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什么是电刷故障？直流电机和滑环问题

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了解刷子缺陷

定义：什么是刷子缺陷？

刷毛缺陷 直流电机、绕线式交流电机、发电机和滑环组件中，用于在固定部件和旋转部件之间传导电流的碳刷或金属石墨刷可能出现故障。常见缺陷包括电刷磨损、安装不当、抖动（跳动）、火花、污染和弹簧张力问题。这些缺陷会导致电气问题（电流传输不良、电弧放电）、机械问题（跳动引起的振动），如果不及时纠正，还会导致换向器或滑环损坏。.

随着交流感应电机的普及，有刷式电机虽然越来越少见，但对于直流驱动器、绕线转子电机、发电机和电刷仍然是重要部件的专用设备而言，了解电刷缺陷仍然非常重要。.

常见刷毛缺陷

1. 刷子磨损

正常的磨损机制，但可能会加速：

  • 正常穿着： 摩擦造成的材料逐渐损失，通常每1000小时损失1-2毫米。
  • 加速磨损： 电流过大、润滑不良（无碳膜）、污染
  • 症状： 刷子已缩短，接近最短长度
  • 结果： 磨损导致弹簧压力减弱、接触不良、火花增多。
  • 行动： 当磨损至最短长度（通常为原长度的 1/3 至 1/2）时，应更换。

2. 刷毛抖动（弹跳）

刷头间歇性失去接触：

  • 原因： 弹簧压力不足，换向器粗糙, 振动, 偏心换向器
  • 症状： 可见火花、可听见的嗡嗡声或嘎嘎声、电噪声
  • 振动： 在换向器杆通过频率处产生影响
  • 损坏： 加速换向器磨损，造成电弧损伤
  • 频率： 颤音频率通常在 100-1000 Hz 范围内

3. 刷毛座不良

  • 说明 刷面不符合换向器曲率
  • 原因： 新刷子未磨合，安装不当，刷子材质较硬
  • 影响： 接触面积减小、电流密度高、局部加热
  • 症状： 火花过多、局部过热点、快速磨损
  • 解决方案 正确的磨合程序、刷子等级选择、底座石

4. 污染

  • 油/油脂： 减少摩擦，防止碳膜形成，导致跟踪
  • 灰尘： 磨粒会加速磨损
  • 水分： 导致腐蚀，影响电气接触
  • 碳粉尘堆积： 可以在片段之间缩短或创建跟踪路径

5. 刷子弹簧问题

  • 弹簧疲软： 压力不足、接触不良、弹跳
  • 断裂的弹簧： 没有压力，刷子没有接触地面。
  • 压力不正确： 过高（过度磨损）或过低（接触不良）
  • 腐蚀： 弹簧腐蚀，失去弹性

6. 火花和电弧

  • 电刷-换向器界面处可见火花
  • 原因：抖动、接触不良、过载、换向器损坏
  • 渐进性损伤：换向器表面出现点蚀
  • 可能导致闪络（跨多个电弧段的电弧）

振动特征

刷子相关的振动

  • 喋喋不休： 刷子弹跳产生的高频振动（100-1000赫兹）
  • 换向器条频率： 换向器条数 × 转速 / 60
  • 电谐波： 电弧和电流中断产生的多重谐波
  • 宽带噪声： 火花产生的随机高频成分
  • 调幅： 如果偏心率变化，接触压力也会变化。

二次机械效应

  • 刷子摩擦产生切向力
  • 刷毛磨损不均会造成 不平衡类似症状
  • 弹簧压力不对称会影响转子定心

检测方法

目视检查

  • 刷毛长度： 测量剩余长度，如有剩余长度则更换 < 最低
  • 接触面： 应该光滑，与交换子共形
  • 火花： 在光线昏暗的环境下观察（轻微火花正常，剧烈火花则有问题）
  • 污染： 检查是否有油污、灰尘和积碳。
  • 春季状况： 检查弹簧是否完好且张力合适。

电气测试

  • 电刷接触电阻： 应该低且所有刷子都保持一致。
  • 弹簧压力： 使用弹簧秤测量（通常接触压力为 1.5-3.5 psi）
  • 电压降： 跨越电刷-换向器界面（应该是） 每刷电压小于1V）

振动与声学

  • 高频加速度计测量
  • 声发射用于电弧检测
  • 用于冠状病毒或追踪的超声波监测
  • 对换向器杆频率进行频谱分析

热成像

  • 热刷头表明接触不良或过载。
  • 换向器上的热点表明存在局部问题
  • 刷组间的温度不平衡

维护和纠正

日常刷子维护

  • 检查频率： 关键机器按月计费，一般应用按季度计费。
  • 清洁： 真空吸除碳粉尘，清洁换向器表面
  • 长度检查： 更换短刷
  • 弹簧张力： 确认压力正确
  • 换向器条件： 检查得分、坑洞、高栏杆

更换刷子

  • 请使用适合应用场景的正确等级（请咨询制造商）。
  • 将一套刷子全部更换在一起。
  • 确保刷架安装正确
  • 新刷子需要一段时间（24-48小时）才能完全磨合。
  • 安装后请检查弹簧压力是否合适。

换向器维护

  • 定期使用认可的溶剂或石头进行清洁。
  • 如果换向器有凹槽或表面粗糙，则转动（机器）换向器。
  • 如果指定，则在条之间对云母进行倒角处理
  • 检查是否有过高的钢筋、松动的钢筋或损坏的钢筋段。

预防最佳实践

操作规范

  • 在额定电流范围内运行，以最大程度地减少电刷发热
  • 避免启动频率过高（启动电流会损伤电刷）
  • 保持环境清洁（防止污染）
  • 控制湿度（过干或过湿都会影响接触）

选择与设计

  • 根据应用需求指定合适的电刷等级（软/硬，电流密度）
  • 足够的电刷数量以满足电流密度要求
  • 合适的刷架设计
  • 对于新安装的设备，考虑采用无刷电机替代方案。

电刷故障虽然是直流绕线式电机特有的现象，但却是重要的维护项目，需要定期检查和更换。了解电刷磨损机制、正确的维护方法和诊断症状，能够确保有刷电机可靠运行，并防止因疏忽电刷维护而造成的电气和机械损坏。.

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