電刷刷體與導(dǎo)線固定方法的研究

殷景峰，程桂香

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前 言

隨著電機工業(yè)迅速發(fā)展，對電刷的質(zhì)量要求越來越高。電刷作為電機關(guān)鍵組件，其性能好壞制約著我國電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；由于高空發(fā)電機和交流機、換向困難的大型電機、高圓周速度和高電流密度的新型電機和各種類型微電機的出現(xiàn)，對電刷提出愈加苛刻的要求，質(zhì)量要求也越來越高。

在電刷加工過程中，電刷的裝配，特別是刷體與導(dǎo)線的固定，是一個重要的環(huán)節(jié)。電刷刷辮是用來外接電氣設(shè)備，需要在電接觸時接觸靈敏和接觸電阻盡可能小，且保證運行時其不會脫出，故刷體與導(dǎo)線的固定質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響電刷在電機上的實際應(yīng)用。對于受沖擊負荷頻繁、使用環(huán)境惡劣的鐵路牽引電機用電刷和軋鋼電機用電刷等，刷體與導(dǎo)線的固定的質(zhì)量問題顯得更為重要。因此，為了保證電刷正常的運行，解決刷體與導(dǎo)線固定的質(zhì)量問題至關(guān)重要。

2 電刷刷體與導(dǎo)線固定方法的發(fā)展歷史和研究情況

縱觀電機用電刷刷體與導(dǎo)線固定方法的發(fā)展歷史，英國摩根電碳有限公司[1]的電刷導(dǎo)線填塞方法是世界上最先被發(fā)明的，當(dāng)時被稱為貝特塞聯(lián)接，并申請了專利。后因?qū)＠Ｗo期填塞方法是世界上最先被發(fā)明的，當(dāng)時被稱為貝特塞聯(lián)接，并申請了專利。后因?qū)＠Ｗo期滿，方才廣泛地被其他國外電刷制造企業(yè)所使用。該電刷導(dǎo)線固定方法采用填塞的方式，通過用金屬粉末來填入電刷的刷辮和刷體孔壁之間的空隙，這種電刷導(dǎo)線與刷體的聯(lián)接方式被認為是最簡單、最有效，且能夠滿足電刷在電機和機械上的耐用性，不但在新使用的時候是好的，就是在它受到熱和持續(xù)不斷震動的整個電刷使用壽命期間也是好的。

日本的電碳企業(yè)[2]為解決傳統(tǒng)的銅填粉填塞后電刷出現(xiàn)的質(zhì)量問題，經(jīng)研究改進選擇采用海綿狀鐵粉取代銅填粉，并做了相關(guān)試驗同傳統(tǒng)電刷導(dǎo)線脫出拉力與導(dǎo)線接觸電阻進行對比，發(fā)現(xiàn)采用海綿狀鐵粉作為填塞粉性能最佳。

德國林斯道夫碳公司[3]電刷刷體與導(dǎo)線固定的方式是先鉆孔，后攻絲，再擴孔，并采用鐵粉來替代銅粉填塞電刷；對大型電刷填塞時，會采取對刷孔進行銀粉復(fù)合物噴涂工藝，減少導(dǎo)線接觸電阻，填塞后一般會采用樹脂封口。其不主張采用鍍銀銅粉，認為其與鐵粉比較，性能無差別；使用鐵粉填塞這不僅可以節(jié)省銅粉，從而降低生產(chǎn)成本，而且電刷性能在高溫時更加優(yōu)越。德國遜克碳公司認為電刷導(dǎo)線采用填塞法比擴管法更方便，故多采用填塞法來固定電刷導(dǎo)線，通常使用樹枝狀銅粉作為填塞粉，以樹脂封口。

俄羅斯[4]通常是普通鉆床用聯(lián)合螺紋扁鉆鉆孔，加工錐形孔，導(dǎo)線直徑比孔徑小0.6-1.6mm，裝進刷體的導(dǎo)線末端應(yīng)折2-3mm，而后用專用銅粉填入刷體與導(dǎo)線間的空隙。

我國電刷刷體與導(dǎo)線固定方法的歷史較晚，起始于上世紀(jì)五十年代，從事電刷生產(chǎn)的企業(yè)很少，對其重視程度也較差，而發(fā)展到目前，所有的生產(chǎn)廠家包括哈爾濱電碳廠、自貢凱迪碳素有限公司、上海摩根碳制品有限公司等，都對電刷導(dǎo)線固定質(zhì)量相當(dāng)重視，而且在其質(zhì)量的改進與提高上做了大量工作，并取得出色的業(yè)績。

上海電碳廠[5]在七十年代為電刷填塞材料的改進作了大量的試驗與研究，其中包括對電刷孔的深度和形狀與效果的比較，電刷采用酚醛樹脂封口前后的效果研究等，并取得了一定的成果。

東新電碳廠[6]工程技術(shù)人員與老工人也在提高電刷導(dǎo)線固定質(zhì)量上作了大量工作，在試驗基礎(chǔ)上，先后在八十年代發(fā)表了“關(guān)于增大填塞電刷脫出拉力的方法”等多篇論文。其中較全面地介紹了采用X射線來查證刷辮與刷體之間填粉的密實性、填粉的塑性形變的探討、電刷填塞孔的形狀對脫出拉力的影響等。

