直流電動(dòng)機(jī)換向器磨損異常的原因分析

李翠蘭

(中航工業(yè)電源陜西秦嶺特種電機(jī)有限責(zé)任公司，陜西咸陽(yáng)713107)

0引 言

直流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作時(shí)，換向器表面一般會(huì)形成薄薄的一層氧化膜，它會(huì)提高耐磨性，增加電刷與換向器的接觸電阻，使換向過(guò)程比較理想，但在實(shí)際工作中換向器往往因運(yùn)行條件的不同而出現(xiàn)多種多樣的狀態(tài)。為了保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，提高電機(jī)的運(yùn)行效率，換向器表面必須維持穩(wěn)定而良好的氧化膜。所謂換向器表面的良好狀態(tài)就是不產(chǎn)生過(guò)大的換向火花，磨損正常。換向器表面的磨損隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，因此應(yīng)定期進(jìn)行檢查和維護(hù)。下面從經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題入手，分析異常磨損的原因，提出一些切實(shí)可行的解決辦法。

直流電動(dòng)機(jī)換向器異常磨損的原因很多，根據(jù)理論分析和生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾個(gè)方面。

1電氣性磨損

1．1電刷的電流密度過(guò)低

在輕載下連續(xù)運(yùn)行的電機(jī)，其電刷的平均電流密度低，溫度也低，在換向器表面不易形成良好的氧化膜，電刷的滑動(dòng)特性不穩(wěn)定。這主要是在選取電機(jī)時(shí)功率裕度過(guò)大，直流電動(dòng)機(jī)在輕載下運(yùn)行反而會(huì)產(chǎn)生不良結(jié)果。若使用中發(fā)現(xiàn)消耗電流比標(biāo)稱的額定電流小得多，說(shuō)明電機(jī)的功率選取太大，應(yīng)重新選取電機(jī)參數(shù)。可按以下要求確定電機(jī)功率:若負(fù)載與電機(jī)之間是直接傳動(dòng)，則所選的功率應(yīng)是被拖動(dòng)負(fù)載機(jī)械功率的1～1．1倍;若負(fù)載與電機(jī)之間存在傳動(dòng)系統(tǒng)，則功率應(yīng)是被拖動(dòng)負(fù)載機(jī)械功率的1．1～1．2倍。

1．2電刷牌號(hào)選擇不合適

電刷性能對(duì)電機(jī)的換向和磨損有很大的影響，應(yīng)合理選擇。在選擇時(shí)必須考慮多種因素，如電刷的接觸壓降、電刷電流密度、換向器圓周速度、電刷硬度、摩擦系數(shù)等，而這些因素往往是互相矛盾的，應(yīng)根據(jù)具體要求側(cè)重選取。

(1)選用具有較高接觸壓降的電刷能減小換向電流，改善換向性能。但在大電流電機(jī)中，過(guò)大的接觸壓降會(huì)使接觸損耗增大，電機(jī)效率降低。同時(shí)，電刷過(guò)分發(fā)熱會(huì)破壞氧化膜，反而使換向性能惡化和磨損。所以選取電刷時(shí)接觸壓降應(yīng)與電機(jī)的電壓相適應(yīng)。對(duì)高壓、小電流電機(jī)，可選接觸壓降較大的電化石墨電刷;對(duì)低壓、大電流電機(jī)，選接觸壓降較低的金屬石墨電刷。

(2)電刷硬度較高能減小磨損，延長(zhǎng)電刷的使用壽命。但過(guò)硬容易破壞換向器上的氧化膜，使換向性能變差。因此，電刷硬度應(yīng)控制在一個(gè)較為合理的范圍內(nèi)。

(3)高速電機(jī)容易引起摩擦振動(dòng)，盡量選用摩擦系數(shù)小的電刷。

在選擇電刷時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的電刷。一般的選擇原則:首先根據(jù)電刷的電流密度及換向器的圓周速度來(lái)選擇電刷種類，再結(jié)合電機(jī)的額定電流、電壓來(lái)考慮，就可確定電刷的具體型號(hào)。

1．3電樞繞組匝間短路和斷路

若電樞繞組匝間短路和斷路，各相匝數(shù)發(fā)生了變化，繞組變得不均勻，各支路電流產(chǎn)生嚴(yán)重的不平衡，電刷電密過(guò)大，換向器加劇升溫，氧化膜加厚，承受大電流的換向片換向會(huì)惡化，導(dǎo)致?lián)Q向器異常磨損，甚至?xí)霈F(xiàn)燒傷現(xiàn)象。用降壓法測(cè)電阻和短路儀可測(cè)量斷路和短路位置，也可觀察繞組的顏色，若有變色或發(fā)黑現(xiàn)象，說(shuō)明匝間短路。

1．4電機(jī)超載運(yùn)行

電機(jī)超載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流超過(guò)規(guī)定的過(guò)載電流值，尤其是加速或減速時(shí)的峰值電流不得超過(guò)最大過(guò)載電流值。若電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超載運(yùn)行，負(fù)載電流超過(guò)額定電流值，則電機(jī)溫度升高，換向器溫升超過(guò)限值，促使氧化膜加厚，氧化膜過(guò)厚會(huì)因振動(dòng)而開(kāi)裂，出現(xiàn)脫落或剝層現(xiàn)象。氧化膜的剝層現(xiàn)象使得局部變薄，電流容易集中于氧化膜的薄層部分，使局部電流急劇增大，導(dǎo)致?lián)Q向條件惡化，換向器磨損量隨之增加。

