直流電動(dòng)機電刷調整的應用分析

摘要：根據某起動(dòng)直流電動(dòng)機在外場(chǎng)實(shí)際工作過(guò)程中，由于電動(dòng)機起動(dòng)完成后，仍由發(fā)動(dòng)機拖動(dòng)空轉，其電刷仍正常磨損，影響了電刷正常使用壽命，使得電動(dòng)機在工作300小時(shí)后電刷高度不能滿(mǎn)足正常工作的需要。因此，本文提出改變起動(dòng)直流電動(dòng)機的電刷高度來(lái)滿(mǎn)足500小時(shí)更換一次電刷的要求。根據計算和分析，驗證該調整方法的可行性。

1 前言

直流電動(dòng)機是將直流電能轉換成機械能的旋轉電動(dòng)機。作為電力拖動(dòng)使用的直流電動(dòng)機，由于它具有良好的啟動(dòng)與調速性能，在某些要求啟動(dòng)轉矩大，或對調速性能要求較高的設備中都采用直流電動(dòng)機。直流電動(dòng)機是由定子和轉子兩部分組成。定子主要由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成。轉子主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸等組成。電刷靠彈簧壓力壓緊在換向器表面，將電樞繞組和外電路連接起來(lái)。換向器由許多彼此絕緣的換向片構成，片與片之間彼此絕緣。

某起動(dòng)直流電動(dòng)機的電刷采用各項指標與原型機電刷相似的常用航空航天電機用金屬石墨電刷(TJ5A)，長(cháng)試中發(fā)現原電刷的高度，對于500(原300小時(shí))小時(shí)維修一次的要求有些欠缺。因此，提出了對原電刷進(jìn)行改進(jìn)的分析，分析發(fā)現，有兩種方法可以達到要求。首先，增加電刷高度，根據磨損、彈簧壓力計算等公式計算出增加的電刷高度，此方法可提高起動(dòng)直流電動(dòng)機的使用壽命，不會(huì )影響起動(dòng)直流電動(dòng)機的性能。其次，在電刷的制造材料中加入某種硬度適當的材料，以減慢電刷的磨損速度，從而提高起動(dòng)直流電動(dòng)機的使用壽命，但是，該方法對轉子、換向器磨損較大，有一定的影響。根據具體情況，本文從增加電刷高度出發(fā)，計算分析該方法的可行性。

2 某起動(dòng)直流電動(dòng)機原電刷的工作狀態(tài)

某起動(dòng)直流電動(dòng)機所用的電刷為T(mén)J5A，原電刷的初始高度為、長(cháng)30mm、寬12.5mm。經(jīng)研磨后實(shí)際工作高度尺寸約為2 1 mm(電刷實(shí)際工作高度尺寸為電刷與換向器貼合面圓弧中心到端面的高度)。電刷允許最小使用工作高度為15.5mm，裝配實(shí)際工作約3 00h就達到最小使用工作高度為1 5.5mm，電刷實(shí)際磨損高度為5.5mm即平均每1 00h電刷磨損高度約為1.833mm。

3 電刷高度調整的可行性論證

原電刷在要求電機每運行1000小時(shí)進(jìn)行1次維護中共需使用3付電刷來(lái)滿(mǎn)足電機的要求即350小時(shí)就要更換一次電刷，由于技術(shù)要求調整要求電刷每500小時(shí)更換一次即在1000小時(shí)的維護時(shí)間內只需備1付電刷即可。因此，在保證電刷與換向器之間的接觸不受太大影響且滿(mǎn)足500小時(shí)更換電刷的要求下，只需將電刷高度稍做增加。綜合各項考慮，現擬將電刷高度由原來(lái)的mm調整為 mm，長(cháng)度和寬度尺寸不變，經(jīng)研磨后實(shí)際工作高度尺寸為24.5mm，電刷實(shí)際允許使用的最小工作高度改為14.5mm，這樣電刷允許磨損高度為10mm，仍使用原彈簧，并保證裝配初始對電刷的壓力不變，電刷允許工作時(shí)間約為545h，應能滿(mǎn)足500h更換電刷的要求。

3.1 電刷工作時(shí)的壓力要求

TJ5A電刷工作時(shí)壓力要求根據資料為19.6kPa～58.8kPa之間。

3.2 電刷壓力的計算

某電動(dòng)機所用彈簧及電刷的裝配結構彈簧為一非接觸型平面渦卷彈簧，內部固定(初始階段可調彈簧旋轉角，調整好彈簧所需的壓力后固定)，外端鉸鏈于彈簧架，彈簧架作用于電刷，電刷作用于換向器上。

3.2.2 彈簧參數

類(lèi)型：非接觸型平面蝸卷

彈簧材料：碳素彈簧鋼T9A(矩形截面)

材料彈性模量：E=2000kgf/mm2=196000N/mm2

安裝結構：外端鉸鏈k=1.25

尺寸：截面寬度b=10mm

截面厚度h=0.6mm

展開(kāi)長(cháng)度l=325mm

彈簧組件、電刷、換向器安裝結構如圖2所示：

3.2.3 電刷高度變化引起的彈簧轉角變化

如圖2所示，電刷高度由24.5mm變化到14.5mm的過(guò)程中，彈簧組件有效中心距L遞增，彈簧轉角φ遞減。

L1=20.25mm，L2=23.96mm,轉角變化量△φ=φ1-φ2=0.45r。

3.2.4 電刷壓力計算

彈簧壓力計算基本公式：

其中：

l-彈簧的展開(kāi)長(cháng)度

E-材料的彈性模量

b、h-分別為截面的寬度和厚度

k-外端鉸鏈

L-有效中心距

若保證裝配初始要求彈簧對電刷的壓力仍為16.2N～19.1N，且電刷與換向器的接觸面積為S=377.4mm2;則

a.初始狀態(tài)，電刷高度為H11=24.5mm，給定彈簧對電刷壓力即彈簧壓力F11=16.2N，則電刷單位面積的壓力P11=42.93kPa?？傻?，此時(shí)彈簧轉角φ11=3.775r。電刷最終工作高度為H12=14.5mm，此時(shí)彈簧轉角為φ12=φ11-△φ可得，彈簧壓力為 F12=12.059N’電刷單位面積壓力P12=3 1.95kPa，均滿(mǎn)足電刷壓力不小于19.6kPa的要求。

b.同理，電刷高度仍為H11=24.5mm ，當F21=19.1N時(shí)，電刷單位面積壓力P21=50.6kPa，當電刷最終工作高度為H22=14.5mm時(shí)，F22=14.5 1N，P22=38.45kPa均滿(mǎn)足電刷壓力不大于58.8kPa的要求。

下表為某電動(dòng)機電刷TJ-5A在不同工作高度隨彈簧壓力變化時(shí)電刷單位面積所受壓力變化情況。

4 結論

經(jīng)分析計算，在某電動(dòng)機彈簧、換向器等均不變的情況下，仍采用TJ-5A電刷，彈簧壓力不變，調整電刷的尺寸，使電刷的高度由原來(lái)的mm調整為mm，仍能保證某電動(dòng)機的各項指標符合要求正常工作，且滿(mǎn)足500h更換一次電刷的要求。