简介概要

碳纤维含量对铜-石墨电刷接触电压降的影响

来源期刊：稀有金属2007年第2期

论文作者：彭春球黄守国宗争

关键词：碳纤维; 电刷; 接触电压降;

摘要：为进一步改善铜-石墨复合材料电刷的导电和耐磨性, 提高其使用寿命, 研究了在通电条件下, 碳纤维含量对铜-石墨电刷接触电压降的影响. 结果表明, 在磨损初期, 随磨损时间的延长, 电刷和换向器之间将形成一层润滑膜, 它可降低电刷的粘着磨损, 但使电刷的接触电压降增加, 并维持在某个值上;随着铜-石墨复合材料电刷中碳纤维含量的增加, 电刷的接触电压降将降低;但当碳纤维含量大于0.5%以后, 电刷接触电压降基本不变, 维持在0.5 V.

稀有金属 2007,(02),216-218 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.02.017

碳纤维含量对铜-石墨电刷接触电压降的影响

彭春球宗争

安徽大学物理与材料科学学院,安徽大学物理与材料科学学院,安徽大学物理与材料科学学院安徽合肥230039,安徽合肥230039,安徽合肥230039

摘要：

为进一步改善铜-石墨复合材料电刷的导电和耐磨性, 提高其使用寿命, 研究了在通电条件下, 碳纤维含量对铜-石墨电刷接触电压降的影响。结果表明, 在磨损初期, 随磨损时间的延长, 电刷和换向器之间将形成一层润滑膜, 它可降低电刷的粘着磨损, 但使电刷的接触电压降增加, 并维持在某个值上;随着铜-石墨复合材料电刷中碳纤维含量的增加, 电刷的接触电压降将降低;但当碳纤维含量大于0.5%以后, 电刷接触电压降基本不变, 维持在0.5 V。

关键词：

碳纤维;电刷;接触电压降;

中图分类号： TB333

收稿日期：2005-09-26

基金：安徽大学人才队伍建设经费资助项目 (04校外);

Influence of Carbon Fiber Percent on Contact Drop of Copper-Graphite Brush

Abstract：

In order to improve the conductivity and wearability of copper-graphite composite brush, the brush contact drop was investigated under the different percent of carbon fiber conditions.The results showed that the contact drop increased at the beginning of wear, and the brush contact drop decreased with the increasing of the percent of carbon fiber.After the percent of carbon fiber was up to 5%, the contact drop kept steady.

Keyword：

carbon fiber;brush;contact drop;

Received： 2005-09-26

电刷是电动机和发电机中用来转换和传导电流的重要零件。除鼠笼式感应电机外, 其他电机都要使用电刷。电刷的接触电压降是电滑动接触全部因素的综合性能的表征, 它是电刷动态特征之一。接触电压降既被看作判断电刷好坏和换向性能的依据, 又可用来探讨接触薄膜的形成和破坏、导电机理以及稳定性等因素。碳纤维 (CF) 具有高的比强度、比模量, 比重小和轴向热膨胀系数低, 良好的润滑、减摩性以及耐高温、耐腐蚀性和一定的导电性, 并且价格低, 被广泛用作复合材料的增强体 ^[1,2] 。碳纤维-铜-石墨复合材料电刷因具有良好的导电导热性, 强度高, 摩擦系数小, 磨损率低, 允许通过的工作电流大, 接触电压降小, 抗热变形性能好等特点, 因而越来越受到科技工作者的重视。过去的研究主要集中在机械磨损方面和力学性能上, 所得结论不完全适用于电刷材料。特别是在碳纤维含量对铜-石墨复合材料电刷在通电状态下的磨损性能影响方面的研究报道较少。因此系统地研究碳纤维含量对铜-石墨复合材料电刷接触电压降的影响具有重要的实际意义 ^[3,4] 。

1 实验

试验用碳纤维为吉林碳素厂生产的碳纤维, 每束含单丝3000根, 单丝直径7 μm, 密度为1.70 g·cm^-3; 铜粉为上海第二冶炼厂生产的38 μm纯铜粉; 石墨粉为山东南墅石墨矿厂生产的LG (—) 325～95天然鳞片石墨粉。

