碳刷与换向器表面摩擦之薄膜图

石墨材料与石墨轴承简介1、前言轴承是机械工业中常用的一种滑动机件。

石墨轴承是随着机械设备的性能要求，在金属轴承的基础上开发并发展起来的炭质轴承。

炭质轴承有不同于金属轴承的特性，如自润滑、耐高温、耐腐蚀、质轻等。

随着科学技术的发展，人们又开发了陶瓷球轴承、炭化硅轴承等，石墨轴承也得到了进一步的拓展，制造出了青铜石墨含油轴承、镶嵌石墨轴承。

为各种工况条件下的轴承选择提供了更大空间，满足了不同技术条件的要求。

另外，炭复合材料轴承由于它的可设计性和特有的材料功能将是今后轴承材料的发展方向。

石墨轴承有着一定的发展基础和应用市场，在此基础上进一步研究炭石墨轴承、青铜石墨含油轴承、镶嵌石墨轴承有利于炭石墨类轴承的发展，因为石墨轴承在制造工艺上和技术性能上都有其独特的方面，在今后的发展中有一定的扩展性，在此做进一步分析研究，为的是得到进一步开发，在应用中得到更加广阔的市场。

2、石墨轴承的润滑基理、分类和性能分析从碳原子结构分析石墨材料的润滑性。

石墨材料本身就存在润滑性能，这是石墨的晶体结构所决定的。

石墨的润滑性能除晶格的特定原因有先天可供润滑的结构外，就是水和空气对它的良好润滑作用的发挥。

水和空气的存在使石墨的工作面上吸附了水和气体分子，增大了石墨互相滑动的解理面间的距离，从而减弱了它们间的结合力。

轴承有滚动轴承和滑动轴承之分，材质上又有金属、非金属、复合材料之别。

石墨轴承多用于滑动轴承，滑动轴承又分为径向轴承和止推轴承。

文中主要对炭石墨轴承、青铜石墨含油轴承和镶嵌石墨轴承进行分析。

石墨轴承以石墨材料为主要基材，应用于食品、饮料、纺织、化工等工业部门中的运输机、干燥机、纺织机、潜水泵电机等轴承方面，这些部位如用油脂润滑剂不可避免会引起污染，而石墨轴承的自润滑性很强，耐腐蚀，可不使用润滑油而进行长期运转。

石墨轴承的磨损与载荷、温度和速度的平方成比例，当压力为0--0.49MPa时，各种材质的石墨轴承均能满足需要。

发电机碳刷的常见问题和日常维护良好的运行维护方式可延长发电机碳刷的使用寿命，降低碳刷引起的机组故障，本文就发电机碳刷常见问题及日常维护进行分析。

标签：碳刷问题维护引言碳刷用于电机的换向器或滑环上，作为导出或导入电流的滑动接触体，是电机动静接触和交换能量的设备，碳刷的良好维护，对机组的安全运行起着至关重要的作用。

碳刷在发电机滑环上运行时，在其接触面上形成一层均匀、适度、稳定的氧化膜，这是运行良好的主要标志之一。

因为这层氧化膜的存在，改变了碳刷与滑环的接触特性、减少了摩擦、降低磨损、延长使用寿命。

氧化膜是一种复合薄膜，其组成成分与碳刷型号及滑环的材料成分有关。

碳刷与滑环接触面积的大小，由发电机的转速、滑环材质的硬度、加工精度、偏摆度、碳刷的材质、碳刷上的压力大小等因素来决定。

一、碳刷选型的基本原则1.滑环振摆问题由于存在振摆，且振摆随转速的增加而加大，影响碳刷与滑环的良好接触。

在大振摆的前提下，对碳刷提出一个严峻的考验，为此，在振摆大的场合下，适当增加弹簧压力，或在碳刷压板之间选择良好的减震衬垫，对于改善换向有一定效果。

2.机械上的原因由于滑环偏心，转轴轴向串动，刷盒不正或碳刷与刷盒配合间隙不当，造成碳刷在刷盒内浮动受阻或卡住，弹簧压力不均，造成碳刷与滑环接触不稳定等。

3.电气上的原因由于滑动接触面间的导电微粒分布不均匀，氧化膜厚度不均匀等造成接触电阻大小不同。

有研究发现，外加电压小时，氧化膜绝缘，当电压升高到一定值时，氧化膜被击穿。

当击穿后，不管电流如何增加，由于导电点的增加、导电面积的扩大，则接触电压保持恒定。

4.滑动接触面间气体压力的影响碳刷滑动接触面与滑环表面作高速相对滑动时，由于碳刷在刷盒内晃动，造成碳刷弧面大于滑环弧面，形成了楔形空间。

在滑入边，当电机在高速运转时，粘附于滑环或滑环表面上且随之旋转的空气层进入楔形空间，对碳刷产生一个向上的作用力；而在碳刷滑出边同样也存在一个楔形空间，在电机高速旋转时，楔形空间里的空气同样会粘附于滑环表面被带走，对碳刷的弧面造成气吸现象，使碳刷受到一个向下的吸力。

