永磁同步电机之相关电刷及其选择

正确选择电刷对直流电机的换向非常重要，下面介绍电刷的种类和选用原则。

1．电刷的分类

根据所采用材料的不同，电刷可分为碳石墨电刷、石磨石墨、电化石墨电刷、金属石墨电刷四类。

( 1）碳石墨电刷。在焦碳和碳黑中加人少量的石墨，所制成的电刷称为碳石墨电刷。该电刷的硬度和抗弯强度大，摩擦系数大，接触电阻中等，允许的电流密度较小，整体性能较差，目前已基本不使用。

( 2）石墨电刷。原材料为天然石墨或人造石墨，粘结剂一般为沥青，具有润滑性好、电阻系数小（接触压降小）、允许电流密度大的优点，可用于低压小型电机。若改用酚醛树脂作粘结剂时，电阻系数大（接触压降大）、润滑性能更好，适合于换向比较困难的电机。

( 3）电化石墨电刷。将炭在高温（20 。 。一2700永磁直流电动机的电磁设计 ℃）下进行石墨化，粘结剂采用沥青或煤焦油。按主要材料的不同分为以下四种：

1）石墨基。主要成分为天然石墨。该电刷质软、电阻小、润滑性能好，可用于低压直流电机和轻载直流电机。

2）焦炭基。主要成分为石油焦或沥青焦。该电刷质软、电阻小、机械强度高、换向性能差，可用于小型直流电机、低压直流电机等。

3）炭黑基。主要成分为炭黑。该电刷质硬、电阻大、换向性能好，可用于直流伺服电机、功率扩大机等。

4）木炭基。主要成分为木炭粉。在微电机中一般不采用。上述四类电化石墨电刷中，石墨基电刷的润滑性能最好，其次是焦炭基电刷和炭黑基电刷，而换向性能正相反。

 5）金属石墨电刷。将金属粉与天然石墨混合，采用沥青或煤焦油作粘结剂。按使用的金属材料的不同分为铜石墨、铜铅石墨和银石墨三种。金属石墨电刷电阻小、换向性能差、不耐磨、允许的电流密度小、损耗小，一般用于低压直流电机。直流电机常用电刷的特性见表6一3 。

2．电刷的选用原则

不同种类的电刷具有不同的特性，差别较大，在选择和使用电刷时应考虑以下因素：

( 1）电刷接触压降。电刷接触压降越小，电刷接触损耗越小，但换向性能越差。

( 2）额定转速。转速越高，换向越困难，电刷磨损越大。对高速电机，电刷的润滑性能很重要。因为摩擦系数过大将导致电刷接触不稳定，从而加大火花并加速电刷磨损，应首先采用石墨电刷。

( 3）单位面积的压力。单位面积的压力过小将使电刷和换向器接触不好，产生较大火花，火花过大将使机械摩擦损耗增加。为保证可靠接触，高速电机的单位面积压力应比低速电机的大。

( 4）额定电压。额定电压为110V或220V以上的电机应首先采用前3类电刷，其次是电刷接触压降较大而金属含量不超过30％一50％的金属石墨电刷。额定电压为28V及以下的电机应首先采用金属含量不超过25肠一40写的金属石墨电刷，但有时为保证电机寿命，也有采用前3类电刷的。额定电压为12V及以下的电机应采用金属含量70％以上的金属石墨电刷。

三、火花等级

虽然直流电机在运行时电刷下往往产生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不会危及电机的运行。火花严重时，会影响电机运行甚至损坏电机。根据国家标准，电刷下的火花可以分为五个等级，即1级、 2级和3级。火花等级与所对应的物理现象见表6一4 。 1级、，告级和1要级火花均为持续运行中无害的火花。级火花作用下，换向器 乙在2表面会出现炭渣和黑色痕迹，如运行时间过长，黑色痕迹也将扩展，同时电刷和换向器的磨损也显著增加。所以2级火花只允许在短时过载时出现。 3级火花是危险的，仅允许在直接起动或反转的瞬间出现，正常运行时是不允许的。

四、改善换向的方法

换向不良将使电刷下出现火花，使换向器表面受到损伤，电刷磨损加快。改善换向的目的在于消除电刷下的火花，虽然产生火花的原因比较复杂，但若能设法减少或消除附加换向电流i 。，就可以改善换向。下面介绍常见的改善换向方法。

( 1）移动电刷。由于电枢反应的存在，几何中性线位置的磁密不再为零，换向元件内产生旋转电动势，使换向恶化。可以采用移动电刷的方法，使几何中性线位置的磁密为零，可以改善换向。对于直流发电机，应顺电机旋转方向移动电刷；对于直流电动机，应逆电机旋转方向移动电刷。电刷的移动是在电机生产过程中实现的电机制成之后，电刷无法移动。该方法缺点比较明显，当负载变动时，电枢反应发生变化，电刷位置不一定合适，可能使换向恶化；此外，若电机允许正反转，则该方法也不适合。这种方法只在运行情况固定而负载变化不大的单向旋转直流电机中采用。

( 2）选用接触压降大的电刷。

( 3）尽可能降低线圈匝数。

( 4）电刷压力要适当。