換向器本身是一個通常由銅制成的開口環，該環的每一段都連接到電樞線圈的兩端。如果電樞具有多個線圈，則換向器將類似地具有多個段-每個線圈的每一端一個，彈簧刷位于換向器的每一側，并在換向器旋轉時與換向器接觸，為換向器片和相應的電樞線圈提供電壓。當電刷經過換向器中的間隙時，所提供的電荷會切換換向器片，從而切換電樞線圈的極性。線圈中極性的這種切換可保持電樞沿一個方向旋轉。

電刷之間的電壓幅度在零和最大值之間波動，但始終保持相同的極性。換向器是分段構造的，這些分段彼此絕緣。當刷子從一個片段傳遞到另一片段時，有瞬間刷子同時接觸兩個片段。這被稱為中性面，此時，感應電壓為零。否則，電刷會使線圈的兩端短路，并由于高壓而引起火花。

換向器表面要求

為了碳刷能在換向器表面既快速又平穩的運行，換向器的表面必須有一定的峰谷高度， 為了避免產生過大的摩擦系數，換向器表面沿軸向測量時的峰谷高度為 6-10um時為最佳，在這個高度的前題下，車床紋數越多越好。

同時， 換向器的軸線在整個銅片長度上應該是平穩的運行， 如果換向器的表面太光滑， 碳刷在換向器表面運行的摩擦系數就會增大， 甚至于爬行而發出咯咯聲。在這種情況下， 換向器表面就不能形成正常的金屬氧化膜接觸層， 電火花會使換向器表面涂色不均， 從而增大碳刷的磨損。有好的一種情況是，在這種情況下換向器有時會因為火花放電而變得粗糙起來， 持續一段時間后，碳刷最終會變成平穩的運行。但多數會因為這種不平穩的運行使換向器變得不圓， 碳刷會很快磨完，從而使電機短命。

換向器精車加工特點 換向器工作表面的精車加工質量已經成為影響有刷電機運行換向性能的關鍵，而對微特電機換向器表面精車加工的主要質量要求有：換向器的外徑和長度尺寸符合工藝要求，外圓相對軸承擋的跳動不大于 0.006mm，外圓圓度不大于 0.003mm，片間高低差不大于 0.0015mm，表面粗糙度 Ra0.1μm ～ Ra0.8μm、 Rz0.8μm ～ Rz3.2μm，下刻槽槽口應無飛邊或拉伸現象，表面紋路清晰、光滑、粗細均勻，表面無銅屑粘黏。

換向器表面加工特性

在電機行業中換向器的換向片材料主要有無氧銅（或電解銅）和銀銅合金材料兩大類。其主要成分均為銅，由于銅屬于典型的塑性材料，質地韌軟，強度、硬度低。線膨脹系數大，加工易發熱，尺寸精度較難控制，易產生銅屑粘黏。且換向器工作表面加工有下刻絕緣槽，精車加工為斷續切削，在槽口邊緣易產生飛邊或拉伸現象。在切削過程中，隨刀尖的不斷切入，當切應力達到 并超過工件材料的屈服強度，開始發生塑性變形，形成剪切滑移 變形，而后隨著剪刀面對材料的擠壓，最終形成絲狀或帶狀切屑， 沿前刀面流出。

已加工表面受到切削刃鈍圓部分與后刀面的擠壓和摩擦，產生變形和回彈，造成纖維化和加工硬化。在換向器 精車加工過程中，應選擇合適的刀具材料、刀具幾何參數及切削參數，以控制切削溫升和已加工表面的變形及回彈，以保證換向器表面精車加工質量。

換向器精車刀具選擇

PCD 刀具材料的特點 聚晶金剛石復合材料（簡稱 PCD）的主要優點有：硬度高；耐磨性好；摩擦系數小；導熱系數高；熱膨脹系數低；與有色金 屬和非金屬材料間的親和力很小。其脆性大是 PCD 材料的缺點，這可以通過合理選擇刀具角度 和制訂相應的加工工藝，以降低沖擊對它的影響。PCD 材料一般選擇淡黃色十二面體，結晶純、顆粒重不 大于 1.5 克拉的為最好。在刃磨之前應對 PCD 材料精車定向，確定晶軸，找出刃磨方向，晶體盡量要完整，晶體頂角處不得有裂紋和裹體。

刀頭幾何形狀選擇 在車削加工過程中，車削加工后在已加工表面會留下極小部分未加工，殘留在已加工表面。當進給量 f 不變時，刀頭圓弧半徑 r 增大則H減小，粗糙度下降。但一味增大r，由于與精車切削深度（即切削余量）、進給量不匹配，導致切削過程中對已加 工表面產生擠壓，以致加工表面刀紋紊亂、粗細不一致、有斷點、 不光滑。根據微特電機換向器精車加工留量和精車后的表面粗糙度要 求，精車刀尖形狀選擇 R0.1mm 較為合適。

刀具幾何角度選擇 根據換向器材料特性和微特電機換向器精車加工的余量很小等特點，故選擇較小的前角 γ=12°來保證刀具切削刃的鋒利性和較大的后角 α=14°以減少刀具后角面與換向器表面摩擦，控制切削溫度升高，導致切屑形成積屑瘤。

PCD 車刀刀刃非常鋒利，刃部粗糙度很低，摩擦系數小，切屑易于排出，但由于換向器為非連續的銅排表面，有下刻云母的窄槽存在，切下的銅屑呈針狀或顆狀，若不及時排出，很易飛濺或粘黏在換向器表面或刀尖上，影響換向器表面質量。

由于 PCD 材料的耐熱性較差，當切削溫度超過 700℃~800℃時， 它就會碳化（形成CO2）而完全失去硬度。銀銅的塑性變形大，摩擦系數大，在切削時和刃口及刀面的摩擦大，這樣當提高切削速度，加大吃刀量時，因切削熱猛增而破壞正常切削，這給進一步提高產品質量造成障礙，在 PCD 車刀加工過程中選用高負壓的抽風排屑方法，用高速氣流將切屑及時吸走，同時也對換向器和刀具表面起到冷卻作用。

結論

PCD 材料有硬度 大、耐磨、表面粗糙度值低、摩擦系數小等優點，采用此材料的刀具并選擇合適的刀具幾何角度和切削參數精車加工換向器，完全能夠保證產品質量要求，避免了傳統精車后用鉤刀清理槽口的弊端，因而能有效改善電機換向。

來源 |老趙說制造

審核編輯 黃昊宇