25.电刷的技术特性及其影响因素 20210526

王立新, 李平, 岳慧颖

 ( 哈尔滨电炭研究所, 哈尔滨 150030) 

赵志平, 刘炳尚, 王立松, 王新玲 

( 哈尔滨电炭产品质量监督检测中心, 哈尔滨 150030)

摘要: 综合论述了电刷的技术特性及其影响因素, 阐明了电刷正常工作的条件和应注意的事项。

关键词: 摩擦系数; 磨损; 因素; 电压降

1、前言

　电刷是用于电机的换向器或集电环上传导电流的滑动接触件。

　炭被用作电机电刷的理由不单在于它的润滑性、导电性、而且还由于它有耐热性和金属不熔敷性,在直流电机整流子表面上生成的被膜有金属刷取代不了的抑制短路电流作用等。

　电刷的牌号很多,根据其原材料的不同和制造工艺的差异,基本上可分为以下几种:

　　(1)炭质电刷;

　　(2)炭)石墨质电刷;

　　(3)天然石墨质电刷;

　　(4)电化石墨质电刷;

　　(5)金属)石墨质电刷。

　　任何电刷在工作时应满足以下要求:

　　(1)在换向器或集电环表面,能形成适宜的氧化膜;

　　(2)电刷的使用寿命长,同时,对换向器或集电环的磨损小;

　　(3)电刷的电功率损耗和机械损耗小;

　　(4)在电刷下不出现对电机有危害的火花;

　　(5)噪音小。

　　但是,能否满足这些要求,不完全取决于电刷本身,还需从电机的结构、电刷的安装、调整及运行条件等方面考虑,如正确安装刷握位置,合理调整磁极气隙、电刷安装在中性区等。

2、电刷的技术性能

　　电机电刷在运行中有三种特殊的功能。

　　第一,电刷必须将电流由电机旋转部件导入或导出。第二,电刷必须能承受住换向时不完善的补偿电枢线圈感应电压引起的破坏作用。第三,电刷必须相当于一种轴承材料,以使能与高线速度旋转的换向器接触保持低的磨损。

　　为使电刷维持上述功能,选择电刷时,要综合考虑电机对电刷的技术要求和电刷的技术特性,包括接触特性(动态性能)和理化特性(静态性能)。从电机运行的角度考虑,电刷的接触特性较理化特性更为重要。

　　2.1、电刷的接触特性电刷的接触特性,主要有一对电刷的接触电压降、电机的换向器或集电环与电刷之间的摩擦系数,电刷的磨损等。影响电刷接触特性的因素很复杂,与电刷的材质、电机状况、负载情况及周围环境介质等都有关系。

　　2.1.1、接触电压降(△U)

　　接触电压降是电流通过电刷、接触点薄膜、换向器或集电环的电压降。每一种电刷的接触电压降,都有其极限值。如果超过了接触电压降的极限值,滑动接触点的电损耗将过大,并引起过热。对换向器来说,如果接触电压降值过低,则可能在电刷下出现火花。

　　一对电刷接触电压降引起的能量损耗为

W = 2△U·I

　　△U——接触电压降;

　　I——电流。

　　其中大量的能耗转化为热能损耗,造成电刷温升过高、散热困难。

　　在选用电刷时,应考虑电刷的接触电压降值与电机的换向困难程度、电流、电压相适应。对集电环来说,以采用接触电压降低的电刷较为合适。

　　某些特殊用途的电机电刷和换向器的使用温度较高,如超过150e时,换向器表面薄膜变厚,接触电压降过大,容易产生火花。在这种情况下,可采用硬质电刷或特制的磨料电刷,以清除过厚的表面薄膜层。

　　2.1.2、摩擦系数

　　摩擦是电刷正常运行必须考虑的一个重要因素。它是产生热量的原因之一。在电机运行时,电刷与换向器间存在着一层薄膜。薄膜的组成和性能对摩擦情况的影响比较显著,而它又受电刷和换向器或集电环的材质,接触面情况及运行条件的影响。

　　摩擦情况通常用电刷的摩擦系数来衡量。电刷在换向器或集电环上滑动接触时的摩擦系数(L),可用下式表示:

