碳刷与换向器故障现象及处理

碳刷与换向器故障现象及处理碳刷是一种导体，它在电机运行时接触换向器，并在接触面上形成一层均匀、适度、稳定的氧化膜，这是电机运行良好的主要标志之一。

因为这层氧化膜的存在，改变了碳刷与换向器间的接触特性、减少了摩擦、降低了磨损、延长了使用寿命。

氧化膜是一种复合薄膜，其组成成分与碳刷型号及换向器电环的材料成分有关。

实验表明氧化膜的正常厚度在8~100 nm的范围内，一般为25 nm，需用电子显微镜才能观察到，碳刷与换向器环接触面实际是由无数个点相接触，一般接触面只有碳刷总面积的千分之几左右。

接触面积的大小由电机的转速、换向器材质的硬度、加工精度、偏摆度、碳刷的材质、碳刷上的压力大小等因素来决定。

外界施加电压小时，氧化膜可一定程度的绝缘，当电压升高到一定值时，氧化膜被击穿。

一旦击穿，不管电流如何增加，由于导电点的增加、导电面积的扩大，则接触电压保持恒定。

这层氧化膜具有非常好的润滑性能，碳刷与换向器接触表面起润滑作用的润滑层主要是石墨膜。

这层石墨膜将碳刷与换向器分开，使摩擦在石墨润滑层间进行，降低了摩擦系数，可减少摩擦生热，减少碳刷的磨损。

因此碳刷的过热故障，大多情况是由于氧化膜被破坏且无法重新建立导致的。

碳刷及换向器常见故障及解决办法通常直流电机的换向器由很多带有鸽尾的铜质换向片组成，片间采用云母片之类绝缘，换向片与云母片相间叠成圆桶形，两端用V型环夹紧，再靠螺栓锁死。

某现场主要钻机配套使用通用GE752系列的直流电机，结构大同小异，虽然质量可靠、设计合理，但也避免不了出现碳刷在运行中最常见的发热、产生火花、严重烧损刷握、碳刷自带导电铜丝辫发毛散开或烧断、碳刷全部或局部碎裂及换向器烧出凹坑等故障。

产生这些故障的原因主要体现在以下几个方面。

直流电机正负电刷间是直流电，旋转的电枢绕组元件经常从一条支路转入另一条支路，产生的电流是交变的。

这种电流改换方向的过程我们称为换向，其过程极为短暂，通常约为0.0005~0.002 s，却包含复杂的物理、电磁、机械、电化学和电热等现象，而且彼此影响。

出现换向不良时碳刷接触面就产生火花，易灼伤换向器与碳刷，使其表面粗糙留有灼痕。

这样会使火花增大，产生恶性循环，影响电机使用；有时火花还将产生高频电磁波干扰无线电设备。

钻机的直流电机在控制上尽量减少附加换向电流，如顶驱采取装设换向磁极帮助换向。

另外合理使用碳刷也很关键，因为通过减小换向电流以消除火化，应增加换向回路的电阻。

换向元件和换向片的电阻极小，换向回路的电阻基本上等于碳刷与换向片的接触电阻，要增加换向回路主要依靠选用合适的碳刷。

而且使用中要结合换向片的硬度，整机中不能混用。

直流电机的功率与电机的温升有直接的关系，温度越高发挥功率及效率越小，在使用该类电机时一定要保持充足的冷却。

某现场配用的电机中，电机的通风不理想，属于开式通风，完全用自然风，其质量较差，还受环境温升的影响。

这样的通风容易致电机发热增加，异物增加，风筒锈蚀，造成铁锈对电机运行的威胁或机械损伤。

有时因冷却风道堵塞节流，换向器表面易生铜绿、通风沟与通风孔堵塞、循环风扇风量下降。

尤其是当运行中换向器表面温度过高时，导致电刷磨损加剧，刷辫灼伤或烧断，碳粉积聚增加，有可能会堵塞上述换向器表面的散热通道。

因此在大小修时，应对换向器表面通风沟、孔以及冷却风道滤网进行清理，保持通畅；日常定时维护，进出滤网异物清理，消除可能存在的隐患；对于经过多次车削修整的换向器，注重换向器表面的通风沟，深度不足4~5 mm的，如车削到径向限制孔时，就按照说明书根据最小使用外径进行更换，保证换向器的机械及散热可靠性。

由于接触电阻过大或分布不均而产生发热。

换向器和电刷是通过相互滑动接触导通电路电流的，根据容量及型号的不同，每个换向器上大约分布着数十只电刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，会导致发热不均匀。

主要有以下几个方面：①电刷与滑环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大，有无松脱现象。

一般通过测量单个电刷总压降、电刷接触压降、刷体压降、联结压降、刷辫压降进行相互间对比来检查。

同时检查回路中各螺丝是否紧固，各级接线鼻连接面是否光亮、压制不紧，检查电刷接触面的清洁程度，是否存在油腻污染。

②电刷压力不均匀或不符合要求，可能有电刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。

应使用弹簧秤检查电刷压力。

恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应符合其产品的规定，按常规同一极上的弹簧压力偏差不宜超过5％；非恒压的电刷弹簧，有规定时压力应符合其产品的规定，当无规定时，应调整到不使电刷冒火的最低压力，一般为140~250g/cm2，同一刷架上每个电刷的压力应均匀。

