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刷体温度对高速微电机电刷磨损性能的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-08-04  来源:中国毛刷网  作者:[db:作者]  浏览次数:634

  刷体温度对高速微电机电刷磨损性能的影响胡忠良,夏金童,陈振华,丁国芸(湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙082)温度进行了测量,考察了电刷刷体温度与电刷磨损速率的关系,运用相关理论对刷体温度、对电刷磨损性能的影响进行了详细分析。研究结果表明,电刷刷体温度的高低对电刷的磨损性能具有决定性的影响,刷体温度越高,电刷磨损越快。刷体温度可以作为考察高速微电机电刷磨损性能重要的指标参数。

  4文献标识码: A 1前言国民经济的快速发展和人民生活水平的迅速提高导致各种家用电器大量进入普通百姓家庭,而家用电器电机大都具有转速高和功率小的特点,其转[ 1~3].在这样苛刻条件下运行,电刷需要有良好的换向性能,一般采用高阻电刷来提高电刷的换向性能,多年来,该类电刷一直成为国内外研究的热点[ 4~8].不少科技工作者对高速微电机电刷的配方炭素组成,各工艺参数对电刷性能的影响进行了大量卓有成效的工作[ 9~10],为我国电刷产品替代国外产品做出了重要贡献。然而至今对该类电机电刷的磨损机理及至关重要的影响因素却很少进行深入的研究,为进一步提高该类电刷的质量,赶超国际先进水平,对这方面的研究就尤显必要。

  我们在多年研制高阻电刷过程中,发现电刷在高速微电机运行过程中,电刷刷体产生很高的温度,并且电刷的磨损性能与刷体温度有着十分密切的关系,为此,有必要对该现象进行深入的研究,探讨其磨损机理,以期对该类电刷的研制与生产具有参考指导作用。

  2实验2. 1电刷的制备和选取自制高阻焙烧型电刷的配方、制造工艺及流程在参考文献7中有详细的描述,选取该文献中配方1、2、3制备的电刷(分别称为电刷1、2、3)和进口电刷作为实验对象,其主要性能列于表1.

  电刷编号体积密度/ g?cm电阻率/洛氏硬度( 60kg负载)电刷1电刷2电刷3进口电刷2. 2电刷装机运行磨损值及电刷刷体温度测试自制电刷及进口高阻电刷样品分别在同一型号交流串激式高速微电机上运行,电机型号为HGH5435M 120,电压为120V,电机空载转速为19 000±10r/ min,本实验中电机带A5叶轮负载5 A.电机测试装置如下图所示。

  1换向器2电刷3刷握4弹簧5轴承6绝缘漆铜线卷子7叶轮图测试电机示意图电刷所受载荷压力为5N/ cm 2,相对湿度为在空气环境温度分别为15℃和30℃条件下来研究电刷磨损与刷体温度的关系。

  电刷在运行过程中的刷体温度用6801数字温度仪测量。

  3结果与讨论3. 1刷体温度对电刷磨损性能的影响为了研究电刷刷体温度对电刷磨损性能的影响,在空气环境温度分别为15℃和30℃时,对电刷磨损性能及刷体温度进行了测量,测量结果及有关实验现象分别于表2和表3.

  从表2和表3实验结果中,我们可以发现,无论自制电刷还是进口电刷,电刷的磨损速率与电刷刷体温度密切相关,刷体温度越高,电刷磨损速率越大,电刷磨损越快。

  是因为随着周围环境温度的提高,电刷与换向器之间产生热梯度变小,因而电刷换向器向周围环境的热量扩散速率相应就会减小,致使刷体温度升高,电刷磨损增大。这说明对于同一电刷,在较高的空气环境温度中,其刷体温度更高,其磨损速率都相应变大。

