1、電刷的基本知識,1、電刷的發(fā)展史 1836年，Pixii發(fā)明了帶整流子（換向器）的直流電機，使用銅作 為電刷，電刷由此誕生。銅電刷缺乏彈性，接觸很不穩(wěn)定。到1883 年，F(xiàn)orbs首次使用炭素材料制成了電刷。當(dāng)時的電刷是用粘結(jié)劑把無 定型炭固定住。它的研磨性較大，電流容量較小，缺乏均一性。直到 1896年，E.G.Acheson成功地生產(chǎn)出了人造石墨，具備了電刷要求的 特性，用炭做的電刷 “炭刷”隨之誕生。 2、電刷的作用 電刷的作用是在電機的固定部件與旋轉(zhuǎn)部件整流子（換向器） 或集電環(huán)之間傳導(dǎo)電流。在直流電機和交流電機中，被電刷短路的線 圈的電流方向在接觸過程中改變180。,電刷的基本知識,

2、3、炭的性質(zhì) a）、輕； b）、良好的電傳導(dǎo)性； c）、良好的熱傳導(dǎo)性； d）、自潤滑性。 4、電刷的主要物理參數(shù)對性能的影響 電阻率電阻率越高，對火花壓制越有利；電壓降會增加，電機 的效率會下降；同時，電刷的溫升會增加，有可能會導(dǎo)致電刷脹死在刷 架中。 抗折強度抗折強度越高，電刷越耐磨。 硬度硬度越高，電刷越耐磨，噪音會增大；同時對換向器的磨 損也會增加。,電刷的基本知識,密度密度對電刷性能的影響最小。定性地講，密度越高，電刷 越耐磨。 綜合來講，電阻率和抗折強度對電刷的性能起著決定性作用。這四 個參數(shù)是相互作用的。它們的影響作用如下： 密度硬度電阻率抗折強度 密度硬度電阻率抗折強度 5、電

3、刷與彈簧和換向器的關(guān)系 電刷、彈簧和換向器是電機整流（換向）系統(tǒng)的三大核心部件。它 們?nèi)叩呐浜蠈﹄姍C的性能起著至關(guān)重要的作用。 5.1、電刷對彈簧的要求 電刷與換向器的接觸是靠彈簧的壓力決定的。炭刷的磨損簡單地分 為：機械磨損和電氣磨損兩種。,電刷的基本知識,彈簧彈力與電刷的機械磨損和電氣 磨損關(guān)系如下： 彈簧彈力機械磨損電氣磨損 彈簧彈力機械磨損電氣磨損 關(guān)系圖如右圖所示。 5.2、電刷對換向器的要求 在電機的整個運行過程中，炭刷始終和換向器接觸著，不停地對電流進行換向。 在電機的高速運行過程中，對換向 器的硬度、片間高度差、真圓度和穩(wěn)定 性有很高的要求。,0,1,2,3,4,5,0,20

4、,40,60,80,Spring Pressure KPa,Brush Wear rate mm/100hour,Mecanical,Electrical,Total,電刷的基本知識,根據(jù)STI的經(jīng)驗，除了片間絕緣性能，換向器的性能還要包括以下 幾個方面： 材 料：CuAg合金中，銀的含量應(yīng)0.1% 結(jié) 構(gòu)：具有環(huán)狀耐高溫加固條結(jié)構(gòu)。 真圓度： 在高溫（200 ）、高速（50m/s ）、連續(xù)運行一段時 間（ 100小時）后的條件下檢測 試驗前： Max-Min 5m；試驗后：Max-Min 20m； 相鄰巴片間的高度差：0.5m 表面粗糙度：Ra為0.81.2m 硬 度：維氏105115（HV

