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直流电动机电刷寿命
东光县炜华机电有限公司    2016-06-02 06:46:09    文字:【】【】【
摘要:本文论述了电刷寿命、电刷磨损原因以及获得电刷较长寿命所能采取 的措施。为了能确认和避免这方面的问题和解决存在的问题,就要使人们认识到造 成电刷磨损的因素和条件
 本文论述了电刷寿命、电刷磨损原因以及获得电刷较长寿命所能采取
的措施。为了能确认和避免这方面的问题和解决存在的问题,就要使人们认识到造
成电刷磨损的因素和条件。。文中内容适用于大、中
型工业直流电动机和发电机。

1 电刷为什么会磨损
电刷磨损是机械摩擦和电蚀的结果。摩擦产生碳粉; 电蚀的结果伴有少量碳的
汽化的残余物。
1.1 摩擦
电刷与裸铜的摩擦具有相当大的摩擦系数。要得到很小的摩擦系数, 则要求换
向器具有良好的薄膜。有了良好的薄膜,摩擦系数就可减小到原始裸铜值的10%。
摩擦随换向器温度变化而变化。摩擦系数会因换向器温度的上升而有某种程度
的减小, 随后会因换向器温度的上升再增大。譬如, 给定电刷在表面温度140。F
(60~C) 的换向器上运行时其摩擦系数为0.15, 当在220。F (104"C) 表面温度的
换向器上运行时,摩擦系数就可能是0.08。然而较高温度可能导致摩擦系数的增
大。标准电刷在温热换向器上中速运行时一般会有0.13-0.19的摩擦系数, 这被认
为是小的摩擦系数。很大程度上,摩擦系数是换向器上依赖于换向器表面温度而产
生薄膜和影响薄膜的其它因数的结果 图l和表1)。
100
V
f j.一●一20
/ — \
图1 摩擦是与使一个物体在另一物体上滑动的力相反的阻力。若在换向器上的垂直电刷力为lo0,
换向器在电刷下运动所需的水平力为20,那么摩擦系数即为20个loo或0.20。

一些具有小摩擦系数的电刷没有像具有大摩擦系数的电刷那么硬。然而. 也有
许多硬的等级的电刷具有小的摩擦系数。具有中或大摩擦系数的硬电刷可以具有很
长的寿命, 但噪声较大。出于噪声考虑, 为实现静音运行,有时就有必要影响些电
刷寿命。如宾馆电梯电动机就要求是静音的。
摩擦也可由诸如外突云母、大的电刷弹簧压力,铜条(锑排) 毛边或换向器表
面上的其它缺陷等机械问题造成。在串联电动机— — 电动机机组中的无电源电动机
上或在电动机— — 发电机机组中的无负载发电机上的电刷磨损都由摩擦引起。摩擦
是大气、温度、负载电流和电动机的机械特性的函数。
1.2 电蚀
电蚀可能是由诸如换向器上薄膜生成不当或有诸如纹路那样的磨损工况的结
果。火花和电蚀也可能是由诸如电刷中性设置, 换向极换向强度, 小的电刷弹簧压
力. 电刷底座不稳, 外突云母,换向器偏心度, 等等这些电动机装配状况或机械问
题所造成。火花随着电流负载和电动机转速增加而增加。而电刷寿命随着火花增加
而减少。
换向器薄膜的生成状态直接影响到摩擦和电蚀情况以至电刷寿命。为取得长的
电刷寿命,换向器必须要生成优质薄膜。
二优质换向器薄膜
当电流在存在水蒸汽的情况下流经碳刷和铜条时,就形成了铜碳复合的显微层
豉薄膜。好的薄膜为棕褐色或磨光青铜色至深褐色或黑色,且颜色匀称。它不是亮
铜或过烧黑铜。要参考换向器颜色和外观图表来确定换向器的状况。有一种叫做虚
假的薄膜形成的状态, 即电刷石墨沉淀物会热熔于换向器上, 而形成一种类似于黑
色薄膜的外观。油也可以留下一种类似于薄膜的涂层。若该薄膜可轻易擦除, 那么
它就不是所希望的优质换向器薄膜。
换向器薄膜形成是一个持续的过程, 即薄膜持续地形成而又持续地剥落。好的
薄膜仅为200毫微英寸厚(0.0000002英寸或0.00000508毫米)。因而, 形成优质薄
膜所需的条件必须始终存在。电流、湿度等等方面的变化会影响换向器薄膜。

