CN105390898A - 一种柔性导电材料的电刷 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性导电材料的电刷，是用金属纤维、石墨纤维及其它导电纤维经三维立体编织而成,也可用制毡技术制成石墨纤维毡，再根据使用场合的具体要求裁制成特定形状的电刷如长方块、带弧度的长方块、圆盘等。电刷以较小的弹簧压力即可实现电刷与滑环的充分接触，电刷与滑环的脱离几率小,接触电阻小，受流面积大，发热少，可大大减少电刷温度过高或拉弧导致的停车事故；电刷不存在掉块碎裂现象，避免由此造成的电刷故障；电刷使用寿命长，运行可靠，维护、保养及更换的工作量小，特别适合大电流电机使用。

Description

一种柔性导电材料的电刷

技术领域

本发明属电机碳刷技术领域，具体涉及一种柔性导电材料的电刷。

背景技术

电刷是一种与运动件滑动接触而形成电连接的导电部件,几乎所有的直流电机以及换向式电机都使用电刷，如汽轮发电机，轧钢电机，牵引电机，汽车、起重机电机、飞机电机、电动工具电机等,电刷是电机的重要组成部件.按电刷材料的不同，可分为：石墨电刷、电化石墨电刷、金属石墨电刷及纯金属电刷。（1）石墨电刷是在天然石墨中加入沥青、煤焦油等粘合剂混合压制而成。它质地软，润滑性能较好，摩擦系数低，一般适用于整流条件正常、负载均匀的电机。（2）电化石墨电刷是由石墨、焦炭等作原料，近2500℃以上高温处理而制成。其性能优良，故使用范围广，可用于各类型的电机及整流条件较困难的电机上。（3）金属石墨电刷是在石墨中渗入铜及少量锡、铅等金属粉末混合而制成，具有优良的导电性，载流量大，特别适合交流绕线型异步电动机和大电流直流电机。(4)纯金属电刷是用薄的金属片制成。有时为了改善性能，在金属片表面镀一层其它贵金属如银钯合金。这种电刷的导电性极好，电刷上损耗不大，但耐磨性差，导致电机寿命低。由于刷片薄，也不能承受大电流，常用于微型小电机。

电刷的成本在整个用电设备上不是很大，但其作用却不容忽视，如果使用维护不当，会造成严重的后果，如国内发电厂在运行中，曾发生过多起因电刷导致的停车事故，造成了很大的经济损失。

电刷运行中存在的异常现象主要有：一，滑环及电刷磨损严重。其中的原因很多，如电刷材质选择不当、电刷在刷握中安装不到位、刷架位置不对、滑环表面不光滑、发电机振动较大、转子轴向窜动大、偏心大等；磨损有两种：一种是机械磨损，是由于电刷和滑环表面相接触，电刷在弹簧压力作用和材料弹性变形下，使直接接触部分互相嵌入，发生相对滑动时，会因摩擦作用形成磨损，如果电刷颗粒细软，碳粉易被粘在滑环表面，使后者成为具有亮滑的石墨镜面，电刷的磨面也很光滑，两者的机械磨损都较小；但如果电刷质量不好，颗粒粗硬，甚至含有少数如金刚砂之类的硬质颗粒，则会对滑环表面进行刮割，使后者出现金属光泽或纹路，电刷本身磨面也会出现硬粒脱落后而划出的纹道，就会使机械磨损大大增加。另一种磨损是电气磨损，是因电刷与滑环之间产生的电弧高温和放电等因素的作用，使极面材料受到氧化、烧蚀而损坏的现象，电气磨损导致的接触面恶化会进一步加剧机械磨损，形成恶性循环。二，电刷间电流分配不均，电流偏差大。电刷在高转速、大电流的环境下长时间运行，由于电刷与滑环接触的不稳定，必然导致电刷电流分布的不平衡，常常发生励磁电流几乎全部集中在几个有限的电刷上，致使电刷温度高而引起滑环温度高并相互作用形成恶性循环，结果是过高的温度使滑环工作表面无光泽，电刷过热、跳动、碎裂，有的甚至使刷辨和刷握发热变形、刷辨熔断、弹簧失去弹性。引起电刷电流偏差大的主要原因有：一是因滑环不圆、偏心、窜轴、刷架松动振动，电刷在刷握中间隙不合适引起晃动、卡涩、碳刷磨损情况不一致、弹簧压力不一样，造成电刷和滑环表面接触不稳定，使并联的碳刷接触状况不一致而引起电流分配不均；二是电刷磨面上导电硬粒的数量、大小、分布不一样，使滑环表面的氧化膜导电性不均出现电流偏差大。

可见，电刷及滑环的不断磨损，导致接触面不断恶化，产生越来越明显的应力集中及越来越大的接触电阻，最终导致电流严重分配不均等恶果，进而使电刷发热、冒火花，甚至使电刷与滑环间放弧，长此下去会严重地烧灼滑环表面，进而损坏滑环，又因滑环与电刷接触电阻大会引起过热，当积累到一定程度后就会着火、停机，严重威胁机组的安全运行。

