碳刷（Carbon brush），行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)名稱也稱電刷，是電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，連接固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，用以傳遞能量或信號(hào)的裝置 。因其主要構(gòu)成材料為碳，故而得名碳刷。作為滑動(dòng)接觸件，碳刷在眾多電氣設(shè)備里得以廣泛應(yīng)用。碳刷產(chǎn)品采用的應(yīng)用材質(zhì)豐富多樣，主要有石墨、電化石墨、浸脂石墨以及含有銅、銀等的金屬石墨 。它一般由純碳添加凝固劑制成，外形常見(jiàn)為方塊狀，安裝于金屬支架上，并在彈簧的作用下緊密壓在轉(zhuǎn)軸上。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，碳刷負(fù)責(zé)將電能通過(guò)換相器傳輸給線圈 。由于在運(yùn)行過(guò)程中存在滑動(dòng)摩擦，碳刷屬于易磨損部件，需定期維護(hù)更換，并及時(shí)清理積碳 。其外觀類似擦鉛筆的橡皮條，頂部有導(dǎo)線引出，尺寸大小不一 。
一、簡(jiǎn)史
（一）國(guó)際
19 世紀(jì) 70 年代之后，蒸汽機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的模式興起，電力供應(yīng)逐步增加，電動(dòng)機(jī)也隨之被廣泛推廣 。1883 年，法國(guó)人法爾博（Farbe）制造出炭質(zhì)電刷，這一發(fā)明為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)在容量與轉(zhuǎn)速方面的提升創(chuàng)造了條件 。1895 - 1900 年期間，英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家紛紛建立起炭刷生產(chǎn)廠 。1877 年，愛(ài)迪生發(fā)明電話，電話的話機(jī)結(jié)構(gòu)材料采用了炭質(zhì)振動(dòng)膜和炭粒 。此后不久，電工用炭素制品與機(jī)械工業(yè)用耐磨炭素制品相互融合，逐漸發(fā)展成專門的電炭制品工廠 。
（二）國(guó)內(nèi)
電碳制品制造業(yè)在全球已有 100 多年歷史，而在中國(guó)僅有約 30 多年發(fā)展歷程 。1949 年以前，國(guó)內(nèi)僅有日本占領(lǐng)東北時(shí)期的滿洲炭素株式會(huì)社生產(chǎn)干電池用碳素棒、板，以及上海一些手工作坊加工電刷等小型工廠和作坊 。新中國(guó)成立后，電碳制造行業(yè)才開(kāi)始逐步建立并發(fā)展起來(lái) 。由于電碳制品具備良好的導(dǎo)電性、耐熱性、抗腐蝕性、自潤(rùn)滑性，且比重小、熱膨脹系數(shù)小等特性，在電工、機(jī)械、冶金、煤炭、化工、交通、電子、航空、原子能、家用電器以及生物工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)諸多部門以及國(guó)際尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用 。
二、行業(yè)發(fā)展
（一）1949 - 1958 年摸索研制和引進(jìn)蘇聯(lián)技術(shù)時(shí)期
新中國(guó)成立后，為解決東北地區(qū)電機(jī)用電刷的緊迫需求，撫順?shù)X廠（301 廠）利用日偽遺留設(shè)備，成立了 30 人的電刷試制工段 。憑借撫順礦務(wù)局提供的樣品以及能搜集到的資料，經(jīng)過(guò)一年努力，成功研制出第一代電力機(jī)車用電刷，經(jīng)試驗(yàn)可替代外國(guó)電刷 。1952 年，該電刷試制工段遷至哈爾濱電池廠內(nèi)，成立電刷車間，開(kāi)始生產(chǎn)天然石墨電刷、銅石墨電刷等多種品種 。1958 年 6 月，蘇聯(lián)援建的重點(diǎn)工程 —— 哈爾濱電碳廠建成投產(chǎn)，能夠生產(chǎn) 6 個(gè)系列、21 個(gè)品種的電刷，從而結(jié)束了 “洋碳” 在中國(guó)市場(chǎng)的統(tǒng)治地位 。1958 年后，上海電碳廠（原上海電刷廠）、北京電碳廠（原北京碳棒廠）等相繼建立，中國(guó)電碳行業(yè)的雛形開(kāi)始形成 。
（二）1958 - 1970 年從仿造到自行設(shè)計(jì)時(shí)期
