近年來為了節(jié)省空間和提高產(chǎn)量要求電動機體積小速度快換相會變得更加困難從而需要改善電刷材料以獲得良好的性能在汽車燃油泵系統(tǒng)中汽油箱內(nèi)廣泛采用小型直流電機驅(qū)動燃油泵裝電流在汽油中換向電弧電壓和持續(xù)時間與在空氣中不同小型直流電機因其體積小性價比高而廣泛應(yīng)用于汽車燃油泵的驅(qū)動換向是決定電機性能的重要因素之一

換向器通常是銅和圓柱形的銅換向器的換向電弧電刷磨損以及電刷材料在汽油中換向階段發(fā)生電弧放電造成換向器表面嚴重的電刷磨損和損壞因此換向器和電刷材料需要耐受電弧放電

為了實現(xiàn)這一點在燃油泵電機上采用了扁平式碳換向器電刷寬度是換向器段的一半換向器和電刷都是由碳石墨制成的碳刷及碳扁換向器取代圓柱形銅換向器

在較小換向電流下石墨扁平換向器的電弧持續(xù)時間短滑動條件好但在大換向電流下電弧持續(xù)時間長換向器會因電弧損壞的黑色部分迅速從分段邊緣侵入當(dāng)黑色部分寬度達到刷子寬度時會出現(xiàn)不穩(wěn)定滑動或異常磨損然后導(dǎo)致有效換相間隔變短電弧持續(xù)時間和剩余電流迅速增加

剩余電流和電弧持續(xù)時間

剩余電流和電弧對直流電機燃油泵是有害的需要在設(shè)計階段去消除剩余電流即漏電電流流過剩余電流動作保護裝置主回路的瞬間電流為電流有效值下圖顯示了換向時間的換向電流波形這個換流電路有一個電感所以換流電流的相位延遲（實線在換流結(jié)束時一部分換流電流留在線圈中）

當(dāng)剩余電流大于最小電弧電流時換向器段與電刷之間發(fā)生電弧圖5顯示了電弧波形起弧電壓一般在15V以上

銅和碳換向器的比較

由于電弧持續(xù)時間較短換向器和電刷磨損較小碳換向器在汽油中的性能優(yōu)于銅換向器如果電弧持續(xù)時間變長換向器和電刷磨損殘余電流隨著時間推移而變大也就是說由于磨損有效換相間隔變短剩余電流增大

下圖為顯示了銅和碳換向器的換向電流和電弧持續(xù)時間之間的關(guān)系由此可知碳換向器的電弧持續(xù)時間比銅換向器短

發(fā)生電弧時電弧點停留在換向器段和電刷表面電弧腐蝕部分不接觸大的剩余電流形成長弧導(dǎo)致有效接觸面積減小換相條件的變化更糟

銅換向器與碳換向器相比由于銅換向器的電弧持續(xù)時間較長下圖可以看出碳換向器的壽命要優(yōu)于銅換向器結(jié)果表明汽油中碳的交換特性優(yōu)于銅

換向電流與電機壽命

由于在高換向電流下剩余電流增大電弧持續(xù)時間變長因此換向器和電刷壽命隨換向電流的變化而變化下圖顯示了在8A換向電流下碳換向器長時間運行的結(jié)果當(dāng)電弧持續(xù)時間開始迅速增加并超過約50us時電弧持續(xù)時間和剩余電流從一開始就減少了但27小時后換相條件迅速惡化在7A和8A換相電流下電弧持續(xù)時間和剩余電流從一開始就迅速增加結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高電感條件下長時間運行是困難的

換向器表面磨損狀況

長時間運轉(zhuǎn)后用原子顯微鏡觀察換向器表面用原子顯微鏡使我們不僅能從視覺上還能定量地分析滑動面

下圖顯示了碳換向器壽命試驗后的表面被電弧損壞部分的寬度延伸到換向器段寬度的一半這個寬度等于電刷寬度換向器和電刷之間的滑動面在換相時有效地減小到零在這樣的滑動面下電刷可能掉入磨損軌道滑動條件變得極其惡劣深度差是由單位時間內(nèi)的電弧能量引起的

結(jié)論

扁平碳換向器在汽油中的特性得出以下結(jié)論（1）在大電流下電弧持續(xù)時間和剩余電流增大換相條件變差（2）當(dāng)電弧部分的寬度延伸到電刷寬度時電弧持續(xù)時間迅速增加（3）快速增加電弧持續(xù)時間的總電弧能量與換流電流幾乎相同在這些試驗條件下扁平型碳換向器的滑動性能優(yōu)于銅換向器但電弧持續(xù)時間較長需要采用抑制電弧放電的技術(shù)在大功率電機換相電感較大的情況下其性能有待進一步研究