直流电机刷座及碳刷性能

杰夫·d·科尼策尔

简介-什么是电动电刷?

直流电动机碳刷是一个电触点，使一个连接与一个移动的表面。只有当碳刷、刷柄和接触面得到适当的设计和维护时，才能在电机、发电机和其他类型的移动接触应用上获得最佳性能。这三个部件在复杂的机电系统中都是至关重要的因素。

直流电动机电刷架，顾名思义，是用来固定电刷，使电刷能够正常工作。持卡器在相对于接触面的适当位置提供稳定的支撑，并经常提供在电刷上施加接触力的手段。

几十年来，刷手很少受到关注。新的旋转设备提供了相同的旧刷架设计的副本。通常情况下，当性能问题发生时，重点是在刷子上，因为这是表现出快速磨损的部件。在20世纪80年代早期，Helwig Carbon公司领导业界考虑到刷座，特别是弹簧压力是许多刷子问题的共同原因。此外，最近的支架开发以及恒压支架与Red Top刷的协调设计，在性能和寿命方面取得了显著的进步。

本文的目的是回顾与画笔的正常功能有关的画笔持有人的关键考虑领域。最重要的因素是1)碳在支架中的最大稳定性，2)刷子在接触面上的正确定位，以及3)通过刷和支架部分电路的最小电阻。

电机刷座尺寸尺寸

电刷的碳部分在支架中的配合对于稳定的电接触是至关重要的。如果支架壁与刷子的厚度和宽度之间的空间不足，就有可能将刷子绑定在支架中，特别是随着温度的升高和污染。另一方面，支架和碳之间的过量空间将导致不稳定的电接触，因为刷面可以在支架内切向或轴向移动。

因此，笔刷的厚度和宽度公差必须很好地协调。刷是按照NEMA公差或图纸规格加工的小尺寸，而刷座是超大尺寸的。作为刷座的一般准则，工业尺寸通常应保持超大尺寸，公差为+.002/+.008″。毛刷厚度小于。500″和大于。125″的较小框架单元的支架应具有+.001/+.005″的公差。厚度为。125″或以下的微型电刷的手柄应保持在+.001/+.003″的公差范围内。
在长时间的使用中，笔刷的厚度尺寸会因刷动而磨损或因受热而变形。因此，定期测量支架顶部和底部的厚度和宽度尺寸是很重要的，以确保它们在公差范围内，并且刷将有足够的支撑来稳定的电接触。

当电机和发电机刷座受到高温时，可能需要根据温升和散热程度提供额外的热膨胀补偿。在这种情况下，稍微减少刷的厚度和宽度尺寸以避免卡在支架上比调整支架尺寸更容易。金属石墨电刷重量金属含量超过50%，根据NEMA标准制造的小尺寸公差增加，因为它们通常具有更高的电流，产生更多的热量，并且比非金属等级具有更高的热膨胀系数。

笔刷和支架的长度也会对笔刷的稳定性和性能产生显著影响。大多数情况下，由于框架内的可用空间，长度是有限的。然而，由于长块碳的电阻过大，也有实际的长度限制。随着碳长度的增加，从分流器到接触面的电流路径的电阻也增加。同时，碳与较长的支架之间的接触面积增加，相应的接触电阻降低。这就产生了潜在的扭曲电流流动之间直接holder和碳，而不是通过分流。

另一方面，短刷和支架设计更容易在接触面不稳定。由于支架的长度相对于刷子的厚度较小，因此有可能在支架中产生更高程度的刷子倾斜。

除了尺寸问题，支架内部必须光滑，没有任何障碍，包括毛刺。如果用过的刷子在碳的两侧有任何直线划痕，那么在刷盒内部就有突起，这将限制刷子进行适当的电接触。对刷座的粗暴处理会导致金属变形，并影响刷腔的关键内部尺寸。由金属冲压制成的支架在内部尺寸和垂直度上特别容易出现不规则。拉削通常被认为是保证内部尺寸一致和光洁度的最佳制造方法。