哈爾濱電碳廠最初仿照蘇聯(lián)古基諾瓦電碳廠設(shè)計(jì)，工藝技術(shù)及主要設(shè)備均采用該廠標(biāo)準(zhǔn)，但產(chǎn)品品種單一，無(wú)法滿足市場(chǎng)多樣化需求 。經(jīng)過(guò)不斷努力，該廠研制生產(chǎn)出適用于 200MW 以下汽輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)和勵(lì)磁機(jī)的 D172 電刷、軋鋼電機(jī)用的 D104 及 D308 電刷、牽引電機(jī)用的 D374 電刷等 。并且在積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)了汞弧整流器用石墨陽(yáng)極及石墨柵極、抗磨石墨密封材料、無(wú)軌電車滑塊、電力機(jī)車滑板、加熱器用石墨等產(chǎn)品，品種擴(kuò)充至近百種，產(chǎn)量增加到 800 噸 。同時(shí)，還自主設(shè)計(jì)了鉛錫粉噴吹機(jī)、銅粉磨粉聯(lián)動(dòng)線、移動(dòng)式石墨化爐、連續(xù)式電爐等專用設(shè)備 。北京電碳廠生產(chǎn)的 B108 - 60 電影放映碳棒自 1958 年開(kāi)始出口，出口范圍陸續(xù)擴(kuò)大到東南亞等十幾個(gè)國(guó)家和地區(qū) 。60 年代，阜新、株洲兩家電碳廠建成投產(chǎn)，從最初的電刷加工逐步過(guò)渡到自行生產(chǎn)各類電刷毛坯，增強(qiáng)了行業(yè)內(nèi)電刷毛坯的供應(yīng)能力和生產(chǎn)水平 。這一時(shí)期最突出的發(fā)展成果是由哈爾濱電碳廠設(shè)計(jì)包建的四川東新電碳廠建成投產(chǎn) 。與哈爾濱廠蘇聯(lián)援建的第一期工程相比，東新電碳廠的機(jī)械化、自動(dòng)化程度均有所提高，勞動(dòng)條件也得到顯著改善 。
（三）1971 - 1985 年穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期
1971 年以后，尤其是在改革開(kāi)放政策實(shí)施后，中國(guó)電碳行業(yè)進(jìn)入大規(guī)模穩(wěn)步發(fā)展階段 。到 1985 年，已形成了包括哈爾濱電碳廠、東新電碳廠、北京電碳廠、上海電碳廠、上海電影碳棒廠、阜新電碳廠、株洲電碳廠、北京第二電碳廠等 8 家重點(diǎn)骨干企業(yè)，以及 100 多家電碳制品加工廠點(diǎn)的較為完整的多品種電碳制造行業(yè) 。全行業(yè)職工總數(shù)達(dá)到 6500 人（其中工程技術(shù)人員 800 人），工業(yè)總產(chǎn)值為 6424 萬(wàn)元，產(chǎn)量為 3800 噸 。從 1971 年起，行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)值增長(zhǎng)速度平均每年遞增 5% 左右 。電碳產(chǎn)品不僅滿足了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展的需求，還出口到美國(guó)、泰國(guó)、新加坡、巴基斯坦、孟加拉國(guó)等國(guó)家和地區(qū) 。
三、功能特點(diǎn)
碳刷作為電機(jī)的重要零部件，一般由碳和其他材料制成，主要用于傳導(dǎo)電流并實(shí)現(xiàn)電刷式接觸 ，在各類工業(yè)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)，如發(fā)電機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、電動(dòng)工具等設(shè)備中廣泛應(yīng)用 。碳刷的主要作用是傳導(dǎo)電流以及提供電刷接觸 ，基于此，它具備以下功能特點(diǎn) ：
良好的導(dǎo)電性：碳屬于優(yōu)良的導(dǎo)電材料，碳刷能夠在無(wú)線傳電機(jī)構(gòu)中形成穩(wěn)定的電接觸，并實(shí)現(xiàn)電流傳輸 。
不會(huì)彌漫性引火：電機(jī)運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)刷火現(xiàn)象，而碳刷能夠確?；鸹ú粫?huì)彌漫擴(kuò)散 。
具備溫度穩(wěn)定性：碳刷材料可耐受高溫或低溫環(huán)境，保障電機(jī)在不同溫度條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn) 。
耐磨性和耐久性佳：通常情況下，碳刷故障率較低，使用壽命較長(zhǎng) 。
四、結(jié)構(gòu)
（一）結(jié)構(gòu)形式
石墨電刷裝置依據(jù)電刷在換向器或集電環(huán)上的安裝方向，可分為徑向式、后傾式和前傾式三種 。在常用的徑向結(jié)構(gòu)中，彈簧的加壓方式也存在差異 。例如，（a）為窩線盤簧，（b）為螺旋壓簧，（c）為拉簧，這三種彈簧加壓方式均是使彈簧壓力直接作用于電刷上 ；（d）為杠桿壓板式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是彈簧壓力并非直接施加到電刷上 。
（二）分類
按材料分
碳 - 石墨電刷類：
天然石墨電刷：此類電刷接觸電壓降相對(duì)較高，整流性能良好，集流性能遜于電化石墨電刷，但潤(rùn)滑性能出色，適用于線速度較高的同步機(jī)滑環(huán)及交流繞線式電動(dòng)機(jī) 。
