碳刷基本知识

※附加电流iK阻碍换向元件中的电流变化，使换向延迟，同时使炭刷下 的电流密度分布不均：
i1 与iK方向相反，使前刷边电流密度减小，
i2 与iK方向相同，使后刷边电流密度增大。
电刷在电机中的工作原理
二、换向过程中火花产生的原因：
1、电磁原因：
在换向过程中，后刷边的电流密度过大而产生过热，使炭刷与换向器
个参数是相互作用的。它们的影响作用如下：
密度↑→硬度↑→电阻率↓→抗折强度↑
密度↓→硬度↓→电阻率↑→抗折强度↓
5、电刷与弹簧和换向器的关系
电刷、弹簧和换向器是电机整流（换向）系统的三大核心部件。它
们三者的配合对电机的性能起着至关重要的作用。
5.1、电刷对弹簧的要求
电刷与换向器的接触是靠弹簧的压力决定的。炭刷的磨损简单地分
电刷的作用是在电机的固定部件与旋转部件——整流子（换向器） 或集电环之间传导电流。在直流电机和交流电机中，被电刷短路的线 圈的电流方向在接触过程中改变180°。
电刷的基本知识
3、炭的性质 a）、轻； b）、良好的电传导性； c）、良好的热传导性； d）、自润滑性。
4、电刷的主要物理参数对性能的影响 电阻率——电阻率越高，对火花压制越有利；电压降会增加，电机
适当皮膜
炭刷的磨损小，效率高
炭刷材质的皮膜形成 作用强，缺乏研磨性。 或者温度高，火花大。
皮膜过剩
温升过高，磨损过大.
换向皮膜
火花较小，皮膜的厚度适当。 在换向器表面形成均匀的很薄的皮膜。
火花为中到大时，换向器表面发黑。 炭刷具有一定的磨削性，但不充分。
皮膜过厚。 由于火花过大，炭刷的炭粉黏附在换向器表面。 炭刷缺乏磨削性。
的效率会下降；同时，电刷的温升会增加，有可能会导致电刷胀死在刷 架中。
抗折强度——抗折强度越高，电刷越耐磨。 硬度——硬度越高，电刷越耐磨，噪音会增大；同时对换向器的磨 损也会增加。
电刷的基本知识
密度——密度对电刷性能的影响最小。定性地讲，密度越高，电刷
越耐磨。
综合来讲，电阻率和抗折强度对电刷的性能起着决定性作用。这四
EMI和炭刷的关系
★ 炭刷的材质——炭刷的材质应该与电机的类型相匹配。一般而言，电阻率大的
炭刷的换向性能好，火花小，EMI性能好；
★ 炭刷的压制方式——相对而言，平压制品的片间阻抗大，对压制换向火花有
益，EMI性能好；
★ 炭刷同换向器的接触面的粗糙程度——如果过于粗糙，炭刷与换向器的接触会
不稳定，增大机械磨损；相反，如果过于细腻的话，换向器的表面也不容
电刷的基本知识
5.3、弹簧压强的配合
种类
电气石墨质 炭素石墨质
材质名
351A 105S
起始压强 KPa 40~50 50~70
终了压强 KPa 20~30 30~40
用途
直流工业电机 电动工具、厨房用小家电
树脂系 金属石墨
X系列 MF-401
50~60 50~60
25~35 25~35
吸尘器、小家电 直流电机
-0.10~-0.20 -0.07~-0.12
-0.10~-0.20 -0.05~-0.15
间隙
上述内容仅作参考
换向皮膜
换向器皮膜 =导电性＋润滑性皮膜 换向器皮膜必须保持适当的厚度。
磨削作用过剩材质，或低 温、低湿度的状态下使用
皮膜太薄
增加换向器和炭刷的机械磨 损
换向器皮膜的厚度控制较 好。磨削作用和皮膜形成 作用的平衡。并且火花小。
的运行也比较平稳，炭刷在运行过程中的弹跳能力也小，换向性能好。
EMI和炭刷后处理的关系
浸渍处理:
通常情况下我们可以通过对炭刷进行浸渍的方式来改善EMI性能；
但是，含浸受到基础材料的开口方式的影响会产生很大的偏差，同时， 浸渍油在实际使用过程中会有挥发的情况，会对实际使用过程产生影响。
双层炭刷：
弹簧压力的设计，及所需要的炭刷材料需要经过试验验证，方可实施。 上表中所列数值仅作参考。
由于炭刷材料的特殊性——相对弹簧、刷架和换向器而言比较脆弱，弹 簧对炭刷的压力最好应为面接触（涡簧），次之为线接触（压簧），尽量避 免点接触（扭簧），否则炭刷易发生开裂。若电机结构的局限性必须为扭簧， 应在与炭刷接触部位增加直线段，如下页所示。
为：机械磨损和电气磨损两种。
电刷的基本知识