  炭素电刷编号刷体温度/℃有关实验现象电刷1火花等级1 2,刷面有明暗条纹,换向器表面形成连续润滑膜,有划痕电刷2火花等级1 4,刷面光亮,换向器表面形成均匀润滑膜,有轻微划痕电刷3火花等级1~2,刷面粗糙,换向器表面形成一定润滑膜,有划痕进口电刷火花等级1 4,刷面光亮,换向器表面形成均匀润滑膜,有轻微划痕电刷编号刷体温度/℃有关实验现象电刷1火花等级1 2,刷面有明暗条纹,换向器表面形成连续润滑膜,有划痕电刷2火花等级1 4,刷面光亮,换向器表面形成均匀润滑膜,有轻微划痕电刷3火花等级1~2,刷面粗糙,换向器表面形成一定润滑膜,有划痕进口电刷火花等级1 4,刷面光亮,换向器表面形成均匀润滑膜,有轻微划痕进口电刷在空气环境温度分别为15℃、30℃时,其刷体温度*低,分别为℃和℃,相应的磨损电刷3的刷体温度及磨损速率都是*高的。

  综合上述分析,我们可以得出明确的结论:对于高速微电机电刷,其磨损速率与电刷刷体温度有着十分密切的关系,电刷刷体温度越高,其磨损速率越高,电刷刷体温度可以作为衡量电刷磨损速率及其使用寿命的一个重要的参数指标。

  电刷磨损速率与其刷体温度的关系,可由Sav age和Lancaster的吸附润滑理论得到解释。

  和的理论认为,电刷与换向器或整流子之间的摩擦磨损行为与空气中的湿度有很大的联系,对于湿度低且换向器升高的温度不太高的情况下,电刷的磨损速率与空气的相对湿度成反比关系,即相对湿度越大,电刷磨损速率越小而当电刷在比较恶劣条件下运行,如电刷刷体温升较大的情况下,电刷的磨损速率就由水蒸汽的相对压力的值决定,其中P为空气中水蒸汽的压力,为水达到刷体温度时的饱和蒸汽压力。

  吸附润滑理论认为水蒸汽在电刷换向器滑动系统中起着重要作用,通常在电刷碳原子表面吸附了一层单分子水膜,该水膜能大大降低表面碳原子的表面能,减少摩擦表面分子间的粘附力和结合力,使摩擦系数低,减少电刷的磨损。在通常条件下,水分子能够覆盖碳原子的表面,致使在一定范围内,湿度对电刷磨损性能的影响可以忽略,但当电刷的温度很高时,这时电刷表面碳原子吸附的水分子解吸作用加快,导致一部分碳原子不能被水分子吸附,并且温度越高,没有被水分子覆盖的表面碳原子数量越多,它们与换向器铜原子直接发生咬合作用,使电刷磨损加剧,严重时甚至发生粉尘性磨损。

  在本文中的高速电机系统中,换向器与刷体温度比环境温度升高100℃左右,在这样高的温度下,电刷摩擦表面的碳原子吸附的水膜的解吸作用加快,一部分碳原子裸露出来与换向器表面铜原子咬合,并且温度越高,裸露出来的碳原子越多,电刷的磨损增大。根据吸附润滑理论,电刷的磨损速率是由值决定的,在一定条件下P是固定不变的,由于P与刷体温度存在一一对应的递增关系,所以电刷的磨损速率可以认为由电刷的刷体温度决定,电刷的刷体温度越高, P/ P值越小,因而电刷的磨损速率越高。

  胡忠良等刷体温度对高速微电机电刷磨损性能的影响3. 2电刷刷体温度的影响因素分析电刷刷体温度的升高多少取决于电刷在运动过程中产生的热量及电刷材料的散热状况等因素。

  电刷与换向器滑动系统运行过程中产生的热量由焦耳热和摩擦热组成。产生焦耳热的多少由滑动系统间的接触电阻决定,接触电阻大,产生的热量越多,而接触电阻一般与电刷材料的电阻率成正比,因此,一般来说,电刷的电阻率越大,产生的焦耳热就越多。摩擦热是由滑动系统间的摩擦状况决定,如果滑动系统间运行平稳,滑动摩擦系数小,则产生的摩擦热量就少。同时电刷的刷体温度又与空气环境温度及电刷材料的导热率有关。空气环境温度越高,滑动系统与空气间的热梯度变小,因此电刷刷体温度增高。电刷材料的热导率越高,散热就越快,电刷刷体温度就越低。