　　由上式可以看出,圆周速度越大,则摩擦系数越小。剧烈的摩擦会使电刷在运行过程中引起振动,发出噪音,并导致接触不稳定。严重时,甚至使电刷破裂。但在高速电机上,换向性能好的电刷的摩擦是一定的,几乎与圆周速度无关。

　　2.2、影响电刷接触压降的因素

　　影响电刷接触压降的因素很多,主要有电机的圆周速度、电流密度、施于电刷的单位压力以及周围介质的情况。

　　2.2.1、电流密度

　　随电刷的电流密度增加,接触电压降相应增加;但在电流密度达到一定值后,接触电压降增加缓慢,最后趋向于一个恒定值,这是由于当接触压降达到一定值(击穿电压值)时,氧化膜被击穿,因而尽管电流密度继续增加,其接触电压降却达到一稳定值。接触电压降与电流密度的关系曲线因电刷的种类而各异。图1表示出了几种电刷的实验结果。

　　随电刷的电流密度增加,电刷的电损耗也增加。此时,滑动接触点、电刷刷体及附件发热加剧。电流密度超过允许范围时,由于发热过高,摩擦系数增大,极易引起火花,电机甚至不能正常运行。

　　2.2.2、圆周速度

　　换向器或集电环从静止状态开始转动时,滑动接触点的接触电压降就开始增加,而电刷的摩擦系数则降低。在较慢的转速下,圆周速度的增加对接触电压降和摩擦系数影响不大。当换向器圆周速度在一定范围内时,接触压降可以认为是一个常数。圆周速度超过电刷的允许范围时,带入电刷与换向器或集电环之间的空气薄层,会使接触电压降急剧增加,摩擦系数急剧降低,并使电刷运行不稳定;容易产生机械性火花。随圆周速度的增加,各种电刷的磨损率也不同程度增加。其关系如图2所示。从图可看出,接触压降变化幅度不大。

　　2.2.3、周围介质对△U的影响

　　如图3示,随着温度的升高,电刷接触电压降就降低,在80e~100e时达到最低,这正是因为氧化膜具有类似半导体的负的电阻温度特性所决定的。但当温度达到某一点时,氧化膜的动态平衡发生变化,氧化膜变厚,接触压降又急剧增加了。同样,由于湿度的增大促进了电解过程,使氧化膜加厚,因此,随着湿度的增加,压降的变化曲线形状与湿度类似,正如图4所示。

　　2.2.4、与电刷材质的关系

　　不同的电刷材质有不同的接触压降,电阻率较大的电刷,其接触压降也较高。

　　正如图5所示,对于金属石墨电刷接触压降变化曲线较不明显,而且此类电刷中金属含量越高,电阻越小,接触压降也越低,电刷的伏安特性曲线越趋于直线,表现出纯电阻的性质。总的看来,金属石墨刷的接触压降较低,电化石墨刷次之,高阻天然石墨刷为最高。电化石墨类又以石墨基电化石墨刷为最低,焦炭基电化石墨刷居中,而炭黑基电化石墨电刷为最高。

　　2.3.影响电刷磨损特性的因素

　　电刷的磨损率是电刷工作性能是否良好的重要标志之一。通常,把电刷的磨损分为如下三种形态来研究:

　　(1)纯机械磨损

　　(2)电流通过引起的机械磨损

　　(3)纯电气磨损

　　据说,一般纯机械磨损非常小,但空气湿度极小和有机械振动的时候,即使不通电,纯机械磨损也是严重的。通电时,电流仅集中于接触部位,为此,该部位被加热,炭氧化消耗降低了粒子间的结合力,使磨损增大。

　　据报告,火花引起的电刷磨损的增加率与(S-1)ⁿ成正比,其中S为火花等级,2≤n≤3。火花小的时候,其能量也小,几乎不成问题;但火花变得激烈起来出现电弧的话,火花能量也骤增,炭刷因和电弧直接接触,不仅烧损,同时,整流子、滑环表面也因发热甚至烧伤而变粗糙,电刷的磨损急剧增大。