先将碳纤维表面电镀一层6 μm的铜膜, 然后切割成1.0～1.5 mm的短纤维; 试验中用于电刷材料的成分质量分数为铜83%, 铅2.75%, 锡0.25%, 碳总量14%, 其中碳纤维分别为0%, 0.25%, 0.5%和0.75%, 其余为石墨。配料时, 将碳纤维电镀的铜含量也计在其中。采用粉末冶金法在H₂保护下烧结制造复合材料, 压制压力为250 MPa, 烧结温度为 (830±5) ℃。然后再将复合材料加工成400 mm×25 mm×8 mm的电刷进行电磨损试验。

根据国标GB12175-90要求, 电刷在自制的模拟试验机上运行, 试验机由交直流电源、拖动电机、短路换向器、刷握及底座、功率表和测控系统等主要部件组成。电接触形式为环-块滑动接触, 对磨环材料为铜合金, 布氏硬度为105, 由3个相互绝缘的尺寸为Ф 320 mm×60 mm的短路环组成。环表面开有均匀轴向槽, 槽距为5.5 mm, 槽宽为0.5 mm, 槽深为2 mm。按国标试验条件和试验步骤对电刷进行测试。试验前电刷先在试验机上进行研磨, 然后取出电刷, 用千分尺测量其长度, 再重新装入原来的位置, 进行50 h的磨损试验。换向器线速度为15 m·s^-1, 磨损试验其他条件与研磨时相同, 电刷压力为20 kPa, 通入的电流密度为15 A·cm^-2, 每隔5 h测一次接触电压降, 总的磨损时间为50 h。

图1 一对电刷接触电压降测量示意图

Fig.1 Schematic diagram of contact drop for per brush pair

(a) Position of per brush pair on commentator; (b) Schematic diagram of brush contact drop

图1是一对电刷的接触电压降 (正、负刷附加软接线端子之间的电压) 测量示意图, 图1 (a) 中电刷的软接线与换向器接触面的距离不超过5 mm, 且在t/2处 (t为电刷宽度) , 测量的直流电压表精度为级。

2 结果与讨论

试验测得接触电压降由以下3部分组成: (1) 两块电刷软接线到摩擦面间电压降; (2) 两块电刷间换向环的电压降; (3) 两块电刷表面润滑膜的电压降。在这3部分中只有润滑膜的电压降在变化, 故一对接触电压降的变化实际反映的是润滑膜电压降的变化, 即润滑膜的稳定程度。从图2可知, 在磨损初期, 接触电压降较小, 随磨损的进行, 接触电压降略有增加, 以后维持在一较稳定的值上。因为在磨损初期, 电刷与换向器为机械接触, 仅限于微观区域, 即所谓的α斑点。有效接触面积 (Hertz面) 比表观接触面积小得多, 故将产生收缩电阻R=ρ₁/4a+ρ₂/4a ^[5] (ρ₁, ρ₂分别为电刷材料、换向器材料的电阻率, a为α斑半径) 。此时电刷与换向器之间产生较严重的粘着磨损, 接触电压降主要由收缩电阻产生。随磨损的进行, 机械性功率损耗W_m=9.8 μS_bPV和电气性功率损耗W=S_biu ^[6] , 将使电刷和换向器产生温升, 以及物理吸附、化学吸附的作用, 在电刷与换向器之间形成一层薄膜。上两式中的符号含义为: μ: 电刷与换向器间摩擦系数; S_b: 电刷表观接触面积; P: 电刷压力; V: 换向器圆周速度, i: 电刷电流密度; u: 电刷与换向器间接触电压降。这层薄膜实际上是一层固体润滑膜, 可使粘着磨损降低。它只能通过隧道效应导电, 此时接触电压降为接触点薄膜的电压降, 因此使接触电压降升高。

图3表明, 随碳纤维含量的增加, 复合材料电刷的接触电压降降低。一方面镀铜碳纤维的加入, 增加了电刷与换向器上的点接触面积, 另一方面由于镀铜碳纤维本身的导电性能比石墨好, 此外, 由于碳纤维的研磨作用, 薄膜的厚度没有随时间的延长而增厚, 所以接触电压降降低。当碳纤维含量大于0.5%时, 碳纤维分布到石墨中的几率增大, 分布在石墨中的碳纤维在电磨损过程中产生剥落, 破坏了表面接触状态, 磨损加剧, 摩擦系数增大, 润滑膜有增厚的趋势, 但碳纤维的研磨作用抑制了膜厚增长, 使其维持在一较稳定值上, 所以接触电压降变化不大。