直流電機電刷異常磨耗的淺析

摘要：闡明電刷在電機運行中的作用，通過分析電刷磨損的分類以及電刷在銅質換向器上運行中磨耗的相關因素，強調直流電機日常維護時對電刷磨損量檢測的必要性。

關鍵詞：電刷;作用;磨損;維護

1電刷的作用

直流電機的運行主要是通過換向器和電刷對電樞繞組電流的換向來實現，直流電機的穩定運行離不開電刷的支撐，因此電刷是直流電機重要的組成部分。電刷主要用來連接定子磁場繞組和電樞繞組的配件，是導入導出電流的滑動接觸件，起到了過渡和中轉的作用。

直流電動機是利用定子繞組和轉子結構的不同來實現電能轉換為旋轉機械能，進而把直流電變成交流電，其工作原理與電樞繞組相似。定子磁極一勵磁回路中鐵芯、線圈等導體在氣隙及漏電流作用下形成了具有特殊功能的“反電動勢”。它可以將鐵心內產生渦流損失掉以減小對電機損耗;而當磁場強度達到一定值時就會使磁場減弱，從而讓轉子旋轉起來。（1）直流電機工作原理：在電機啟動時產生旋轉磁場通過主磁極向周圍空間傳輸能量;當轉角增大到一定程度后產生電磁力矩作用下使繞組中的電流變大從而形成電刷等效線圈，并帶動負載上一瞬間內機械能轉化成電能給電動機提供驅動力，實現對電機進行調速。（2）定子部分：電機座采用耐磨不銹鋼制成。工作時銅線與電動機接觸形成鐵芯，易磨損;轉子由內層合金焊成并焊接在端部以增加強度和剛度來提高可靠性及壽命;外接了耐油橡膠或鋁制材料構成外殼保護層使其能正常使用，電機在工作時轉子會產生磁場，通過電磁感應來帶動繞組轉動從而達到對電樞構成電流回路中的電動機進行驅動;（3）定子及轉軸：當電機運行時會發生轉速變化情況下而形成的。因此可以將轉子分成兩個部分分別是轉軸和傳動機構。

2?電刷磨耗的定義

電刷是電機的滑動接觸部件，電刷和轉換器保持接觸面積，并且一起進行移動。在移動的過程中產生了摩擦現象，因為摩擦而破壞了電刷與轉換器的接觸面。在這個摩擦的過程當中，電刷與轉換器的顆粒從而脫落，這樣就發生了損耗。在實際的情況當中，將電刷與轉換器發生摩擦并且損壞，這種情況叫做電刷的磨耗。但是由于不同材質的電刷與轉換器，從而導致了不同的摩擦情況，磨耗情況也不同。但是在實際的情況下，電刷的磨損相比較轉換器更為突出。

3?電刷磨耗的分類

電刷的磨損是必然且無法避免的，電刷磨損的分類是按不同條件分類的，在實際情況當中會對電刷進行預期磨損情況，從而將電刷的磨損分成正常磨損和異常磨損兩種。在實際情況當中，還會根據轉換器和電刷的接觸面的特性對電刷磨損的影響，從而將電刷的磨損分為機械磨損和氣性磨損兩種。并且在實際的電機運行過程當中，氧化膜出現在滑動接觸的面上，但是會隨著時間的推移而不斷的形成和消耗。除了這些以外，還有其他因素對電刷的磨損產生了各種影響。像電流、在摩擦過程中產生的熱量、氧化膜等多種在生產中的變化。電刷磨損按照電特性分：?無電流影響的機械磨損、因為通電條件造成的機械磨損以及電弧直接損耗的電刷材料等幾種。

