换向器是驱动电动机的关键部件,它的技术性能指标和产品质量直接影响到电动机的整体性能。由于电动机在旋转时电刷在换向器表面进行换向,频繁摩擦而产生热量,转速越高,表面温度也越高,这时换向器径向和相邻片间变形量越大,火花等级也越大,电动机寿命相对缩短。塑料换向器结构形式很多,主要决定于电动机的功率、电压、转速和尺寸大小。实践表明,选用合理的换向器的结构型式,是保证电动机性能,提高产品生产率的重要前提。换向器大多采用半塑型换向器,由塑料壳体、换向片(或称铜排)、云母片间绝缘及金属衬套组成,如图1所示。
由于换向片与线圈线头连接处的结构不同,可分为槽形换向器和钩形换向器两种。槽形换向器如图2所示。其特点是在换向片的升高部分铣槽,线圈头就嵌在此槽中,然后点焊(热压焊),漆包线的漆膜在点焊时的高温下熔化散逸,使得线头和线头以及和换向片槽壁形成良好的电气连接。钩形换向器如图3所示。在绕制转子线圈时,线圈头绕在换向片的钩上,然后点焊时把钩压下,使线头与换向器形成良好的电气连接。采用钩形换向器,容易使线圈线头与换向器连接的工序实行自动化,但目前大多用在换向片数少及电动机功率较小的场合,主要考虑大功率电动机线圈的线径粗,缠绕困难,而换向片数多时,弯钩宽度变窄,相邻线头容易短路。
当电动机转速高,速度达30~60m/s时,可在结构上采取一定措施,提高机械强度。图4为U型燕尾槽带加强圈结构,加强圈可以采用钢环(可用无缝钢管车加工而成)或用钢丝焊接,外包一层绝缘材料,也可采用玻璃钢等有机绝缘材料。
换向器(图5)的壳体采用玻璃纤维增强的热固性塑料或石棉塑料,对塑料的耐热性和机械强度有较高的要求,并且要求热膨胀系数尽可能与换向片铜材接近,常采用酚醛树脂电木粉。金属衬套的作用,是防止换向器压到转轴上时使塑料受到机械应力。小的换向器因受尺寸限制,一般不放金属衬套。金属衬套有黄铜衬套、弹簧衬套等。
片间绝缘采用云母板或云母粉,由于云母的耐磨性比较强,因此必须进行拉槽,使片间的云母板低于换向片,避免耐磨的云母板凸出于换向片,影响电刷与换向片的接触,造成换向恶化,电机不能运转。
换向器铜排材料大体可以分为两大类:一是无氧铜或电解铜;二是银铜合金。第一大类的无氧铜或电解铜主要用于转速较低的场合,如小家电电动机,汽车启动马达等。第二大类的银铜合金主要用于吸尘器及电动工具。由于吸尘器和电动工具换向承受的线速度较高,换向时的火花不断烧蚀换向器表面,造成换向器表面的温度急聚升高,在铜中增加一定含量的银后可以增加银铜合金的耐高温性,使得换向器表面不易造成变形,可以有效控制火花及浮排等不良的出现。