3 优质薄膜的要求
优质薄膜取决于以下每个方面的某些要求的满足程度:
· 电刷电流密度;
· 换向器表面温度;
· 水蒸汽;
· 电刷压力;
· 换向器表面线速度;
· 电刷材料或等级;
· 无污染;
· 机械完整性和装配。
3.1 电刷电流密度
电机大部分运行时间都必须在设计的电刷电流密度范围之内。对于在温热换向
器上的SA45或类似等级的电刷,该范围一般规定为55-85A/英寸 (8.5—13.2A/
mm‘)。若电流密度长时间超过该范围, 那么换向器运行时会发热, 变黑. 目电刷
寿命会缩短。若电流密度太低, 那么薄膜会从换向器上擦除, 而换向器会开始出现
纹路。若这种情况继续下去, 火花和纹路会增加. 电刷会快速磨损, 而换向器就要
求重修表面。
电动机经常持续地以轻载运行, 而电刷电流密度总是低于最小值。在这种情况
下, 以较低电流密度形成一层薄膜的电刷等级上的变化, 可以解决该类轻载问题。
最佳解决办法常常是去掉一排或多排电刷而使电流密度返回到可接受的范围。在卸
去或更换电刷之前, 要确保电刷和电刷连线的新安排都有足够的应付电动机过载要
求能力。当从具有多组交错布置的电刷的电机上去除一些电刷时, 每个刷杆上剩下
的电刷都必须如卸去这些电刷之前那样覆盖住同样的换向器表面。这意味着首先拆
除每个刷杆的中央交错电刷组上的电刷。当使用磨损指示器电刷时, 要确保有些电
刷仍然保留。通常这不是问题,这是因为磨损指示器电刷通常放置在刷杆的内侧和
外侧以及中间。电动机厂商可以对要去除电刷的订货提出建议。如果负载状况增加
到接近电动机铭牌负载, 那么, 某个系统必须能够确保将拆下的电刷放回原位蚬
图2)。
电刷电流密度,A/英寸。=电动机电流,A
÷电刷总数×0.5×电刷表面积,英寸一 (1)
一个具有3个交错电刷组的刷杆图像(图2)。每个刷杆7个电刷。当由于轻载而

拆除电刷时, 从每个刷杆上拆除如下表所表明的数量的电刷:

3.2 换向器表面温度
一般公认的是, 换向器在电刷面上的温度不应低于60~C (140。F)。若换向器
低温运行, 那么就不能形成充足的氧化铜层。换向器表面温度应在60℃ (140。F)
和I15"C (239。F)之间, 大多数运行时间都为100~C (212。F), 而这正是标准等
级碳刷最佳薄膜构成时间。图3就是一例摩擦系数如何随电刷表面温度变化而变化
的曲线。这仅是一个例子; 数值还随着电刷等级、换向器薄膜、电刷压力, 等等不
同而不同。
由高的环境温度、过载或冷却损耗而引起的热换向器不仅导致电刷磨损的增
加, 也缩短绝缘寿命。电动机过热保护装置应设计成能防止这种状况的发生。
3.3 水蒸汽
X~SA45或类似等级电刷来说要构成优质薄膜要求每立方英尺空气中有2—7格令
水的绝对湿度。当绝对湿度小于每立方英尺2格令(约0.00457英两) 水时
【75。F,24~C时约20%相对湿度或55。F, 1 3℃时40%相对湿度), 电刷会迅速磨
损。高的湿度会造成薄膜形成过分, 或者更大的问题, 绝缘电阻读数低下或接地故
障。
现在在市场上有一些可用来迅速测量温度和相对湿度的数字仪表。测量应在空
气进入电动机之处和电动机四周的几个点上进行。读数大小应在同一范围内。相隔
一些距离的电动机可能处在给出不同结果的环境中。预期夏季读数不同于冬季读
数。在湿度曲线图(图4) 中,读取对角温度线和垂直相对湿度线的交叉点处水平
线上的绝对湿度。



