有刷電機的核心電刷考量

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在電機向高能效發(fā)展的當(dāng)下，有刷電機正在向無刷電機轉(zhuǎn)變。無刷和有刷的區(qū)別就在于無刷電機沒有電刷和換向器。電刷，是有刷電機極具特點也常常受詬病的裝置。

電機電刷在電機或發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)機械的固定部分和轉(zhuǎn)動部分之間，用于電機的換向器或滑環(huán)上作為導(dǎo)出導(dǎo)入電流的滑動接觸體，是有刷電機的核心部件。

電機電刷種類與優(yōu)缺點

在漫長的有刷電機發(fā)展歷程中，電刷經(jīng)歷了長久的更迭，在長期的市場驗證和技術(shù)驗證下，現(xiàn)在絕大多數(shù)有刷電機里使用的都是碳刷，以石墨類制品為主要材料，其中混入不同配比的金屬粉料提高性能。

早期的有刷電機，會采用由銅線制成的電刷，這種電刷硬度高，長期使用會在電刷和換向器上產(chǎn)生嚴重的磨損，久而久之會讓電機的效率降低，甚至產(chǎn)生火花等其他隱患。而且這個損耗過程很快，維護起來成本也不低，純金屬電刷因此被淘汰。

碳刷雖然也會磨損，但是磨損只發(fā)生在電刷上，而且相對來說磨損程度更低，更不會損壞換向器。而且現(xiàn)在的電機設(shè)計通常會使用固定位置的刷架插槽和適合插槽的組合刷彈簧電纜組件，磨損的刷子可以很方便地更換。

目前碳刷主要有天然石墨碳刷、電化學(xué)石墨碳刷以及金屬石墨碳刷這幾類。天然石墨電刷硬度偏低，但潤滑性較好，集流性能優(yōu)秀。多數(shù)用于運行平穩(wěn)速度適中的中小型直流電機，有些可以用于高速汽輪發(fā)電機集電環(huán)，以S3、S6系列居多。

電化學(xué)石墨電刷性能和天然石墨電刷更接近，相對來說硬度比天然石墨電刷更高一些，同時具有優(yōu)異的換向性和自潤滑性能。普遍電刷電阻系數(shù)和電刷壓降較大，在使用中磨損表現(xiàn)很出色，對換向器的磨損非常小。

因其極為出色的換向性能，以D374、D479為代表的電化學(xué)石墨電刷在換向困難的高速直流電機上有著大量應(yīng)用。

金屬石墨碳刷，有別于上面兩種電刷，它的金屬特性更突出，所以在導(dǎo)電性上性能更好，雖然兼顧了一部分石墨的摩擦特性，但是在耐磨性能上不及上面兩種石墨電刷，當(dāng)然，選擇用金屬石墨碳刷自然是為了其導(dǎo)電特性。

金屬石墨碳刷在含銅量上的差異，決定了其電阻系數(shù)和允許的電流密度大小。高金屬含量的J102等金屬石墨碳刷電阻系數(shù)極小，允許通過的電流密度非常大，這意味著這類電刷的過載能力很強。

總的來說，金屬石墨碳刷適用于高負荷和換向要求不高的低電壓大電流電機。

有刷電機對電刷的考量

相對于無刷電機，有刷電機制造工藝相對成熟，結(jié)構(gòu)簡單，控制起來相對更容易實現(xiàn)，尤其是它成本也更低，不少場景里還是會選擇有刷電機來做。另一個很重要的原因是，有刷電機在啟動時具有較大的啟動力矩，可以快速啟動和達到額定轉(zhuǎn)速，很契合要在短時間內(nèi)產(chǎn)生大的力矩的應(yīng)用場景。

那對于這部分場景，電刷上的選擇對電機非常重要。現(xiàn)在電機首先就要求電刷的噪音小，而且不能出現(xiàn)火花這種隱患。尤其是某些溫度較高的場景，換向表面接觸電壓降過大容易產(chǎn)生火花。這種情況下要采用硬質(zhì)電刷或特制的磨料電刷降低隱患。

再者，是電機對磨損的要求，雖然磨損不可避免，但是要盡可能電刷用得更久一些，對換向器或集電環(huán)的磨損小。

此外雖然不可能讓有刷電機達到很高的能效，現(xiàn)在的應(yīng)用也需要電刷的電功率損耗和機械損耗盡可能的小，畢竟電機要向高能效發(fā)展。

小結(jié)

在電機向高能效發(fā)展的當(dāng)下，很多有刷電機的應(yīng)用正在加速向無刷電機轉(zhuǎn)變，如電扳手類應(yīng)用已經(jīng)基本上實現(xiàn)了無刷化，電鉆類、高壓類以及園林類電機應(yīng)用也在加速轉(zhuǎn)換過程。在向無刷發(fā)展的現(xiàn)在，有刷電機在一些應(yīng)用還保留著它固有的一些優(yōu)勢，這些應(yīng)用上對電刷的選擇是至關(guān)重要的。