4?電刷異常磨耗的因素

4.1換向器表面的的因素

評定換向器表面質量四大要素：表面粗糙度、圓周跳動量、直徑誤差?和下刻弧度。

表面粗糙度：如果換向器的表面過于粗糙，電機的電刷在高速運轉過程中會嚴重磨損，產生刮擦粉末，堆積在換向器槽內產生電機短路，從而加快了電機自身壽命的損耗。

圓周跳動量：電機在運行過程中，電刷會沿著這一段電箱圓周轉動的距離跳動。因為電刷在這個過程當中會以非常快的速度旋轉，在電刷盒中會跟隨轉動而來回移動。在這個時候，電刷彈簧的壓力較低，電刷跳動高，在這個過程中會讓電刷和轉換器的產生電火花。損壞接觸面之間的水膜，加快電刷的損壞，再情況嚴重時會燒電機。?如果相鄰部件之間的跳動很大，不斷沖擊電刷會加速電刷的磨損甚至碎裂。

直徑誤差：換向器表面直徑前后誤差過大，即出現失圓現象。電機在高速運轉時，由于換向器表面失圓，就會出現跳動量過大，出現火花現象，加快了電刷的磨耗。

下刻弧度：按照工藝要求，換向器每片的表面須有一定的弧度。每片的換向器表面有尖銳的棱角，電機在高速運轉過程，如果尖銳的棱角直接接觸碳刷，就會出現啃碳刷的現象，不能形成良好的接觸面，加劇碳刷的磨耗。

4.2電刷理化特性因素

電刷的理化性能主要包括硬度、電阻率和雜質。

電刷耐磨性的標志特點是電刷的硬度，電刷的硬度在較高的情況下是非常容易磨損電機的。但是在硬度小的情況下，電刷自身也容易損壞。所以在實際情況下，一般都是根據實際用途而選擇電刷的硬度。在實際的用途當中有著不同類型的電力，本臺機器需要不同硬度的碳刷。而在一般情況下，毛刷的硬度測算是由肖氏硬度計所計算的。電刷電阻的標志是電刷的電阻率。而在一般情況下電阻率的變化范圍很小，并且一般根據電阻率的大小，來進行電刷應用范圍的分類。根據以上的情況，如果電刷是高電阻，低硬度電刷密度小，會有較大磨損。電刷另外一個指標是灰分雜質，它是用來描述電刷的耐磨性。它有含有少量的細微灰分，它是增強耐磨性能的物質。但是其中也含有少量的硬質磨料顆粒，對電機和電刷的損耗也是非常的大。

4.3電刷壓力的因素

在一定情況下，電刷的壓力的重要因素是電刷的磨損程度。電刷壓力決定了電刷的機械磨損和電器磨損的情況。在一般情況下，接觸面的壓力較小從而會因為機械不穩定性而使得出現電流腐蝕的情況，電氣性的磨損被提高。在實際情況當中，接觸面的壓力會越來越大，機械將會變得更加穩定。但是電刷的機械性磨損和電壓的機器的磨損卻越來越大，使得二者成正比。電刷和電氣性磨損與電刷壓力成反比。如圖?2。根據圖示曲線可知，電?刷壓力的選擇要適當，既不能過高也不能過低。并且在電機維護的過程當中，需要進行壓力測量，尤其是個別異常磨損的電刷彈簧。并且能夠及時根據檢查情況進行更換，保障電刷的磨損程度，減少損傷轉換器的接觸面。

4.4電氣因數

電機在運行過程中由于電流過高、電刷與換向器表面電火花等級過大、中性位偏差過大等都會造成電刷的加快磨耗。在實際情況當中正刷和負刷在電機中的工作有很大的不同，并且對于不同性質的電刷也有著不同的磨損程度。

電化石墨電刷和銅質換向器的滑動接觸中，電流由電刷向轉換器的正刷，電流由換向器向電刷是負刷，這兩種存在著很大的區別，兩種方式各有特點。像在一條道路上運作時，在實際情況當中負的磨損量慧遠大于正刷。并且還在電機運作的過程當中，通過電流的流動，電刷上形成氧化膜。正刷在一定程度上，能夠保護機械不受磨損，受磨損度較少。并且在實際情況下會有一定的限制，正刷與電流密度的基本無關。但是因為負刷具有電氣性，所以在上面會吸附銅離子，這樣會增加機械的磨損量。

