于日本， 其中换向器的运行质量是主要原 因之一， 突出表现在起动电压高， 由于接触电阻变化带来 的电机运行不稳， 出现 “掉速” 或 “死机” 现象， 使用寿命短 等； 而且 ); 的存在会造成人身和环境的危害， 在国际上 已经提出禁用含 ); 材料。因此换向器用新型复合材料 的开发研究任务迫在眉睫。
直流微电机是视听电子设备、 办公自动化设备、 通信 设备、 汽车及家用电器制造业不可或缺的电子器件。大 部分直流微电机都是采用三极换向器与电刷的滑动接 触， 来实现电力传输维持电机运转的。由于换向器与电 刷的工作状况对电机的稳定性和使用寿命有着举足轻重 的影响， 国内外同行业对此进行了大量的试验研究。
微电机用新型换向器材料
于朝清， 王丽琼
（重庆川仪一厂， 重庆 %""("!）
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收稿日期： !""! # "$ # "% 基金项目： 重庆市科委基金项目 （!""& # $$’%）
9ห้องสมุดไป่ตู้换向器的工作原理和磨损机理
9 8 ; 换向器的工作原理 换向器与电刷组成对应的滑动摩擦副， 换向器对电 机性能的影响主要取决于在一定条件下 （电负荷、 接触压 力、 环境条件等） 相对电刷高速滑动时的电接触行为。换 向器在工作时除了传输纵向电流外， 还存在着在短路电 枢线圈中进行的电流换向任务。这些电流是在主电流换 向时而产生的反向电流和电抗电压， 致使电刷在换向器 表面滑动时会引起边部火花及电弧。电刷在换向器表面 的滑动， 会在其表面刮出凹痕 （一般电刷材料硬度较大） ， 使得换向器材料表面出现烧焦、 变色、 雾状残留物， 进一 步恶化电接触性能。 电刷和换向器的不平衡或偏心而产生的振动， 在电 刷升高时， 电接触面减少， 缩短换向时间， 有进一步引起 接触火花和电弧产生的倾向， 严重影响电机的稳定性和