夹的位置

支架位置将决定刷在移动接触面上的位置。对于滑环应用，支架通常位于环的顶部附近，以便于访问。在这个位置，刷子的重量有助于接触力。如果支架安装在接触面的下方，则可能需要额外的弹簧力来补偿刷的重量。

在具有换向器的直流电机上，相对于磁场极的适当定位是至关重要的。电刷应该在换向器周围等间距。这种间距可以通过在换向器周围缠上纸带来检查，标记出每个刷的相同边缘的位置，然后测量纸上标记之间的距离。

电刷还必须在电压水平接近零的中性区接触换向器。当支架位置允许电刷在中性区外接触时，电刷下的棒对棒电压会更高，循环电流、棒边燃烧和电弧损坏。

持有人的角度

支架安装最常见的角度是0度，即垂直于接触面。大多数滑环和换向器应用都使用这种所谓的径向安装。其优点是易于安装支架，最大的弹簧力传递到接触面，并公平稳定的刷子接触方向逆转。

在支架内的任何刷面运动都将导致接触面的变化。无论旋转方向如何，当刷子的顶部和底部始终保持在支架的同一侧时，最稳定的表面接触将发生。为了增加这种稳定性和刷子接触的有效面积，开发了夹角装置。然而，只有在使用与旋转方向相关的正确角度时，才会出现稳定。

当进入的边缘是短边的刷子或一个落后的位置，面对的角度应该是20度或更小。在较大的角度上，旋转和弹簧力的作用将刷子楔入支架的底角，并引起高摩擦和不稳定的接触。通常拖刷也有一个浅的顶部斜角。

当入刷边是刷子的长边或处于领先位置时，面角应大于等于25度。在20度和更小的角度，旋转的动作将刷子的底部从刷子的顶部拉到支架的另一侧。导刷的上斜角应为20 - 30度。

稳定的接触可以保持在一个或两个方向的旋转，刷面角度在20和25度之间。夹持角度的潜在缺点是弹簧的有效向下力的损失。弹簧力的一部分被耗散在将刷子稳定地保持在支架的一侧。各角度下接触力损失如下:

向下力损失角度

5 0.4%
0.4%
10 1.5%
15 3.4%
20 6.0%
25 9.4%
30 13.4%
35 18.1%
40 23.4%
45 29.3%

应增加弹簧力，以补偿在将刷子保持在持刷器一侧时，由于刷角的作用而产生的有效向下力的损失。如果一个刷子有20度的斜角在顶部和30度在底部，那么弹簧力应该增加6.0% + 13.4%或约20%，以保持适当水平的有效向下接触力在刷面。

在特殊情况下，通常在滑环上使用的柱式双支架，最好的设计是允许两个刷子在零度或垂直于环接触。任何角度都会导致一对电刷的接触稳定性降低。
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电动刷架安装高度

持卡人的垂直位置高于接触面是非常重要的，以确保适当的刷子支持在整个磨擦的磨损长度和适当的定位在接触面。

当刷柄安装在接触表面上方过高或当表面被减小到明显较小的直径时，当刷磨损到较短的长度时，将没有足够的碳支撑。由于触点不稳定，这将导致电磨损增加。

支架安装高度应与机组尺寸成正比。在大尺寸的框架上，支架应安装在接触面上方。125″的最高位置。在少数情况下，机组操作时接触面故意跳动，必须考虑到这一点。小型微型框架尺寸应具有支架安装高度约为。032″。在支架安装期间，可以在接触面上放置适当厚度的柔性安装垫，以确保一致的高度和间距。这个垫也有助于保护换向器在安装过程中免受损坏。

有几个常见的问题与过高的支架。当换向器被调低几次时，有角度的电刷将在不同的位置接触。与陡峭的底部斜面和显著减少的直径，刷接触的位置甚至可以移动到中立区之外。除非将支架移到离换向器更近的地方或调整中性点，否则磨损将显著增加。

虽然单柱安装的持有人可以旋转移动持有人更接近换向器，刷接触的位置将会改变。如上所述，很可能需要调整中性位置，以避免边缘起弧。

在v型的脚趾到脚趾的持有人安装过高的换向器的刷子可以在脚趾干扰。这将导致一个或两个刷子不与换向器接触。特别重要的是，这些老式的支架安装足够接近换向器，以避免这个问题。

