直流电机电刷异常磨耗的浅析

摘要：阐明电刷在电机运行中的作用，通过分析电刷磨损的分类以及电刷在铜质换向器上运行中磨耗的相关因素，强调直流电机日常维护时对电刷磨损量检测的必要性。

关键词：电刷;作用;磨损;维护

1电刷的作用

直流电机的运行主要是通过换向器和电刷对电枢绕组电流的换向来实现，直流电机的稳定运行离不开电刷的支撑，因此电刷是直流电机重要的组成部分。电刷主要用来连接定子磁场绕组和电枢绕组的配件，是导入导出电流的滑动接触件，起到了过渡和中转的作用。

直流电动机是利用定子绕组和转子结构的不同来实现电能转换为旋转机械能，进而把直流电变成交流电，其工作原理与电枢绕组相似。定子磁极一励磁回路中铁芯、线圈等导体在气隙及漏电流作用下形成了具有特殊功能的“反电动势”。它可以将铁心内产生涡流损失掉以减小对电机损耗;而当磁场强度达到一定值时就会使磁场减弱，从而让转子旋转起来。（1）直流电机工作原理：在电机启动时产生旋转磁场通过主磁极向周围空间传输能量;当转角增大到一定程度后产生电磁力矩作用下使绕组中的电流变大从而形成电刷等效线圈，并带动负载上一瞬间内机械能转化成电能给电动机提供驱动力，实现对电机进行调速。（2）定子部分：电机座采用耐磨不銹钢制成。工作时铜线与电动机接触形成铁芯，易磨损;转子由内层合金焊成并焊接在端部以增加强度和刚度来提高可靠性及寿命;外接了耐油橡胶或铝制材料构成外壳保护层使其能正常使用，电机在工作时转子会产生磁场，通过电磁感应来带动绕组转动从而达到对电枢构成电流回路中的电动机进行驱动;（3）定子及转轴：当电机运行时会发生转速变化情况下而形成的。因此可以将转子分成两个部分分别是转轴和传动机构。

2 电刷磨耗的定义

电刷是电机的滑动接触部件，电刷和转换器保持接触面积，并且一起进行移动。在移动的过程中产生了摩擦现象，因为摩擦而破坏了电刷与转换器的接触面。在这个摩擦的过程当中，电刷与转换器的颗粒从而脱落，这样就发生了损耗。在实际的情况当中，将电刷与转换器发生摩擦并且损坏，这种情况叫做电刷的磨耗。但是由于不同材质的电刷与转换器，从而导致了不同的摩擦情况，磨耗情况也不同。但是在实际的情况下，电刷的磨损相比较转换器更为突出。

3 电刷磨耗的分类

电刷的磨损是必然且无法避免的，电刷磨损的分类是按不同条件分类的，在实际情况当中会对电刷进行预期磨损情况，从而将电刷的磨损分成正常磨损和异常磨损两种。在实际情况当中，还会根据转换器和电刷的接触面的特性对电刷磨损的影响，从而将电刷的磨损分为机械磨损和气性磨损两种。并且在实际的电机运行过程当中，氧化膜出现在滑动接触的面上，但是会随着时间的推移而不断的形成和消耗。除了这些以外，还有其他因素对电刷的磨损产生了各种影响。像电流、在摩擦过程中产生的热量、氧化膜等多种在生产中的变化。电刷磨损按照电特性分： 无电流影响的机械磨损、因为通电条件造成的机械磨损以及电弧直接损耗的电刷材料等几种。

4 电刷异常磨耗的因素

4.1换向器表面的的因素

评定换向器表面质量四大要素：表面粗糙度、圆周跳动量、直径误差 和下刻弧度。

表面粗糙度：如果换向器的表面过于粗糙，电机的电刷在高速运转过程中会严重磨损，产生刮擦粉末，堆积在换向器槽内产生电机短路，从而加快了电机自身寿命的损耗。

圆周跳动量：电机在运行过程中，电刷会沿着这一段电箱圆周转动的距离跳动。因为电刷在这个过程当中会以非常快的速度旋转，在电刷盒中会跟随转动而来回移动。在这个时候，电刷弹簧的压力较低，电刷跳动高，在这个过程中会让电刷和转换器的产生电火花。损坏接触面之间的水膜，加快电刷的损坏，再情况严重时会烧电机。 如果相邻部件之间的跳动很大，不断冲击电刷会加速电刷的磨损甚至碎裂。

直径误差：换向器表面直径前后误差过大，即出现失圆现象。电机在高速运转时，由于换向器表面失圆，就会出现跳动量过大，出现火花现象，加快了电刷的磨耗。

下刻弧度：按照工艺要求，换向器每片的表面须有一定的弧度。每片的换向器表面有尖锐的棱角，电机在高速运转过程，如果尖锐的棱角直接接触碳刷，就会出现啃碳刷的现象，不能形成良好的接触面，加剧碳刷的磨耗。

