霍达 艾芊
上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240
摘要：本文通过对家用包缝机工作原理的介绍，对常见的驱动电机故障的汇总和原因分析，以家用包缝机驱动电机的转子、定子、装配三个维度，笔者通过试验验证，提出关键工序工艺特性标准，对降低家用包缝机驱动电机的故障率具有重大意义。
关键词：家用包缝机；驱动电机；单相串激电机；关键工序；工艺特性
一、家用包缝机用途及工作原理
1.1 家用包缝机应用前景
家用包缝机属于缝纫机的一种，因其强大的功能，需求位列众机之手[1]。常用于成衣、床帘、被罩的生产过程中缝纫边际场景。例如在我们的外套、牛仔裤的内里接合面，均需采用包缝机作为缝纫工具来完成。因此包缝机在服装行业中扮演了举足轻重的地位。
1.2 家用包缝机工作原理
家用包缝机的工作原理，由内部驱动电机通过一根同步齿皮带传动，经由手轮将动力传递至机械包缝机的主轴。同时，在手轮中增加平衡块，用于平衡主轴运转时主轴上的凸轮机构的转动不平衡量，减少整机振动造成的机器共振噪音和减缓配合机构零件磨损速度。
当主轴旋转时，固定在转轴上的凸轮与和上轴相连的连杆进行联动，实现主轴至上轴摆动快的动运转换，最后经由连杆机构，转化为缝头轴的上下往复周期运动，实现缝纫针的缝纫动作。同理，通过主轴上固定的凸轮和网球拍以及连杆间的凸轮机构 ，实现了送布牙齿的前后传动运动、动刀的上下往复切布动作和左右弯针往复运动。从而将主轴的单相转动转化为5大联动机构按需联动。
工业包缝机工作状态转速相对较为稳定。但家用包缝机，往往用户缝纫线迹花形较为复杂，使用者根据实际需要调整驱动电机的工作转速。由此，家用包缝机的实际工作转速状态受用户的熟练度、花样的复杂度等影响而机械结构的负载工作状态呈现多样化的趋势[2]。
1.3 家用包缝机驱动电机工艺特性研究意义
家用包缝机，因复杂的负载工况对驱动电机可靠性具有深入影响，通过对驱动电机的工艺特性进行标准化的设定，提升家用包缝机驱动电机可靠性研究，为业内提升产品核心竞争力具有重大意义。
二、家用包缝机驱动电机常见故障及原因分析
目前主要采用单相串激电机作为家用包缝机驱动电机。单相串激电机采用转、定子线圈绕组串联结构，[3]可使用日常生活交流电直接驱动。
2.1单相串激驱动电机常见故障问题
家用包缝机负载工况根据用户的不同使用需求，负载转速、负载功率、冲击负载及工作转动大等特点，家用包缝机驱动电机的工况较其他应用领域更为复杂，对应市场市场投诉与常见电机故障问题占比更为突出。笔者结合近3年市场投诉反馈，总结得出家用包缝机驱动电机常见故障类型，如图1所示。
从分布可知，转子短线、电机振动噪音大、电机转子匝间短路烧毁、转子虚焊、电机轴承灼烧卡死、电机定子匝间短路烧毁、火花大碳刷磨完七项不良问题，累计占总驱动电机故障不良96%。
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图1 单相串激驱动电机常见故障问题分布情况汇总
图片来源：作者自绘
2.2单相串激驱动电机常见故障原因分析
转子断线不良：断线部位主要集中在换向器钩根部漆包线位置，断线部位情况分析，明显看出断线部位的漆包线呈现扁平状态，转子点焊不良。
电机振动噪音大：电机振动主要由于转动部件，转子在运转时的不平衡量过大造成[4]。
电机转子、定子匝间短路烧毁：烧毁部位多为相邻线圈，可重点对绕线后线圈漆膜破损所致。
转子虚焊不良：点焊后因换向器钩根部存在缝隙或钩焊接力不足，造成转子在通电运转后，换向器钩根部漆包线伴随缝纫机的振动和离心力的双重作用下发生漆包线松脱，对应线圈与换向器铜排虚焊，造成换向火化大。
电机轴承灼烧卡死：家用包缝机驱动电机，通常采用球状含油滑动轴承进行电机转子两端的固定。电机装配后两端的含油轴承不同心，使转子憋转轴承发热温升过高而使轴承摩擦发热，造成轴承含油率下降和转轴磨损卡死。
火花大碳刷磨完：因驱动电机运转后，转子换向器表面与碳刷表面存在相对运动，换向器表面精车后的圆度过大或车削不净等不良现象发生，易造成碳刷磨损速率加快，缩短碳刷耐磨时间[5]。
三、驱动电机工艺特性研究
单相串激电机依据常见故障分析制定：转子关键工序为别为转子绕线、点焊、滴漆、精车、动平衡；定子关键工序为定子绕线和定子浸漆。装配关键工序为调心工序。
3.1定子关键工序工艺特性
定子绕线和定子浸漆为定子关键工序。
