直流电动机电刷调整的应用分析

摘要：根据某起动直流电动机在外场实际工作过程中，由于电动机起动完成后，仍由发动机拖动空转，其电刷仍正常磨损，影响了电刷正常使用寿命，使得电动机在工作300小时后电刷高度不能满足正常工作的需要。因此，本文提出改变起动直流电动机的电刷高度来满足500小时更换一次电刷的要求。根据计算和分析，验证该调整方法的可行性。

1 前言

直流电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电动机。作为电力拖动使用的直流电动机，由于它具有良好的启动与调速性能，在某些要求启动转矩大，或对调速性能要求较高的设备中都采用直流电动机。直流电动机是由定子和转子两部分组成。定子主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。转子主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。电刷靠弹簧压力压紧在换向器表面，将电枢绕组和外电路连接起来。换向器由许多彼此绝缘的换向片构成，片与片之间彼此绝缘。

某起动直流电动机的电刷采用各项指标与原型机电刷相似的常用航空航天电机用金属石墨电刷(TJ5A)，长试中发现原电刷的高度，对于500(原300小时)小时维修一次的要求有些欠缺。因此，提出了对原电刷进行改进的分析，分析发现，有两种方法可以达到要求。首先，增加电刷高度，根据磨损、弹簧压力计算等公式计算出增加的电刷高度，此方法可提高起动直流电动机的使用寿命，不会影响起动直流电动机的性能。其次，在电刷的制造材料中加入某种硬度适当的材料，以减慢电刷的磨损速度，从而提高起动直流电动机的使用寿命，但是，该方法对转子、换向器磨损较大，有一定的影响。根据具体情况，本文从增加电刷高度出发，计算分析该方法的可行性。

2 某起动直流电动机原电刷的工作状态

某起动直流电动机所用的电刷为TJ5A，原电刷的初始高度为、长30mm、宽12.5mm。经研磨后实际工作高度尺寸约为2 1 mm(电刷实际工作高度尺寸为电刷与换向器贴合面圆弧中心到端面的高度)。电刷允许最小使用工作高度为15.5mm，装配实际工作约3 00h就达到最小使用工作高度为1 5.5mm，电刷实际磨损高度为5.5mm即平均每1 00h电刷磨损高度约为1.833mm。

3 电刷高度调整的可行性论证

原电刷在要求电机每运行1000小时进行1次维护中共需使用3付电刷来满足电机的要求即350小时就要更换一次电刷，由于技术要求调整要求电刷每500小时更换一次即在1000小时的维护时间内只需备1付电刷即可。因此，在保证电刷与换向器之间的接触不受太大影响且满足500小时更换电刷的要求下，只需将电刷高度稍做增加。综合各项考虑，现拟将电刷高度由原来的mm调整为 mm，长度和宽度尺寸不变，经研磨后实际工作高度尺寸为24.5mm，电刷实际允许使用的最小工作高度改为14.5mm，这样电刷允许磨损高度为10mm，仍使用原弹簧，并保证装配初始对电刷的压力不变，电刷允许工作时间约为545h，应能满足500h更换电刷的要求。

3.1 电刷工作时的压力要求

TJ5A电刷工作时压力要求根据资料为19.6kPa～58.8kPa之间。

3.2 电刷压力的计算

某电动机所用弹簧及电刷的装配结构弹簧为一非接触型平面涡卷弹簧，内部固定(初始阶段可调弹簧旋转角，调整好弹簧所需的压力后固定)，外端铰链于弹簧架，弹簧架作用于电刷，电刷作用于换向器上。

3.2.2 弹簧参数

类型：非接触型平面蜗卷

弹簧材料：碳素弹簧钢T9A(矩形截面)

材料弹性模量：E=2000kgf/mm2=196000N/mm2

安装结构：外端铰链k=1.25

尺寸：截面宽度b=10mm

截面厚度h=0.6mm

展开长度l=325mm

弹簧组件、电刷、换向器安装结构如图2所示：

3.2.3 电刷高度变化引起的弹簧转角变化

如图2所示，电刷高度由24.5mm变化到14.5mm的过程中，弹簧组件有效中心距L递增，弹簧转角φ递减。

L1=20.25mm，L2=23.96mm,转角变化量△φ=φ1-φ2=0.45r。

3.2.4 电刷压力计算

弹簧压力计算基本公式：

其中：

l-弹簧的展开长度

E-材料的弹性模量

b、h-分别为截面的宽度和厚度

k-外端铰链

L-有效中心距

若保证装配初始要求弹簧对电刷的压力仍为16.2N～19.1N，且电刷与换向器的接触面积为S=377.4mm2;则

a.初始状态，电刷高度为H11=24.5mm，给定弹簧对电刷压力即弹簧压力F11=16.2N，则电刷单位面积的压力P11=42.93kPa。可得，此时弹簧转角φ11=3.775r。电刷最终工作高度为H12=14.5mm，此时弹簧转角为φ12=φ11-△φ可得，弹簧压力为 F12=12.059N’电刷单位面积压力P12=3 1.95kPa，均满足电刷压力不小于19.6kPa的要求。

b.同理，电刷高度仍为H11=24.5mm ，当F21=19.1N时，电刷单位面积压力P21=50.6kPa，当电刷最终工作高度为H22=14.5mm时，F22=14.5 1N，P22=38.45kPa均满足电刷压力不大于58.8kPa的要求。

下表为某电动机电刷TJ-5A在不同工作高度随弹簧压力变化时电刷单位面积所受压力变化情况。

4 结论

经分析计算，在某电动机弹簧、换向器等均不变的情况下，仍采用TJ-5A电刷，弹簧压力不变，调整电刷的尺寸，使电刷的高度由原来的mm调整为mm，仍能保证某电动机的各项指标符合要求正常工作，且满足500h更换一次电刷的要求。