碳刷和换向器的重叠系数（1.1至1.5）大大提升了有刷直流电机寿命
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电刷截面积是影响电机性能（例如寿命，EMI，噪声，效率）的主要因素之一，电刷截面尺寸的增加意味着电刷换向器接触表面的增加，反之亦然。调节电刷的截面积，可以改变换向能力。电刷的尺寸与接触表面的电流密度成反比，这一事实在很大程度上决定了换向能力，例如良好的换向或不良的换向。通过增加电刷的截面积，增加了接触电阻并且降低了接触电流密度。描述电刷尺寸时提到的一个重要因素是重叠系数（f =电刷的切线宽度/换向器每片铜片的宽度）。德国工程师建议重叠系数为0.8-1.6，以实现最佳换向，但没有提供任何数据来支持他们的陈述。
电刷设计标准 电机性能在很大程度上受电刷截面尺寸的影响，电刷电阻、电功率损耗以及摩擦功率损耗取决于触点处的电刷压力，温升在很大程度上取决于接触表面的大小，在电刷操作中要考虑通风条件。所有这些因素都对电刷的操作有很大的影响，电刷的操作更多地取决于所用电刷的数量和尺寸的足够的载流能力，表达式（i）和（ii）支持上述声明。 有关任何电气接触，电刷的运动电阻（R）与力（F）的数学公式为： 克服触点摩擦时的功率损耗如下： 其中： 上面的表达式表明，调整电刷大小是控制功耗的一种方法，控制功率损耗意味着调整电刷磨损，因此，电刷的寿命表现也得到了调整。 电机寿命 重叠因子（f）在1.0到1.5的范围内，电刷具有最佳的换向效果，使用寿命长，电流和温度相对较低。实际的最佳重叠因子（f）为1.2， 当考虑电流密度和温度上升时，电机测试使用寿命也做得很好，低电流和低火花意味着低电气磨损率。但是，电气磨损和摩擦磨损之间的总体平衡说明了这种强大的性能， 正确的电刷尺寸对于改善电机寿命很重要。 重叠因子大于1.5（1.6-1.8），他们糟糕的寿命取决于他们糟糕的换向能力，摩擦面积与刷子的大小成正比，将电刷的尺寸加倍会使摩擦面积增加一倍，电流密度不会减半。如果使用太大的电刷，最终结果是总损失的增加，摩擦损耗将增加，机械不稳定性而将产生高火花，还将发生电气“换向不足”和“换向过度”。 在这些现象（换向不足和换向过度）期间，在换向器的特定条形段收集的电流密度远高于在相邻条形段收集的电流密度。随着换向器的旋转，所收集的电流分别向着电刷的离开边缘或进入边缘拥挤，离开或进入边缘处的高能量密度会引起火花和燃烧。随着火花现象的继续，接触表面变得更粗糙。这使电刷-换向器的接触紧密度恶化，伴随其他机械不精确性，将出现电刷在高速旋转的换向器上弹跳的现象，造成更多的火花。 相反，对于要收集的特定电流，减小的电刷部分会平衡摩擦损耗与电损耗，使总损耗最小，这通常会导致电流密度过高，从而无法获得令人满意的电刷操作和寿命。在高电流密度下，可用于从接触表面传导热量的电刷面积很小。 尽管接触表面的质量温度可以是正常的，电刷表面下的局部点温度可能会很高，应付电流在接触表面上的分布不均的余量可能很小，以至于实际上是不可行的。电刷的磨损率与电流密度成正比，电刷面积必须足以提供可接受的磨损率。更高的电刷压力，这意味着更大的电流密度，可能是导致电机电刷磨损更快的原因。 较高的压力可以提供更好的接触表面积，也可能导致较高的电流密度并导致较高的温度和较高的磨损率。 结论 电刷尺寸只是影响电机寿命性能的因素之一，除其他因素外，还有诸如摩擦，接触电阻的接触特性，以及确定这些特性的条件。在这些条件中必须考虑的是：材料的性质，表面的条件（例如清洁、脏污、机加工、抛光），压力、接触表面的导电性。如果考虑到足够的重叠因子，小或大的重叠因子都不适合改善电机寿命，为了获得最佳寿命，重叠系数应为1.1至1.5，电机实际使用寿命提高了458％。 |
