影响电刷磨损的原因及对策探析

段伟伟

（贵州大学贵州贵阳550025）

中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1673—0992（2009）06—0041—02

在机构驱动方面，有刷直流电机以低成本、输出大转矩、能够

频繁开关机及正反转调节方便，而得到广泛应用，特别在一些恶

劣的环境中,有刷直流电机结构简单、控制方便的优势更为明显。

电刷作为直接影响电机能否正常运转及电机工作寿命的关键件，

其工作状况受环境影响较大， 为保证电机使用稳定性及可靠性，

必须对电刷的磨损进行分析。

一、影响电刷磨损的主要因素

1、弹簧压力对电刷磨损的影响

电刷磨损的最根本原因与电刷本身的材质有密切关系。当电

刷材质一定时，它的磨损可由两大部分组成：一为机械磨损，二为

电气磨损。如果电刷压力过低则可能加速电气磨损。反之，如电刷

压力过高则加速机械磨损。

2、电刷与刷握架之间的关系对电刷磨损的影响

电刷在换向过程中，促使电刷的磨损量增加，火花逐渐恶化的

原因是多种多样的。其中刷握架尺寸不符合设计要求以及安装不

良等也是原因之一。一般常识都知道电刷在刷握中的公差配合是

不能太紧的。如果太紧，便使电刷与刷握间的摩擦力增加，从而造

成弹簧施加在电刷上的力部分或全部被摩擦力所抵消， 引起火花

严重增加或电刷被电灼烧焦后出现接触不良或换向火花增大现

象。如果电刷与刷握之间的公差尺寸配合太松甚至不符合公差配

合要求， 就会使电刷与换向器接触时在换向器旋转方向的电刷上

角产生电灼烧伤，由于火花增大所带来的磨损量也将大大增加。

3、电流对电刷磨损的影响

电刷与换向器进行滑动接触时， 在电流流过接触部分之前，

因电流集中在电刷表面的最小部分面积引起该部分发热，温度远

远超过电刷的平均温度。多元化的粘结碳，受热时氧化，所以在接

近电刷的表面材料结构容易变弱，结果最初虽牢固结合的碳素或

石墨粒子，因受换向器表面的摩擦而从表面脱落下来。一般电流

流进的电刷比电流流出的电刷磨损快。电流流出的电刷表面光

洁，而电流流进的电刷表面粗糙，这就是造成流进电刷磨损快的

原因之一。

4、偏心对电刷磨损的影响

换向器偏心、轴承游隙等因素很容易造成电刷与换向器表面

接触不稳定，这样在电刷下容易产生较大的换向火花，致使电刷

表面易烧伤，加剧电刷的磨损。另外，由于电刷与换向器表面接触

不平稳构成电刷的局部应力超过弹性极限引起碳破碎，从而加剧

电刷磨损。换向器偏心时电刷磨损较快，同样轴承磨损也将导致

换向器偏心使其磨损增大。在相同的条件下，通过试验得出，在轴

承磨损及换向器异常时，电刷的磨损量比正常高达10～30 倍。

5、温度、湿度对电刷磨损的影响

当电机工作温度过高时,其换向器表面形成过厚的氧化膜，一

部分氧化膜由于摩擦脱落，使换向器表面变得不均匀，使电刷磨

损增加。温度过低时，形成较薄的氧化膜。当电机温度太高或太低

时，产生较大的磨损。电机通电时，湿度越高，则接触压降越大。因

电能作用换向器向电刷接触表面析出的金属增多，换向器表面平

滑度变差，电刷磨损更快。另外，湿度越高，则易构成换向片间碳

粉堆积短路或水分杂质构成片间短路而造成较大火花，导致电碳

结构发生转变而加剧电刷磨损，并且造成换向器表面磨损。当电

机绝对湿度小于0.003kg/m3 时,引起电刷异常磨损,绝对湿度小于

0.0003kg/m3 时，引起电刷的粉化磨损。

二、有效的改进措施

1、保证部件制造与装配质量

（1） 对机械因素引起的电刷磨损可通过加工换向器表面，保

证换向器的表面粗糙度,使电刷同换向器间光滑接触。

（2） 根据电机转速对转子校动平衡, 使其在运转时偏心质量产生

的惯性力和惯性力偶矩同时保持平衡， 一般保证偏心度不大于

10- 5m。

（3）严格控制与轴承配合有关部件的尺寸公差及形位公差,保

证轴承正常运转不受损伤。轴承及转子的安装不能依靠装配工人

的经验和手感，要通过改进工装和工艺方法来保证轴承及转子的

安装位置、角度及压力。

（4）一般在电机生产厂，电刷经过入厂检验后，在装机前必须

对其接触面进行研磨，以保证电刷与换向器接触紧密。无论哪种

情况，研磨后电刷的接触面应在90%以上。

（5）安装电刷后调整弹簧压力，电刷弹簧压力一般应保持在

15~25kPa 范围内，每只电刷的压力基本均匀，以免引起电流分布

不均匀，一般电刷间的压力差应不超过±10%。

2、提高电刷的可靠性、耐磨性、换向性及使用寿命

（1）一般认为, 要想延长电刷寿命，就应当提高其耐磨性。而

目前广泛使用的电刷采用铜、铅、锡、石墨等粉末，以酚醛树脂为

粘结剂，经混合、热压加工而成，以增加电刷的硬度并相应提高其

耐磨性。我们知道，绝大多数航空机载直流电机,为了降低功耗，它

们的换向器几乎都是由纯铜或铜银合金制作。铜与铜银合金的材

质较软, 如果配置这样掺入大量金属颗粒的电刷，那么，电刷就会

起到一种细粒砂轮的作用，在电机旋转过程中不停地对换向器进

行磨削。电刷内的金属颗粒含量越高，电刷的质地就越硬，当然耐

磨性也越好，同时，对换向器的磨削作用也就越显著。在这种情况

下，对换向器是不利的。

（2）在提高换向器表面硬度和耐磨性方面做工作。比如，采用

高硬度合金材料替代纯铜或银铜合金。然而在常温下没有一种合

金材料的电导率能与纯铜相比，包括银铜合金也是如此。几乎所

有的金属，随着其合金元素含量的增加，导电性能将会急剧变坏。

换向器无疑成了一个电热器, 这对整机是极其有害的。

（3）在长期的研究与实践中，我们认识到，要想有效地延长电

刷寿命，必须抛弃常规做法，创出一条新的路子。西方国家及俄罗

斯普遍采用了黑色航空电刷替代有色电刷。黑色电刷采用优质耐

磨碳黑为主要基料， 粘结剂选用经特殊处理的改性高温沥青，精

选配比适中、粒度组成恰到好处的固体润滑材料，在添加剂方面

优选自调整氧化膜厚薄的研磨剂，采用了振动———球磨———双螺

旋混工艺，以及高空减磨技术、浸渍无机盐、金属皂等技术。实践

证明，黑色电刷的耐磨性好，使用寿命长，稳定性好，适用高度高，

可有效地提高航空电机的可靠性。

3、实验研究

TJQ 电刷是常用的有色电刷， 在使用过程中存在磨损严重的

现象。TD 是新研制的黑色耐磨电刷。对这两种电刷

试验结果表明，黑色电刷具有以下优势：

（1）电刷使用寿命长。在同种电机上黑色电刷的使用寿命是

有色电刷的2~4 倍。

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