低负荷运行中的直流电动机如何选用好电刷

 姚竞红  浙江万里学院

严国祥  杭州华丰纸业有限公司

摘  要：造纸行业中的直流传动系统，在设计时一般设计输出功率往往要比实际运行时的输出功率大许多，本文就如何选用好直流电动机在低负荷下运行的电刷，提高直流电动机的使用寿命做些研究和探讨。

关键词：低负荷  电刷  直流电机

How to choose suitable carbon brushes of DC motor

under low-load running

Yao jinghong    Yan guoxiang

Abstract: In the DC drive systems of the papermaking line,the designed output power of DC motor is usually much larger than really used output power,this paper does some research and discussion on how to choose suitable carbon brushes of DC motors under low-load running,in order to extend the DC motor’s used time.

Key words: low-load  carbon brush  DC motor

1  引  言

杭州华丰纸业有限公司在1994年从法国阿力曼造纸设备公司引进了一条造纸生产流水线，它的传动控制系统，采用ABB—— DCV—700直流传动系统。该系统有15个传动控制点组成，按照生产工艺的要求，直流电动机的设计，分别由5.4KW—69.5KW等各个规格所选取，设计输出总负荷为1310A。

     经过一段时间生产运行，我们在日常的维护保养工作中，发现每台直流电动机的换向器表面都有不同程度的磨损现象，换向器上的氧化膜都产生了不同程度的条纹，而且深浅不一、宽度交替不匀，并起了有沟槽的现状。特别是烘缸传动点的直流电动机，换向器上的磨损最为严重。表面上发现有氧化膜剥离现象，严重的已有铜金属色泽带。再从更换下来的电刷中也发现，所有的电刷接触面都有起槽的现象。我们虽然对直流电动机换向器上做了不少的维护保养补救作，但效果甚微。由于每次的维修工作，对换向器都要做适当光洁的处理，所以经过若干次维护后的换向器已经影响到了直流电动机的正常使用寿命，给企业增加了不少设备维修费用。

在直流电动机的运转中，电枢与换向器在滑动接触中，电刷的作用是在外电路到电枢之间把负载电流引入和输出。因此电刷不仅要有良好的导电性能，还要有良好的换向性能及稳定性、耐弧、耐热和耐磨等点。由于对电刷的要求很高，所以我们必须根据直流电动机具体的使用场合和条件，来选用合适牌号的电刷。

2  举例分析

根据直流电动机的运行状况和换向器的表面分析现状，我们逐一对每台直流电动机进行了实际负荷的测量工作。在测量中我们发现所有电动机的实际运行负荷都要远远小于它的额定输出负荷。将整条生产传动线上的实际输出负荷加起来，也只有366A，可见整个传动系统的设计负荷与实际负荷为：

  366A/1310A×100%=27%

以5组烘缸的直流电动机为例：该电机为法国ABB公司制造，编号1342，23036，电机型号DMP1324L，功率26.7KW，转速1720转/分，电压400伏，电流77安，励磁电压220伏，励磁电流4.5A。换向器上使用的电刷尺寸为10×10×28（MM），数量为4×2=8块。测量其实际使用输出负荷为16A，可见该电动机的负荷是额定负荷的：

16A/77A×100%=20%

正因为5组烘缸的直流电动机在长期的低负荷下运行，所以该电动机的换向器表面受损已经相当严重。电刷表面起槽当然也很严重。

因此，如何选用好合适的电刷，保证在换向器表面能产生平滑光洁的氧化膜，减少设备的维修工作和维修费用，已成为一个很关键的问题。

3  电刷的特性与种类的筛选

直流电动机的电刷是一种与电动机的换向器滑动接触，传导电流的元件，选择合适的电刷就能使换向器表面在接触中形成适宜的氧化亚铜、石墨和水份等组成的表面氧化薄膜。

合适的电刷在使用中会有足够的使用寿命，对换向器的磨损很小，机械损耗也很小，不会有危害的火花出现。选好合适的电刷需要我们更多地了解电刷的各种特性，掌握好它的各种使用特点。

我们从电刷接触特性和理化特性入手进行分析，选择出一种能适应低负荷状态下使用的直流电动机电刷的品牌。

3.1  电刷的接触特性

(1) 接触电压降：都有其极限值，如果超过接触电压降的极限值，滑动接触点的电损耗将过大，并引起过热。但对换向器来说如果接触电压降的值过低，则电刷下会产生火花。电刷的接触电压降Dm，不仅受限于电刷本身的各种物理指标，而且还同外部使用的各种环境和条件密切有关。

