直流電機換向火花的檢測與調(diào)整

高海波，程 濤，周長征，李獻峰，安富濤，張 勇

(1.重慶地區(qū)軍代室，重慶 400050;2.497廠軍代室，重慶 400071;3.虎溪電機廠，重慶 321017)

換向火花是電機運行時，電刷與換向器之間的電弧放電現(xiàn)象，是直流電機換向不良的最明顯的標志。電機換向火花偏大現(xiàn)象是電機損壞的主因，而很多其它各方面的故障初期通常也會表現(xiàn)在換向火花上。而火花對電機運行是會帶來危害的，當火花的級別太大時，甚至會燒壞電機［1］。因此在電機檢測中除了轉速、轉矩、功率、電流等項目，電機火花的檢測同樣也是一項重要的檢測項目。通過對換向火花的檢測，可以判斷電機性能是否符合技術要求，并通過尋找火花形成原因，可以為裝配人員維修和技術人員調(diào)整技術方案提供依據(jù)。本文從直流電機火花產(chǎn)生的主要原因、火花的測試以及調(diào)整的方法2個方面進行闡述。

1 直流電機火花產(chǎn)生的主要原因

根據(jù)換向電磁原理，直流電機換向火花產(chǎn)生的原因是由于電刷的前、后邊電流密度分布不均勻，或電刷與換向片分離時，元件內(nèi)短路電流并不為零，元件內(nèi)的電磁能將以火花形式釋放，于是后刷邊產(chǎn)生火花。再之，在換向元件中不可避免地產(chǎn)生電抗電勢er;另外當換向元件切割交軸電樞反應磁通時，還會產(chǎn)生旋轉電勢ea。er和ea都是阻止電流變化的，這兩個電勢都使換向惡化，形成火花。

為了改善電機換向，在直流電機中普遍采用了換向繞組，大型電機和高速電機還裝有補償繞組。這2種繞組的目的就是建立一個磁場，使其在換向元件中產(chǎn)生一個換向電勢ek，它的方向與er、ea電勢方向相反，使它們相互抵消，ek=er+ea，以達到改善換向的目的。

由于造成火花的原因可能由電磁部分或機械部分引起［2］，所以必須進一步對其進行判別。對此一般多通過觀察火花特征進行判別。經(jīng)過長期測試的觀察與分析，直流電機出現(xiàn)的火花有很多種。通常出現(xiàn)的有藍色和白色，但也有紅色，黃色和綠色。出現(xiàn)的形態(tài)也有很多種。

電磁原因與機械原因造成火花的區(qū)分如下:

1)電磁性火花通常呈藍色。當電機的工作狀態(tài)和負載條件變化時，火花的大小和亮度也隨著變化。

2)機械性火花一般呈黃色，火星長，強度弱。當電機的工作狀態(tài)和負載條件變化時，換向火花反應不敏感。增大電刷壓力或降低電機轉速，機械性火花便隨即減弱或消失。

工廠在電機的測試中，換向火花大小的檢測都是依據(jù)國標GB755-2008規(guī)定的火花等級標準進行判斷，具體分級標準詳見表1。

表1 火花等級分級標準

表1中可以看出，1級和11/4級是無害火花。11/2級雖在換向器和電刷表面產(chǎn)生輕微灼痕，但允許長期運行，不致造成對電機的威脅。2級火花的電弧能量較大，會造成對換向器和電刷的灼痕，只允許在過載時短時出現(xiàn)。3級火花是危險火花。它能導致環(huán)火事故，不允許經(jīng)常出現(xiàn)。