在實際情況當中，電流的密度如果大于電刷所能承受的邊界，這將會增加電刷的磨損，從而出現了磨損異常的現象。在實際情況當中，有著不同材料的電刷，電刷也有著不同的性質。但是這些性質會隨著電流密度的改變。電刷與轉換器的接觸面積溫度增加后，磨損的情況也會明顯增加。所以在運行的過程當中，一定要采用適當的電流密度，從而減少電刷的磨損情況。

在電機的實際使用情況當中，電刷與轉換器的表面接觸面會有著不同等級的電火花，但是當電火花的等級過大時會燒壞接觸面的表面。在這個過程當中難以形成有用的的接觸水膜，并且電火花等級越高會加速電刷的損壞，這又加快了電刷在這個過程當中的磨耗。

4.5環境因數

在實際情況中發現電刷容易發生磨損會因為溫度變低，從而降低了空氣中的水分等的一系列反應發生磨損。當絕對濕度為?3?～?5?g?/?m3?時，電刷易發生異常磨損，當絕對濕度小于3?g/m3?時，甚至導致電刷粉化磨損[2]，在短時間內電刷的磨損量會以特別快的速度增加，嚴重的情況下會造成運行事故。所以，根據實際情況，直流電機在日常維護的過程當中，盡量保證有合適的溫度及濕度中運行電機。并且也符合換向器氧化膜的維護條件。

5電刷異常磨損的影響

（1）軸承潤滑不良。電刷的摩擦速度隨著運轉時間延長而逐漸增加，因此，當轉速不在規定范圍內時就會造成磨損。a.滾子間隙太小或過小都不利于滾動體和滑動接觸件運動正常進行;b、滾珠絲度過大或者偏磨等因素也可能使其變形過大從而導致磨損加快甚至燒壞;c：潤滑油溫度過高或太熱則易引起電刷產生形變，刮刀及機座夾緊不當而加速損壞等等。由于電刷在長時間的工作，摩擦襯板會發生變形，而接觸壓力下降，造成磨損。當滾珠、節流絲桿和閥門等部件產生過大間隙時就有可能使接觸面出現裂痕或者燒損現象;其次是滑套與密封圈之間也存在一定縫隙或孔洞從而導致局部過熱甚至破壞失效;再次是軸承潤滑不足引起的漏油問題。滾珠、飛輪和主軸的工作條件差，摩擦是磨損不可缺少的重要原因之一。如果滾子鏈條過熱，就會造成接觸壓力不平衡而產生異常磨蝕;在運轉中由于工件表面粗糙不平整導致竄油或夾雜物刮傷等現象引起滾動體劇烈振動而使之容易產生裂紋。刷子的摩擦是電刷在低速旋轉時，由于高速沖擊，而產生的。當轉速較高、電壓波動大等外部因素作用下或內部機械運轉中出現故障或者異常磨損情況下會導致軸承溫度急劇升高和燒壞，從而引起滾動體表面快速變薄甚至破裂形成裂紋。

（2）刷卡時發塵、飛濺。在電刷運轉過程中，會產生大量的粉沫，它們可以隨氣流進入，并使電動機發熱而引起磨損甚至燒壞等現象;還有一些顆粒狀碎屑與鐵屑粘附于軸承上形成磨粒和氧化皮生成堵塞傳動鏈從而引發異常振動或咬合以及跑跳動。在電刷的日常使用中，會出現一些異常情況，這些問題主要是：首先是沒有按照規定開鎖止動;其次就是刮擦劑破損或是磨損嚴重等原因導致的脈沖電流過大產生了一定影響造成掉座、松脫以及堵塞端口現象發生。電刷的主要功用是換向，當電機正常運行時，會產生一個反向沖擊，這樣就使摩擦面與原來相對靜止不動接觸。但這種情況下又往往導致火花間隙過飽和。在高速運轉過程中由于局部壓力過大而造成表面出現裂紋。這些問題可能使得電樞繞組和轉子之間發生振動從而引起跳閘現象或卡死等故障。刷卡時，會產生一定的摩擦角。當轉子高速旋轉時會有一部分動能轉換為熱能從而使潤滑油溫度升高;同時還會出現熱量傳遞損失、粘度變化以及局部溫升等現象而引起軸承工作條件惡化和軸向變形加劇;在負荷較大狀態下還可能由于供液不足導致軸承燒壞或者損壞。

