永磁同步電機之相關(guān)電刷及其選擇

正確選擇電刷對直流電機的換向非常重要，下面介紹電刷的種類和選用原則。

1．電刷的分類

根據(jù)所采用材料的不同，電刷可分為碳石墨電刷、石磨石墨、電化石墨電刷、金屬石墨電刷四類。

( 1）碳石墨電刷。在焦碳和碳黑中加人少量的石墨，所制成的電刷稱為碳石墨電刷。該電刷的硬度和抗彎強度大，摩擦系數(shù)大，接觸電阻中等，允許的電流密度較小，整體性能較差，目前已基本不使用。

( 2）石墨電刷。原材料為天然石墨或人造石墨，粘結(jié)劑一般為瀝青，具有潤滑性好、電阻系數(shù)?。ń佑|壓降小）、允許電流密度大的優(yōu)點，可用于低壓小型電機。若改用酚醛樹脂作粘結(jié)劑時，電阻系數(shù)大（接觸壓降大）、潤滑性能更好，適合于換向比較困難的電機。

( 3）電化石墨電刷。將炭在高溫（20 。 。一2700永磁直流電動機的電磁設(shè)計 ℃）下進(jìn)行石墨化，粘結(jié)劑采用瀝青或煤焦油。按主要材料的不同分為以下四種：

1）石墨基。主要成分為天然石墨。該電刷質(zhì)軟、電阻小、潤滑性能好，可用于低壓直流電機和輕載直流電機。

2）焦炭基。主要成分為石油焦或瀝青焦。該電刷質(zhì)軟、電阻小、機械強度高、換向性能差，可用于小型直流電機、低壓直流電機等。

3）炭黑基。主要成分為炭黑。該電刷質(zhì)硬、電阻大、換向性能好，可用于直流伺服電機、功率擴大機等。

4）木炭基。主要成分為木炭粉。在微電機中一般不采用。上述四類電化石墨電刷中，石墨基電刷的潤滑性能最好，其次是焦炭基電刷和炭黑基電刷，而換向性能正相反。

 5）金屬石墨電刷。將金屬粉與天然石墨混合，采用瀝青或煤焦油作粘結(jié)劑。按使用的金屬材料的不同分為銅石墨、銅鉛石墨和銀石墨三種。金屬石墨電刷電阻小、換向性能差、不耐磨、允許的電流密度小、損耗小，一般用于低壓直流電機。直流電機常用電刷的特性見表6一3 。

2．電刷的選用原則

不同種類的電刷具有不同的特性，差別較大，在選擇和使用電刷時應(yīng)考慮以下因素：

( 1）電刷接觸壓降。電刷接觸壓降越小，電刷接觸損耗越小，但換向性能越差。

( 2）額定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速越高，換向越困難，電刷磨損越大。對高速電機，電刷的潤滑性能很重要。因為摩擦系數(shù)過大將導(dǎo)致電刷接觸不穩(wěn)定，從而加大火花并加速電刷磨損，應(yīng)首先采用石墨電刷。

( 3）單位面積的壓力。單位面積的壓力過小將使電刷和換向器接觸不好，產(chǎn)生較大火花，火花過大將使機械摩擦損耗增加。為保證可靠接觸，高速電機的單位面積壓力應(yīng)比低速電機的大。

( 4）額定電壓。額定電壓為110V或220V以上的電機應(yīng)首先采用前3類電刷，其次是電刷接觸壓降較大而金屬含量不超過30％一50％的金屬石墨電刷。額定電壓為28V及以下的電機應(yīng)首先采用金屬含量不超過25腸一40寫的金屬石墨電刷，但有時為保證電機壽命，也有采用前3類電刷的。額定電壓為12V及以下的電機應(yīng)采用金屬含量70％以上的金屬石墨電刷。

三、火花等級

雖然直流電機在運行時電刷下往往產(chǎn)生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不會危及電機的運行?；鸹▏?yán)重時，會影響電機運行甚至損壞電機。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電刷下的火花可以分為五個等級，即1級、 2級和3級。火花等級與所對應(yīng)的物理現(xiàn)象見表6一4 。 1級、，告級和1要級火花均為持續(xù)運行中無害的火花。級火花作用下，換向器 乙在2表面會出現(xiàn)炭渣和黑色痕跡，如運行時間過長，黑色痕跡也將擴展，同時電刷和換向器的磨損也顯著增加。所以2級火花只允許在短時過載時出現(xiàn)。 3級火花是危險的，僅允許在直接起動或反轉(zhuǎn)的瞬間出現(xiàn)，正常運行時是不允許的。

四、改善換向的方法

換向不良將使電刷下出現(xiàn)火花，使換向器表面受到損傷，電刷磨損加快。改善換向的目的在于消除電刷下的火花，雖然產(chǎn)生火花的原因比較復(fù)雜，但若能設(shè)法減少或消除附加換向電流i 。，就可以改善換向。下面介紹常見的改善換向方法。

( 1）移動電刷。由于電樞反應(yīng)的存在，幾何中性線位置的磁密不再為零，換向元件內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，使換向惡化。可以采用移動電刷的方法，使幾何中性線位置的磁密為零，可以改善換向。對于直流發(fā)電機，應(yīng)順電機旋轉(zhuǎn)方向移動電刷；對于直流電動機，應(yīng)逆電機旋轉(zhuǎn)方向移動電刷。電刷的移動是在電機生產(chǎn)過程中實現(xiàn)的電機制成之后，電刷無法移動。該方法缺點比較明顯，當(dāng)負(fù)載變動時，電樞反應(yīng)發(fā)生變化，電刷位置不一定合適，可能使換向惡化；此外，若電機允許正反轉(zhuǎn)，則該方法也不適合。這種方法只在運行情況固定而負(fù)載變化不大的單向旋轉(zhuǎn)直流電機中采用。

( 2）選用接觸壓降大的電刷。

( 3）盡可能降低線圈匝數(shù)。

( 4）電刷壓力要適當(dāng)。