电机碳刷

四. 電機用碳刷

4.1. 對碳刷的基本要求: (Technical request of carbon brush)

碳刷是通過與換向器表面的動態摩擦接觸給電機轉子提供電能的傳導元件. 因此, 我們對碳刷有以下基本要求:

a). 在換向器的表面能形成適宜的氧化亞銅,石墨和水份等組成的表面薄膜.

b). 使用壽命長、對換向器的磨損要小.

c). 電功率損耗和機械損耗要小.

d). 碳刷下不出現對馬達有害的火花.

e). 噪聲小.

f). 不易破碎.

g). 在一些應用器件中,要求馬達具備低的電磁干扰水准.

當然, 能否滿足上述要求, 除碳刷本身外, 還與馬達的結構, 碳刷裝置的安裝以及運行條件等有關.

4.2.碳刷的材料: (Material of carbon brush)

1.石墨、樹脂粘結的碳刷: (Resin-bonded graphite)

這種碳刷含有天然石墨或人造石墨和少量礦物質, 礦物質含量的不同, 使得碳刷在運行時對換向器表面有不同程度的磨蝕. 這種碳刷因含有天然石墨或人造石墨, 硬度較低, 但其阻尼性和潤滑性較好, 表現出明顯的抗磨性, 可以在較小的電負荷下工作. 這種碳刷材料有較高的比電阻, 而且橫向電阻與縱向電阻的比值較大, 在具有相同碳刷接觸壓降下, 碳刷與換向片間的短路電流較小.

2. 硬碳碳刷: (Hard carbon brush)

這種碳刷混料時, 加入了適量的摩擦物質, 因而對換向器表面有較強的研磨作用, 特別適用于具有云母絕緣片的換向器, 即使換向片遭到電火花嚴重燒蚀或磨损, 也能保证碳刷与换向器保持良好接触, 但较强的研磨作用也加速了换向器的磨损. 这种碳刷材料也具有较高的比电阻.

3.碳−石墨碳刷: (Carbon graphite)

这种碳刷硬度较低, 对换向器表面的研磨较轻, 使用这种碳刷应力求避免换向器表面因机械加工造成的斑痕. 通过树脂浸渍的碳−石墨材料可以明显降低摩擦系数, 減小電火花的影響, 适用于串励电机. 这种碳刷材料的比电阻值高. 可以获得较好的换向状态和降低电磁干扰.

4.金属−石墨碳刷: (Metal graphite)

这种碳刷中混有不同含量的金属粉未, 主要是铜粉, 有時也用銀粉. 这种碳刷材料体电阻很小, 碳刷与换向片的接触电阻也很小, 接触电压降亦小, 可以承载较大的电负荷. 220V交流电压下工作的串励电机不宜采用此种碳刷.

4.3. 各種影響因素: (Some affect element)

4.3.1. 电刷的损耗: (Loss of brush)

1. 电刷接触损耗: (Contact loss of brush)

电刷与换向器接触压降与电流无关, 而与电刷的材料及种类有关. 因此,

每极电刷接触损耗:

I U P b cb ∆=

式中: b U ∆ − 电刷的接触电压降

(国标 GB755-81 规定, 每一极性电刷的接触电压为:

碳 − 石墨, 石墨电刷 1V; 金属石墨电刷 0.3V)

2. 电刷的摩擦损耗: (Friction loss of brush)

对电刷的摩擦损耗, 可按下式计算:

b b b fb A P P μ= 式中: fb P − 电刷的摩擦损耗 (W) b μ − 摩擦系数. (对换向器取 3.02.0-.)

b P − 电刷压力, Pa P b 31020⨯≈. b A − 电刷总工作面积 (2m )

V − 换向器的圆周速度 (s m /)

4.3.2. 无线电干扰: (Radio interfere)

无线电干扰是指无用的高频信号对接收有用的信号造成的扰乱, 所涉及的 频率范围为 150KHz - 300MHz. 连续干扰由脉冲或杂乱的噪声或两者的重叠噪 声产生. 一般持续时间在 200ms 以上. 有换向器的电动机产生的干扰是这个 类型.

电动机驱动的电动工具, 家用电器和类似器具无线电干扰的大小, 用干扰 电压和干扰功率来度量.

- 干扰电压单位为 V μ(微伏), 用分贝表示时, 1 V μ 为 0dB .

- 干扰功率单位为 )(1012pW W -, 用分贝表示时, 1pW 为 0dB .