为监控分析绕线后漆膜状态，笔者采用盐浴测试法。盐浴测试主要原理为：在含盐量为2%浓度的盐水中，通过对绕组和盐水之间施加24V直流电，通过管控泄露电流值判断漆膜破损程度。同时为便于观测漆膜破损点位置，亦可在盐溶液中加入一定量的酚酞，NaCl溶液破在电解下会生成NaOH，酚酞溶液遇见碱性物质变成红色，比单独通过盐溶液电解后生成的气泡判断漆膜破损位置，更加准确和方便。盐浴测试关键管控点为泄露电流和破损点位。
定子绕线后，将定子浸泡在绝缘漆中，通过一定时间的浸泡后，绝缘漆完全浸入定子线包绕组后通过高温烘干固化，使定子绕组表面形成二次固化绝缘漆保护膜，进而加强和提升定子绕组线圈间的绝缘特性。另在无骨架定子结构中，定子浸漆工序也起着固化线包的作用。定子浸漆工序中关键管控点为浸漆时间、固化温度、固化时间。
3.2转子关键工序工艺特性
转子绕线工序，同定子绕线工序相同亦可将盐浴测试作为重点管控评估手段。此外，转子绕线过程中，绕线机因需将漆包线按照预先设计的钩槽方式进行绕制，在每次换槽时，需先更换换向器钩位挂钩后在进行换槽绕制，且转子铁芯槽型要较定子铁芯槽型相比更小，因此，对绕线脱钩、击穿、夹纸、抛线等不良需要进行严格管控。
转子点焊工序，将换向器钩内的漆包线，通过点焊棒对换向器钩预压折弯后，对钩内漆包线形成一定的预压力，并通过瞬时大电流发热共同作用，将换向器钩与换向片焊接，产生的高温将钩内漆包线漆膜进行融化，使原本被漆膜绝缘的漆包线绕组与换向器钩部导通。重点管控工艺管控标准：目测全检换向器钩部的变色区是否均匀、钩部有无塌钩或爆钩不良、歪钩、漏点焊不良。针对焊接效果的评估，采用将焊接后的转子掰钩进行评估，掰钩声音需清脆，钩内漆包线漆膜完全融化。换向器钩内漆包线的理想状态是漆膜完全融化，同时漆包线不发生形变。但是在实际生产过程中，如钩内漆包线不受压力变形，容易造成换向器钩根部与漆包线结合位置发生空洞，无法保障漆膜全部融化或滴漆后再次形成漆膜虚焊；另一方面，从点焊的原理可知，点焊后漆包线的线径如扁化过大，电机通电运转中，扁化的钩根部漆包线部分，在离心力的作用下更易发生断线，进而造成电机寿命测试失效。因此，通过大量的工艺研究和实验验证，引入线径变化量定义如下：
经试验验证，线径变化量控制在15%-35%时，点焊工序焊接效果最佳，且易于实现稳定工艺状态。
转子滴漆工序近似于定子浸漆，但因为转子结构较定子复杂，所以采用滴漆方式进行。滴漆过程中转子需依次经过预热区、凝胶区、固化区，其中预热区主要为了驱散转子表面的水分，以避免转子进入凝胶区后水分气化后形成气泡空洞，通过笔者多轮工艺测试研究发现，预热区的温度标准：90°—95°，凝胶区和固化区的温度标准：105°—110°。重点工艺参数为：温度、节拍、漆量。
针对精车关键工序研究，笔者通过对比精车圆度≤3um、3-5um、5-8um3种精车圆度状态驱动电机寿命测试发现，换向片精车圆度≤3um、表面粗糙度≤1.25um，有效降低碳刷的磨损速率，提升电机可靠性。同时，精车后还要对换向器槽内槽内的毛刺进行刷除，防止因换向器残留铜屑，导致片间短路不良发生。
动平衡量过大，易引起电机振动、噪音异常及电机火花大，电刷的磨损速率加快，电刷的使用寿命下降等问题。通过对比互换不良电机转子验证分析，转子平衡量标准制定≤40mg，改善效果最佳。
3.3装配关键工序工艺特性
家用包缝机驱动电机常采用滑动轴承可调心结构，需在电机装配完成后负载性能测试前，先将电机在额定电压下空载运转，使用橡皮锤敲打前盖和后盖，利用转子组件在运转工作状态下的转动惯量特性，将两端含油轴承的内孔轴线进行调心，可有效改善因轴承内控与转轴不同心而造成轴承转轴发热失效卡死。
四、结语
本文基于家用包缝机的工作特性，包括负载特性、整机工况，对当下家用包缝机驱动电机的故障情况进行分析。在研究分析家用包缝机驱动电机失效原因的基础上，笔者进一步总结提出家用包缝机驱动电机的关键工序工艺特性，对家用包缝机的驱动电机故障率的改善具有重要指导价值。
参考文献：
[1]杜贵明.《二十一世纪包缝机走势及热点》[Z].二十一世纪缝制设备发展论坛，2001.
[2]李善保，马翠翠，王冰.《日本飞马（PEGASUS）M700包缝机系列故障与维修》[J].针织工业，2014，7：99
[3]庄晓龙.《单项串激电机的基本特性》[J].电动工具，2017，（5）：4-6
[4]郑子明，马晓建，国红波.《包缝机的曲轴平衡》[J].针织工业，2009，2（1）：31-35
[5]向京新.《浅析直流转机中串励直流电机换向器产生火花的原因及解决方法》[J].综述专论，2020，（24）：106-108