典型电刷表面—光洁表面，典型的密实电刷和良好换向。

—软结构表面，典型的多孔电刷，但换向良好。

—表面轻的擦伤，说明负载过轻或受气氛污染(负载亦指电流密度)。

—轻的条纹，典型的负载轻或受气氛污染。

—条纹和槽的进一步发展。

典型的负载轻及／或气氛污染。

—接触面上有斑点，表示接触面电流分布不均匀，应作电气调整和核对电刷牌号。

—电刷一侧表面及接触面过烧。

表示震动或电刷移动。

典型的换向器不圆或弹簧压力太低。

—接触面过烧斑点，表示弹簧压力太低或电刷过载。

—蚀刻性表面，典型的由于弹簧压力过低而打火花，及／或电刷牌号换向性不良。

—有双接触痕，说明电机在可逆状态下工作。

—换向器的铜点嵌入电刷接触面，表示电刷负戴轻及／或摩擦过渡。

—电刷边缘掉角，典型的滑环上摩擦太高，亦说明换向器上摩擦过度或换向片过高。

—电刷与刷握接触处侧非常光亮。

典型的摩擦过度而弹簧压力太低。

—电刷强烈震动。

典型的摩擦过度，及／或弹簧压力太低。

—电刷有中心蚀孔，表示铆钉损坏，铆钉落入电刷体内发生蚀孔。

—接触面斑点，典型的电刷牌号不当，在低温或低弹簧压力下工作。

电刷牌号及主要性能类别牌号视比重电阻系数（微欧·厘米)肖氏硬度抗弯强度（兆帕）接触电压降摩擦系数允许电流密度（安／平方厘米）允许速度（米／秒）金属含量%碳石墨类 A 121 1,78 1700 30 32.5 M B 12 - 20 <=15A 122 1,70 40000 27 20 EB 10-12 <=15A 176 1,60 52000 40 20 EB 8-10 30A 210 1,65 25000 30 20 MB 8-10 <=25A 252 1,65 40000 27 17 EB 10-12 <=25软石墨类LFC 501 1,45 2000 7 M M 6 - 10 75 LFC 554 1,25 2000 10 M M 11 - 13 90电化石墨EG 34 D1,60 1100 35 25 M M 12 50 EG 389 P1,50 1600 24 19 M M 12 50EG 3961,52 1600 27 19 M M 12 50EG 3621,62 2500 35 21 M M 12 50EG 40 P1,60 3200 57 27 M M 12 50EG 3131,70 4700 54 21 M B 12 50EG 3671,54 4300 48 20 M M 12 50EG 3321,52 4850 48 21 M M 12 50EG 3651,62 5000 40 15 M B/M 12 50EG 3001,55 4200 54 25 M B/M 12 50EG 981,59 3600 60 39 M M 12 50EG 3691,57 5100 55 25 M M 12 50EG 319 P1,48 7200 53 26 E M 12 50EG 98 B 1,66 3400 67 30 M M 12 50EG 98 P 1,57 3600 56 29 M M 12 50EG 321 1,51 6800 52 28 E M 12 50浸渍电EG 7099 1,70 1150 40 33 M M 12 45 化石墨EG 9599 1,60 1600 33 28 M M 12 50 EG 9117 1,69 3300 77 32 M M 12 45EG 8019 1,70 4700 77 31 M M 12 45EG 8067 1,65 4000 70 34 M M 12 50EG 7823 1,71 4400 81 35 M M 12 50EG 8220 1,85 5450 89 44 M M 12 50EG 9049 1,64 4300 68 31 M M 12 50EG 7132 1,64 5100 65 33 M M 12 50EG 7097 1,64 3900 65 37 M M 12 50EG 341 1,57 7000 74 34 E M 12 50EG 9041 1,56 6300 65 36 E M 12 50EG 364 1,58 6500 73 35 E M 12 50EG 6489 1,57 6500 75 35 E M 12 50树脂石墨BG 4121,81 11000 36 E M 8-12 35 BG 4691,81 10000 36 E M 12 35BG 4001,57 24000 21 E M 8-12 401- LFC 3 2,16 750 18 17 B B 12 45 20 金属石墨 C 6958 2,35 600 23 13 TB M 10 - 25 <=32 25 CG 33 2,30 500 25 27 TB/B B 10 - 12 40 30C 83862,80 110 25 27 TB B/M 20- 30 <=30 45CG 6512,90 140 26 33 TB B 12 - 14 35 49CG 6654,05 30 17 50 TB B 15 - 20 30 67CG 754,65 10 12 48 TTB B 16 25 77OMC5,98 6 8 85 TTB B 25 - 30 20 90MC 79 P5,20 7 20 95 TTB B/M 25- 30 20 83MC 126,00 35 15 175 TTB B/M 25- 30 20 91MC 689 5,95 25 13 145 TTB B/M 25- 30 20 89MC 664 4,65 83 27 39 TTB B/M 25- 30 20 792- M 609 2,00 450 35 38 TB/TTB TTB 12- 15 35 45 浸渍金M 673 1,72 1100 35 26 TTB E 10 - 12 40 5,5 属石墨M 9426 1,62 1623 24 16 TTB E 12 - 15 40 9 M 685 2,78 360 34 40 TB/TTB B 12 - 15 35 45M 621 3,00 500 34 39 B M 40 40 44牌号密度g/cm3抗折强度Mpa电阻率毫欧.CM硬度(肖氏)热彭胀系数CTEX10-6/℃热传导率W/cm℃颗粒直径(微米)用途E+11 1.7 36 1120 48 4.2 116 15 EDM粗打(高速)E+20 1.8 52 1240 65 5 104 13 EDM粗精打(高速) E+25 1.82 55 1400 65 5.9 93 10 EDM粗精打(精密高速) E+30 1.84 65 1650 <80 6 79 8 EDM精打(高精密) E+50 1.86 76 1600 <80 6 81 5 EDM精打(极精密) 1940 1.76 45 1370 55 4.7 95 13 坩埚2114 1.8 52 1295 65 5 93 12 光纤2158 1.82 58 1400 65 5.9 82 10 半导体器件制造2159 1.8 60 1600 75 5.9 80 10 精密半导体芯片制造2160 1.86 75 1620 <80 6 80 5 极精密半导体芯片制造2715 1.82 55 2300 90 5.9 60 12 精密半导体芯片制造，玻璃制造2910 1.75 34 1600 55 3.7 80 18 坩埚2120 1.87 68 1520 72 6 90 8 精密电子元器件制造2301 1.79 46 1090 55 4．7 110 13 连铸2305 1.87 60 915 60 5 140 12 贵金属铸造2700 1.76 45 1520 52 3.8 90 15 贵金属铸造2701 1.74 42 1040 48 4.2 120 15 坩埚2020 1.76 45 1520 52 3.8 90 15 铜管，棒材的连铸2191 1.74 42 1040 48 4.2 120 15 铝的压铸，贵金属熔炼坩埚2220 1.82 52 1245 60 5 103 12 镍白铜，无氧铜板材的连铸2235 1.83 57 915 60 5 142 12 各种铜板，线材的连铸，贵金属合金的铸造2205 1.75 43 1040 48 4.3 125 16 黄铜，无氧铜管材的连铸变频器是以半导体元件为中心构成的静止装置。