即: 0lg 20)(U U V dB =μ 或 0

lg 20)(P P pW dB = 換向器極距. 式中, U 和 P 分别为干扰电压和干扰功率, V U μ10=, pW P 10=.

4.3.3. 电气性能对碳刷的要求: (Electric request of carbon brush)

串励电机所使用的碳刷应能承受较高的电负荷.下述几种因素对碳刷的使用有明显的影响.

1. 换向状况. (Reversing)

由线圈绕制匝数的不对称和磁极几何位置的不对称造成的磁场不对称, 会

使碳刷受到一个附加的电负荷. 为了克服它的影响, 就要使换向器与电枢绕组 有一个合适的接法, 其主要内容是换向器相对电枢绕组的角度 − 接觸角的选 择. 然而串励电机经常在不同负载下工作, 为了有个较好的换向状态, 只能通 过试验寻找一个合适的接觸角, 使其在这种情况下换向状况最理想. 为了改善

换向, 对可以移动电刷位置的电动机, 可将碳刷位置从磁极间几何中心轴线逆 转方向移动一个角度. 在小功率的单相串励电动机. 多数己将碳刷位置固定, 因此常见到的措施是将换向元件与换向片的接线位置顺电机旋转方向作了移 动. 其道理与逆转向移动碳刷位置一样. 应注意的是, 这种移动换向元件与换 向片的接线位置的方法, 仅适用于单一方向运转的单相串励电动机, 对于作正 反转运行的这类电机一般是不采用的. 移动电刷位置或移动换向元件与换向片 的接线位置, 还应注意移动的距离必须恰当, 过大或不足都会增大换向火花.

2. 换向時變壓器電動勢的影响 (Affect of reversing transformer voltage)

被電刷短路的換向元件中, 存在著三種電動勢, 即自感電動勢 r e , 電樞反 應電動勢 a e 和變壓器電動勢 t e (在 DC 馬達中不存在變壓器電動勢) r e , a e 均正比于 n 和 I , 可用逆轉向移電刷或順轉向移銲點抑制, 但 t e 與 n 和 I 無關, 只能在設計中加以控制, 通常取 V e t 8<, 为了限制变压器电 势的偏大以改善换向, 在设计上绕组总匝数不变时, 还可以减少电枢绕组每 个元件的匝数, 采用较多的换向片数. 这对于电枢槽数较少的情况是适宜的. 在产品中, 常见的换向片数是电枢槽数的 2 或 3 倍. 近來的經驗告訴我們, 既使是有 10-12V 的換向電壓, 如果正確的選擇了碳刷, 一樣可以達到令人 滿意的運行效果.

3. 电子调速电路的影响. (Affect of electric control circuit)

当采用可控硅调速电路来调节电机转速时, 畸变的电压波形造成主磁场波

形畸变和不对称, 这往往使两个碳刷的磨损不一致. 为了克服这一问题. 可以 采用 “混合配置” 碳刷的方法来弥补.

4. 碳刷材料的影响 (Affect of carbon brush)

碳刷的电阻率可以是 0.01 - 2000 μΩm, 其值差达 105 倍. 含金属材料的

金属碳刷电阻率最低, 而碳 − 石墨材料可高达 2000 μΩm. 碳刷与换向器间 的接触电压降比刷体压降大的多, 这主要是因为碳刷与换向器表面的接触点较 少, 碳刷有效横截面积缩小, 导致电阻值增大. 另外, 换向器表面形成的氧化 膜增大了接触电阻. 对于 110/220V 电压下工作的电机多采用碳 − 石墨树脂 浸渍碳刷或树脂粘结石墨碳刷. 这样, 可以保证换向电流较小.

5. 额定电负荷的取值. (The value of specified electric load)

碳刷的各種情況決定了其所承受的電負荷. 對于用可控硅調速的電機, 畸

變的電流峰值可達額定值的 500%, 所以碳刷的電流密度應選擇偏低一些. 一 般來說, 較高的電負荷會破壞換向器表面的氧化膜, 導致換向器磨損; 而太低 的電負荷, 也會導致摩擦的不穩定.

4.3.4. 機械因素對碳刷的影響. (Mechanical affect of carbon brush)

近年來, 為了提高電機的經濟性, 電機的重量/功率比不斷減小, 電機的轉速 不斷提高, 機械性能不斷的改善. 但由於機械負載過大, 影響了碳刷的使用壽命. 其主要影響因素如下: