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(yù)磨裝置的設(shè)計(jì)

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

電機(jī)；電刷；技術(shù)特性；電刷預(yù)磨裝置

0 引言

電刷是電動機(jī)、發(fā)電機(jī)或其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械固定部分和轉(zhuǎn)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(dǎo)入導(dǎo)出電流的滑動接觸體。它擁有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及潤滑性能，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度及抑制換向火花的能力。

電刷是電機(jī)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(jié)構(gòu)將其壓緊在電機(jī)轉(zhuǎn)動部件上。

在采用電刷導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的直流電機(jī)中，電流通過電刷和換向器實(shí)現(xiàn)電機(jī)靜止部件和轉(zhuǎn)動部件之間的電流傳導(dǎo)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(jī)械接觸與電接觸，否則可能會出現(xiàn)電機(jī)換向閉口或換向火花超標(biāo)，嚴(yán)重時甚至?xí)龎碾娝?、刷握甚至換向器，損壞電機(jī)。直流電機(jī)性能的好壞，除受其設(shè)計(jì)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(shù)特性

電刷的技術(shù)特性主要包括一對電刷的接觸電壓降、摩擦系數(shù)、50 h磨損率、電阻系數(shù)、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(jī)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(zhì)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(shù)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(fù)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(diǎn)的電力損耗過大，引起電刷高度發(fā)熱，降低電機(jī)效率。

1.2 摩擦系數(shù)

直流電機(jī)工作時，電刷在換向器表面滑動摩擦。因此，摩擦系數(shù)是電刷的一個重要的技術(shù)指標(biāo)。對高速電機(jī)來說，尤為重要。電刷運(yùn)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(shù)；v為圓周速度，m/s。

從以上可以看出，摩擦系數(shù)愈高，則摩擦損耗也愈大。在高速電機(jī)上使用的電刷，其摩擦系數(shù)值應(yīng)小。對同時使用電刷數(shù)量多的電機(jī)，因?yàn)榭倝毫Υ螅矐?yīng)采用摩擦系數(shù)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(shù)。

1.3 磨損率

用戶希望電機(jī)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(jī)使用壽命，減小設(shè)備維修的麻煩。電刷磨損率受潤滑性能、質(zhì)地和韌性影響較大。潤滑性能好、質(zhì)地堅(jiān)固、韌性好的電刷，其磨損率相對較小。不同的運(yùn)行條件，對電刷磨損率也有影響，如：增大電機(jī)工作轉(zhuǎn)速，增大加于電刷上的單位壓力以及換向困難的電機(jī)，磨損率要大一些。

1.4 電阻系數(shù)

各種型號的電刷都有其允許的電阻系數(shù)范圍，而且彼此相差很大。電阻系數(shù)的單位是Ω·mm2/m。通常電阻系數(shù)高的電刷使用于換向困難的電機(jī)。碳黑基體的電刷以及樹脂做結(jié)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(shù)較低。一般說來，電阻低的電刷其接觸電壓降也低。電阻系數(shù)高的電刷不適宜用于大電流的電機(jī)上，因?yàn)榇箅娏髁鬟^電刷，將會產(chǎn)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(jī)帶負(fù)荷工作時的無火花換向區(qū)來測量。同設(shè)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(qiáng)。

1.7 氧化膜

電刷在換向器上運(yùn)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(jī)運(yùn)行良好的主要標(biāo)志之一。其厚度僅為50～400埃(1埃=0.1納米=10-10米)。在電刷運(yùn)行中，氧化膜呈現(xiàn)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(shù)特性，但卻對電刷的技術(shù)特性有重要的影響。因?yàn)?，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(jù)電機(jī)的功率、電壓、轉(zhuǎn)速結(jié)合電刷的技術(shù)特性如接觸電壓降、摩擦系數(shù)、允許電流密度、換向要求等來確定的。同時應(yīng)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(jī)的電壓相適應(yīng)。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(jī)，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(qiáng)。反之，對低壓高電流的電機(jī)，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(jī)的換向難度，減少電刷的摩擦損耗，高速電機(jī)一般要求電刷具有良好的穩(wěn)定性與潤滑性，同時應(yīng)具備摩擦系數(shù)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)就容易產(chǎn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，根據(jù)電機(jī)的具體情況而適當(dāng)?shù)靥岣唠娝㈦娏髅芏纫彩窃试S的，但可能導(dǎo)致電刷和換向器的較快磨損。應(yīng)當(dāng)注意的是當(dāng)電機(jī)電刷電流密度過低時，不易形成氧化膜，運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦力增大，引起震動，往往容易產(chǎn)生火花和振動，并加速電刷與換向器的磨損，對電機(jī)性能造成重大影響。

3 電刷選型實(shí)例

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

在電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(shù)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(shù)要求。故該直流電機(jī)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(shù)

該電機(jī)進(jìn)行出廠型式試驗(yàn)時，電機(jī)換向性能良好(主要換向性能數(shù)據(jù)見表2)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均優(yōu)于國家考核標(biāo)準(zhǔn)。

表2 使用D374電刷時的換向試驗(yàn)結(jié)果

4 電刷預(yù)磨裝置

電機(jī)換向性能除受設(shè)計(jì)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(jī)正常運(yùn)行時，電刷和換向器接觸表面應(yīng)有相同的曲率，實(shí)際接觸面積不低于理論接觸面的80%。如果實(shí)際接觸面太小，會造成接觸處電流密度過大，產(chǎn)生火花并燒傷換向器表面等。

在電機(jī)新裝配或維護(hù)中更換電刷時，需對電刷進(jìn)行研磨，否則電刷與換向器表面實(shí)際接觸面積達(dá)不到正常使用的要求。通常，電刷是裝配在電機(jī)上以后，通過反復(fù)拉動電刷和換向器之間的砂皮來進(jìn)行研磨。一來操作不方便，二來須在電機(jī)本體內(nèi)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(yù)磨裝置(見圖1)。該電刷預(yù)磨裝置的原理是：通過模擬電刷實(shí)際運(yùn)行時的情況，將刷握和電刷放置在一個與電機(jī)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(yán)格按照電機(jī)本體刷架的設(shè)計(jì)要求。將電刷裝配好后，通過旋轉(zhuǎn)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(jī)換向器表面曲率相同的弧面，可直接更換使用在電機(jī)上。經(jīng)過輕負(fù)載(如1/3額定電流)工況下運(yùn)行2～4 h，得到更好的接觸之后，可保證電機(jī)良好的換向性能。

圖1 電刷預(yù)磨裝置

5 結(jié)語

通過對電刷技術(shù)特性的分析，合理地選擇電刷種類和型號，可以保證電機(jī)的換向性能，確保電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。電刷預(yù)磨裝置可以減輕體力勞動強(qiáng)度，而且有效地保證了電刷的研磨質(zhì)量。

王建軍，男，1976年11月生，大學(xué)本科，畢業(yè)于海軍工程大學(xué)。現(xiàn)從事船舶電氣的設(shè)計(jì)研究工作，工程師。