四. 電機用碳刷4.1. 對碳刷的基本要求: (Technical request of carbon brush)碳刷是通過與換向器表面的動態摩擦接觸給電機轉子提供電能的傳導元件. 因此, 我們對碳刷有以下基本要求:a). 在換向器的表面能形成適宜的氧化亞銅,石墨和水份等組成的表面薄膜.b). 使用壽命長、對換向器的磨損要小.c). 電功率損耗和機械損耗要小.d). 碳刷下不出現對馬達有害的火花.e). 噪聲小.f). 不易破碎.g). 在一些應用器件中,要求馬達具備低的電磁干扰水准.當然, 能否滿足上述要求, 除碳刷本身外, 還與馬達的結構, 碳刷裝置的安裝以及運行條件等有關.4.2.碳刷的材料: (Material of carbon brush)1.石墨、樹脂粘結的碳刷: (Resin-bonded graphite)這種碳刷含有天然石墨或人造石墨和少量礦物質, 礦物質含量的不同, 使得碳刷在運行時對換向器表面有不同程度的磨蝕. 這種碳刷因含有天然石墨或人造石墨, 硬度較低, 但其阻尼性和潤滑性較好, 表現出明顯的抗磨性, 可以在較小的電負荷下工作. 這種碳刷材料有較高的比電阻, 而且橫向電阻與縱向電阻的比值較大, 在具有相同碳刷接觸壓降下, 碳刷與換向片間的短路電流較小.2. 硬碳碳刷: (Hard carbon brush)這種碳刷混料時, 加入了適量的摩擦物質, 因而對換向器表面有較強的研磨作用, 特別適用于具有云母絕緣片的換向器, 即使換向片遭到電火花嚴重燒蚀或磨损, 也能保证碳刷与换向器保持良好接触, 但较强的研磨作用也加速了换向器的磨损. 这种碳刷材料也具有较高的比电阻.3.碳−石墨碳刷: (Carbon graphite)这种碳刷硬度较低, 对换向器表面的研磨较轻, 使用这种碳刷应力求避免换向器表面因机械加工造成的斑痕. 通过树脂浸渍的碳−石墨材料可以明显降低摩擦系数, 減小電火花的影響, 适用于串励电机. 这种碳刷材料的比电阻值高. 可以获得较好的换向状态和降低电磁干扰.4.金属−石墨碳刷: (Metal graphite)这种碳刷中混有不同含量的金属粉未, 主要是铜粉, 有時也用銀粉. 这种碳刷材料体电阻很小, 碳刷与换向片的接触电阻也很小, 接触电压降亦小, 可以承载较大的电负荷. 220V交流电压下工作的串励电机不宜采用此种碳刷.4.3. 各種影響因素: (Some affect element)4.3.1. 电刷的损耗: (Loss of brush)1. 电刷接触损耗: (Contact loss of brush)电刷与换向器接触压降与电流无关, 而与电刷的材料及种类有关. 因此,每极电刷接触损耗:I U P b cb ∆=式中: b U ∆ − 电刷的接触电压降(国标 GB755-81 规定, 每一极性电刷的接触电压为:碳 − 石墨, 石墨电刷 1V; 金属石墨电刷 0.3V)2. 电刷的摩擦损耗: (Friction loss of brush)对电刷的摩擦损耗, 可按下式计算:b b b fb A P P μ= 式中: fb P − 电刷的摩擦损耗 (W) b μ − 摩擦系数. (对换向器取 3.02.0-.)b P − 电刷压力, Pa P b 31020⨯≈. b A − 电刷总工作面积 (2m )V − 换向器的圆周速度 (s m /)4.3.2. 无线电干扰: (Radio interfere)无线电干扰是指无用的高频信号对接收有用的信号造成的扰乱, 所涉及的 频率范围为 150KHz - 300MHz. 连续干扰由脉冲或杂乱的噪声或两者的重叠噪 声产生. 一般持续时间在 200ms 以上. 有换向器的电动机产生的干扰是这个 类型.电动机驱动的电动工具, 家用电器和类似器具无线电干扰的大小, 用干扰 电压和干扰功率来度量.- 干扰电压单位为 V μ(微伏), 用分贝表示时, 1 V μ 为 0dB .- 干扰功率单位为 )(1012pW W -, 用分贝表示时, 1pW 为 0dB .即: 0lg 20)(U U V dB =μ 或 0lg 20)(P P pW dB = 換向器極距. 式中, U 和 P 分别为干扰电压和干扰功率, V U μ10=, pW P 10=.4.3.3. 电气性能对碳刷的要求: (Electric request of carbon brush)串励电机所使用的碳刷应能承受较高的电负荷.下述几种因素对碳刷的使用有明显的影响.1. 换向状况. (Reversing)由线圈绕制匝数的不对称和磁极几何位置的不对称造成的磁场不对称, 会使碳刷受到一个附加的电负荷. 为了克服它的影响, 就要使换向器与电枢绕组 有一个合适的接法, 其主要内容是换向器相对电枢绕组的角度 − 接觸角的选 择. 然而串励电机经常在不同负载下工作, 为了有个较好的换向状态, 只能通 过试验寻找一个合适的接觸角, 使其在这种情况下换向状况最理想. 为了改善换向, 对可以移动电刷位置的电动机, 可将碳刷位置从磁极间几何中心轴线逆 转方向移动一个角度. 在小功率的单相串励电动机. 多数己将碳刷位置固定, 因此常见到的措施是将换向元件与换向片的接线位置顺电机旋转方向作了移 动. 其道理与逆转向移动碳刷位置一样. 应注意的是, 这种移动换向元件与换 向片的接线位置的方法, 仅适用于单一方向运转的单相串励电动机, 对于作正 反转运行的这类电机一般是不采用的. 移动电刷位置或移动换向元件与换向片 的接线位置, 还应注意移动的距离必须恰当, 过大或不足都会增大换向火花.2. 换向時變壓器電動勢的影响 (Affect of reversing transformer voltage)被電刷短路的換向元件中, 存在著三種電動勢, 即自感電動勢 r e , 電樞反 應電動勢 a e 和變壓器電動勢 t e (在 DC 馬達中不存在變壓器電動勢) r e , a e 均正比于 n 和 I , 可用逆轉向移電刷或順轉向移銲點抑制, 但 t e 與 n 和 I 無關, 只能在設計中加以控制, 通常取 V e t 8<, 为了限制变压器电 势的偏大以改善换向, 在设计上绕组总匝数不变时, 还可以减少电枢绕组每 个元件的匝数, 采用较多的换向片数. 