4.2电刷理化特性因素

电刷的理化性能主要包括硬度、电阻率和杂质。

电刷耐磨性的标志特点是电刷的硬度，电刷的硬度在较高的情况下是非常容易磨损电机的。但是在硬度小的情况下，电刷自身也容易损坏。所以在实际情况下，一般都是根据实际用途而选择电刷的硬度。在实际的用途当中有着不同类型的电力，本台机器需要不同硬度的碳刷。而在一般情况下，毛刷的硬度测算是由肖氏硬度计所计算的。电刷电阻的标志是电刷的电阻率。而在一般情况下电阻率的变化范围很小，并且一般根据电阻率的大小，来进行电刷应用范围的分类。根据以上的情况，如果电刷是高电阻，低硬度电刷密度小，会有较大磨损。电刷另外一个指标是灰分杂质，它是用来描述电刷的耐磨性。它有含有少量的细微灰分，它是增强耐磨性能的物质。但是其中也含有少量的硬质磨料颗粒，对电机和电刷的损耗也是非常的大。

4.3电刷压力的因素

在一定情况下，电刷的压力的重要因素是电刷的磨损程度。电刷压力决定了电刷的机械磨损和电器磨损的情况。在一般情况下，接触面的压力较小从而会因为机械不稳定性而使得出现电流腐蚀的情况，电气性的磨损被提高。在实际情况当中，接触面的压力会越来越大，机械将会变得更加稳定。但是电刷的机械性磨损和电压的机器的磨损却越来越大，使得二者成正比。电刷和电气性磨损与电刷压力成反比。如图 2。根据图示曲线可知，电 刷压力的选择要适当，既不能过高也不能过低。并且在电机维护的过程当中，需要进行压力测量，尤其是个别异常磨损的电刷弹簧。并且能够及时根据检查情况进行更换，保障电刷的磨损程度，减少损伤转换器的接触面。

4.4电气因数

电机在运行过程中由于电流过高、电刷与换向器表面电火花等级过大、中性位偏差过大等都会造成电刷的加快磨耗。在实际情况当中正刷和负刷在电机中的工作有很大的不同，并且对于不同性质的电刷也有着不同的磨损程度。

电化石墨电刷和铜质换向器的滑动接触中，电流由电刷向转换器的正刷，电流由换向器向电刷是负刷，这两种存在着很大的区别，两种方式各有特点。像在一条道路上运作时，在实际情况当中负的磨损量慧远大于正刷。并且还在电机运作的过程当中，通过电流的流动，电刷上形成氧化膜。正刷在一定程度上，能够保护机械不受磨损，受磨损度较少。并且在实际情况下会有一定的限制，正刷与电流密度的基本无关。但是因为负刷具有电气性，所以在上面会吸附铜离子，这样会增加机械的磨损量。

在实际情况当中，电流的密度如果大于电刷所能承受的边界，这将会增加电刷的磨损，从而出现了磨损异常的现象。在实际情况当中，有着不同材料的电刷，电刷也有着不同的性质。但是这些性质会随着电流密度的改变。电刷与转换器的接触面积温度增加后，磨损的情况也会明显增加。所以在运行的过程当中，一定要采用适当的电流密度，从而减少电刷的磨损情况。

在电机的实际使用情况当中，电刷与转换器的表面接触面会有着不同等级的电火花，但是当电火花的等级过大时会烧坏接触面的表面。在这个过程当中难以形成有用的的接触水膜，并且电火花等级越高会加速电刷的损坏，这又加快了电刷在这个过程当中的磨耗。

4.5环境因数

在实际情况中发现电刷容易发生磨损会因为温度变低，从而降低了空气中的水分等的一系列反应发生磨损。当绝对湿度为 3 ～ 5 g / m3 时，电刷易发生异常磨损，当绝对湿度小于3 g/m3 时，甚至导致电刷粉化磨损[2]，在短时间内电刷的磨损量会以特别快的速度增加，严重的情况下会造成运行事故。所以，根据实际情况，直流电机在日常维护的过程当中，尽量保证有合适的温度及湿度中运行电机。并且也符合换向器氧化膜的维护条件。

5电刷异常磨损的影响

（1）轴承润滑不良。电刷的摩擦速度随着运转时间延长而逐渐增加，因此，当转速不在规定范围内时就会造成磨损。a.滚子间隙太小或过小都不利于滚动体和滑动接触件运动正常进行;b、滚珠丝度过大或者偏磨等因素也可能使其变形过大从而导致磨损加快甚至烧坏;c：润滑油温度过高或太热则易引起电刷产生形变，刮刀及机座夹紧不当而加速损坏等等。由于电刷在长时间的工作，摩擦衬板会发生变形，而接触压力下降，造成磨损。当滚珠、节流丝杆和阀门等部件产生过大间隙时就有可能使接触面出现裂痕或者烧损现象;其次是滑套与密封圈之间也存在一定缝隙或孔洞从而导致局部过热甚至破坏失效;再次是轴承润滑不足引起的漏油问题。滚珠、飞轮和主轴的工作条件差，摩擦是磨损不可缺少的重要原因之一。如果滚子链条过热，就会造成接触压力不平衡而产生异常磨蚀;在运转中由于工件表面粗糙不平整导致窜油或夹杂物刮伤等现象引起滚动体剧烈振动而使之容易产生裂纹。刷子的摩擦是电刷在低速旋转时，由于高速冲击，而产生的。当转速较高、电压波动大等外部因素作用下或内部机械运转中出现故障或者异常磨损情况下会导致轴承温度急剧升高和烧坏，从而引起滚动体表面快速变薄甚至破裂形成裂纹。

