電刷選型分析及電刷預磨裝置的設計

王建軍

(海軍駐上海711所軍事代表室， 上海 201108)

電刷選型分析及電刷預磨裝置的設計

王建軍

(海軍駐上海711所軍事代表室， 上海 201108)

介紹了電刷的主要技術特性如一對電刷的接觸電壓降、摩擦系數、磨損率、電阻系數、硬度、氧化膜等，介紹了選擇電刷牌號的幾個因素，并根據一個實例介紹了選擇電刷的考慮方法。介紹了電刷預磨裝置的優(yōu)點及草圖，以及使用時的注意事項，指出它不但可以減輕體力勞動強度，還有效地保證了電刷的研磨質量。

電機；電刷；技術特性；電刷預磨裝置

0 引言

電刷是電動機、發(fā)電機或其他旋轉機械固定部分和轉動部分之間傳遞能量或信號的裝置，用于換向器或集電環(huán)上，作為導入導出電流的滑動接觸體。它擁有良好的導電、導熱以及潤滑性能，并具有一定的機械強度及抑制換向火花的能力。

電刷是電機的重要組成部件，一般由純碳加凝固劑制成，外型通常為長方塊。在安裝使用時，通常將電刷固定在靜止的金屬支架(如刷握)上，采用彈力結構將其壓緊在電機轉動部件上。

在采用電刷導流結構的直流電機中，電流通過電刷和換向器實現電機靜止部件和轉動部件之間的電流傳導與回路中電流換向。因此，電刷和換向器之間必須有良好的機械接觸與電接觸，否則可能會出現電機換向閉口或換向火花超標，嚴重時甚至會燒壞電刷、刷握甚至換向器，損壞電機。直流電機性能的好壞，除受其設計方案的影響外，合適的電刷也是一個重要的影響因素。

1 電刷的技術特性

電刷的技術特性主要包括一對電刷的接觸電壓降、摩擦系數、50 h磨損率、電阻系數、硬度、換向能力等。另外電刷與換向器接觸表面的氧化膜也對直流電機的性能有重要影響。

1.1 一對電刷的接觸電壓降

電刷的接觸壓降大小主要受電刷制造材質影響，是判斷電刷材料是否優(yōu)良的一個因素。電刷電阻系數越大，接觸電壓降也越大。接觸壓降在換向過程中有助于減少被電刷短接的線圈中的循環(huán)電流，它通常以正極和負極電刷的總電壓降表示，故被稱為一對電刷的接觸電壓降。任何一種型號的電刷都有自己的瞬變接觸電壓降的容許值，如果超出了最高限度，則滑動觸點的電力損耗過大，引起電刷高度發(fā)熱，降低電機效率。

1.2 摩擦系數

直流電機工作時，電刷在換向器表面滑動摩擦。因此，摩擦系數是電刷的一個重要的技術指標。對高速電機來說，尤為重要。電刷運行時摩擦損耗公式為

f=9.81Pμv

(1)

式中：f為摩擦損耗，W；P為電刷在換向器上的總壓力，g；μ為摩擦系數；v為圓周速度，m/s。

從以上可以看出，摩擦系數愈高，則摩擦損耗也愈大。在高速電機上使用的電刷，其摩擦系數值應小。對同時使用電刷數量多的電機，因為總壓力大，也應采用摩擦系數小的電刷。此外，除了電刷和換向器接觸面的干滑程度以外，環(huán)境溫度和濕度、電流密度、周圍大氣和彈簧壓力也會影響電刷的摩擦系數。

1.3 磨損率

用戶希望電機電刷的磨損率小，電刷對換向器的磨損率也小，這樣可以延長電機使用壽命，減小設備維修的麻煩。電刷磨損率受潤滑性能、質地和韌性影響較大。潤滑性能好、質地堅固、韌性好的電刷，其磨損率相對較小。不同的運行條件，對電刷磨損率也有影響，如：增大電機工作轉速，增大加于電刷上的單位壓力以及換向困難的電機，磨損率要大一些。

1.4 電阻系數

各種型號的電刷都有其允許的電阻系數范圍，而且彼此相差很大。電阻系數的單位是Ω·mm2/m。通常電阻系數高的電刷使用于換向困難的電機。碳黑基體的電刷以及樹脂做結合劑的電刷都屬于高阻電刷類，而焦碳基電刷次之。石墨基的電刷，電阻系數較低。一般說來，電阻低的電刷其接觸電壓降也低。電阻系數高的電刷不適宜用于大電流的電機上，因為大電流流過電刷，將會產生高熱，電刷容易損壞。

1.5 硬度

對電刷硬度的測量，有肖氏硬度和壓入法硬度兩種。選用過硬的電刷，會使換向器有很高的磨損率。

1.6 電刷的換向能力

電刷的換向能力可從直流電機帶負荷工作時的無火花換向區(qū)來測量。同設備同工況下，無火花換向區(qū)愈寬，意味著這種電刷抑制火花的能力愈強。

1.7 氧化膜

電刷在換向器上運行時，在其接觸表面上通常會形成一層均勻、適度、穩(wěn)定的氧化膜，這是電機運行良好的主要標志之一。其厚度僅為50～400埃(1埃=0.1納米=10-10米)。在電刷運行中，氧化膜呈現為平衡狀態(tài)，既不斷地形成，同時也不斷地被磨去。氧化膜雖然不屬于電刷的技術特性，但卻對電刷的技術特性有重要的影響。因為，氧化膜的存在不僅能夠改變換向回路的電阻，減少或消除電氣火花，改善換向，而且能夠改變電刷與換向器表面的接觸特性、減小摩擦、降低磨損、延長電刷使用壽命。