这对于电枢槽数较少的情况是适宜的. 在产品中, 常见的换向片数是电枢槽数的 2 或 3 倍. 近來的經驗告訴我們, 既使是有 10-12V 的換向電壓, 如果正確的選擇了碳刷, 一樣可以達到令人 滿意的運行效果.3. 电子调速电路的影响. (Affect of electric control circuit)当采用可控硅调速电路来调节电机转速时, 畸变的电压波形造成主磁场波形畸变和不对称, 这往往使两个碳刷的磨损不一致. 为了克服这一问题. 可以 采用 “混合配置” 碳刷的方法来弥补.4. 碳刷材料的影响 (Affect of carbon brush)碳刷的电阻率可以是 0.01 - 2000 μΩm, 其值差达 105 倍. 含金属材料的金属碳刷电阻率最低, 而碳 − 石墨材料可高达 2000 μΩm. 碳刷与换向器间 的接触电压降比刷体压降大的多, 这主要是因为碳刷与换向器表面的接触点较 少, 碳刷有效横截面积缩小, 导致电阻值增大. 另外, 换向器表面形成的氧化 膜增大了接触电阻. 对于 110/220V 电压下工作的电机多采用碳 − 石墨树脂 浸渍碳刷或树脂粘结石墨碳刷. 这样, 可以保证换向电流较小.5. 额定电负荷的取值. (The value of specified electric load)碳刷的各種情況決定了其所承受的電負荷. 對于用可控硅調速的電機, 畸變的電流峰值可達額定值的 500%, 所以碳刷的電流密度應選擇偏低一些. 一 般來說, 較高的電負荷會破壞換向器表面的氧化膜, 導致換向器磨損; 而太低 的電負荷, 也會導致摩擦的不穩定.4.3.4. 機械因素對碳刷的影響. (Mechanical affect of carbon brush)近年來, 為了提高電機的經濟性, 電機的重量/功率比不斷減小, 電機的轉速 不斷提高, 機械性能不斷的改善. 但由於機械負載過大, 影響了碳刷的使用壽命. 其主要影響因素如下:1.碳刷在刷握內的運動. (The movement of the carbon brush in the brushholder)處于額定工作狀態下工作的電機, 換向器的轉動會使碳刷在刷握內不停地擺動和滑動, 必須把擺動的振幅控制在最小的範圍內. 一般間隙應在 0.065-0.213 mm 之內. 除非碳刷是按照 IEC 標准 136/1, 或者 DIN 標准 43000 和43008 制作而成的. 這種方法制成的碳刷主要按標準的規格. 同樣的道理可以運用在碳刷座的生產中, 當然, 按照 IEC 和DIN 標準生產的碳刷座, 可以保證一定程度的碳刷與碳刷座之間的間隙. 這種按標準的生產適用于普通管狀的碳刷座. 也適用于用精密工具生產出來的壓力碳刷座, 但不適用于等級較差的產品. 平滑的碳刷運動, 相對的可以達到較長的碳刷壽命, 但在可以反轉的情況下, 必須特別注意切向尺寸, 碳刷與碳刷座之間的間隙越小越好.為了在碳刷磨損情況下, 也不會有過大的搖擺, 刷握邊緣距換向器表面的距離不应超過 2mm, 一般應取 1mm 左右. 碳刷與碳刷座之間的間隙必須小于0.8 mm, 以免因碳刷粉塵和高離子空間引起電弧放電. 為了提高電機運轉的平穩性, 可以在碳刷端部采用一種傾斜角的安裝方式, 作用在碳刷的彈簧壓緊力在垂直碳刷滑動方向上產生一個分力, 以便使碳刷始終保持在一個確定的位置上, 碳刷的擺動產生一個阻滯效應.2.碳刷對的換向器的壓強. (The pressure of carbon brush to commutator)碳刷對換向器表面的壓強很重要, 因為這個壓強是用來保證碳刷與旋轉的換向器始終處于良好的接觸狀態. 如果壓強過小, 會引起碳刷的振動加劇, 特別是當換向器工作面的圓柱度值較大時, 碳刷的往复運動跟不上其徑向變化量的變化, 造成碳刷脫離換向器表面, 此時, 碳刷與換向器只能以電弧形式傳遞電流, 造成換向片和碳刷嚴重燒蝕. 如果碳刷對換向器表面的壓強過大, 機械摩擦損耗就會明顯增大, 換向器表面溫升增高, 銅氧化膜電阻減小, 造成換向惡化. 因此, 碳刷彈力是一個非常重要的因素, 碳刷彈力正確值是在碳刷與換向器接觸的機械損耗和電損耗最小的情況下獲得的. 如果碳刷彈力不正確, 則會導致機械損耗與電損耗其中之一過大.3.碳刷的工作面. (Touch surface of carbon brush)為了提高工作效率, 縮短初始磨合週期, 使電機盡快地進入額定工作狀態和穩定的電磁干擾水平(此時電機方可出廠), 應力求碳刷與換向器的实际接觸80以上. 為此, 我們可以把碳刷工作面預先制成各種面積達到整個刷面的%形狀圓柱弧面和斜面, 圓柱弧面的半徑 R 應比換向器工作面半徑 r 值大 1mm 左右. 帶有鋸齒波紋狀槽的工作面是預先將工作面和換向器切線速度方向開有固定形狀的槽, 磨合時接觸處由點至線至面的增大, 直至達到理想狀態. 此時 , 即使碳刷與換向器的接觸面積還沒有達到期望值, 電機也已能進入額定工作狀態. 而且這些溝槽還有利于排出換向火花, 減少對刷面和換向器的燒蝕. 采用上述處理的碳刷極大地縮短了磨合周期, 有明顯的效益.4.對換向器表面的要求. (Requirement to commutator)(1) 正確的表面粗糙度. (Surface roughness)為了盡快使碳刷與換向器磨合, 換向器表面必須具有合適的粗糙度 (峰谷高值).(2) 換向器的不圓度. (The T.I.R. of commutator)不圓度是指換向器的外圓柱表面相對幾何圓柱相關的各種偏離. 這種偏離可能是局部的小平面, 也可能是成組的或單個的換向片的突起, 也可能是由于 強度低在運行時產生的相關變形, 或精密切削時由于各種因素所造成的表面不 規則變化. 換向器的不圓度嚴重地降低了碳刷的使用壽命. 甚至有可能在極短 時間內造成工作故障. 為了克服不圓度的影響, 應在生產中對下列環節着重加 以控制:a. 換向片的材料不能太軟, 或碰銲接時對換向片的壓力要合適, 以免換向片翹起或銲接不牢. 