5、）；布氏100110（HB）,電刷的基本知識,5.3、彈簧壓強的配合,彈簧壓力的設(shè)計，及所需要的炭刷材料需要經(jīng)過試驗驗證，方可實施。上表中所列數(shù)值僅作參考。 由于炭刷材料的特殊性相對彈簧、刷架和換向器而言比較脆弱，彈簧對炭刷的壓力最好應(yīng)為面接觸（渦簧），次之為線接觸（壓簧），盡量避免點接觸（扭簧），否則炭刷易發(fā)生開裂。若電機結(jié)構(gòu)的局限性必須為扭簧，應(yīng)在與炭刷接觸部位增加直線段，如下頁所示。,上述內(nèi)容僅作參考,銅 套,炭 刷,間隙,5.4、炭刷和刷架的配合間隙,電刷的基本知識,換向器皮膜,換向器皮膜必須保持適當(dāng)?shù)暮穸取?=導(dǎo)電性潤滑性皮膜,適當(dāng)皮膜,換向器皮膜的厚度控制較好。磨削作用和皮膜形成作

6、用的平衡。并且火花小。,炭刷的磨損小，效率高,皮膜過剩,炭刷材質(zhì)的皮膜形成作用強，缺乏研磨性?；蛘邷囟雀?，火花大。,溫升過高，磨損過大.,換向皮膜,火花較小，皮膜的厚度適當(dāng)。 在換向器表面形成均勻的很薄的皮膜。,皮膜過厚。 由于火花過大，炭刷的炭粉黏附在換向器表面。 炭刷缺乏磨削性。,火花為中到大時，換向器表面發(fā)黑。 炭刷具有一定的磨削性，但不充分。,換向皮膜,當(dāng)炭刷過度磨損時，炭刷的彈簧壓力下降，產(chǎn)生大火花。,由于火花過大，造成換向器的表面受損。嚴重時，炭刷中的導(dǎo)線將換向器的表面破壞，第二副炭刷的壽命變短。,無止動裝置,有止動裝置,當(dāng)炭刷磨損至設(shè)定長度時，安全子會被彈出，快速地將電流切斷。不

7、會傷及換向器的表面。,由于換向器的表面未被磨損，可以確保第二副炭刷及以后更換的炭刷也能達到第一副炭刷同樣的使用壽命。,安全炭刷的工作機理,一軸式,壓簧時使用,渦簧時使用,導(dǎo) 線,埋線銅粉,絕緣片,止動彈簧,止動安全子,二軸式,由于安全炭刷的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度高，價格較高，故一般與普通炭刷成對使用，且同時更換。,安全炭刷的兩種結(jié)構(gòu),電刷的主要制造過程,電刷在電機中的工作原理,一、串激電機的換向 （一）、換向（定義）：電機運行時，旋轉(zhuǎn)著的電樞繞組元件從一 條支路經(jīng)過換向器和炭刷進入另一條支路，元件中電流方向改變一次，此過程稱為換向。 （即：轉(zhuǎn)子繞組中電流的大小和方向隨時間變化的過程叫換向） （二）

8、、換向過程： 在電機換向過程中，換向元件中有感應(yīng)電勢產(chǎn)生，受其影響，換向元件中的電流改變方向的時間將比理想狀態(tài)下（換向元件中無感應(yīng)電勢）換向時延遲一段時間，是延遲換向。 1、換向元件在換向過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢有：,1）、電抗電勢（自感電勢+互感電勢）er： 電抗電勢大?。?電抗電勢與元件匝數(shù)平方、轉(zhuǎn)速成正比） er=2WsLA2 2)、換向電勢（又稱旋轉(zhuǎn)電勢） ea 換向電勢大?。?(電抗電勢與元件匝數(shù)平方、轉(zhuǎn)速成正比） ea=2.5WsLA 3)、變壓器電勢ekt 交變主磁通同換向元件相作用產(chǎn)生。 eKt=4.44fd,(1-),2,電刷在電機中的工作原理,電刷在電機中的工作原理,2、換向過

9、程中的電流變化： 圖示為1/2周期時的換向情況（此時換向元件中的電流為iK） i1和i2：表示通過換向片1和換向片2的 電流 r1和r2：表示換向片1和換向片2與炭 刷之間的接觸電阻 s1和s2：表示換向片1和換向片2與炭 刷的接觸面積 i： 換向元件中的電流 iL： 直線換向電流 ia： 電樞繞組中的電流 Tk： 換向周期,電刷在電機中的工作原理,由于電抗電勢、換向電勢和變壓器電勢的存在，在換向元件K被炭刷短路的回路中 ，產(chǎn)生一個附加電流iK ： 附加換向電流: iK= （er+ ea +ekt）/（r2+r1） 因此：換向元件K中的電流為： i=ia（1-2t/T）+ （ er+ ea +

