扁平式碳基換向器大幅提升汽車燃油泵直流電機的壽命

近年來，為了節省空間和提高產量，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效能。在汽車燃油泵系統中，汽油箱內廣泛採用小型直流電機驅動燃油泵裝，電流在汽油中換向，電弧電壓和持續時間與在空氣中不同。小型直流電機因其體積小、價效比高而廣泛應用於汽車燃油泵的驅動，換向是決定電機效能的重要因素之一。

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。

為了實現這一點，在燃油泵電機上採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製成的，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時間短，滑動條件好，但在大換向電流下，電弧持續時間長，換向器會因電弧損壞的黑色部分迅速從分段邊緣侵入。當黑色部分寬度達到刷子寬度時，會出現不穩定滑動或異常磨損然後，導致有效換相間隔變短，電弧持續時間和剩餘電流迅速增加。

剩餘電流和電弧持續時間

剩餘電流和電弧對直流電機燃油泵是有害的，需要在設計階段去消除。剩餘電流即漏電電流，流過剩餘電流動作保護裝置主迴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（實線在換流結束時，一部分換流電流留線上圈中）。

當剩餘電流大於最小電弧電流時，換向器段與電刷之間發生電弧，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

由於電弧持續時間較短，換向器和電刷磨損較小，碳換向器在汽油中的效能優於銅換向器。如果電弧持續時間變長，換向器和電刷磨損，殘餘電流隨著時間推移而變大。也就是說，由於磨損，有效換相間隔變短，剩餘電流增大。

下圖為顯示了銅和碳換向器的換向電流和電弧持續時間之間的關係，由此可知，碳換向器的電弧持續時間比銅換向器短。

發生電弧時，電弧點停留在換向器段和電刷表面，電弧腐蝕部分不接觸，大的剩餘電流形成長弧，導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，由於銅換向器的電弧持續時間較長，下圖可以看出碳換向器的壽命要優於銅換向器結果表明，汽油中碳的交換特性優於銅。

換向電流與電機壽命

由於在高換向電流下剩餘電流增大，電弧持續時間變長，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執行的結果，當電弧持續時間開始迅速增加並超過約50us時，電弧持續時間和剩餘電流從一開始就減少了，但27小時後換相條件迅速惡化。在7A和8A換相電流下，電弧持續時間和剩餘電流從一開始就迅速增加，結果發現，在高電感條件下，長時間執行是困難的。

換向器表面磨損狀況

長時間運轉後，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後的表面，被電弧損壞部分的寬度延伸到換向器段寬度的一半，這個寬度等於電刷寬度，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的電弧能量引起的。

結論

扁平碳換向器在汽油中的特性，得出以下結論：（1）在大電流下，電弧持續時間和剩餘電流增大，換相條件變差，（2）當電弧部分的寬度延伸到電刷寬度時，電弧持續時間迅速增加。（3）快速增加電弧持續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效能優於銅換向器，但電弧持續時間較長，需要採用抑制電弧放電的技術，在大功率電機換相電感較大的情況下，其效能有待進一步研究。