一般硬度應為 10595HB HB -.b. 改善精車加工工藝. 對帶絕緣槽的換向器 應使用金剛石車刀切削其工作面, 切削速度為 300m/min, 最大速度不超過 350m/min, 走刀量應為 r m /6030μ-, 最後一刀進刀深度為 0.05 - 0.1mm.c. 嚴格控制不圓度, 兩相鄰換向片高度差, 圓周變化量.(3) 換向器的擺振. (Vibrate come from concentric of commutator)當換向器軸線與其回轉軸線不重合時, 就會產生換向器的擺振 (偏擺),由于換向器的擺振, 碳刷往复運動振幅增大, 碳刷與換向器表面接觸狀態呈週 期性變化. 為了保證碳刷的使用壽命和換向良好, 應嚴格控制擺振值.(4) 換向片片間絕緣. (Insulation between commutator bar to bar)換向片間絕緣的方式, 一般可分為兩種: 絕緣槽式和無槽平整式. 對高速串勵電機而言, 由于轉速較高, 線速度較大, 或采用電子調速系統, 必須使用 絕緣槽式的換向器. 為了提高工作的平穩性, 槽寬一般不應超過 0.7mm.4.3.5. 碳刷的噪聲: (Noise of carbon brush)碳刷的噪声是电机主要噪声原因之一, 主要包括有: (a) 碳刷振动噪声,由碳 刷的径向跳动和切向摆动产生, 噪声的频率 mkn f k = Hz, 其中, m 为任意正整 数, K 为换向片数, n 为电动机的转速 (r/s). (b) 碳刷的摩擦噪声. 由换向器表 面与碳刷接触表面的摩擦作用而产生. 特点是分布在一个较宽的频带上, 频率较高 且不稳定, 声级有波动. (c) 火花噪声, 由换向火花产生.降低碳刷噪声的措施可着手于: 换向器沟槽的宽度, 表面光洁度和硬度. 碳刷 与刷盒配合间隙, 碳刷与换向器硬度的匹配, 碳刷的倾斜角度等因素的调整. 限制 火花, 对转子应进行精密动平衡.4.3.6. 銅綠的形成: (Patina formation)磨合後的換向器表面被一層黑色的薄膜所覆蓋, 這層黑色的薄膜是一層薄的氧 化亞銅上定向的排布了一層微小的碳的薄片而形成的, 碳刷不是運行在換向器材料的表面上, 而是運行在這層薄膜上. 這層在碳刷和換向器之間的薄膜的厚度可達到 1000 , 但不能超過 100 . 當這個薄層形成之後, 磨損就只有換向器表面和碳刷 表面的不規則和換向器表面的氧化, 燒結的變化. 另外, 溫度, 濕气, 浮塵雜物和 電流在碳刷和換向器之間的傳遞會影響到銅氧化薄膜的形成, 如果銅氧化薄膜不穩 定就會出現換向惡劣, 火花, 碳刷的快速磨損, 鉅齒形換向器表面, 硬的碳刷材料 刮換向器表面的現象.4.4. 設計攷慮及注意事項: (Notice in design)4.4.1. 尺寸方面: (Dimension)1. 橫截面: (c S ) (Section)橫截面的大小主要取決于最大工作電流,按照碳刷所能承受的最大電流密度, 可計算出碳刷的最小橫截面面積. 以避免碳刷承受過大的電流密度. Ds I S c = 式中: Ds : 碳刷的電流密度.2. 切向寬度: (c W ) (Tangential dimension)一般直流電機是按換向片的寬度來決定碳刷的寬度的.而小容量的直流微電機,換向器的片數較少, 我們不妨擬定出一個換向器的極距.p D a c πτ= 式中: c τ: 換向器極距.a D : 換向器直徑.p : 極數.由于碳刷的寬度與換向區的寬度直接有關, 為了適當地限制換向區的寬度, 碳刷的寬度應限制在: c c W τ3.0≈ 左右.3. 軸向長度: (a L ) (Axis dimension)軸向長度的決定, 主要根據橫截面的大小和切向寬度. cc a W S L = 4. 徑向長度. (Radial dimension)徑向長度主要攷慮在馬達的壽命要求和內部空間的大小, 在條件充許的情況下, 越長越好.5. 有效接觸面積. (Efficiency contact area)碳刷在整個馬達的運行過程中, 碳刷的有效接觸面積會隨著碳刷的磨損不斷的變化, 有效接觸圓弧的位置也會不斷的變化,因此, 設計時要攷慮到碳刷在整個變化過程中不要引起短路.4.4.2. 碳刷導線: (Brush shunt)碳刷導線給碳刷和碳刷座之間提供了一個低電阻的電流通路(外部環路). 另 外, 它也給碳刷提供了個外部傳導熱和散熱的路徑. 碳刷導線由細的導線分幾股 扭合而成, 通常, 導線的材料是冷拔後退火的銅絲,如果電刷用在惡劣空氣環境中,通常選擇給導線鍍錫. 如果運行在高振動的條件下, 可以加幾根不銹鋼絲來提高尋線的性能, 以奐導線僵硬. 導線不可太長, 以奐新碳刷的導線碰到機器的旋轉部分或接地部分等潛在的危險性. 導線也不可太短, 以奐碳刷在快要磨完時被導線的長度限制而不能接觸到碳刷.導線截面的選擇以碳刷中通過的電流密度為基礎, 還必須注意導線的拉出力, 它確保導線不會在馬達高速運轉中碳刷因高頻振動疲勞破碎而掉出.4.4.3. 碳刷與換向器的接觸: (Carbon brush contact with commutator)1. 接觸表面的半徑: (Radii of contact surface)原則上說, 碳刷與換向器接觸面的圓弧半徑應該相吻合于換向器的接觸面圓弧半徑, 才能有好的運行特性. 但這要保證碳刷的中心線與換向器的中心完全吻合, 在實際生產中不可能做到. 因為碳刷座和碳刷之間, 一定要有某種程度的間隙. 這樣, 碳刷與換向器接觸時, 就會有輕微的偏擺.同時, 碳刷的中心線與換向器的中心也存在差異.為了確保碳刷與換向器的較好接觸, 碳刷的接觸半徑必須大于換向器的半徑. 以避免碳刷的尖角嵌入換向器槽中, 在實際設計一個新的碳刷時,最好取接觸面半徑大于換向器半徑 10-20% (經驗法則取1 mm)在上述情況下, 由於碳刷的接觸半徑大, 而換向器的接觸半徑小, 因此, 初始的碳刷與換向器的接觸實際上是線性接觸 (或點接觸), 接觸面積很小, 同時初始的彈弓彈力會很大, 則通過接觸面的電流密度就很大,這就使得初始碳刷磨損很快, 達到我們所期望的碳刷與換向器的快速磨合.