(2) 磨擦系数：磨擦是电刷正常运行必要考虑的一个重要因素，磨擦系数越大，磨擦损耗也越大。剧烈的磨擦还会使电刷在运行过程中导致接触不稳定，引起振动发生噪音。磨擦系数对换向器表面状态及氧化膜有着十分紧密的关系，当换向器表面平整光滑，氧化膜和水膜的形成又正常时，磨擦系数就小。

3.2  电刷的理化特性

影响电刷理化特性因素很多，主要有电机的圆周速度、电流密度、施于电刷的单位压力以及周围的介质情况。

(1) 周速度：我们通常选用一种电化石墨型的电刷，它适用于圆周速度高的电机，象我们所使用的引进直流电动机，由于电机动转的圆周速度也比较高，所以在选用电刷时当然是在电化石墨的电刷中筛选一种比较特殊的电刷。同时还要充分考虑到磨擦系数与换向器圆周速度，换向器圆周速度高，机械磨损产生的碳微粒增加，这样在电刷和换向器表面就能起到有润滑作用，因而磨擦系数就小。换向器圆周速度对磨擦系数的影响，不同的电刷有着不同的关系，如图1所示。

    图1  三种电刷的摩擦系数与圆周速度的关系

a-碳化墨；b-电化墨；c-金属石墨

(2) 电流密度：随着电刷电流密度的增加，接触电压降相应增加，但在电流密度达到一定值后，接触电压降增加将缓慢，这种变化中的接触电压降与电刷电流密度的关系规律是由滑动接触的特性所决定的，不同种类的电刷，它们之间就有不同关系，正如图2所示.

图2 三种不同种类电刷的电压降和电流密度的关系

a-碳化墨；b-电化墨；c-金属石墨

(1) 施于电刷的单位压力：单位压力增大，电刷与换向器之间的接触电阻就减小，接触电压降也随之减小。为了避免机械产生的火花，调节好施于电刷的单位压力，力求均匀，防止滑动接触不稳定，引起接触压降的增大和接触不稳定，以保证电刷与换向器的正常接触运行。电刷的接触压降与电刷的压力有着如图3所示的曲线关系。

   图3 电刷压降和电刷压力的关系

(4) 周围介质：在电刷与换向器滑动接触点中，对于周围的介质极为感。潮湿和酸性的腐蚀性气体及油污，都会引起换向器的工作不良。空气中含有适量的水份和氧是电刷与换向器形成一种保护氧化膜的重要因素。所以环境和湿度的关系与电刷的接触压降变化十分密切。电刷的电压降与湿度的关系如图4所示。

图4 电刷的电压降与湿度的关系

3.3 电刷的使用和比较

综合上述的分析，我们对曾经使用过的以下三种电刷进行分析，进行比较筛选。

三种品牌的电刷分别为1、摩根EG283 ，2、摩根合资厂生产的SA40，3、罗兰BG469。1是直流电动机原装牌号，2和3品牌型号都是近几年来根据负荷情况所选用的产品。它们的技术参数如表1所示。

表1 SA40与BG 469的技术参数比较表

我们将5组烘缸实际使用的直流电动机电刷的电流密度进行计算得到：

电流密度= 16 /（ 8/2×1×2） =2A/cm2

因此我们在筛选中，选取了BG469系列的电刷做为适用于我们现状的直流传动系统所用的电刷。

使用后的BG469电刷与其它电刷的比较如图5、6所示，图5电刷表面光洁密实，图6电刷表面有条纹和起槽现象。

图5  BG456电刷表面

图6  SA40电刷表面

    使用BG469电刷与其它电刷的换向器接触表面的现象比较如图7、8所示，图7表面产生了正常的氧化膜，均匀的古铜色到深古铜色，图8表面形成了条纹氧化膜，换向器有起槽的铜金属色泽条带现象。               

图7  使用BG469电刷后的换向起表面

图8  使用SA40电刷后的换向器表面

4  结  语

从多年的使用实例中证实了我们所选取的BG469系列品牌的电刷，符合了我们生产现状所使用的直流电动机的要求。该电刷一经使用其表面光洁而密实，是适用于低负荷下运行的好电刷，满足了换向器的使用条件，换向器接触表面也有了显著变化，寿命明显提高。选择好低负荷状态下运行的直流电动机电刷，确实给我们带来了不少收益，直流电动机的换向器表面光洁，有了氧化膜的形成，不仅延长了电机使用寿命，而且也大大地减少直流电动机维修工作。