電刷刷體與導線固定方法的研究

殷景峰，程桂香

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前 言

隨著電機工業迅速發展，對電刷的質量要求越來越高。電刷作為電機關鍵組件，其性能好壞制約著我國電力產業的發展；由于高空發電機和交流機、換向困難的大型電機、高圓周速度和高電流密度的新型電機和各種類型微電機的出現，對電刷提出愈加苛刻的要求，質量要求也越來越高。

在電刷加工過程中，電刷的裝配，特別是刷體與導線的固定，是一個重要的環節。電刷刷辮是用來外接電氣設備，需要在電接觸時接觸靈敏和接觸電阻盡可能小，且保證運行時其不會脫出，故刷體與導線的固定質量的優劣直接影響電刷在電機上的實際應用。對于受沖擊負荷頻繁、使用環境惡劣的鐵路牽引電機用電刷和軋鋼電機用電刷等，刷體與導線的固定的質量問題顯得更為重要。因此，為了保證電刷正常的運行，解決刷體與導線固定的質量問題至關重要。

2 電刷刷體與導線固定方法的發展歷史和研究情況

縱觀電機用電刷刷體與導線固定方法的發展歷史，英國摩根電碳有限公司[1]的電刷導線填塞方法是世界上最先被發明的，當時被稱為貝特塞聯接，并申請了專利。后因專利保護期填塞方法是世界上最先被發明的，當時被稱為貝特塞聯接，并申請了專利。后因專利保護期滿，方才廣泛地被其他國外電刷制造企業所使用。該電刷導線固定方法采用填塞的方式，通過用金屬粉末來填入電刷的刷辮和刷體孔壁之間的空隙，這種電刷導線與刷體的聯接方式被認為是最簡單、最有效，且能夠滿足電刷在電機和機械上的耐用性，不但在新使用的時候是好的，就是在它受到熱和持續不斷震動的整個電刷使用壽命期間也是好的。

日本的電碳企業[2]為解決傳統的銅填粉填塞后電刷出現的質量問題，經研究改進選擇采用海綿狀鐵粉取代銅填粉，并做了相關試驗同傳統電刷導線脫出拉力與導線接觸電阻進行對比，發現采用海綿狀鐵粉作為填塞粉性能最佳。

德國林斯道夫碳公司[3]電刷刷體與導線固定的方式是先鉆孔，后攻絲，再擴孔，并采用鐵粉來替代銅粉填塞電刷；對大型電刷填塞時，會采取對刷孔進行銀粉復合物噴涂工藝，減少導線接觸電阻，填塞后一般會采用樹脂封口。其不主張采用鍍銀銅粉，認為其與鐵粉比較，性能無差別；使用鐵粉填塞這不僅可以節省銅粉，從而降低生產成本，而且電刷性能在高溫時更加優越。德國遜克碳公司認為電刷導線采用填塞法比擴管法更方便，故多采用填塞法來固定電刷導線，通常使用樹枝狀銅粉作為填塞粉，以樹脂封口。

俄羅斯[4]通常是普通鉆床用聯合螺紋扁鉆鉆孔，加工錐形孔，導線直徑比孔徑小0.6-1.6mm，裝進刷體的導線末端應折2-3mm，而后用專用銅粉填入刷體與導線間的空隙。

我國電刷刷體與導線固定方法的歷史較晚，起始于上世紀五十年代，從事電刷生產的企業很少，對其重視程度也較差，而發展到目前，所有的生產廠家包括哈爾濱電碳廠、自貢凱迪碳素有限公司、上海摩根碳制品有限公司等，都對電刷導線固定質量相當重視，而且在其質量的改進與提高上做了大量工作，并取得出色的業績。

上海電碳廠[5]在七十年代為電刷填塞材料的改進作了大量的試驗與研究，其中包括對電刷孔的深度和形狀與效果的比較，電刷采用酚醛樹脂封口前后的效果研究等，并取得了一定的成果。

東新電碳廠[6]工程技術人員與老工人也在提高電刷導線固定質量上作了大量工作，在試驗基礎上，先后在八十年代發表了“關于增大填塞電刷脫出拉力的方法”等多篇論文。其中較全面地介紹了采用X射線來查證刷辮與刷體之間填粉的密實性、填粉的塑性形變的探討、電刷填塞孔的形狀對脫出拉力的影響等。

3 實現電刷刷體與導線的固定方法

一個用于實際電機的優質電刷，導線與刷體之間的可靠聯接十分重要，因為過電流沖擊和振動等因素而造成連接失敗的教訓很多。結合多年實際電刷裝配加工經驗分析，電刷的導線常根據不同情況選用適合的方法進行裝配，通常有填塞法、擴鉚法、悍按法、模壓法四種。由于擴鉚法、悍按法、模壓法裝配的導線具有一定的局限性，而填塞法固定電刷刷體與導線是目前最簡單、有效的聯接方法，因此電刷刷辮的固定絕大部分是采用填塞法。