10、ekt ）/ （r2+r1） =iL+ iK 附加電流iK阻礙換向元件中的電流變化，使換向延遲，同時使炭刷下的電流密度分布不均： i1 與iK方向相反，使前刷邊電流密度減小， i2 與iK方向相同，使后刷邊電流密度增大。,電刷在電機中的工作原理,二、換向過程中火花產(chǎn)生的原因： 1、電磁原因： 在換向過程中，后刷邊的電流密度過大而產(chǎn)生過熱，使炭刷與換向器片間的空氣發(fā)生電離，因此使后刷邊與換向的接觸電阻不隨著接觸面積的減小而增大，而是由于換向器上氧化膜的破壞而顯著地減小。于是換向元件在換向末期仍保持著很大的附加電流，在后刷邊離開換向片瞬間，換向元件的短路回路由于脫離炭刷而斷開，元件所貯存的電磁能量

11、以電弧火花的的形式在后刷邊釋放出來。 2、機械原因： 換向器跳動大、轉(zhuǎn)子動平衡不良、電刷壓力過?。ɑ蜻^大破壞氧化膜）、電刷與刷握間隙過大（或太小而卡死）、換向器表面不凈等因素使電刷發(fā)生振動而產(chǎn)生火花 3、化學(xué)原因： 換向器表面有一層氧化膜，氧化膜增大接觸電阻，使換向接近電阻換向,EMC性能相關(guān),EMC-Electromagnetic Compatibility(電磁兼容） 是一門新興的綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾（EMI）和電磁敏感（EMS） 的問題：即怎樣使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子電氣設(shè)備、器件或系統(tǒng)， 都能夠正常工作。 隨著社會的日益進步，人們使用各種電器的機會也越來越多，這些電子設(shè)

12、 備在給我們帶來生活便利的同時，也給我們帶來了電磁污染。而這些電磁污染 則又反過來影響我們使用的電子設(shè)備，對我們的電子訊號產(chǎn)生影響，影響我們 對電子設(shè)備的使用。 總之，有電流通過就會存在EMC問題。 對于常規(guī)的電機來說僅存在EMI問題，如果有自動化控制系統(tǒng)的電機，則 可能還存在EMS問題。,炭刷在電機中的EMI機理,圖示：炭刷同換向器巴片的放電火花,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向,如圖所示：電機轉(zhuǎn)動時，炭刷在換向器巴片上滑動。炭刷的作用是：相鄰的兩個巴片被炭刷短路，與之相連的電動機繞組上流過很大的短路電流。當(dāng)炭刷脫離前一個巴片向后一個巴片滑動時，電機繞組瞬時開路，產(chǎn)生很大的反電動勢，從而觸發(fā)炭刷與前一個巴片之間

13、的放電火花，這是同利用開關(guān)斷開電感負載的情況是一樣的（日常經(jīng)驗：拔出插頭時產(chǎn)生放電火花）。只是在電機中由于炭刷不停地在換向器的巴片組上滑動，放電火花將連續(xù)地周期性發(fā)生。 在這個過程中產(chǎn)生的放電火花在電磁波中為尖峰瞬變噪聲，這些噪聲會延著電機機殼，導(dǎo)線向周圍空間進行輻射。 從電磁兼容的角度來看脈沖的頻譜帶太寬是我們不希望的，因為高頻成分比低頻成分是更容易通過輻射或偶合途徑傳播的，這樣的話非常容易對其他設(shè)備產(chǎn)生影響（注：隨著目前電動工具的智能化，放電火花會對電動工具里的電子線路產(chǎn)生影響，從而影響工具使用）。,整流子片,EMI和炭刷的關(guān)系, 炭刷的材質(zhì)炭刷的材質(zhì)應(yīng)該與電機的類型相匹配。一般而言，電阻