弹簧弹力与电刷的机械磨损和电气 磨损关系如下： 弹簧弹力↑→机械磨损↑→电气磨损↓ 弹簧弹力↓→机械磨损↓→电气磨损↑ 关系图如右图所示。 5.2、电刷对换向器的要求
在电机的整个运行过程中，炭刷始 终和换向器接触着，不停地对电流 进行换向。 在电机的高速运行过程中，对换向 器的硬度、片间高度差、真圆度和稳定 性有很高的要求。
电刷的基本知识
5.4、炭刷和刷架的配合间隙
种类 铜套 电气石墨质 炭素石墨质 树脂系 金属石墨
材质名 黄铜 351A
105S BX-388
X系列
MF-401
厚度公差
宽度公差 铜
炭
0~+0.2
0~+0.1
套
-0.05~-0.15 -0.02~-0.07
刷
-0.05~-0.15 -0.02~-0.07
在这个过程中产生的放电火花在电磁波中为尖峰瞬变噪声，这 些噪声会延着电机机壳，导线向周围空间进行辐射。
从电磁兼容的角度来看脉冲的频谱带太宽是我们不希望的，因 为高频成分比低频成分是更容易通过辐射或偶合途径传播的，这样 的话非常容易对其他设备产生影响（注：随着目前电动工具的智能 化，放电火花会对电动工具里的电子线路产生影响，从而影响工具 使用）。
电刷的基本知识
1、电刷的发展史 1836年，Pixii发明了带整流子（换向器）的直流电机，使用铜作
为电刷，电刷由此诞生。铜电刷缺乏弹性，接触很不稳定。到1883 年，Forbs首次使用炭素材料制成了电刷。当时的电刷是用粘结剂把无 定型炭固定住。它的研磨性较大，电流容量较小，缺乏均一性。直到 1896年，E.G.Acheson成功地生产出了人造石墨，具备了电刷要求的 特性，用炭做的电刷 ——“炭刷”随之诞生。 2、电刷的作用
换向电势大小： (电抗电势与元件匝数平方、转速成正比）
ea=2.5(W1-sLαλδA)υ 2
3)、变压器电势ekt
交变主磁通同换向元件相作用产生。
eKt=4.44fφd
电刷在电机中的工作原理
-ia iL=iK
+ia
iK
绕组元件 换向元件
i1= ia-iK
i2= ia+iK
换向片 前刷边 碳刷
1
2ia
易形成皮膜，EMI也会不好；
★ 炭刷同换向器巴片的覆盖程度——炭刷同巴片的宽度比例也会对EMI性能产生
影响。经验上讲，电动工具用炭刷的覆盖范围在1.3~1.7巴片之间；
★ 炭刷的硬度——相对而言，炭刷的硬度越小，炭刷同整流子的接触性能越好，
炭刷的跟随性越好，EMI性能越好；
★ 炭刷的弹性模量——一般认为，弹性模量小的炭刷换向性能好，整个换向系统
Brush Wear rate mm/100hour
5
4
3
2
1
0
0
20
40 60 80
Spring Pressure KPa
Mecanical
Electrical
Total
电刷的基本知识
根据STI的经验，除了片间绝缘性能，换向器的性能还要包括以下
几个方面：
材 料：CuAg合金中，银的含量应≥0.1%
安全炭刷的两种结构 一轴式 导线
埋线铜粉 绝缘片 止动弹簧 止动安全子
压簧时使用
二轴式 涡簧时使用
由于安全炭刷的结构复杂，加工难度高，价格 较高，故一般与普通炭刷成对使用，且同时更 换。
电刷的主要制造过程
TOYO K
碳 刷 生 产 工 艺 流 程 图
上压 下压
TOYO K 上海东洋炭素工业有限公司
①.炭刷中间加入绝缘的粘结胶带，可以提高炭刷的换向性能（如
三明治式炭刷）；
②.炭刷是由两部分组成，其中初期的接触部分使用天然石墨等光滑 的材料，剩余部分使用其他材质。现实意义不大。来自EMI和其他零部件的关系
弹簧压力——提高炭刷弹簧的压力，会改善炭刷同换向器的接触状况， EMI性能得到一定改善，但是同时机械磨损会增加，会影响炭刷的使用寿 命。
都能够正常工作。
随着社会的日益进步，人们使用各种电器的机会也越来越多，这些电子设
备在给我们带来生活便利的同时，也给我们带来了电磁污染。而这些电磁污染
则又反过来影响我们使用的电子设备，对我们的电子讯号产生影响，影响我们
对电子设备的使用。
总之，有电流通过就会存在EMC问题。
对于常规的电机来说仅存在EMI问题，如果有自动化控制系统的电机，则
受其影响，换向元件中的电流改变方向的时间将比理