樹(shù)脂粘結(jié)劑石墨電刷：該電刷電阻較大，接觸電壓降高，換向性能佳，抗氧化、抗磨性能理想，不過(guò)電耗較大，多用于交流整流子電機(jī) 。
電化石墨電刷類：
石墨基電刷（軟質(zhì)電刷）：其特點(diǎn)是摩擦系數(shù)低，潤(rùn)滑性能好，集流性能、熱穩(wěn)定性和抗氧化性能優(yōu)良，適用于線速度較高的大型同步電機(jī)、瞬間沖擊負(fù)荷大的軋鋼電機(jī)，以及中小型直流電機(jī) 。
焦炭基電刷（中硬質(zhì)電刷）：這類電刷接觸電壓降較大，形成氧化膜能力較好，換向性能良好，具備一定集流性能，用于沖擊負(fù)荷較大的軋鋼電機(jī)等，以及電壓高于 220V 的一般直流電機(jī) 。碳墨基電刷（硬質(zhì)電刷）：此電刷屬于電化石墨電刷類中的高阻電刷 。其特點(diǎn)是電刷接觸電阻大，換向性能好，適用于換向困難的直流電機(jī)，但結(jié)構(gòu)疏松，摩擦系數(shù)大，出廠前通常最好經(jīng)過(guò)浸漬處理 。
金屬石墨電刷類：由金屬和石墨組成，充分利用金屬導(dǎo)電性好、石墨潤(rùn)滑性好的特性，通過(guò)調(diào)整金屬及石墨的含量來(lái)改變電刷性能 。其特點(diǎn)是接觸電壓降、電阻系數(shù)和電損耗小，主要用于低壓大電流電機(jī)、低壓交流繞線式電機(jī) 。
簡(jiǎn)而言之，天然石墨電刷和電化石墨電刷電阻系數(shù)和電刷壓降較大，相對(duì)耐磨，允許使用的線速度較高（可達(dá) 50 - 70m/s） 。金屬石墨電刷電阻系數(shù)和電刷壓降較小，耐磨性能較差，允許使用的線速度較低，約為 15 - 35m/s 。電動(dòng)工具用電刷的材料主要采用電化石墨 。
按形狀分：有平刷、球形刷、蒸汽浸漬碳刷、硬質(zhì)碳雙面壓制碳刷、片式碳刷、帶硬度覆蓋層碳刷等 。
按使用場(chǎng)合分：包括交流、直流電機(jī)用碳刷、集電環(huán)碳刷、軌道交通牽引電機(jī)用碳刷、電鉆、割草機(jī)、打磨機(jī)、攪拌機(jī)等工具用碳刷等 。
按使用方式分：有自然有力接觸式碳刷、彈簧壓緊式碳刷、旋轉(zhuǎn)有力定向碳刷等 。
五、應(yīng)用領(lǐng)域隨著電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，電機(jī)用電刷的系列品種持續(xù)增加，目前已能生產(chǎn)石墨電刷、電化石墨電刷、金屬石墨電刷、高阻電刷等 13 個(gè)系列，93 個(gè)品種 。碳刷的應(yīng)用范圍極為廣泛，主要應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域，在交流電機(jī)和直流電機(jī)中均有使用 。例如集電環(huán)碳刷、軌道交通牽引電機(jī)用碳刷，以及電鉆、割草機(jī)、打磨機(jī)、攪拌機(jī)等工具中也會(huì)用到碳刷 。此外，碳棒、電刷、密封材料等相關(guān)產(chǎn)品已出口至香港、美國(guó)、東南亞等 10 多個(gè)國(guó)家和地區(qū) 。1991 年，南區(qū)電碳廠開(kāi)發(fā)研制的 D313 電機(jī)用電刷、S78 電機(jī)用電刷、D3741G/D371F 機(jī)車牽引電刷等 3 個(gè)類型 4 個(gè)品牌的電碳制品通過(guò)省級(jí)技術(shù)鑒定 。其中，D313 電刷是為滿足國(guó)內(nèi)鋼鐵工業(yè)引進(jìn)高速線材精軋電機(jī)的需求而研制的，該產(chǎn)品電阻率高、滑動(dòng)性能指標(biāo)接近國(guó)際同類產(chǎn)品水平，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，結(jié)束了從聯(lián)邦德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口電刷的歷史 。1993 年 10 月，該廠從上海電機(jī)技術(shù)研究所采購(gòu)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)機(jī)投入使用，使產(chǎn)品加工精度及檢測(cè)手段達(dá)到國(guó)際電工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 。1998 年，該廠確定以鐵路機(jī)車電刷為支柱產(chǎn)品 。1999 年 12 月，該廠的機(jī)電產(chǎn)品擴(kuò)散申請(qǐng)獲鐵道部機(jī)車產(chǎn)品驗(yàn)收部門批準(zhǔn)，機(jī)車牽引電刷正式進(jìn)入鐵路市場(chǎng) 。主要產(chǎn)品為 D、J 系列兩大類，被華南、華中、西南、西北等 60 多個(gè)機(jī)務(wù)段及高性能機(jī)車所使用，鐵路電刷產(chǎn)品占工廠總產(chǎn)量的 40% - 50% 。2000 年，市電碳廠完成改制，成立株洲新方圓電碳有限公司 。同年，該公司 “ZT” 牌電機(jī)用電刷廣泛應(yīng)用于鐵路、汽車運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域 。
六、性能