③换向器与转子引线接触电阻过大，这种情况应对换向器与转子引线间的紧固螺丝进行加固。

④电刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的电刷。

同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的电刷，对于外观检查有明显差异的电刷应更换。

由于机械及摩擦等原因造成的过热。

换向器与电刷过热故障中，很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的，如果在开机时还未加励磁，就已经发现换向器与电刷温度高，或者在运行中温度过高，拔出几只电刷后，温度反而降低，那就基本可以肯定是由于机械及摩擦原因导致的。

机械及摩擦导致发热的情况很复杂，主要有以下几个方面：①电刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的电刷。

运行中更换电刷，在同一时间内每个刷架上只允许更换1~2个电刷。

换上的新电刷应事先在与换向器直径相同的模型上研磨好，且新旧牌号须一致。

如果在大修时一次更换的电刷很多，应当在投运前冲转时，为电刷表面形成氧化膜留够充足的时间。

②电刷与换向器接触面过小，接触面积一般不应小于单个电刷截面的75％。

③电刷在刷盒中摇摆或动作遇卡不灵活。

电刷在刷握内应能上下自由移动，其间隙应符合产品的规定，当无规定时，其间隙可为0.10~0.20 mm，电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05 mm。

④刷握与换向器表面间隙过大。

由于电刷材质较脆，当刷握与换向器表面间隙过大时，运行中电刷不能整体接触换向器，与换向器呈斜面接触，容易造成电刷崩裂的情况。

刷握与换向器表面的间隙应符合产品技术要求，当产品无规定时，其间隙可调整为2~3 mm，调整间隙时，可使用一层2~3 mm厚的橡胶垫附在换向器表面，将刷握抵到橡胶垫上，然后上紧定位螺丝，取出橡胶垫，做到均等。

电机振动大也会产生火花使换向器、电刷间温升高。

要及时消除这种影响，注意电机轴承有无过度磨损、润滑充分程度、与生产机械安装的同心度、底脚螺丝有无松动、电机转子轴弯曲度、机架强度是否足够；另外平台电机的运行环境较差，附近设备有时的振动也会对电机换向机构产生威胁。

平时加以正常维护，针对出现问题要彻底解决问题。

换向器、电刷故障的分析及建议加强对电刷表面氧化膜的认识，创建其形成和正常工作的条件。

如果电刷表面的氧化膜润滑层无法形成，说明形成氧化膜的一些条件不满足。

综合起来氧化膜无法形成或形成不良主要有以下几个原因：①温度过高。

电刷的氧化膜一般在70℃左右较易形成，当换向器、电刷出现过热故障时，通常温度都在150℃以上，此时即便换上新的电刷，氧化膜也不易形成，无法起到润滑作用，电刷磨损将加剧，导致温度继续升高，形成恶性循环。

此时可采取外部强迫降温的方法，譬如涂抹凡士林、大功率风扇通风等手段，使换向器温度降到正常范围内，持续一段时间，电刷表面氧化膜将逐渐形成，使之进人良性循环状态。

②冷却空气中有污染性杂质。

空气中的杂质对电刷表面氧化膜的形成将带来不利影响，这些杂质包括：硫化物或卤族元素的腐蚀性气体、空气中油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。

电刷磨损时，本身会产生碳粉的粉尘杂质，可采用在刷架罩冷却通风循环通道上安装过滤装置来改善刷架罩内的空气质量。

比较理想的是冷却系统封闭，循环风道采用滤尘装置，这样内部换向器表面才能一直保持光亮，导电可靠。

③空气湿度太低或含氧量太低。

电刷表面氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。

另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。

氧化膜无法形成或形成不良除与上述因素有关外，还有电刷过度研磨、使用溶剂进行擦拭、换向器表面光洁度不良以及碳刷材质不合格等原因。

电刷及刷架产品在选购过程中应严格控制质量。

目前同一品牌的电刷，都是在各个不同的地方、不同的工厂加工的。

这就要求在进货过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行了解。

日常运行中加强对换向器及电刷的维护管理。

加强电刷、换向器系统的专职维护制度，提高专责人的技术水平，严格按照电机运行规程的要求对换向器、电刷进行检查和运行维护，每次更换电刷的质量要严格控制。

另外要积极运用红外热成像技术进行换向器、电刷日常的巡检检查以及对故障部位有怀疑时作为辅助分析的工具。

曾经在一次钻井过程中发生过类似险情，绞车电机低速运行中突然发生沉闷的爆炸声，引起SCR保护性封锁停止供电。

检查分析原因是刷握一只压片胶木断裂失去作用让碳刷不知何时跳出刷座，在换向器上拖滑，所经之处出现了烧伤的凹坑，多条相邻鸽尾型铜质换向片之间短路，电机已无法使用。

当时只能恢复性处理，使用GE专用工具，在另外一台电机带动下磨砂换向器表面，平均光滑后再用刀片刮除相邻换向片间的毛刺及短路点。

因此经常检查碳刷的长度、活络性、压紧机构、各接点螺栓、换向面的状况等是非常必要的。

对于直流电机固定结构产生的问题，我们只能正视绝不可回避，问题的出现自然有它的解决措施。

要重视从平时运行维护抓起，各专业间均要多关心，相互提醒，经常进行沟通交流，出现问题及时合理处理，就会避免设备的进一步伤害，做到勤维护、早发现。

这对设备的安全运行将提供充足的保障，对消除生产中可能的隐患具有重要的意义。