這樣, 雖然不能一下子就達到碳刷的最大傳導電負載的能力, 但可以很快的達到馬達正常運行的穩定的速度、性能、甚至電磁干擾水准.值得一提的是換向器的槽, 換向器的槽在初始的磨合中也有很大的作用. 它可以切削碳刷材料. 使碳刷更快的磨合.2. 初始接觸換向器的方式: (Initial contact way)(1) 底弧切式接觸. (Undercut contact)這種接觸方式多用于安裝在碳刷片上的碳刷, 由于碳刷片是彈性彎曲的, 很難將碳刷的中心線與換向器的中心線對齊. 因此即使碳刷弧面與換向器的弧面方向一致, 也不能保證裝配後兩弧面相吻合. 選擇這種方式可以減少初始接觸面積, 使初始接觸面的電流密度加大, 使初始磨損加快, 從而使碳刷更快地渡過初始磨損, 雖不能立即到達最大的承載能力, 但可以更快地進入正常的工作狀態.(2) 底斜切式接觸. (Slant angle contact)這種接觸方式多用于外形較小的碳刷座式直流微電機,由于內部空間較小, 碳刷本身和碳刷座的幾何尺寸都較小,而碳刷和碳刷座之間必須有一定的間隙, 同時由于制造公差的存在, 與底弧切式接觸一樣, 既使碳刷弧面與換向器的弧面方向一致. 也不能保證裝配後兩弧面相吻合, 選擇這種方式同樣可以減少初始接觸面積, 使初始接觸面的電流密度加大, 從而使碳刷更快地渡過初始磨損, 更快在進入正常的工作狀態.(3) 底齒面形接觸: (Alveolus contact)這種接觸方式同前面兩種方式一樣, 都可使碳刷更快地渡過初始磨損, 更快在進入正常的工作狀態. 其優點是與換向器的接觸點更多, 這種形狀的碳刷在交流和直流馬達中都有應用.(4) 圓弧面式接觸. (Cylinder surface contact)這種接觸方式多用于幾何尺寸較大, 材料比較耐磨的碳精, 由于幾何尺寸相對較大,則制造公差相對就比較小, 碳精的中心線與換向器的中心線相差就比較小, 采用這種方式對使用這種碳刷的馬達來說, 就可以較快地進入正常的工作狀態.4.4.3. 制造碳刷的壓力方向: (Press direction in manufacture process)在用粉未冶金的方法制作碳刷時, 我們對壓結的方向有要求, 壓結方向必須垂直于換向器的中心線與碳刷的中心線所形成的平面. 如下圖所示. 如果壓結面平行于與換向器的接觸面, 其一是導電性能不好, 其二是磨損快, 在馬達的運行中, 碳刷會出現掉渣等不良現象. 讓我們以石墨碳刷和銅-石墨碳刷為例來分別進行說明.1. 石墨碳刷: (Graphite)由于石墨晶體層面之間的距离 ( 3.35 ) 比層面上碳原子間的距离( 1.42 ) 大得多, 因此石墨有明顯的各向异性. 則層面方向的電阻要比垂直于層面方向的電阻小得多, 因此理想的碳刷與換向器的接觸方向應該是碳刷的微觀石墨層面方向垂直于換向器的接觸面. 這就要求我們在設計時控制壓力的方向, 以有助于形成垂直于換向器的接觸面石墨層面.2. 銅-石墨碳刷: (Copper – graphite)由于銅-石墨混合料在高壓力作用下成形時, 銅粉的微粒會在垂直于壓力的方向上延伸成片狀, 使得延伸方向的電阻很小, 而壓力方向的電阻相對的很大. 這也就要求我們在設計時控制壓力的方向, 以便形成垂直于換向器的接觸面的銅粉微粒的延伸方向, 使這個方向的電阻小, 傳導電負荷的能力增強, 熱損耗也相對的減到最小.4.5. 换向火花的划分原则与判断标准(Commutation flash classification)直流电机的火花產生的原因有二:1.惡劣換向, 過大的電流密度, 電負載過大.2.芯振, 換向器圓度差, 碳刷彈力不足, 機械摩擦力過大.嚴重的火花會加大碳刷的磨損速度, 破壞換向器, 加大電磁干扰, 火花可分为有害火花与无害火花, 主要是根据对换向器和电刷有害, 无害来区分的. 有害火花将破坏换向器表面的氧化膜, 使之出现烧焦或损坏, 使电刷无法正常工作, 甚至因电弧飞越而导致环火事故, 造成电机的破坏. 无害火花是指不对换向器和电刷造成危害的火花. 尽管它们的表面也可能出现轻微的黑痕与灼痕, 但不发展, 且黑痕可以用汽油, 酒精等擦去, 不影响电机的正常工作. 因此, 直流电机并不要求无火花, 而允许存在无害火花.我国电机根据国标 GB755-81 的规定, 火花共分 5 级, 主要是根据火花特征及对12于 2 级.4.6. 電刷的磨蝕及磨合分析. (Wear loss and bed in of carbon brush)4.6.1. 電刷的磨蝕電刷的磨蝕由機械磨蝕和電磨蝕兩部分構成. 二者產生的機理不同, 但它們之間相互影響, 使磨蝕加劇. 在使用電刷的電機中, 電刷的磨損, 往往決定了該電機的使用壽命, 因而是一個重要的問題, 但是, 電刷的磨蝕受電的、機械的、化學的、環境的等諸多因素的影響, 又是一個非常複雜的問題.1.機械影響因素. (Mechanical affect)(1)換向器表面的粗糙度不合適, 磨擦系數加大.(2)換向器表面不能形成穩定而厚度適中的氧化膜, 使動態摩擦系數大.(3)電刷壓力不合適.(4)環境中塵埃過多, 散布在換向器表同, 形成研磨作用.(5)環境中存在氯氣、酸性氣體等, 破壞了換向器表面的氧化膜.2.電因素的影響. (Electric affect)(1) 換向火花引起−在後刷邊形成的換向火花, 使該處的溫度升高, 一些電刷的微粒燒灼後伴隨火花飛出, 造成後刷邊及其相應電刷表面的凹阬, 進一步促使火花加強. 當電流過小, 即電刷的電流密度過低時, 換向器表面不能形成氧化膜, 換向來化, 火花加大, 使電刷磨損加快; 反之, 電流密度過大, 所形成的氧化膜被火花燒掉, 同樣, 使換向惡化, 隨之, 火花更大, 電刷的電磨蝕更大了.(2) 環火的引起−此時, 電刷和換向器表面溫度更高, 後刷邊被燒紅, 電刷以小塊的形式迸出, 使整個電刷的接觸面更成了不整齊的犬牙狀, 以後的磨蝕就更嚴重了, 如果發生環火時不立即斷開電源, 電刷可能被燒焦直至報廢.。