由于目前的电刷无论哪种材质均是刚性的，与滑环的滑动接触是刚性接触，电刷与滑环之间的接触不充分，两者之间的实际接触面积仅为电刷表面的很小一部分，由于滑环的偏心、热膨胀、振动等原因以及电刷磨面受到电流的破坏作用和机械磨损等原因，不能达到电刷和滑环表面的完全吻合。因此，电刷和滑环表面很小的实际接触面，承受了弹簧的全部压力，电刷存在很大的应力集中，容易产生掉块甚至碎裂；另外，由于接触面小，接触电阻大，很高的电流密度通过接触面时会产生大量的热量，使电刷一直在较高的温度下运行，尤其在电刷因晃动、卡涩等不正常接触时，这种发热效应更加明显，导致电刷升温太高甚至失控；更严重的是由于电刷在长期的高温下运行导致恒压弹簧弹性变差，电刷与滑环之间的接触压力过低，再加上电机的振动，引起电刷和滑环表面短暂的分离，则产生电弧，导致地环火乃至短路，从而给电机运行带来灾难性的后果。

针对目前电刷使用中存在的问题，本发明设计了一种用柔性导电材料制成的电刷，其原理是用三维立体编织的含有金属纤维的石墨纤维预制体或制毡工艺制成的石墨纤维毡，根据使用场合的具体要求，制成特定形状的电刷如长方块、带弧度的长方块、圆盘等，从而实现电刷与滑环之间的充分接触。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种安全可靠、无拉弧现象、寿命长、维护方便的电机用电刷。

一种柔性导电材料的电刷，至少包含石墨纤维。

所述的电刷在制备过程中可将金属纤维掺入石墨纤维中混纺；所述的金属纤维是不锈钢纤维、铜纤维及镍纤维中的一种或几种；金属纤维的直径控制在0.5-100微米，金属纤维的质量至少占总纤维质量的5%以上。

所述的电刷在制备过程中可掺入碳纤维。

所述的电刷在制备过程中可掺入芳纶纤维。

所述的电刷可以是石墨纤维、碳纤维、金属纤维及芳纶纤维经三维立体编织的预制体。

所述的电刷可由石墨纤维、碳纤维及金属纤维经针刺制毡而成。

所述的电刷可以是整体制作的石墨毡，石墨毡须进行浸金属处理；所述的金属为银、铜及镍中的任何一种。

本发明的有益效果在于：1）因电刷材质是柔性的，较小的弹簧压力就可实现电刷与滑环的充分接触，故接触电阻小，受流面积大，特别适合于大电流电机；2）因电刷是编织而成，故不存在掉块碎裂现象，避免了由此造成的电刷故障；3）因接触充分，电刷与滑环的脱离几率小，且接触电阻小，发热少，故大大减少了电刷温度过高或拉弧导致的停车事故；4）延长了使用寿命，减少了维护、保养、更换的工作量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1，石墨纤维预制体制备柔性电刷

用12K聚丙烯腈基碳纤维及其高温（2500-3300℃）石墨化后的石墨纤维与铜纤维，三者按照一定的比例进行三维立体编织，编织成长宽高符合设计要求的长方体电刷；其中铜纤维的比例不低于10%（质量百分比，以下同）；碳纤维的比例不低于20%，石墨纤维不低于25%。

实施例2，石墨纤维预制体制备柔性电刷（含芳纶）

用24K聚丙烯腈基碳纤维及其高温（2500-3300℃）石墨化后的石墨纤维与镍纤维及芳纶纤维，按照一定的比例进行三维立体编织，编织成长宽高符合设计要求的长方体电刷；其中镍纤维的比例不低于15%；碳纤维的比例不低于25%，石墨纤维不低于30%，芳纶纤维的比例不低于5%。

实施例3，针刺石墨毡制备柔性电刷

用12K聚丙烯腈基碳纤维及其高温（2500-3300℃）石墨化后的石墨纤维与不锈钢纤维，三者按照一定的比例利用针刺制毡工艺制成毡，然后裁制成符合设计的柔性电刷；其中不绣钢纤维比例不低于20%，碳纤维不低于15%，石墨纤维不低于40%。

实施例4，浸金属石墨毡制备柔性电刷

以聚丙烯腈纤维为原料，按要求的厚度加工成毡，经过预氧、炭化，后在2500-3000℃下高温进行石墨化处理制成石墨毡；将石墨毡裁剪成所需的电刷尺寸；利用熔融金属高压浸碳技术对石墨毡进行浸铜处理，获得浸铜石墨柔性电刷。

Claims (10)

1.一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，电刷至少包含石墨纤维。

2.按照权利要求1所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的电刷在制备过程中可将金属纤维掺入石墨纤维中混纺。

3.按照权利要求2所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的金属纤维是不锈钢纤维、铜纤维及镍纤维中的一种或几种；金属纤维的直径控制在0.5-100微米，金属纤维的质量至少占整个纤维质量的5%以上。

4.按照权利要求1所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的电刷在制备过程中可掺入碳纤维。

5.按照权利要求1所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的电刷在制备过程中可掺入芳纶纤维。

6.按照权利要求1所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的电刷可以是石墨纤维、碳纤维、金属纤维及芳纶纤维经三维立体编织的预制体。

7.按照权利要求1所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的电刷可由石墨纤维、碳纤维及金属纤维经针刺制毡经裁剪而成。

8.按照权利要求1所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的电刷可以是整体制作的石墨毡经裁剪而成。

9.按照权利要求8所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的石墨毡须进行浸金属处理。

10.按照权利要求9所述的一种柔性导电材料的电刷，其特征在于，所述的金属为银、铜及镍中的任何一种。