想状态下（换向元件中无感应电势）换向时延迟一段
时间，是延迟换向。
1、换向元件在换向过程中产生的感应电势有：
电刷在电机中的工作原理
e 1）、电抗电势（自感电势+互感电势） r：
电抗电势大小：(电抗电势与元件匝数平方、转速成正比）
er=2WsLλAυ2
2)、换向电势（又称旋转电势） ea
电刷在电机中的工作原理
由于电抗电势、换向电势和变压器电势的存在，在换向元件K被炭
刷短路的回路中 ，产生一个附加电流iK ：
附加换向电流:
iK= （er+ ea +ekt）/（r2+r1）
因此：换向元件K中的电流为：
i=ia（1-2t/T）+ （ er+ ea +ekt ）/ （r2+r1） =iL+ iK
2 电机旋转方向 后刷边
图示：曲线换向(t=1/2T)
2、换向过程中的电流变化： 图示为1/2周期时的换向情况（此时换向
元件中的电流为iK） i1和i2：表示通过换向片1和换向片2的
电流 r1和r2：表示换向片1和换向片2与炭
刷之间的接触电阻 s1和s2：表示换向片1和换向片2与炭
刷的接触面积 i： 换向元件中的电流 iL： 直线换向电流 ia： 电枢绕组中的电流 Tk： 换向周期
安全炭刷的工作机理
无止动装置
当炭刷过度磨损时，炭刷的弹簧压力下降， 产生大火花。
有止动装置
由于火花过大，造成换向器的表面受损。 严重时，炭刷中的导线将换向器的表面破 坏，第二副炭刷的寿命变短。
当炭刷磨损至设定长度时，安全子会被 弹出，快速地将电流切断。不会伤及换 向器的表面。
由于换向器的表面未被磨损，可以确 保第二副炭刷及以后更换的炭刷也能 达到第一副炭刷同样的使用寿命。
结 构：具有环状耐高温加固条结构。
真圆度： 在高温（200℃ ）、高速（50m/s ）、连续运行一段时
间（ 100小时）后的条件下检测
试验前： Max-Min ≤5μm；试验后：Max-Min ≤20μm；
相邻巴片间的高度差：≤0.5μm
表面粗糙度：Ra为0.8~1.2μm
硬 度：维氏105~115（HV）；布氏100~110（HB）
片间的空气发生电离，因此使后刷边与换向的接触电阻不随着接触面积的
减小而增大，而是由于换向器上氧化膜的破坏而显著地减小。于是换向元
件在换向末期仍保持着很大的附加电流，在后刷边离开换向片瞬间，换向
元件的短路回路由于脱离炭刷而断开，元件所贮存的电磁能量以电弧火花
的的形式在后刷边释放出来。
2、机械原因：
换向器跳动大、转子动平衡不良、电刷压力过小（或过大破坏氧化膜）、 电刷与刷握间隙过大（或太小而卡死）、换向器表面不净等因素使电刷发 生振动而产生火花
可能还存在EMS问题。
炭刷在电机中的EMI机理
火花 炭 刷
整 流 子 片
整 流 子 片
转子转动方向
图示：炭刷同换向 器巴片的放电火花
如图所示：电机转动时，炭刷在换向器巴片上滑动。炭刷的作 用是：相邻的两个巴片被炭刷短路，与之相连的电动机绕组上流过 很大的短路电流。当炭刷脱离前一个巴片向后一个巴片滑动时，电 机绕组瞬时开路，产生很大的反电动势，从而触发炭刷与前一个巴 片之间的放电火花，这是同利用开关断开电感负载的情况是一样的 （日常经验：拔出插头时产生放电火花）。只是在电机中由于炭刷 不停地在换向器的巴片组上滑动，放电火花将连续地周期性发生。
3、化学原因： 换向器表面有一层氧化膜，氧化膜增大接触电阻，使换向接近电阻换向
EMC性能相关
EMC----Electromagnetic Compatibility(电磁兼容）
是一门新兴的综合性学科，主要研究电磁干扰（EMI）和电磁敏感（EMS）
的问题：即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气设备、器件或系统，
电刷在电机中的工作原理
一、串激电机的换向
（一）、换向（定义）：电机运行时，旋转着的电 枢绕组元件从一 条支路经过换向器和炭刷进入另一 条支路，元件中电流方向改变一次，此过程称为换向。
（即：转子绕组中电流的大小和方向随时间变化的 过程叫换向）
（二）、换向过程：
在电机换向过程中，换向元件中有感应电势产生，