碳刷与换向器装配的合理编排一：换向原理：原理是,当线圈通过电流后,会在永磁铁的作用下,通过吸引和排斥力转动,当它转到和磁铁平衡时,原来通着电的线较对应换向器上的触片就与电刷分离开,而电刷连接到符合产生推动力的那组线圈对应的触片上,这样不停的重复下去,直流电动机就转起来了。

（串激电机也由此换向）二：由原理可得：当换向器转到磁铁平衡时必须与电刷分离才可换向,由此可见碳刷与换向器编排的重要性。

下面我们来讲讲引起碳刷与换向器装配不合理的几个方面。

A：碳刷到换向器距离的定位图中红线所指位置,既是碳刷到换向器的距离,我们一般要求刷握与换向器之间的距离保持在1.5-2mm主要是为了保证碳刷的支撑刚性,也就是让碳刷与换向器磨合时的摆动尽量小以减小火花,那么现在的这款机器的刷握与换向器的距离有3.5mm,但是大家要注意到铜刷握在靠近换向器的一段是裸露的,这样对于刷握和碳刷的散热是非常有利的,那么这样的话我们就可以把碳刷与刷握的间隙做的比较小一点,而这个间隙越小则碳刷的摆动幅度就是越小,那么碳刷与换向器磨合时也同样不会有大的摆动,另外,如果担心间隙偏小会造成碳刷受热膨胀卡死在刷握里的话,我们可以不使用树脂碳刷,因为大家知道树脂碳刷容易受热膨胀,我们可以使用沥青碳刷,比如东洋碳素的材料。

假如左右铜件到换向器面的距离差异从图片中可看出,左右铜件到换向器面距离有明显差异,从而容易引起碳刷弹簧受力不均匀,引起火花容易容易火花,加剧碳刷磨损；换向恶劣,腐蚀换向器。

引起此类情况一般有三点：1：装配碳刷刷握时未一致；2：设计刷握定位未对称,有偏差；3：模具制造时有偏差。

B：轴向定位第一：引起碳刷挂边（如图所示）从图片中可看出,此处碳刷明显高与换向器铜排面,使得碳刷与换向器工作接触面的减少,从而引起碳刷截面电流增加,容易容易火花,加剧碳刷磨损；换向恶劣,腐蚀换向器。

特别是如上图左右碳刷不一致。

引起此类情况一般有四点：1：设计的时候刷架位置错位；2：模具加工错位；3：转子轴设计不妥；4：换向器压装尺寸未控制好。

电机风叶的有关知识风叶一、风叶的叶片形式共六种，如下：其中，①②③式可归化为前弯式类，④⑤可归化为后弯式类，⑥为发散式，如下图：二、各种叶片的特点及应用场合1、前弯式类叶片特点：a、叶片比较短小；b、叶片间矩小；c、叶片数多；d、噪音低；e、压力低（即叶片对气体作功最大）；f、风量大；h、效率低；I、风叶的曲率半径小（如果大，效率更低）；2、后弯式叶片特点a、叶片比较长；b、叶片间距适中；c、叶片数适中；d、噪音底；e、压力高；f、效率高；h, 风量小；I, 叶片的曲率半径大；3、发散式叶片特点a、叶片比较长；b、叶片间距适中；c、叶片数适中；d、噪音高；e、压力低；f、效率低；4、不同叶片的应用场合,•前弯式叶片用于低压，转速不高的场合，如果需风量大，可将叶片数增多，亦可用于高速场合，如电刨；•后弯式叶片用于高压，转速较高的场合u2=c2mcosβ/2(c2mcosβ/2)2+gHtg∞），电动工具中叶片优先选用后弯式叶片; •经向式叶片用于正反向旋转的电机;三、叶片数的选择•根据风动理论：叶片数的最值范围在18～24；•串接电机用风叶，其叶片数多为好，正常在20 ～26之间，如用前弯式叶片，要求大风量时，其叶片数最高可达38；•用于强风冷却的电机（即工具效率低的），从噪音角度考虑，叶片数可少，最少可做成5～6处（如吹吸机），有的7～8，有的12～13片，如打草机、割草机等都比较低；•叶片数不能太多，太多空气噪音会大fv=Nn/60（N 为叶片数）四、叶片的高度•用于50％效率的电机，对离心风扇而言，其高度5～8mm，对轴流风扇12～20mm；•用于强风冷却的电机，叶片的高度适当加大，视工具的工况而言；五、叶片的厚度•对于直径较小的风叶，转速低的，其厚度可薄些，一般：上端：1.2～1.5,下端:1.5～1.8，转速大的，直径大的可适当加厚。