3.4 电刷压力
引起我们关注的是运行电刷压力而不是弹簧压力。电刷压力取决于弹簧压力和
电刷位置。它也受到电刷和刷握之间摩擦的影响。电刷和刷握的摩擦系数受到换向
器速度、电刷等级、刷握光洁度和刷握中电刷间隙的影响。因而在实地测量电刷压
力变得很困难 因此测量弹簧压力。若弹簧很弱, 弹簧压力很轻, 那么碳刷会发出
火花。若压力太大, 摩擦和磨损就增大。要有良好的电刷寿命和性能通常要达N2—
8磅/英寸 (1.38-5.52N/cm 或0.14-0.56kg/cm‘)的电刷弹簧压力。该数值随
着厂家、电动机规格和电动机应用的不同而变化。弹簧压力应由电动机厂家推荐:
磅/英寸‘=N/cm‘X 1.45 (2)

磅/英寸‘:kg/cm‘×14.21 【3)
最长的实验室电刷寿命是在碳刷压力2—4磅/英寸‘、以低于8000英尺/分速度
运行、且已生成薄膜的换向器上取得的。工业电动机的典型电刷压力在3—6磅/英
寸 范围之内。当电刷处在与换向器成某个角度时(与径向相反), 就有一种由电刷
角度引起的弹簧力的损耗。这种损耗在20。角时为6.0%,在25。角时为9.4%。当
今,大多数厂商都供应在整个电刷寿命期间提供恒定压力的电刷弹簧。
3.5 换向器表面速度
电刷和换向器间的摩擦系数基本上随转速增大而增大。电刷磨损与摩擦系数成
正比。在5000或6000英尺/分以上高速运行时, 就可能要求较大的电刷压力, 而导
致电刷寿命缩短。在磁场减弱的高速运行时,换向也会减弱, 即火花增大。在较高
转速时, 薄膜从换向器上剥离的速度可能比薄膜形成的速度快。若电动机只短时间
地高速运行, 即么仍可以保持住薄膜。
对于一种给定的电动机转速,换向器直径越小, 表面速度就愈低, 电刷寿命就
愈长。一般工业电动机的换向器表面速度以8000英尺/分为限。
换向器表面速度,英尺/分=换向器
直径, 英寸÷12×3.1416×电动机转速r/min (4)
3.6 电刷材料或等级
满足了上述条件,SA45或类似等级电刷就会在大多数直流电动机上产生好的换
向器薄膜。专用电刷等级有助于对某些并不期望的工况进行补偿。记住每次电刷调
整都是一种折衷性调整。即调整是为了对现场作业中不同于主要电动机设计使命的
某个方面进行补偿。因而,新问题有时可能作为该调整的结果而被引入。
不存在对不同负荷、湿度和换向器工况等都会有长寿命的魔术性电刷。“魔
力”在于控制这些工况,使它们协力提供最长的碳刷寿命。
3.7 无污染物
空气中存在的其它化学成分将成为薄膜化合物的组成部分或者会影响这种化合
物。因此我们可以说为了生成好的薄膜,要求无外来的化学品, 硅蒸汽、氯、硫、
PVC (聚氯乙烯), 诸如碳黑等脏物以及油都是一些对换向器薄膜特别有害的工业
污染物。
硅基密封剂不得用于电动机风道密封作业、手孔盖或电动机上或电动机附近的
任何配合面。硅基密封剂的醋酸蒸汽会损坏换向器薄膜, 其它类型密封剂在进行固
化时也可能发出对换向器薄膜有害的蒸汽。可以使用无害的非硅Permatex密封剂。
3.8 机械完整性和装配
换向器必须是同心的,表面无缺陷观表2)刷握必须坚固, 对中得当。须检
· 4l -
查弹簧拉力是否合适。须对刷握和电刷进行检查以保证电刷在刷握中一侧到另一侧
的运动不会过度。电刷必须在刷握中能自由滑动, 并与换向器磨合。电刷连线或刷
辫必须紧固在电刷中, 并且其规格要足以应付超过标准150% 时的过载电流要求。
电刷必须处于电气中性点上。换向极需要予以适当调节, 填隙并且可靠。

测量值超过推荐范围的弹簧则要更换。若电刷在刷握中比较毛糙, 那么应根据
厂商推荐的尺寸与实测的电刷和刷握尺寸进行比较以确定电刷或刷握是否存在该问
题。按照要求, 更换磨损部件。与电刷磨合不好会导致火花, 并使电刷破裂。要用
砂纸磨合电刷; 而决不要用砂布, 因为这种磨粒是导电的, 它可能停留在换向片之
间。粗略磨合可用60粒或100粒砂纸, 最终磨合应用细砂纸。
新的或刚车削好的换向器表面光洁度应在40-70#英寸(0.000040—0.000070英
寸)范围内, 在新的换向器上. 云母大约下刻l/l6英寸, 1.59毫米。刷握应调整