弹簧力

在电刷上施加接触力的方法有很多。这些包括时钟型弹簧，扭杆，杠杆弹簧，螺旋线圈弹簧，恒力否定弹簧。如下图所示，电刷磨损率将随着弹簧压力的变化而变化。这是理解画笔性能最重要的概念之一。

由于弹簧力的下降和电气磨损的急剧增加，电刷的磨损速度不断加快，这一直是一个问题。当弹簧力在整个笔刷的磨损长度中几乎恒定在正确的水平时，将获得最一致的笔刷性能。

使用合适的恒力弹簧是一个显著的优势，可以保持最小的刷磨损率，减少接触表面的磨损，减少碳粉尘，并大大降低设备的总体维护成本。

根据测试和应用经验，弹簧压力的推荐范围如下:

弹簧压力推荐

弹簧压力
一般工业
4.0 - -6.0 PSI
分数HP电机4.0-7.0 PSI
牵引5.0-8.0 PSI
感应同步电机3.5-4.5 PSI
高速滑环2.25-2.75 PSI
电梯发电机3.5-4.0 PSI
35 18.1%
40 23.4%
45 29.3%

当操作条件与标准不同时，对弹簧力进行一些调整可以提高性能。如果电流密度非常低，湿度非常低，或者速度非常高，那么比上面稍微低一点的弹簧力可能是一个优势。但是，如果电流负载高，速度低，有污染导致过涂膜，或外部振动和接触面粗糙度影响电刷，则建议在每个范围的高端附近设置弹簧力。

每种应用的独特条件集将产生其自己的特定图形和数字，以获得最小的刷子和接触面磨损的理想弹簧力。通常情况下，弹簧力的变化会比刷子等级的变化产生更大的影响。几家原始设备制造商在测试不同的电刷材料之前测试理想的弹簧力。

所有支架上的弹簧应每2或3次刷换一次，以确保压力仍在建议的公差范围内，并且所有支架上的力是一致的。弹簧的力必须先用精确的天平测量。然后用这个值计算弹簧压力，如下图所示。

如果弹簧压力值低于建议范围，则应更换弹簧，以避免电刷和接触面加速磨损。

电气连接

电刷的主要功能是导电。在许多情况下，刷架也是这个电路的一部分。因此，所有电气连接都必须具有最小的电阻，以提供电流从主引线连接到接触面的最佳路径。一段时间内的腐蚀、污染或电解作用会导致电阻急剧增加，然后需要清洗。刷头或支架安装不慎会导致连接松动。电刷电路中的任何高电阻都会导致过热或不希望的电流流动路径和电刷负载不均等。

在分数马力的墨盒式画笔与捕获线圈弹簧类型的刷子，电流应该从夹接头在持卡器底部的黄铜插入到帽上的刷子的结束，然后通过分流到碳。如果刷子末端的圆帽或耳帽没有与黄铜支架插入件正确接触，刷子很快就会失效。当这种情况存在时，电流将直接从黄铜插入到弹簧或碳。在任何一种情况下，都将出现极端高温，失去电刷接触，换向器磨损，最终电机故障。

另一个较大的框架尺寸的问题可能发生时，支架安装是电路的一部分。如果支架安装表面变脏，腐蚀，甚至涂覆，那么电流将再次需要沿着另一条路径，从而引起问题。

总结

多年来，旋转设备领域的一般知识和经验一直在缓慢下降。此外，在故障排除或作为维护计划的一部分，刷头很少得到适当的注意。因此，希望以上信息将有助于提高对刷座潜在问题的认识，作为一个非常关键的部件，在电机，发电机和其他类型的滑动触点上的碳刷性能令人满意。检查刀架和刷子是否正常工作的重要因素有:

1.内座尺寸
2.支架间距
3.持有人的角度
4.支架的高度
5.弹簧力
6.电气连接

当有机会实施新的holder时，使用上述原则以及最新的恒压holder和Red Top的协调。

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需要更具体的信息吗?看看电梯用直流电机碳刷:组成，功能，解决方案:杰夫·d·科尼泽著

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