3.1 填塞法

填塞法是通過在電刷上預先鉆好錐形孔或螺紋孔，采用特制的銅粉或其他非金屬導電粉末，使用專用工具將刷辮搗固在預先加工成孔的刷體內，再用樹脂膠將填塞孔表面封好，如圖1所示。此種固定方法適用于絕大多數電刷，或電刷截面較大的情況。

圖1 刷體刷孔位置加工示意圖 / 填塞法成品電刷示意圖Fig.1 Brush body brush hole position processing schematic diagram / packing method finished brush schematic diagram

目前采用的填塞方法一般為手工填塞及機器填塞兩種，手工填塞（如圖2中a所示）是操作者通過手錘導線填塞器將導線填入刷體刷孔內，并將填塞粉搗實，直至刷體刷孔填滿為止。機器填塞（如圖2中b所示）是根據電刷刷辮裝配需要進行調整填塞機，將導線引入填塞器的孔內，根據填塞孔深度、直徑對機器做出填塞命令從而完成導線固定加工。

圖2 填塞方法Fig.2 Tamping method

3.2 擴鉚法

擴鉚法是在電刷上部鉆孔、銑槽，刷辮由孔內穿入刷體的容線槽并繞在銅管上，加上墊圈后用專門工具將銅管兩端擴脹，刷辮即可被鉚固在刷體上，如圖3所示。黑色電刷及含銅量在70%以下的金屬石墨電刷，采用此法固定刷辮時，為降低刷辮與刷體間的接觸電阻，均需在刷體的容線槽內鍍銅。由于機械強度好，適用于振動條件下使用的電機電刷。

圖3 擴鉚法加工示意圖 / 擴鉚法成品電刷示意圖Fig.3 Expanded riveting processing schematic diagram/expanded riveting finished brush schematic diagram

擴鉚法電刷的刷辮孔多為斜孔，可按圖4和式①、②計算，其中α和β的近似數值。但α和β的最大值超過45°時，即應調整鉆孔位置。

圖4 刷辮孔位置示意圖Fig.4 Sketch of braid hole position

擴鉚法電刷刷辮與相應孔槽共配合方式如圖5所示。

圖5 刷辮與刷孔配合示意圖Fig.5 Sketch of matching braid and brush hole

3.3 焊接法

焊接法是在刷體上部按規定位置鉆好焊按孔，并在其上部或焊接孔內鍍銅，（鍍銅層厚度0.02-0.03毫米）將刷辮穿入刷體焊接孔內，用焊錫焊牢，此種裝配方法適合于戴面較小，不宜采用其它方法裝配的電刷,適用于小型電機。

圖6 焊接法成品電刷示意圖Fig.6 Sketch diagram of welding finished brush

3.3.1 鍍銅高度尺寸按圖7和式③、④、⑤確定

圖7 鍍銅高度示意圖Fig.7 Copper plating height diagram

3.3.2 刷辮孔斜度計算按圖8和式⑥、⑦計算

圖8 刷辮斜孔示意圖Fig.8 Sketch of oblique hole of brush braid

3.3.3 刷辮與孔槽的配合形式如圖9所示

圖9 刷辮與孔槽配合示意圖Fig.9 Sketch diagram of matching braid and hole slot

3.4 模壓法

模壓法固定刷辮分2種方式，如圖10所示，一種是在電刷上部按規定位置鉆孔，穿入刷辮，然后把穿好刷辮的刷體放入專用模具中，用壓床沖壓，即可將刷辮牢固的結合在刷體上。另一種則是在壓制電刷的同時將刷辮固定在刷體上，成品如圖11所示。通常采用熱壓的方式，此方法適合于大批量生產、含銅量較高并富有可塑性的電刷，而且需要專用壓力機及較為復雜的模具，通常采用熱壓成型。

圖10 模壓法示意圖Fig.10 Schematic diagram of molding method

圖11 模壓法成品電刷示意圖Fig.11 Sketch diagram of finished brush by mould pressing method

4 結論

電刷作為電機機組中電能傳遞的樞紐，其狀態的好壞直接影響電機機組的正常工作，進而影響整個電機系統的可靠等級，故電刷質量要求愈加重要。本文主要是對電刷導線固定方法，特別是長期使用，并已有百年歷史的傳統機械加工來實現電刷刷體與導線的固定進行重點的論述。如何進一步完善電刷導線的固定方法，還是需要我們大家共同去探討并相互進行技術交流。