到离换向器表面大约有3/32英寸、2.38毫米的间隙。

4 换向和碳刷寿命
前面一段列出了要实现好的换向所必需的机械和装配参数和措施, 但什么是换
向, 而它又是如何影响碳刷寿命的呢?
在直流电动机中, 换向是为了使电枢线圈在交变碳极下运动时保持单向转矩,
而定期颠倒电流在各个电枢线圈中流动方向的过程。电刷必须使经过脱离一个磁极
影响而正在趋近另一个磁极影响的电枢线圈的电流倒向。电动机电刷接触多个换向
片, 相应的电枢绕组元件就瞬时短路。若短路在其两端有电位差, 那么在电刷和换
向器之间会出现剧烈的火花。换向器而后会烧黑并出现凹坑, 而缩短电刷寿命。因
而必须确保在瞬时短路时在换向器回路中不会感应出电压。若在电枢回路中的有效
导体在与磁场并行方向上运动时发生了短路, 那么磁力线不会被切割, 在电枢回路
中不会感应出电压。由短路电枢回路占有的立轴是几何中性面。理论上,这是火花
或黑色换向发生的地方。然而寿命问题并不那么简单。由于自我感应的电动势和负
· 42 ·
载上的变化, 情况就更为复杂而超出了本文论述的范围。总之为了保证良好的换向
和长的碳刷寿命,必须恰当地设置电气中性点。
在我们述及电动机换向能力时, 我们也指的是电动机电枢电流处理能力。要求
标准工业直流电动机能在电动机铭牌转速范围内的任何转速上成功地将l50% 的铭
牌满载电流换向, 为时1分钟。对于成功换向不存在精确的定义, 即使发生火花,
只要不导致过大的维修工作量,都可认为换向成功。由过载引起的间歇性火花或少
量火花不一定指示换向不好。应确定过大火花的原因, 并解决这个问题。通常将火
花量当作由诸如由l, l l/4,l l/2,2等等基准号表示的火花程度。图5是火花
程度编号系统的例子。编号系统因电动机制造厂商不同而不同。小编号代表一些少
量的火花。大编号则指示对电刷和换向器产生最大损害的较多、较大火花。黑色换
向是所希望的, 因为不存在看得见的火花。火花程度图有时会误导人, 因为小的或
针尖状火花和大火花比图中所示的要小。

有时要将磨损速率因数赋予火花程度基准号。对给定应用的给定电动机, 当换
向处于黑色时, 磨损速率因数将为1.o0。譬如若该工况提供了7000小时的电刷寿
命,且火花程度上出现了变化而使得火花程度基准号现在为2, 而磨损速率因数为
1.75, 那么新的预期电刷寿命则为7000,'J',时÷1.75或4000/J',时。可使用表3中的火
花程度指南以及图5来确定火花程度和提供关于电刷寿命的看法。


5 正常电刷寿命
对于具有好的换向器薄膜以2500—4000英尺/分的换向器表面速度运行的通用
中型直流电动机来说,作为一种估算,7500dx时电刷寿命可以认为是正常的。最短
寿命可能是2000—5000dx时, 而10000dx时大约是最长的。然而, 对于带有轻的或可
变负载的电动机诸如机床电动机, 其电刷寿命少于2000dx时则是很正常的。在较高
的换向器表面速度时, 甚至会进一步缩短电刷寿命。作为一种经验规则,3600r/
mint~的电刷寿命是1800r/minl3~的寿命的一半。电刷寿命也受到负荷的影响。换
向器表面速度为2620英尺/分、5O马力、1 750r/min电动机的电刷寿命可能随着如
表4所示的负荷变化而变化。

6 何时更换电刷
应在填实的连线或刷辫有可能划破换向器之前或在碳刷处在弹簧行程终了之前
更换电刷。有些电刷有3条磨损线, 从而可监测电刷寿命。当电刷磨损到第3条线
时,就应更换电刷。在有些电动机上, 也可用一些接触换向器并提供相当于电枢电
压的电压信号的电刷探头和随电刷弹簧一起运动并闭合触点的机械装置, 来指示现
在该是更换电刷的时候了。


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