有刷电机的核心电刷考量

电子发烧友网报道（文/李宁远）在电机向高能效发展的当下，有刷电机正在向无刷电机转变。无刷和有刷的区别就在于无刷电机没有电刷和换向器。电刷，是有刷电机极具特点也常常受诟病的装置。

电机电刷在电机或发电机等旋转机械的固定部分和转动部分之间，用于电机的换向器或滑环上作为导出导入电流的滑动接触体，是有刷电机的核心部件。

电机电刷种类与优缺点

在漫长的有刷电机发展历程中，电刷经历了长久的更迭，在长期的市场验证和技术验证下，现在绝大多数有刷电机里使用的都是碳刷，以石墨类制品为主要材料，其中混入不同配比的金属粉料提高性能。

早期的有刷电机，会采用由铜线制成的电刷，这种电刷硬度高，长期使用会在电刷和换向器上产生严重的磨损，久而久之会让电机的效率降低，甚至产生火花等其他隐患。而且这个损耗过程很快，维护起来成本也不低，纯金属电刷因此被淘汰。

碳刷虽然也会磨损，但是磨损只发生在电刷上，而且相对来说磨损程度更低，更不会损坏换向器。而且现在的电机设计通常会使用固定位置的刷架插槽和适合插槽的组合刷弹簧电缆组件，磨损的刷子可以很方便地更换。

目前碳刷主要有天然石墨碳刷、电化学石墨碳刷以及金属石墨碳刷这几类。天然石墨电刷硬度偏低，但润滑性较好，集流性能优秀。多数用于运行平稳速度适中的中小型直流电机，有些可以用于高速汽轮发电机集电环，以S3、S6系列居多。

电化学石墨电刷性能和天然石墨电刷更接近，相对来说硬度比天然石墨电刷更高一些，同时具有优异的换向性和自润滑性能。普遍电刷电阻系数和电刷压降较大，在使用中磨损表现很出色，对换向器的磨损非常小。

因其极为出色的换向性能，以D374、D479为代表的电化学石墨电刷在换向困难的高速直流电机上有着大量应用。

金属石墨碳刷，有别于上面两种电刷，它的金属特性更突出，所以在导电性上性能更好，虽然兼顾了一部分石墨的摩擦特性，但是在耐磨性能上不及上面两种石墨电刷，当然，选择用金属石墨碳刷自然是为了其导电特性。

金属石墨碳刷在含铜量上的差异，决定了其电阻系数和允许的电流密度大小。高金属含量的J102等金属石墨碳刷电阻系数极小，允许通过的电流密度非常大，这意味着这类电刷的过载能力很强。

总的来说，金属石墨碳刷适用于高负荷和换向要求不高的低电压大电流电机。

有刷电机对电刷的考量

相对于无刷电机，有刷电机制造工艺相对成熟，结构简单，控制起来相对更容易实现，尤其是它成本也更低，不少场景里还是会选择有刷电机来做。另一个很重要的原因是，有刷电机在启动时具有较大的启动力矩，可以快速启动和达到额定转速，很契合要在短时间内产生大的力矩的应用场景。

那对于这部分场景，电刷上的选择对电机非常重要。现在电机首先就要求电刷的噪音小，而且不能出现火花这种隐患。尤其是某些温度较高的场景，换向表面接触电压降过大容易产生火花。这种情况下要采用硬质电刷或特制的磨料电刷降低隐患。

再者，是电机对磨损的要求，虽然磨损不可避免，但是要尽可能电刷用得更久一些，对换向器或集电环的磨损小。

此外虽然不可能让有刷电机达到很高的能效，现在的应用也需要电刷的电功率损耗和机械损耗尽可能的小，毕竟电机要向高能效发展。

小结

在电机向高能效发展的当下，很多有刷电机的应用正在加速向无刷电机转变，如电扳手类应用已经基本上实现了无刷化，电钻类、高压类以及园林类电机应用也在加速转换过程。在向无刷发展的现在，有刷电机在一些应用还保留着它固有的一些优势，这些应用上对电刷的选择是至关重要的。