关键词 直流电动机 换向器 防弧绝缘 聚四氟乙烯 PTFE
引 言
因为自身复杂的结构等缺点，同时随着电控技术的发展，原来国内工业和轨道机车所用的直流电机已经逐渐被交流电机替代，国内直流电动机的市场逐渐变小，但是直流电动机由于起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小这些特点，仍然在一些环境比较恶劣的地方被广泛地应用着，尤其是中国以外的发展中国家，直流电动机依然占有极大的比例。随着我国一带一路政策的实施，国外尤其是发展中国家的机车订单和需求大增，而这其中很大一部分机车使用的是直流牵引电动机，而换向器是直流电动机最重要、最复杂的部件之一，直流牵引电动机换向的核心部件换向器的不稳定造成的问题也越来越突出，换向不良，将出现环火、接地等故障，而国外订单的返修费用相比于国内及其高昂，因此，换向器的质量提高成为了目前重要的课题。
换向器由换向导电、绝缘和紧固部分组成，如图1所示，由于直流电机工作当中电刷不断的磨耗，其碳粉往往就堆积在间隙处，图1中的2处。如果在此处处理不当，碳粉的堆积越来越多，会形成导电通道，可能会造成放电、片间短路、拉弧，直至环火。而根据近几年从国外反馈回来的情况看，由于换向器环火等原因造成换向器烧毁比例较大，所以，对于换向器前端面的绝缘处理成为了重要的课题。
1、压圈2、防弧环3、前端绝缘（无纬带）4、换向器片组
1防弧绝缘材料的选择
国内最早的换向器在此处的结构一般是直接使用无纬带缠绕，并涂刷绝缘漆，然后烘焙固化，其粗糙的表面极易使碳粉在此堆积从而造成环火、爬电等后果。随着材料科技的发展，我们开始选用聚四氟乙烯(F4，PTFE)作为此处绝缘的处理方案。
从直流电动机换向器前段的工作环境我们可以了解到，此处绝缘需要具备以下特性：1、具有良好的不粘性。电机运行过程中，随着碳刷的磨损，会产生大量的碳粉，而这些碳粉如果积累在换向器前端面，就有可能形成电回路，造成环火、爬电等问题，所以，此处应该不粘碳粉，只有这样才能避免运行过程中碳粉的积累；2、电性能良好，具有一定的耐电弧性。作为换向器压圈和片组的绝缘部分，此材料必须具有良好的介电性能，保证换向器的电性能。3、因为电机运行过程中会发热，所以该材料应该有良好的耐老化性能，才能保证在电机的运行温度160℃下长期不变型和老化，且不发生自燃；而这些性能聚四氟乙烯(F4，PTFE)均能满足。
聚四氟乙烯具有良好的不粘性能。它具有固体材料中最小的表面张力，摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1/5，由于四氟大分子间的相互引力小，而且表面对其他分子的吸引力也很小，因此其摩擦系数非常小，一般仅0.04。同时还具有良好的耐腐蚀性，能够承受除了熔融的碱金属，氟化介质以及熔融强碱之外的所有强酸（包括氟锑酸、王水）、强碱、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。
聚四氟乙烯电气性能良好，薄膜击穿场强达200KV/mm，电阻率达1018Ωcm，介质损耗小，击穿电压高，且耐电弧性大于300s。
聚四氟乙烯温域范围广，可使用温度-190~260 ℃，长期暴露于大气中，表面及性能保持不变。根据换向器的运行状态，我们设计了加速老化试验，模拟运行温度为160℃，将聚四氟乙烯置于此环境下不间断的进行试验测量，经过长达3个月模拟，其介电常数、耐压性能、密度等均无明显变化，
所以，聚四氟乙烯这种材料完全满足直流电动机换向器前段绝缘材料的需求，因此，我们选择聚四氟乙烯作为绝缘材料。
2防弧绝缘材料的加工
正因为该材料突出的不粘性和极低的表面活性，使它与其它物体的粘合极为困难，故而无法直接使用环氧树脂进行粘贴。为了解决这一问题，必须对聚四氟乙烯材料进行表面加工，降低其不粘性，提高表面活性。
首先采用物理手段，使用特殊工艺对其粘贴面，即内表面进行粗化处理，俗称“拉毛”处理，使其产生条纹状；其次，采用化学腐蚀改性，对其进行表面活化处理，目前换向器使用的聚四氟乙烯材料一般经过萘钠处理液进行改性，从而降低其不粘性，使其达到可粘贴可使用的换向器前段绝缘材料。
3防弧绝缘材料的改进
目前实际生产中使用的聚四氟乙烯大多是带状，如图2，先使用工具将带状材料裁剪成产品需要的宽度，然后对换向器前端面进行粘贴，但因为并不是一个整体环，所以粘贴后存在接缝，而接缝处的不粘性仍然不能达到保证碳粉不堆积的程度。同时因为聚四氟乙烯受热后收缩的特性，接缝处也可能出现缺口或粘贴不牢，甚至导致超速实验时甩带的现象发生。
为此，我们建议将带状改为环状，如图3，该类型的聚四氟乙烯环采用整体内车削加工而成，根据换向器压圈的尺寸加工，对环内面进行粗化处理后套于塑料或铝质支架上，使用前拿下后直接套于换向器前段压圈处，此种聚四氟乙烯环为一个整体，不存在接缝等可能导致绝缘破碎或积累碳粉的可能性存在。
5结束语
随着我国一带一路政策的实施，国外对直流电动机的需求增大，返修的困难等对换向器的质量提出了更高的要求，所以换向器前端面的绝缘处理成为了重要的课题。根据换向器前端面绝缘结构的要求一般选择聚四氟乙烯作为绝缘材料，并根据实际使用需求对粘贴面进行了粗化和活性处理。为提高质量，进一步降低拉弧、环火等问题，建议后续产品采用环状整体加工的聚四氟乙烯环，确保后工序不会因为超速试验发生甩带现象，解决了换向器在前端面放电、拉弧的问题。
6参考文献
[1] 纳霍德金. 牵引电机设计. 中国铁道出版社, 1983.
[2] 张开等. 高分子物理学. 化学工业出版社, 1981.
[3] 铁道部永济电机工厂.牵引电机制造.铁道部工业总局，1982.
[4] 钱知勉.塑料性能手册.上海科学技术文献出版社，1998.
论文作者:吴文超，王田
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
标签：换向器论文; 乙烯论文; 直流电动机论文; 聚四氟论文; 碳粉论文; 端面论文; 绝缘材料论文; 《科技中国》2018年4期论文;