　　2.3.1.施于电刷的单位压力施于电刷的单位压力过小,虽然可以降低摩擦系数,减少纯机械性磨损,但电气磨损却大大增加,就将出现火花,使电气性磨损增大;反之,电刷压力过大,则机械磨损变大。压力与电刷磨损的关系可参看图6所示。另外在高转速或偏心大的时候,最好让电刷压力稍提高些。选择施于电刷的压力大小时,应考虑采用电机运行中总损耗和电刷磨损最小时的相应的单位压力。此时火花也处于良好状态下

　　2.3.2.振动和偏心的影响

　　高速电机使换向受到不良影响的因素之一是整流子的振摆问题。

　　机械振动传导给电刷的话,电刷的滑动接触恶化,因出现火花,电刷磨损增大。另外,发生振动时,不仅加剧机械磨损,甚至造成电刷的破损、开裂。

　　因此,对整流子进行拆卸检查维修时必须充分注意不要增大振摆。据日本的山本博祥研究在电刷振动大的场合,使电刷的弹簧压力增加到250g/cm2左右或在电刷与电刷压板之间插入橡胶之类的垫板也有一定效果。

　　2.3.3.电流的影响

　　根据Hesscer研究成果,炭刷多是正刷的磨损较负刷的小,且电流密度在某值以下,正刷磨损与电流密度不明显。负刷的情况是,当电流密度低于某值时,磨损与电流密度成正比,电流进一步增大,则磨损急剧增大。大多数的情况是愈是整流差的电机,电刷磨损的极性差就要越大。

　　2.3.4.湿度的影响

　　沙瓦基(Savage.R·Hovm)报告说[1],绝对湿度不大于3g/m³~5g/m³,电刷将出现异常磨损;而在013g/m3以下的低湿度状态下,将发生粉尘性的异常磨损。他们说,由于电刷的滑动,使石墨微晶剥落,而水分子一旦吸附于剥落的石墨微晶的网平面端部,石墨晶体就在滑动面上定位,形成摩擦系数小的连续的石墨被膜。所以,在水蒸汽压力低的时候,石墨晶体不能定位,在滑动面上不能形成连续的摩擦系数低的被膜,从而出现异常磨损。

　　上面谈的是空气湿度小的情况。反之,湿度大时,因水的电解作用,使滑环表面粗糙,电刷磨损也大。

　　2.3.5.电刷材质

　　电刷的磨损因材质而异,一般而言,材质致密、硬度高、粒子间结合力强的电刷的磨损小。

　　2.4.电刷的理化特性

　　电刷的理化特性主要有电阻系数,硬度和灰分杂质。

　　电刷的硬度和它的电阻系数,可以综合反映电刷质量和使用性能的一般情况。如果它们中间之一,偏离允许的极限值,就可能出现一些缺陷,影响使用效果。如果两者都偏离,则影响更大。例如:电阻系数值偏高而硬度值偏低,说明电刷的密度低,易产生较大的磨损;电阻系数值、硬度值都偏高,易导致接触电压降过高,产生机械性火花;电阻系数值,硬度值都偏低、磨损率将增大,易出现电气性火花;电阻系数值偏低而硬度值偏高,说明电刷密度过大,易产生机械性火花。

　　电刷中含有的灰分;一方面起到提高电刷耐磨性能的作用,另一方面,灰分过高时有时会使换向器严重磨损,把换向器或集电环表面拉成沟槽,对电机有极大的危害。

3.小结

　　随着科学技术和工业生产的发展,各种复合炭)炭材料加入到电刷材料队伍中,例如,炭和石墨纤维材料具有耐热性良好、高温下机械强度大和柔软性好等特性,用它制成电刷,纵向的电阻系数比横向的小得多,有利于增加电流密度和提高换向能力。

　　总之,电刷的工作现象复杂,在选择电刷时,要考虑使用电机的性质、运转条件及安装场所的环境等问题,同时,也要考虑使用的电刷应侧重于换向性能、耐磨性、抗破裂性等技术性参数中的哪一项。

　　为了使电机正常运行,日常的观察和记录是非常重要的,最好能定期地测定和记录有没有发生火花和所发生火花的等级、电刷的滑动噪音、电刷的振动情况、电刷的磨损程度、整流子面的状况、负荷状况以及室内环境的湿度和温度等各种条件。这些记录对于如何正确选择和使用电刷是非常重要的。在解决实用上的问题时,实际上仍需要依靠丰富的经验。