（2）刷卡时发尘、飞溅。在电刷运转过程中，会产生大量的粉沫，它们可以随气流进入，并使电动机发热而引起磨损甚至烧坏等现象;还有一些颗粒状碎屑与铁屑粘附于轴承上形成磨粒和氧化皮生成堵塞传动链从而引发异常振动或咬合以及跑跳动。在电刷的日常使用中，会出现一些异常情况，这些问题主要是：首先是没有按照规定开锁止动;其次就是刮擦剂破损或是磨损严重等原因导致的脉冲电流过大产生了一定影响造成掉座、松脱以及堵塞端口现象发生。电刷的主要功用是换向，当电机正常运行时，会产生一个反向冲击，这样就使摩擦面与原来相对静止不动接触。但这种情况下又往往导致火花间隙过饱和。在高速运转过程中由于局部压力过大而造成表面出现裂纹。这些问题可能使得电枢绕组和转子之间发生振动从而引起跳闸现象或卡死等故障。刷卡時，会产生一定的摩擦角。当转子高速旋转时会有一部分动能转换为热能从而使润滑油温度升高;同时还会出现热量传递损失、粘度变化以及局部温升等现象而引起轴承工作条件恶化和轴向变形加剧;在负荷较大状态下还可能由于供液不足导致轴承烧坏或者损坏。

（3）刮板与滚筒之间发生滑动。滚动阻力主要是由轴承内外圈、润滑脂层和外槽等杂物所产生的摩擦而形成;同时也有可能是因为滚动角大于15°或者公数相一致导致磨损结果出现在旋转运动中，从而使滑动速度加快或加剧。轴承润滑不良：电刷的轴向间隙过大，会造成摩擦面在滚动接触面，上产生较大滑动，从而加速磨损。当转速过低时可能导致锥度下降和齿形变差。供油提前角选择不当：由于电机启动初期无合理的进给政策等原因，使电机快速运转电流增大、转矩降低及电阻增加;轴承润滑不足或失效也是引起电刷异常磨损重要因素之一;另外电动机起动时间长短不一还会影响加速器寿命。

（4）滚筒冲击磨损。当电刷进入正常工作状态时，会产生较大的轴向和周向滑动，使之形成大范围正弦振动。而在高速运转中出现异常情况导致了滚珠、铁丝等零件的异常磨蚀现象发生;同时还会有尖点铜粉颗粒物堵塞轴承内部结构从而引发副活塞与油面之间剧烈摩擦甚至烧坏润滑材料引起严重磨损。由于转子在循环中不断地承受摩擦和热效应压力。当转速增加时，润滑油会流进滚动表面并形成高温区;而随着时间延长产生很大热量导致零件变形或损坏严重;同时还会加剧零部件磨损程度以及寿命缩短率，从而引起较大振动和噪音污染、降低产品质量的不良现象发生等情况。通过上述现象分析，可以得出电刷的磨损主要原因是圆锥滚子和旋转副之间存在着一定大小的摩擦。当转速较高时，润滑油会在旋转运动中出现抖动。而当速度比较低或者有转矩形成后又发生甩劲变形导致颗粒间滑移或崩解;而随着时间逐渐推移到相对静止状态时达到了新水平，则又由于滚动阻力变大引起微粒直径减小、径向尺寸增大和表面粗糙度增加等现象产生。

结论

总结上文所得电刷的磨损特性与换向器表面的质量状态、换向是否良好、电气因素、电刷压力、运行环境因数关系紧密。并且在实际的电机日常维修当中，应该及时对电刷的磨损量进行检查，并且做好及时更换的记录。在电刷出现异常磨损时要及时检查电机运行情况，这就需要结合电刷压力 、电流密度 、正负刷磨损差异及换向正常化条件等确认电机运行情况。在电机出现问题时，可参考电刷磨损量记录，排查与其相关的各项因素，帮助查找原因。

参考文献：[1]李翠兰. 直流电动机换向器磨损异常的原因分析[J]. 微特电机， 2011， 39（011）：75-76.[2]高明缙. 直流电机运行中的电刷磨损特性[J]. 上海大中型电机， 2019， 143（02）：19-21+34.[3]宋正芳.电机电刷的应用与维护[M].哈尔滨：黑龙江科学技版社，1984

作者简介：钟俊吉 （1993—  ）， 男，汉族，四川成都人，本科，助理工程师，研究方向：机车电机检修。