2機(jī)械性磨損

2．1換向片凸凹不平和云母凸起

換向片表面凸凹不平是換向器制造過(guò)程中換向片被壓得過(guò)緊、受到來(lái)自外部的撞擊、超速以及換向片間云母片老化等原因引起的。云母凸起往往是由于換向片磨損到超過(guò)云母片下刻的深度、車削后云母片下刻的不正確引起的。換向器表面凸凹不平時(shí)，電刷會(huì)產(chǎn)生劇烈跳動(dòng)，從而引起換向火花、電刷和換向器異常磨損。這種現(xiàn)象可以通過(guò)檢查換向器的跳動(dòng)來(lái)判斷。磨損嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)用油石研磨或車削處理，云母片凸起部分用專用工具去除，并使其低于換向器表面。

2．2電刷壓力過(guò)小或過(guò)大

一般來(lái)說(shuō)，電刷壓力大時(shí)，電刷徑向跳動(dòng)會(huì)減小，換向性能會(huì)得到改善。但是壓力過(guò)大時(shí)，摩擦力增大而使機(jī)械性磨損增大;電刷壓力過(guò)小時(shí)，電刷和換向器接觸不良，容易引起電弧，使換向火花增大。因此電刷壓力必須適中，金屬石墨電刷的壓力值選 1．5 ～2．5 N/cm2，較為合適。

2．3 夾雜物

混入大氣中的研磨性灰塵和車削修整換向器時(shí)殘留下來(lái)的銅屑、銅粉和云母粉等夾雜物，會(huì)使換向器表面在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生損傷，一旦出現(xiàn)這種情況，電刷上產(chǎn)生電流集中現(xiàn)象，使損傷進(jìn)一步惡化。這時(shí)要認(rèn)真檢查電刷的接觸面，弄清夾雜物的存在情況，然后，用金剛砂紙磨合電刷的接觸面，對(duì)換向器表面進(jìn)行修整，并對(duì)電機(jī)內(nèi)外進(jìn)行徹底清掃。

2．4 粘附油污

換向器表面粘附油污時(shí)，摩擦系數(shù)增大，往往引起換向器表面和電刷的異常磨損。這是由于存在油污而形成油膜，使臨界薄膜層的電阻明顯增大，并因放電使油膜破壞而導(dǎo)電，造成電流的過(guò)度集中。粘附在換向器表面薄膜上的油污滲入了電刷，使電刷表面成分發(fā)生變化，使其滑動(dòng)特性惡化。因此處理方法是防止油的浸入，在設(shè)計(jì)時(shí)選用致密電刷。

3化學(xué)因素

3．1 空氣濕度

濕度對(duì)換向器表面氧化膜的形成有明顯的影響，為了保持電刷與換向器良好的滑動(dòng)接觸，維持適宜的濕度是必要的，濕度過(guò)高或過(guò)低，都將造成換向不良的后果。

濕度過(guò)高時(shí)，換向器表面形成的水膜過(guò)厚。由于水膜的電解作用，電刷上析出銅來(lái)，接觸電壓降越大，這種作用就越明顯。換向器表面也隨電刷因電解作用而析出銅變得粗糙起來(lái)，當(dāng)電刷接觸面上析出的銅不易脫落時(shí)，電刷上附著的銅逐漸變大，使換向器表面磨損加劇。一般認(rèn)為，絕對(duì)濕度超過(guò)10～12 g/m3，就會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。夏季某些地區(qū)換向不良多數(shù)就是這種原因。

濕度過(guò)低時(shí)，換向器表面不能形成具有潤(rùn)滑作用的氧化膜，電刷與換向器不能有較好的滑動(dòng)接觸，容易加劇電刷和換向器磨損。這種現(xiàn)象一般在絕對(duì)濕度小于4～3 g/m3時(shí)就會(huì)出現(xiàn)。

3．2 有害氣體

大氣中存在有害氣體時(shí)，往往引起換向不良、電刷和換向器異常磨損。例如，沿海地區(qū)因電刷吸附了鹽分而容易產(chǎn)生火花和換向器故障。大氣中存在氯化性氣體或硫化性氣體時(shí)，換向器表面會(huì)形成有害的氧化膜。存在腐蝕性化學(xué)氣體時(shí)，換向器表面的氧化薄膜遭到破壞，在重新形成氧化膜的過(guò)程中，換向火花加劇，導(dǎo)致?lián)Q向器磨損。因此，電機(jī)盡量避免在有害氣體存在的環(huán)境中使用。

4結(jié) 語(yǔ)

換向器磨損異常是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，存在多方面的因素，有電刷和換向器等零件的選材、制造工藝和日常維護(hù)等原因。處理不當(dāng)不但會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使電機(jī)燒毀，造成經(jīng)濟(jì)損失。只有進(jìn)行認(rèn)真分析，采取對(duì)應(yīng)措施，才能起到較好效果。