2 電刷的選擇

電刷的選擇主要是依據電機的功率、電壓、轉速結合電刷的技術特性如接觸電壓降、摩擦系數、允許電流密度、換向要求等來確定的。同時應能保證電刷在換向器表面建立合適的氧化膜。

各種電刷都有自己的接觸電壓降范圍。在選擇電刷牌號時，必須考慮電刷的接觸電壓降與電機的電壓相適應。一般說來，銅電刷的接觸電壓降較低，石墨及電石墨電刷的接觸電壓降較高。因此對電壓較高、電流較小，整流性能要求高的電機，可以采用整流性能高同時接觸電壓降也高的電刷，其抑制火花能力較強。反之，對低壓高電流的電機，則一般采用接觸電壓降較低的電刷。由公式(1)可以看出，電刷的摩擦損耗與電刷摩擦的圓周速度成正比。為降低電機的換向難度，減少電刷的摩擦損耗，高速電機一般要求電刷具有良好的穩(wěn)定性與潤滑性，同時應具備摩擦系數較低、允許電流密度大、不易發(fā)熱、慣性較低等特性。各種電刷都有其額定電流密度。如超出這一允許范圍，電刷過負荷運轉就容易產生發(fā)熱過高情況，損壞換向器表面氧化膜，引起火花，影響電機運轉。

當然，根據電機的具體情況而適當地提高電刷電流密度也是允許的，但可能導致電刷和換向器的較快磨損。應當注意的是當電機電刷電流密度過低時，不易形成氧化膜，運轉時摩擦力增大，引起震動，往往容易產生火花和振動，并加速電刷與換向器的磨損，對電機性能造成重大影響。

3 電刷選型實例

某直流發(fā)電機的規(guī)格為1 500 kW，450 V，1 000 r/min。電機的電壓450 V，屬于低電壓大電流高轉速、換向困難類型的電機。因此，電刷的選擇應選摩擦系數較低，一對電刷接觸電壓降比較高，能適用于換向困難電機的電化石墨電刷。

在電機設計中，換向器直徑為0.6 m，電樞電流為3 333 A，電刷的總接觸面積為620.4 cm2，故

發(fā)電機電刷接觸處的線速度為

π×0.6×1 000÷60=31.4 m/s

電刷的電流密度為

2×3 333÷620.4=10.74 A/cm2

通過電刷牌號及參數表格(表1)可知，在電化石墨電刷中，D374型號電刷的額定電流密度為12 A/cm2,最大圓周速度為50 m/s，滿足上述參數要求。故該直流電機的電刷選擇為電化石墨電刷，型號是D374。

表1 電刷牌號及參數

該電機進行出廠型式試驗時，電機換向性能良好(主要換向性能數據見表2)，試驗數據均優(yōu)于國家考核標準。

表2 使用D374電刷時的換向試驗結果

4 電刷預磨裝置

電機換向性能除受設計方案保證及選用合適牌號的電刷外，還需通過刷架刷握等電刷固定裝置保證電刷與換向器之間接觸良好。直流電機正常運行時，電刷和換向器接觸表面應有相同的曲率，實際接觸面積不低于理論接觸面的80%。如果實際接觸面太小，會造成接觸處電流密度過大，產生火花并燒傷換向器表面等。

在電機新裝配或維護中更換電刷時，需對電刷進行研磨，否則電刷與換向器表面實際接觸面積達不到正常使用的要求。通常，電刷是裝配在電機上以后，通過反復拉動電刷和換向器之間的砂皮來進行研磨。一來操作不方便，二來須在電機本體內清除所有碳粉及碎屑，人為增加工作量。為方便研磨電刷，可采用電刷預磨裝置(見圖1)。該電刷預磨裝置的原理是：通過模擬電刷實際運行時的情況，將刷握和電刷放置在一個與電機換向器直徑相同的且表面貼有0號或00號砂皮紙的圓筒上，刷握的安裝位置及要求(如等分度、刷握離換向器表面距離等)嚴格按照電機本體刷架的設計要求。將電刷裝配好后，通過旋轉圓筒來研磨電刷與換向器的接觸面。研磨好后，理論上電刷擁有與直流電機換向器表面曲率相同的弧面，可直接更換使用在電機上。經過輕負載(如1/3額定電流)工況下運行2～4 h，得到更好的接觸之后，可保證電機良好的換向性能。

圖1 電刷預磨裝置

5 結語

通過對電刷技術特性的分析，合理地選擇電刷種類和型號，可以保證電機的換向性能，確保電機運行平穩(wěn)。電刷預磨裝置可以減輕體力勞動強度，而且有效地保證了電刷的研磨質量。

王建軍，男，1976年11月生，大學本科，畢業(yè)于海軍工程大學?，F從事船舶電氣的設計研究工作，工程師。