直流電動機電刷調(diào)整的應用分析

摘要：根據(jù)某起動直流電動機在外場實際工作過程中，由于電動機起動完成后，仍由發(fā)動機拖動空轉(zhuǎn)，其電刷仍正常磨損，影響了電刷正常使用壽命，使得電動機在工作300小時后電刷高度不能滿足正常工作的需要。因此，本文提出改變起動直流電動機的電刷高度來滿足500小時更換一次電刷的要求。根據(jù)計算和分析，驗證該調(diào)整方法的可行性。

1 前言

直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的旋轉(zhuǎn)電動機。作為電力拖動使用的直流電動機，由于它具有良好的啟動與調(diào)速性能，在某些要求啟動轉(zhuǎn)矩大，或?qū)φ{(diào)速性能要求較高的設備中都采用直流電動機。直流電動機是由定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)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。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。

某起動直流電動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)，長試中發(fā)現(xiàn)原電刷的高度，對于500(原300小時)小時維修一次的要求有些欠缺。因此，提出了對原電刷進行改進的分析，分析發(fā)現(xiàn)，有兩種方法可以達到要求。首先，增加電刷高度，根據(jù)磨損、彈簧壓力計算等公式計算出增加的電刷高度，此方法可提高起動直流電動機的使用壽命，不會影響起動直流電動機的性能。其次，在電刷的制造材料中加入某種硬度適當?shù)牟牧希詼p慢電刷的磨損速度，從而提高起動直流電動機的使用壽命，但是，該方法對轉(zhuǎn)子、換向器磨損較大，有一定的影響。根據(jù)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 某起動直流電動機原電刷的工作狀態(tài)

某起動直流電動機所用的電刷為TJ5A，原電刷的初始高度為、長30mm、寬12.5mm。經(jīng)研磨后實際工作高度尺寸約為2 1 mm(電刷實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，裝配實際工作約3 00h就達到最小使用工作高度為1 5.5mm，電刷實際磨損高度為5.5mm即平均每1 00h電刷磨損高度約為1.833mm。

3 電刷高度調(diào)整的可行性論證

原電刷在要求電機每運行1000小時進行1次維護中共需使用3付電刷來滿足電機的要求即350小時就要更換一次電刷，由于技術要求調(diào)整要求電刷每500小時更換一次即在1000小時的維護時間內(nèi)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足500小時更換電刷的要求下，只需將電刷高度稍做增加。綜合各項考慮，現(xiàn)擬將電刷高度由原來的mm調(diào)整為 mm，長度和寬度尺寸不變，經(jīng)研磨后實際工作高度尺寸為24.5mm，電刷實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，電刷允許工作時間約為545h，應能滿足500h更換電刷的要求。

3.1 電刷工作時的壓力要求

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

3.2 電刷壓力的計算

某電動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(nèi)部固定(初始階段可調(diào)彈簧旋轉(zhuǎn)角，調(diào)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(shù)

類型：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

展開長度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(zhuǎn)角變化

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

L1=20.25mm，L2=23.96mm,轉(zhuǎn)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-彈簧的展開長度

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?？傻茫藭r彈簧轉(zhuǎn)角φ11=3.775r。電刷最終工作高度為H12=14.5mm，此時彈簧轉(zhuǎn)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，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，F(xiàn)22=14.5 1N，P22=38.45kPa均滿足電刷壓力不大于58.8kPa的要求。

下表為某電動機電刷TJ-5A在不同工作高度隨彈簧壓力變化時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(diào)整電刷的尺寸，使電刷的高度由原來的mm調(diào)整為mm，仍能保證某電動機的各項指標符合要求正常工作，且滿足500h更換一次電刷的要求。