电动工具之碳刷技术

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 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 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。
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。
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。
炭刷刷架——刷架的头部与换向器的安装距离要适当。太近的话会从刷架 那里通过电流；同时，刷架的材质方面：虽然金属材质的材料尺寸方面比 较准确但是比较容易吸收电机在运行时产生的热量，温度容易提高。
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。
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： 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
安全炭刷的两种结构
导线
埋线铜粉 绝缘片 止动弹簧 止动安全子
一轴式 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。
炭刷的主要制造过程
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
转子的轴承——转子的轴承的滑动性必须很好才行，否则会影响整个系统 的换向及炭刷的寿命。
EMI和电机结构的关系
磁场线圈： 在定子上，如果磁场线圈的绕线从定子的槽角处露出来的话，磁力
线就会混乱，会对EMI产生非常恶劣的影响。
定子的分割中心： 有的电机在制造定子时为了提高工作效率，将定子分成两半，每半
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）。
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 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。
的效率会下降；同时，炭刷的温升会增加，有可能会导致炭刷胀死在刷 架中。
抗折强度——抗折强度越高，炭刷越耐磨。 硬度——硬度越高，炭刷越耐磨，噪音会增大；同时对换向器的磨 损也会增加。
炭刷的基本知识
密度——密度对炭刷性能的影响最小。定性地讲，密度越高，炭刷 越耐磨。
综合来讲，电阻率和抗折强度对炭刷的性能起着决定性作用。这四 个参数是相互作用的。它们的影响作用如下：
140 120 100
80 60 40 20
0
121
117
115
104
86
54
原装 105S T-103 T-101 T-102 T-201
电动工具试验结果——炭刷寿命实验
电圆锯：
电机参数：AC120v 1800w n0=4500rpm(输出) 试验方式：NL(20s) – 16A(8s) - NL(20s) - OFF(112s) 炭刷尺寸：6.35*9.5*13 mm
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， 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。
炭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，被炭刷短路的线 圈的电流方向在接触过程中改变180°。
炭刷的基本知识
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、炭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
换向器热处理：200℃-12小时。
炭刷的基本知识
5.3、弹簧压强的配合
种类
材质名 起始压强 终了压强
用途
电气石墨质 炭素石墨质
树脂系 金属石墨
351A
105S X系列 MF-401
KPa 40~50
50~70
50~60 50~60
KPa 20~30
30~40
25~35 25~35
直流工业电机、大电流密度 电动工具 电动工具、园林工具、小家 电 吸尘器、小家电
炭刷的基本知识
涡簧 扭簧
压簧 扭簧
炭刷的基本知识
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
密度↑→硬度↑→电阻率↓→抗折强度↑ 密度↓→硬度↓→电阻率↑→抗折强度↓ 5、炭刷与弹簧和换向器的关系 炭刷、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、炭刷对弹簧的要求 炭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 为：机械磨损和电气磨损两种。
Brush Wear rate mm/100hour
5
4
3
2
1
0
0
20
40 60
80
Spring Pressure KPa
Mecanical
Electrical
Total
炭刷的基本知识
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（P/T： 0.1%，V/C：0.3% ） 结 构：具有环状耐高温加固条结构。 真圆度： 在高温、高速、连续运行一段时间后的条件下检测 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）
银石墨质 铜石墨质
金属石墨炭刷
电动工具
炭刷的基本知识
1、炭刷的发展史 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、炭刷的作用
直流电机
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。
炭刷的基本知识
弹簧弹力与炭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、炭刷对换向器的要求
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。
边绕好线圈后再焊接到一起。在这种情况下，如果压板无法绝缘的话， 共同焊接部分的磁力线就会混乱，也会对整流和EMI特性产生恶劣的影 响。
EMI检测设备
结论
由于换向产生的放电火花属于高频电磁波，所以炭 刷主要影响EMI性能中的功率项目，对电压项目的影响相 对较小。
炭刷作为整个电机中很小的一个零件，其对EMI性能 的影响是相当小的。电机的设计理念及制造工艺才对EMI 性能起决定性的作用。当存在EMI要求时，我们不能也不 可能完全寄希望于炭刷来解决所有的EMI问题。
电动工具电机用主要炭刷材料物理参数一览表
材料
105S BX-388 RB-79 T-103 T-201 T-202 T-301
密度 (g/cm3)
1.55 1.62 1.64 1.60 1.59 1.55 1.54
肖氏硬度 —— 36 35 34 34 40 37 39
电阻率 (μΩ·m)
390 900 390 400 650 850 1200
-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。
炭刷的主要生产设备
压机
隧道炉
埋线机
刷架的主要生产设备
炭刷的主要检测设备
密度
C型肖氏硬度计
电阻率测试仪
材料试验机
影像仪
弹簧试验机
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）
抗折强度 (MPa) 24 20 23 19 25 23 22
电动工具试验结果——炭刷寿命实验
石材切割机：
电机参数：AC220v 1200w n0=12000rpm(输出) 试验方式：NL(5s) - 960w(20s) - NL(5s) - 1200w(10s) - OFF(15s) 炭刷尺寸：5*11*15 mm
目录
炭刷的种类及用途 炭刷的基本知识 换向皮膜 安全炭刷 炭刷的主要制造过程 主要生产、检测设备 炭刷与EMC 电动工具电机用主要炭刷材料物理参数一览表 电动工具试验结果
炭刷的种类及用途
一般产业用
炭刷
电气石墨质
电装用
触点用
吸尘器
树脂系 炭素石墨系
石墨质
其他家电产品