淺析直流電機(jī)用電刷

【摘要】電刷是電機(jī)的重要組成部分，對電流的導(dǎo)入和導(dǎo)出起著過渡和中轉(zhuǎn)的作用。本文主要對電刷的材料、技術(shù)特性、安裝、更換、維護(hù)進(jìn)行了綜合的概述。

【關(guān)鍵詞】電刷；作用；材料；特性；安裝；更換

一、電刷的作用

直流電機(jī)是在交流電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過換向器和電刷對電樞繞組電流的換向來實(shí)現(xiàn)的。因此電刷是直流電機(jī)的重要組成部分，是直流電機(jī)用于導(dǎo)入導(dǎo)出電流的重要的滑動(dòng)接觸件，起到了過渡和中轉(zhuǎn)的作用。

二、電刷在工作中的要求

1.在換集電環(huán)和換向器表面，形成適宜的表面薄膜；2.對集電刷和換向器的磨損小，使用壽命長；3.電刷的電功率損耗和機(jī)械損耗??；4.在電刷下不會(huì)有危害電機(jī)的火花出現(xiàn)；5.產(chǎn)生較低的噪音。

對這些要求的滿足，不僅由電刷的本身特性決定，還與電機(jī)的結(jié)構(gòu)、電刷的材料、尺寸以及安裝調(diào)試等有著密切的關(guān)系。

三、電刷的材料及特性

電刷主要有石墨類電刷和絲網(wǎng)狀彈片電刷。因?yàn)槭愲娝⒌氖褂幂^為普遍，本文主要對石墨類電刷進(jìn)行介紹。石墨類電刷主要有三種，即石墨電刷、電化石墨電刷、金屬石墨電刷。石墨電刷電阻高，電阻率在80Ω·mm2/m以上，但硬度較低，常用于換向并不困難的中小型電機(jī)。電化石墨電刷電阻率居中，常適用于換向高速換向困難的電機(jī)。金屬石墨電刷電阻率較小，耐磨性較差，常用于速度不太高的低壓大電流電機(jī)。

1.電刷的結(jié)構(gòu)特征

①徑向式電刷：亦稱輻射式電刷 平頂?shù)妮椛涫诫娝⑦m用于可逆運(yùn)轉(zhuǎn)和單向運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)。刷握要求加工精確；刷體不宜過長，與刷握間隙適當(dāng)；刷握與換向器的間隙也不適宜過長。上端面傾斜的電刷適用于單向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。

②前傾式及后傾式電刷 這類電刷，當(dāng)安置在刷握中時(shí)，電刷對換向器傾斜一定的角度。前傾式約為30°左右，適用于單向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。后傾式約為15°左右，適用于可逆轉(zhuǎn)類型電機(jī)及大容量單向旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)。除上述兩種外形的電刷外還存在分層電刷，例如兩塊電刷拼合而成的雙子電刷，該種電刷橫向電阻大，可以起到改善換向的作用，適用于振動(dòng)大，高速且換向困難的電機(jī)。

2.電刷的接觸特性

電刷與換向器或集電環(huán)接觸運(yùn)行一段時(shí)間之后，在它們之間形成一層由氧化亞銅以及吸附的石墨屑和水分組成的薄膜。電流便從電刷與換向器或集電環(huán)接觸點(diǎn)之間的薄膜通過。而電刷與換向器或集電環(huán)接觸點(diǎn)和面積的大小隨著施與電刷單位面積上的壓力的變化而變化。在電機(jī)運(yùn)行條件不變的情況下，雖然接觸點(diǎn)的位置在不斷地變化，但它們之間的接觸面積沒有變化，這便是電機(jī)電刷的接觸特性。主要參數(shù)有瞬間接觸電壓降和摩擦系數(shù)。瞬間接觸電壓降是電流通過換向器或集電環(huán)、接觸點(diǎn)薄膜，電刷時(shí)產(chǎn)生的壓降。每一種電刷都有不同的極限電壓降，在對電刷選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮電機(jī)的電流、電壓、換向困難程度和瞬間接觸電壓相適應(yīng)。如果超過了接觸電壓降的極限值，滑動(dòng)接觸點(diǎn)的損耗將增大，并會(huì)產(chǎn)生過多的熱量損壞電刷。三種材料的電刷，金屬石墨電刷的電壓降低于石墨電刷和電化石墨電刷。摩擦是電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量的原因，是電機(jī)正常運(yùn)行必須考慮的因素之一。在電機(jī)正常運(yùn)行的過程中，電刷與換向器之間的薄膜對摩擦情況的影響比較顯著，而薄膜的組成和性能又受到換向器、電刷、集電環(huán)的材質(zhì)和接觸面積影響。摩擦情況通常由電刷的摩擦系數(shù)來衡量。

