摘要：根據(jù)某起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)實(shí)際工作過(guò)程中，由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，仍由發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(dòng)機(jī)在工作300小時(shí)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(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的電刷高度來(lái)滿足500小時(shí)更換一次電刷的要求。根據(jù)計(jì)算和分析，驗(yàn)證該調(diào)整方法的可行性。

1 前言

直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。作為電力拖動(dòng)使用的直流電動(dòng)機(jī)，由于它具有良好的啟動(dòng)與調(diào)速性能，在某些要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，或?qū)φ{(diào)速性能要求較高的設(shè)備中都采用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)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(jī)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(lái)。換向器由許多彼此絕緣的換向片構(gòu)成，片與片之間彼此絕緣。

某起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的電刷采用各項(xiàng)指標(biāo)與原型機(jī)電刷相似的常用航空航天電機(jī)用金屬石墨電刷(TJ5A)，長(zhǎng)試中發(fā)現(xiàn)原電刷的高度，對(duì)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(duì)原電刷進(jìn)行改進(jìn)的分析，分析發(fā)現(xiàn)，有兩種方法可以達(dá)到要求。首先，增加電刷高度，根據(jù)磨損、彈簧壓力計(jì)算等公式計(jì)算出增加的電刷高度，此方法可提高起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的使用壽命，不會(huì)影響起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的性能。其次，在電刷的制造材料中加入某種硬度適當(dāng)?shù)牟牧?，以減慢電刷的磨損速度，從而提高起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的使用壽命，但是，該方法對(duì)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(jì)算分析該方法的可行性。

2 某起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)原電刷的工作狀態(tài)

某起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)所用的電刷為TJ5A，原電刷的初始高度為、長(zhǎng)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(dá)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(diào)整的可行性論證

原電刷在要求電機(jī)每運(yùn)行1000小時(shí)進(jìn)行1次維護(hù)中共需使用3付電刷來(lái)滿足電機(jī)的要求即350小時(shí)就要更換一次電刷，由于技術(shù)要求調(diào)整要求電刷每500小時(shí)更換一次即在1000小時(shí)的維護(hù)時(shí)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(shí)更換電刷的要求下，只需將電刷高度稍做增加。綜合各項(xiàng)考慮，現(xiàn)擬將電刷高度由原來(lái)的mm調(diào)整為 mm，長(zhǎng)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(duì)電刷的壓力不變，電刷允許工作時(shí)間約為545h，應(yīng)能滿足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(jù)資料為19.6kPa～58.8kPa之間。

3.2 電刷壓力的計(jì)算

某電動(dòng)機(jī)所用彈簧及電刷的裝配結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：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(zhǎng)度l=325mm

彈簧組件、電刷、換向器安裝結(jié)構(gòu)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(guò)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(jì)算

彈簧壓力計(jì)算基本公式：

其中：

l-彈簧的展開(kāi)長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhuǎn)角φ11=3.775r。電刷最終工作高度為H12=14.5mm，此時(shí)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(dāng)F21=19.1N時(shí)，電刷單位面積壓力P21=50.6kPa，當(dāng)電刷最終工作高度為H22=14.5mm時(shí)，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(dòng)機(jī)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(jié)論

經(jīng)分析計(jì)算，在某電動(dòng)機(jī)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(lái)的mm調(diào)整為mm，仍能保證某電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)符合要求正常工作，且滿足500h更換一次電刷的要求。