3 實現(xiàn)電刷刷體與導(dǎo)線的固定方法

一個用于實際電機的優(yōu)質(zhì)電刷，導(dǎo)線與刷體之間的可靠聯(lián)接十分重要，因為過電流沖擊和振動等因素而造成連接失敗的教訓(xùn)很多。結(jié)合多年實際電刷裝配加工經(jīng)驗分析，電刷的導(dǎo)線常根據(jù)不同情況選用適合的方法進行裝配，通常有填塞法、擴鉚法、悍按法、模壓法四種。由于擴鉚法、悍按法、模壓法裝配的導(dǎo)線具有一定的局限性，而填塞法固定電刷刷體與導(dǎo)線是目前最簡單、有效的聯(lián)接方法，因此電刷刷辮的固定絕大部分是采用填塞法。

3.1 填塞法

填塞法是通過在電刷上預(yù)先鉆好錐形孔或螺紋孔，采用特制的銅粉或其他非金屬導(dǎo)電粉末，使用專用工具將刷辮搗固在預(yù)先加工成孔的刷體內(nèi)，再用樹脂膠將填塞孔表面封好，如圖1所示。此種固定方法適用于絕大多數(shù)電刷，或電刷截面較大的情況。

圖1 刷體刷孔位置加工示意圖 / 填塞法成品電刷示意圖Fig.1 Brush body brush hole position processing schematic diagram / packing method finished brush schematic diagram

目前采用的填塞方法一般為手工填塞及機器填塞兩種，手工填塞（如圖2中a所示）是操作者通過手錘導(dǎo)線填塞器將導(dǎo)線填入刷體刷孔內(nèi)，并將填塞粉搗實，直至刷體刷孔填滿為止。機器填塞（如圖2中b所示）是根據(jù)電刷刷辮裝配需要進行調(diào)整填塞機，將導(dǎo)線引入填塞器的孔內(nèi)，根據(jù)填塞孔深度、直徑對機器做出填塞命令從而完成導(dǎo)線固定加工。

圖2 填塞方法Fig.2 Tamping method

3.2 擴鉚法

擴鉚法是在電刷上部鉆孔、銑槽，刷辮由孔內(nèi)穿入刷體的容線槽并繞在銅管上，加上墊圈后用專門工具將銅管兩端擴脹，刷辮即可被鉚固在刷體上，如圖3所示。黑色電刷及含銅量在70%以下的金屬石墨電刷，采用此法固定刷辮時，為降低刷辮與刷體間的接觸電阻，均需在刷體的容線槽內(nèi)鍍銅。由于機械強度好，適用于振動條件下使用的電機電刷。

圖3 擴鉚法加工示意圖 / 擴鉚法成品電刷示意圖Fig.3 Expanded riveting processing schematic diagram/expanded riveting finished brush schematic diagram

擴鉚法電刷的刷辮孔多為斜孔，可按圖4和式①、②計算，其中α和β的近似數(shù)值。但α和β的最大值超過45°時，即應(yīng)調(diào)整鉆孔位置。

圖4 刷辮孔位置示意圖Fig.4 Sketch of braid hole position

擴鉚法電刷刷辮與相應(yīng)孔槽共配合方式如圖5所示。

圖5 刷辮與刷孔配合示意圖Fig.5 Sketch of matching braid and brush hole

3.3 焊接法

焊接法是在刷體上部按規(guī)定位置鉆好焊按孔，并在其上部或焊接孔內(nèi)鍍銅，（鍍銅層厚度0.02-0.03毫米）將刷辮穿入刷體焊接孔內(nèi)，用焊錫焊牢，此種裝配方法適合于戴面較小，不宜采用其它方法裝配的電刷,適用于小型電機。

圖6 焊接法成品電刷示意圖Fig.6 Sketch diagram of welding finished brush

3.3.1 鍍銅高度尺寸按圖7和式③、④、⑤確定

圖7 鍍銅高度示意圖Fig.7 Copper plating height diagram

3.3.2 刷辮孔斜度計算按圖8和式⑥、⑦計算

圖8 刷辮斜孔示意圖Fig.8 Sketch of oblique hole of brush braid

3.3.3 刷辮與孔槽的配合形式如圖9所示

圖9 刷辮與孔槽配合示意圖Fig.9 Sketch diagram of matching braid and hole slot

3.4 模壓法

模壓法固定刷辮分2種方式，如圖10所示，一種是在電刷上部按規(guī)定位置鉆孔，穿入刷辮，然后把穿好刷辮的刷體放入專用模具中，用壓床沖壓，即可將刷辮牢固的結(jié)合在刷體上。另一種則是在壓制電刷的同時將刷辮固定在刷體上，成品如圖11所示。通常采用熱壓的方式，此方法適合于大批量生產(chǎn)、含銅量較高并富有可塑性的電刷，而且需要專用壓力機及較為復(fù)雜的模具，通常采用熱壓成型。

圖10 模壓法示意圖Fig.10 Schematic diagram of molding method

圖11 模壓法成品電刷示意圖Fig.11 Sketch diagram of finished brush by mould pressing method

4 結(jié)論

電刷作為電機機組中電能傳遞的樞紐，其狀態(tài)的好壞直接影響電機機組的正常工作，進而影響整個電機系統(tǒng)的可靠等級，故電刷質(zhì)量要求愈加重要。本文主要是對電刷導(dǎo)線固定方法，特別是長期使用，并已有百年歷史的傳統(tǒng)機械加工來實現(xiàn)電刷刷體與導(dǎo)線的固定進行重點的論述。如何進一步完善電刷導(dǎo)線的固定方法，還是需要我們大家共同去探討并相互進行技術(shù)交流。