14、率大的 炭刷的換向性能好，火花小，EMI性能好； 炭刷的壓制方式相對而言，平壓制品的片間阻抗大，對壓制換向火花有 益，EMI性能好； 炭刷同換向器的接觸面的粗糙程度如果過于粗糙，炭刷與換向器的接觸會 不穩(wěn)定，增大機械磨損；相反，如果過于細膩的話，換向器的表面也不容 易形成皮膜，EMI也會不好； 炭刷同換向器巴片的覆蓋程度炭刷同巴片的寬度比例也會對EMI性能產(chǎn)生 影響。經(jīng)驗上講，電動工具用炭刷的覆蓋范圍在1.31.7巴片之間； 炭刷的硬度相對而言，炭刷的硬度越小，炭刷同整流子的接觸性能越好， 炭刷的跟隨性越好，EMI性能越好； 炭刷的彈性模量一般認為，彈性模量小的炭刷換向性能好，整個換向系統(tǒng) 的

15、運行也比較平穩(wěn)，炭刷在運行過程中的彈跳能力也小，換向性能好。,浸漬處理: 通常情況下我們可以通過對炭刷進行浸漬的方式來改善EMI性能；但是，含浸受到基礎(chǔ)材料的開口方式的影響會產(chǎn)生很大的偏差，同時，浸漬油在實際使用過程中會有揮發(fā)的情況，會對實際使用過程產(chǎn)生影響。 雙層炭刷： .炭刷中間加入絕緣的粘結(jié)膠帶，可以提高炭刷的換向性能（如三明治式炭刷）； .炭刷是由兩部分組成，其中初期的接觸部分使用天然石墨等光滑的材料，剩余部分使用其他材質(zhì)?，F(xiàn)實意義不大。,EMI和炭刷后處理的關(guān)系,彈簧壓力提高炭刷彈簧的壓力，會改善炭刷同換向器的接觸狀況，EMI性能得到一定改善，但是同時機械磨損會增加，會影響炭刷的使用

16、壽命。 炭刷刷架刷架的頭部與換向器的安裝距離要適當(dāng)。太近的話會從刷架那里通過電流；同時，刷架的材質(zhì)方面：雖然金屬材質(zhì)的材料尺寸方面比較準確但是比較容易吸收電機在運行時產(chǎn)生的熱量，溫度容易提高。 轉(zhuǎn)子的軸承轉(zhuǎn)子的軸承的滑動性必須很好才行，否則會影響整個系統(tǒng)的換向及炭刷的壽命。,EMI和其他零部件的關(guān)系,磁場線圈： 在定子上，如果磁場線圈的繞線從定子的槽角處露出來的話，磁力線就會混亂，會對EMI產(chǎn)生非常惡劣的影響。 定子的分割中心： 有的電機在制造定子時為了提高工作效率，將定子分成兩半，每半邊繞好線圈后再焊接到一起。在這種情況下，如果壓板無法絕緣的話，共同焊接部分的磁力線就會混亂，也會對整流和EM

17、I特性產(chǎn)生惡劣的影響。,EMI和電機結(jié)構(gòu)的關(guān)系,由于換向產(chǎn)生的放電火花屬于高頻電磁波，所以炭 刷主要影響EMI性能中的功率項目，對電壓項目的影響相 對較小。 炭刷作為整個電機中很小的一個零件，其對EMI性能 的影響是相當(dāng)小的。電機的設(shè)計理念及制造工藝才對EMI 性能起決定性的作用。當(dāng)存在EMI要求時，我們不能也不 可能完全寄希望于炭刷來解決所有的EMI問題。,結(jié) 論,電動工具電機用主要炭刷材料物理參數(shù)一覽表,石材切割機： 電機參數(shù)：AC220v 1200w 12000rpm 試驗方式：NL(5s) - 960w(20s) - NL(5s) - 1200w(10s) - OFF(15s) 碳刷尺寸：5*11*15 mm,電動工具試驗結(jié)果炭刷壽命實驗,電圓鋸： 電機參數(shù)：AC120v 1800w 4500rpm(輸出) 試驗方式：NL(20s) 16A(8s) - NL(20s) - OFF(112s) 碳刷尺寸：6.35*9.5*13 mm,電動工具試驗結(jié)果炭刷壽命實驗,角向磨光機： 電機參數(shù)：AC230v 710w 9000rpm 試驗方式：NL(5s) - 4A(20s) - OFF(5s) 碳刷尺寸：6*9*12 mm,電動工具試驗