直流电动机电刷寿命

直 流 电 动 机 电 刷 寿 命 罗伯 特 约 翰 汉 密 尔顿 美 著 周 维 良译 陈 明镜 校 提 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。然而，本文并不是 一本关于如何确定 问题 的说 明书， 为 有助于碳刷 和换 向问题的解决 ，应与电机制造商取得联 系。文 中内容适用于大、 中 型 工业 直 流 电动 机 和发 电机 。 关键 词： 电刷 电流密度 、 电刷 磨损、换 向器薄膜( 氧化膜 ) 、 电动机 电刷 、电 动 机换 向器 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1 0 。 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 1 4 0。F ( 6 0 C) 的换 向器上运 行时其摩擦 系数为0 1 5 ， 当在2 2 0。 F ( 1 0 4 C) 表面 温度 的 换 向器 上 运行 时，摩 擦 系数就 可能是0 0 8 。 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 1 3 - 0 1 9 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 ) 。 1 0 0 V f j 一 一 2 0 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l o 0 ， 换向器在电 刷下运动所需的水平力为 2 0 ，那么摩擦系数即为2 0 个l o o 或0 2 0 。 36 表 l 电刷 摩擦 系 数 非 常 小 小 于0 1 0 s J , 0 1 0 至0 1 9 中等 0 2 0 至0 2 9 大 0 3 0 及 以上 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2 0 0 毫 微英寸 厚( 0 0 0 0 0 0 0 2 英寸或0 0 0 0 0 0 5 0 8 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 7 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S A4 5 或 类似等级 的电刷，该范围一般规定 为5 5 - 8 5 A英寸 ( 8 5 1 3 2 A 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 3 8 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 交错组 交错 组 交错 组 栅 一 0 4 0 3 0 2 器 鬟 o 氅 0 l l 图2 轻载实例 的碳刷拆除 图3 摩擦系数和温度 I 。 C 2 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6 0 C( 1 4 0。 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6 0 ( 1 4 0。 F ) 和 I 1 5 C( 2 3 9。F )之 间， 大多数运行时 间都 为1 0 0 C ( 2 1 2。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 S A4 5 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 0 0 4 5 7 英 两 ) 水 时 【 7 5。F ，2 4 C时约2 0 相对湿度或 5 5。F ， 1 3 时4 0 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 3 9 I， 一 一 度 ；2 温 面 尉 电 线 上 的 绝 对 湿度 。 6 ： t 3 7 E 1 5 型 芝 s ： ， 6 s ： 4 E ： 2 ： * +譬 C 2 C 3 0 4 O 5 0 6 o 7 0 a 0 9 0 1 O O 相 对 湿度 2 格 令水 英尺 空气 4 6 E水 英 尺 空气 相 对湿度 图4 湿度 曲线 图 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 3 8 - 5 5 2 Nc m 或0 1 4 - 0 5 6 k g c m ) 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 =Nc m X 1 4 5 ( 2 ) 40 磅 英寸 ：k gc m 1 4 2 1 【 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8 0 0 0 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2 0。角时 为6 0 ，在2 5。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5 0 0 0 或6 0 0 0 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8 0 0 0 英尺 分为限。 换 向器 表 面速 度 ，英 尺 分 =换 向器 直径，英寸 1 2 3 1 4 1 6 电动机转速r mi n (4 ) 3 6电 刷 材料 或 等 级 满足 了上述条件，S A4 5 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、 P VC ( 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P e r ma t e x 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 1 5 0 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。 表2 换向器修理极限 可 允许 的最 大 换 向器 偏 心 度 ， 随不 同 电动 机 设计 而 变 化 ， 以下以英寸为单位的限值对标准工业 电动机来说具有典型性 中等 马力 大 马 力 3 6 0。中指 示 的最 大总 摆 度 0 O 0 1 , 5 0 0 0 3 任 意 9 0。中指 示 的 最 大总 摆 度 0 0 0 l 0 O 0 1 5 导条至导 条最 大总摆度 0 O 0 0 O 0 每 英尺 最 大 锥 形， 英 寸 0 0 0 2 0 0 0 2 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6 0 粒或 1 0 0 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4 0 - 7 0 # 英寸( 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 7 0 英 寸 ) 范 围 内， 在 新 的换 向器 上 云母 大约 下 刻 l l 6 英寸 ， 1 5 9 毫 米 。 刷 握 应 调 整 到离换向器表面大约有3 3 2 英寸、2 3 8 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 l 5 0 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。 | - ， 一 一 _ - 一 、 5 大 火花 小 火花 图5 发电机和电动机火花程度 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 o 0 。譬 如若该 工况提供 了7 0 0 0 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 7 5 ，那 么新 的预期 电刷寿 命则为7 0 0 0 , J , 时 1 7 5 或4 0 0 0 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。 43 一 一 一 一 表3 火花程度指南 NO 说 明 磨损速 率 因数 1 黑色，无看得见 的火花 1 0 0 1 1 4 轻 微 、 间歇 性 火花 1 0 0 1 1 2 半 个电刷长度上 的轻微 、持续 性火花 1 0 0 2 整 个电刷长度上 的轻微 、持续 性火花 1 7 5 3 1 个或2 个大 火花 的轻微 、持续性 火花 2 5 0 4 3 个 大 火花 的 轻 微 、 持 续 性 火花 5 0 0 5 几 乎 无 小 火 花 的 大 而又 持 续 性 的火 花 1 2 5 0 6 具有 自热光点，趋近跳火 的大而又持续性 火花 5 0 0 0 5 正常电刷寿命 对 于具有好 的换 向器 薄膜 以2 5 0 0 4 0 0 0 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，7 5 0 0 d x 时 电刷寿命可 以认 为是正常 的。最短 寿命可能是2 0 0 0 5 0 0 0 d x 时，而1 0 0 0 0 d x 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2 0 0 0 d x 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，3 6 0 0 r mi n t 的 电刷寿命是 1 8 0 0 r mi n l3 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2 6 2 0 英尺 分、5 O 马力、1 7 5 0 r mi n 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。 表4电刷寿命例子 负荷类型 安培 英寸 小时寿命 间歇性、轻 降至3 0 7 5 0 - 2 0 0 0 因 额 定 负荷 内 4 5 至8 5 3 0 0 0 - 7 5 0 0 间歇性、重 1 2 5 及 以下 1 0 0 0 - 4 0 0 0 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。 4 4 7 为取得较长 电刷寿命我们能做些什么 识别所有变量，然后确定 电刷寿命，可是 一件费力的事情，在变量正 在变化 的 时候尤 为如此 表5 ) 。我们所能做的是鉴别电流问题并采取纠正措施。通过监测 影 响电刷 寿命的工况或者作为维护计划的一部分，我们就将拥有能提 醒我们 注意潜 在 的或 发展中的电刷和换 向器 问题的信息。正如换 向器生成薄膜是 一个持续 的过程 一 样，监 测和校正措施过程也是连续的。通过监测和校正措施，可缩短停 机时间， 并取得较长的无故障 的电动机寿命。 表5 影响电刷寿命的因素 、 电刷 长 度 、刷 握 结 构 、 弹簧 压 力 参考 文献 r 九i c e l i n B r u s i z Dt s t r i b u t o r s r a i n J n g W 1 1 2 R