（3）刮板與滾筒之間發生滑動。滾動阻力主要是由軸承內外圈、潤滑脂層和外槽等雜物所產生的摩擦而形成;同時也有可能是因為滾動角大于15°或者公數相一致導致磨損結果出現在旋轉運動中，從而使滑動速度加快或加劇。軸承潤滑不良：電刷的軸向間隙過大，會造成摩擦面在滾動接觸面，上產生較大滑動，從而加速磨損。當轉速過低時可能導致錐度下降和齒形變差。供油提前角選擇不當：由于電機啟動初期無合理的進給政策等原因，使電機快速運轉電流增大、轉矩降低及電阻增加;軸承潤滑不足或失效也是引起電刷異常磨損重要因素之一;另外電動機起動時間長短不一還會影響加速器壽命。

（4）滾筒沖擊磨損。當電刷進入正常工作狀態時，會產生較大的軸向和周向滑動，使之形成大范圍正弦振動。而在高速運轉中出現異常情況導致了滾珠、鐵絲等零件的異常磨蝕現象發生;同時還會有尖點銅粉顆粒物堵塞軸承內部結構從而引發副活塞與油面之間劇烈摩擦甚至燒壞潤滑材料引起嚴重磨損。由于轉子在循環中不斷地承受摩擦和熱效應壓力。當轉速增加時，潤滑油會流進滾動表面并形成高溫區;而隨著時間延長產生很大熱量導致零件變形或損壞嚴重;同時還會加劇零部件磨損程度以及壽命縮短率，從而引起較大振動和噪音污染、降低產品質量的不良現象發生等情況。通過上述現象分析，可以得出電刷的磨損主要原因是圓錐滾子和旋轉副之間存在著一定大小的摩擦。當轉速較高時，潤滑油會在旋轉運動中出現抖動。而當速度比較低或者有轉矩形成后又發生甩勁變形導致顆粒間滑移或崩解;而隨著時間逐漸推移到相對靜止狀態時達到了新水平，則又由于滾動阻力變大引起微粒直徑減小、徑向尺寸增大和表面粗糙度增加等現象產生。

結論

總結上文所得電刷的磨損特性與換向器表面的質量狀態、換向是否良好、電氣因素、電刷壓力、運行環境因數關系緊密。并且在實際的電機日常維修當中，應該及時對電刷的磨損量進行檢查，并且做好及時更換的記錄。在電刷出現異常磨損時要及時檢查電機運行情況，這就需要結合電刷壓力?、電流密度?、正負刷磨損差異及換向正?；瘲l件等確認電機運行情況。在電機出現問題時，可參考電刷磨損量記錄，排查與其相關的各項因素，幫助查找原因。

參考文獻：[1]李翠蘭.?直流電動機換向器磨損異常的原因分析[J].?微特電機，?2011，?39（011）：75-76.[2]高明縉.?直流電機運行中的電刷磨損特性[J].?上海大中型電機，?2019，?143（02）：19-21+34.[3]宋正芳.電機電刷的應用與維護[M].哈爾濱：黑龍江科學技版社，1984

作者簡介：鐘俊吉?（1993—??），?男，漢族，四川成都人，本科，助理工程師，研究方向：機車電機檢修。