六、压力特点.•风扇外径压力高，内径压力低•低压风应从低压区进入高压区，进风时，风不得从高压区进入；•压力大小为P=（W12-W22）/2g+（u22-u12）/2g（空气压力柱），其中，W1为入风口相对叶片的速度，W2为出风口空气相对叶片的速度，u1为入风口空气的牵年速度，u2为出风口空气的牵年速度。

电机风叶的有关知识风叶一、风叶的叶片形式共六种，如下：其中，①②③式可归化为前弯式类，④⑤可归化为后弯式类，⑥为发散式，如下图：二、各种叶片的特点及应用场合1、前弯式类叶片特点：a、叶片比较短小；b、叶片间矩小；c、叶片数多；d、噪音低；e、压力低（即叶片对气体作功最大）；f、风量大；h、效率低；I、风叶的曲率半径小（如果大，效率更低）；2、后弯式叶片特点a、叶片比较长；b、叶片间距适中；c、叶片数适中；d、噪音底；e、压力高；f、效率高；h, 风量小；I, 叶片的曲率半径大；3、发散式叶片特点a、叶片比较长；b、叶片间距适中；c、叶片数适中；d、噪音高；e、压力低；f、效率低；4、不同叶片的应用场合,•前弯式叶片用于低压，转速不高的场合，如果需风量大，可将叶片数增多，亦可用于高速场合，如电刨；•后弯式叶片用于高压，转速较高的场合u2=c2mcosβ/2(c2mcosβ/2)2+gHtg∞），电动工具中叶片优先选用后弯式叶片; •经向式叶片用于正反向旋转的电机;三、叶片数的选择•根据风动理论：叶片数的最值范围在18～24；•串接电机用风叶，其叶片数多为好，正常在20 ～26之间，如用前弯式叶片，要求大风量时，其叶片数最高可达38；•用于强风冷却的电机（即工具效率低的），从噪音角度考虑，叶片数可少，最少可做成5～6处（如吹吸机），有的7～8，有的12～13片，如打草机、割草机等都比较低；•叶片数不能太多，太多空气噪音会大fv=Nn/60（N 为叶片数）四、叶片的高度•用于50％效率的电机，对离心风扇而言，其高度5～8mm，对轴流风扇12～20mm；•用于强风冷却的电机，叶片的高度适当加大，视工具的工况而言；五、叶片的厚度•对于直径较小的风叶，转速低的，其厚度可薄些，一般：上端：～,下端:～，转速大的，直径大的可适当加厚。

六、压力特点.•风扇外径压力高，内径压力低•低压风应从低压区进入高压区，进风时，风不得从高压区进入；•压力大小为P=（W12-W22）/2g+（u22-u12）/2g（空气压力柱），其中，W1为入风口相对叶片的速度，W2为出风口空气相对叶片的速度，u1为入风口空气的牵年速度，u2为出风口空气的牵年速度。

电机风叶的有关知识风叶一、风叶的叶片形式共六种，如下：其中，①②③式可归化为前弯式类，④⑤可归化为后弯式类，⑥为发散式，如下图：二、各种叶片的特点及应用场合1、前弯式类叶片特点：a、叶片比较短小；b、叶片间矩小；c、叶片数多；d、噪音低；e、压力低（即叶片对气体作功最大）；f、风量大；h、效率低；I、风叶的曲率半径小（如果大，效率更低）；2、后弯式叶片特点a、叶片比较长；b、叶片间距适中；c、叶片数适中；d、噪音底；e、压力高；f、效率高；h, 风量小；I, 叶片的曲率半径大；3、发散式叶片特点a、叶片比较长；b、叶片间距适中；c、叶片数适中；d、噪音高；e、压力低；f、效率低；4、不同叶片的应用场合,•前弯式叶片用于低压，转速不高的场合，如果需风量大，可将叶片数增多，亦可用于高速场合，如电刨；•后弯式叶片用于高压，转速较高的场合u2=c2mcosβ/2(c2mcosβ/2)2+gHtg∞），电动工具中叶片优先选用后弯式叶片; •经向式叶片用于正反向旋转的电机;三、叶片数的选择•根据风动理论：叶片数的最值范围在18～24；•串接电机用风叶，其叶片数多为好，正常在20 ～26之间，如用前弯式叶片，要求大风量时，其叶片数最高可达38；•用于强风冷却的电机（即工具效率低的），从噪音角度考虑，叶片数可少，最少可做成5～6处（如吹吸机），有的7～8，有的12～13片，如打草机、割草机等都比较低；•叶片数不能太多，太多空气噪音会大fv=Nn/60（N 为叶片数）四、叶片的高度•用于50％效率的电机，对离心风扇而言，其高度5～8mm，对轴流风扇12～20mm；•用于强风冷却的电机，叶片的高度适当加大，视工具的工况而言；五、叶片的厚度•对于直径较小的风叶，转速低的，其厚度可薄些，一般：上端：1.2～1.5,下端:1.5～1.8，转速大的，直径大的可适当加厚。

六、压力特点.•风扇外径压力高，内径压力低•低压风应从低压区进入高压区，进风时，风不得从高压区进入；•压力大小为P=（W12-W22）/2g+（u22-u12）/2g（空气压力柱），其中，W1为入风口相对叶片的速度，W2为出风口空气相对叶片的速度，u1为入风口空气的牵年速度，u2为出风口空气的牵年速度。