電刷摩擦系數(shù)可由下面公式?jīng)Q定

式中p—摩擦損耗 W

p—施于電刷的單位壓力

S—電刷與換向器或集電環(huán)接觸的總面積

V—電機(jī)的圓周速度

劇烈的摩擦?xí)疬\(yùn)行中電機(jī)的振動(dòng)，發(fā)出噪音并導(dǎo)致接觸不穩(wěn)。因此在電機(jī)正常中作過程中應(yīng)盡量降低電機(jī)的摩擦情況。

影響電刷接觸特性的主要因素有電機(jī)的圓周速度、電流密度、施于電刷的單位壓力以及周圍的介質(zhì)情況。

3.電刷的理化特性

電刷的理化特性主要有硬度、電阻率和灰分雜質(zhì)。

電刷的硬度是表示電刷耐磨性能的一種指標(biāo)。硬度太高，容易給電動(dòng)機(jī)帶來磨損；硬度較小，電刷易損。所以對于不同電動(dòng)機(jī)需要不同硬度的碳刷.電刷的硬度常采用肖氏硬度計(jì)來測量。

電刷的電阻率是表征電刷電阻大小的一種指標(biāo)。電刷的電阻率波動(dòng)要小。根據(jù)電阻率的大小便可粗略地確定電刷的適用范圍。換向困難的電機(jī)常采用電阻率高的電刷；普通直流電機(jī)采用中等電阻率的電刷；低壓電機(jī)采用低電阻率的電刷。電刷的電阻率和硬度可綜合反映電刷的使用性能和質(zhì)量的一般情況。電阻率偏高而硬度偏低，說明電刷的密度低，易產(chǎn)生較大的磨損。

電刷的灰分雜質(zhì)是表示電刷耐磨性能的另一指標(biāo)。電刷中含有少量極細(xì)微的灰分，能提高電刷的耐磨性能，然而，如果灰分雜質(zhì)中含有少量硬質(zhì)磨料顆粒，如碳化鐵、碳化硅（即金剛砂），會(huì)把集電環(huán)表面劃成溝槽，對電機(jī)危害極大。

四、電刷的安裝、更換與維護(hù)

1.電刷的安裝

電刷安裝的好壞直接影響電刷的壽命和電機(jī)運(yùn)行中火花的生成情況。安裝在同一臺(tái)電機(jī)上的電刷必須采用同一規(guī)格和型號(hào)的電刷。電刷安裝時(shí)應(yīng)應(yīng)保證電刷在刷握內(nèi)能自由移動(dòng)，一般保持電刷側(cè)面與刷握內(nèi)壁的間隙在0.1～0.3mm之內(nèi)，電刷的下邊緣據(jù)換向器表面控制在2～3mm范圍內(nèi)，這種距離既能防止刷握觸傷換向器又能防止電刷的不穩(wěn)顫動(dòng)。對于施加在電刷表面的彈簧壓力應(yīng)盡量均一，但對于不同的電機(jī)，彈簧壓力也亦相同。例如對于圓周速度較高的電機(jī)，其電刷壓力也應(yīng)適當(dāng)增大，但壓力過大將增加電刷的磨損，所以對壓力的選擇應(yīng)以電機(jī)適宜為準(zhǔn)。

2.電刷的更換

長期使用的電刷，由于腐蝕和摩擦等原因，刷體會(huì)出現(xiàn)長短不一的現(xiàn)象，當(dāng)刷體磨去原高度的1/2或2/3時(shí)，就需要及時(shí)更換新的電刷，電刷宜一次全部更新。更換的的新電刷在型號(hào)、規(guī)格上都應(yīng)與原電刷保持一致，并禁止混用兩種或兩種以上型號(hào)的電刷。對中小型電刷，在電刷更換前應(yīng)將換向器磨光研平，磨光時(shí)應(yīng)用細(xì)玻璃砂紙沿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向研磨，禁止使用金剛砂紙磨研。為了避免大型電機(jī)更換電刷時(shí)影響生產(chǎn)，可以不停機(jī)每次更換20%。每次時(shí)間間隔1～2周。

3.電刷的維護(hù)

電刷的維護(hù)是保證電機(jī)正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要的工作。電機(jī)運(yùn)行過程中應(yīng)經(jīng)常觀察換向情況（火花的大小，換向的規(guī)律，發(fā)熱情況）、電刷的活動(dòng)情況（是否能自由移動(dòng)、有無卡阻現(xiàn)象）、電刷的磨損情況以及觀察周圍的環(huán)境（包括溫度、濕度），根據(jù)觀察的情況，采取相應(yīng)的措施保證電機(jī)的正常運(yùn)行。參考文獻(xiàn)

[1]電機(jī)工程手冊編輯委員會(huì).電機(jī)工程手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：10-3.

[2]秦虹.電機(jī)原理與維修[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2004：2.

作者簡介

王立偉（1984-）女，河北省秦皇島市人，秦皇島技師學(xué)院，助理講師。本科學(xué)歷。研究方向：電氣工程，職業(yè)教育。