  电刷的换向性能对电刷刷体温度有重要影响,由于微电机运转速度很高,电刷的换向性能就尤显重要。如果电刷的换向性不好,则电刷与换向器间产生较大的火花,这势必对电刷摩擦表面造成冲击,使电刷及换向器摩擦表面变得粗糙,增大摩擦力,从而使电刷摩擦热增加,导致电刷温升增高。

  对于高速微电机滑动系统,影响电刷刷体温度的因素众多,并且一些影响因素往往不能同时达到*佳值,为降低电刷刷体温度,提高电刷的使用寿命,研制电刷时应注意下述因素。

  3. 2. 1电刷的换向性一般电刷的电阻率越高,其换向性越好,电刷及换向器表面间润滑膜的状况良好,摩擦系数低,产生的摩擦热少,但产生的焦耳热较多。本文中,进口电刷的电阻率*高,其换向性*好,形成的润滑膜的状况*好,尽管产生的焦耳热*多,但摩擦生成热少,所以电刷的刷体温度*低,磨损性能*佳。

  3. 2. 2固体润滑剂和添加剂的使用固体润滑剂对于电刷表面水分子膜覆盖率减少的情况下,能起到一定的润滑作用,从而可以增加电刷的磨损性能,本文中自制电刷采用MoS作润滑剂,它是有效减小摩擦系数,是一种优良的固体润滑剂。添加剂为非导电物质,它能够有效抑制火花,增加电机的换向性能。

  3. 2. 3电刷材质的选用采用添加一定量铜粉的焙烧型高阻电刷,具有相对较低的电阻率,因而具有较低的接触电压降,较好的热导率,这些因素都有助降低电刷的刷体温度,从而提高电刷的减磨性能,但较低的电阻率,对其换向性能有一定影响,如果能研制出一种性能优良的添加剂,大幅度提高其换向性能,则焙烧型电刷比全炭质高阻电刷具有明显的优势。

  4结论( 1)对于高速微电机电刷,刷体温度对其磨损性能有着十分重要的影响,刷体温度越高,磨损速率越大,用它可以作为衡量电刷磨损性能的参考值。

  ( 2)空气环境温度增高,电刷刷体温度增高,电刷磨损加快。

  ( 3)影响电刷刷体温度的因素众多,在研制高速微电机电刷时,应充分考虑电刷的换向性,润滑剂、添加剂和电刷材质等因素。

  赵吉存,周伟,孙琼,等。新型微特电机用电刷张文浩,夏金童,卢学峰。微型电机电刷的研黄维德。人造树脂作粘接剂的电刷[ J] .电碳,钱玉章,顾庙昌,季惠琴,等。一种高速电机用电刷的制造方法[ P ] .中国专利:[ 6]卢学峰,夏金童,张文浩,等。新型高阻炭刷的制备研究[ J] .湘潭大学学报(自然科学版) ,[ 7]夏金童,卢学峰,李焰,等。微特电机用焙烧型[ 9]邵浩明,夏金童,李焰,等。不同鳞片石墨对高炭素5结论本文采用模型和SIMPLEC算法,对不同二次风与三次风入口布置方式条件下的石油焦煅烧回转窑内部的气相流场进行了数值模拟,通过对数值模拟结果的比较和分析,获得了*佳的二次风与三次风入口布置方案,即二次风与三次风入口方向均吹向窑头、二次风和三次风风管分别布置于不同的两侧的布置方案,该结论可为石油焦煅烧回转窑结构的优化设计和改进提供参考依据。

  温作仁。石油焦煅烧基地大型煅烧设备选择的技术经济论证[ J] .轻金属, 1995( 8) .

  张玉珠。石油焦煅烧质量的控制与提高[ J] .

  于国友。炭素煅烧回转窑热工参数的调整于进。浅谈回转窑工艺操作*佳化的途径周萍,刘朝东,周乃君等。石油焦煅烧回转窑内多场耦合数值仿真与操作参数的优化[ J] .

  (接第34页)[ 10]夏金童,卢学峰,李焰,等。高阻炭刷制备工艺和性能的研究[ J] .湖南大学学报(自然科炭素

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