2 火花的檢測及調(diào)整的方法

2.1 電磁部分引起火花的檢測及調(diào)整的方法

工廠在電機的測試中發(fā)現(xiàn)通常是由以下幾種情況造成的電磁性換向火花。

2.1.1 換向極繞組連接錯誤的檢測及調(diào)整的方法

換向極繞組連接錯誤有以下2種情況:① 雙極性接反。這會使得換向磁場與電樞反應磁場相互迭加后不是抵消削弱，而是增加，使得換向更加惡化，換向火花明顯加劇，形成有明顯的環(huán)火，特別是隨著負載的增加時火花更強烈，各極電刷出現(xiàn)均勻灼痕;②部分換向極繞組接反。這會出現(xiàn)火花分布不勻，極性接反的電刷下火花增大，燒傷也較嚴重。

以上2種情況只要沿接線方向通少量直流電流，用指南針按產(chǎn)品接線圖作極性測試，就能確定其極性。當電機太小，無法使用指南針作極性檢查時，也可用以下2種方法確定其極性:

1)用交流電源測量換向極極性

把直流電機的電樞G與換向極繞組串聯(lián)，這種測試時，在換向極繞組兩端B1、B2加交流電源U1，其值約為其額定電壓的10%。然后測量。如 U3=U1-U2則說明換向極極性正確;如U3=U1+U2則說明換向極極性錯誤。因為交流電壓加在上，會產(chǎn)生交流電流，這個交流電流產(chǎn)生一個變化的磁場，電磁繞組處在這個磁場中，產(chǎn)生感應電勢。只有這2個繞組上的電勢滿足U3=U1-U2時，即感應電勢極性相反，換向極繞組產(chǎn)生的磁場在換向元件上產(chǎn)生的感應電勢才會抵消el+ek的作用，如圖1所示。

圖1 交流電源測量換向極極性

2)用直流電源測量換向極極性

將直流電源及毫伏表mv接入線路，當開關SA閉合的瞬間，mv表往正方向偏轉，開關斷開的瞬間mv表往反方向偏轉，則說明換向極極性正確，否則錯誤。因為，在開關SA閉合的瞬間，電樞繞組中的電流增加，磁場也是增加，而要達到換向繞組產(chǎn)生的磁場抵消電樞磁場，必須是換向極繞組B1、B2上產(chǎn)生一個左“+”右“-”的感應電勢。這個電勢產(chǎn)生的電流使mv表正偏。相反，SA斷開時，在B1、B2上產(chǎn)生一個左“-”右“+“的電勢，使mv表反偏。當確定換向極極性接反，應按產(chǎn)品圖要求重新接線再進行檢測，如圖2所示。

圖2 直流電源測量換向極極性

2.1.2 電樞繞組短路或斷路的檢測以及調(diào)整的方法

電樞繞組斷路時，由于斷路線圈從第一條線路經(jīng)過電刷轉入第二條線路的時候，會產(chǎn)生強烈而急速的火花，斷路線圈不斷地旋轉，換向器上的各組電刷也就一組一組地輪流發(fā)出火花，使接通斷路線圈的2個換向片，很快就會發(fā)黑燒壞。

電樞繞組短路時，將導致這一支路的其它線圈電流過大。產(chǎn)生局部過熱，發(fā)出焦臭味甚至冒煙，與線圈相連接的換向片也發(fā)熱、發(fā)黑。

電樞斷路檢測可用目測或電樞感應儀進行。對焊接質量不好或脫焊，可仔細觀察換向器升高片處的焊點情況，再用鑷子等撥動各焊點即可發(fā)現(xiàn)。還可以用萬用表置于歐姆檔，測換向器每相鄰換向片間電阻，電阻值為無窮大時說明該處繞組斷路。電樞短路檢測也可用電樞感應儀，確定電樞短路或斷路的，應重新更換電樞。

2.1.3 電刷不在幾何中性線的檢測以及調(diào)整的方法

電機運行時如果電刷偏離幾何中性線，換向元件切割磁力線產(chǎn)生旋轉電勢ea，使換向火花增大。若將電刷位置移動到幾何中性線位置，則可大大減小旋轉電勢，從而使換向狀況得到改善。

1)正反轉電動機法。就是在直流電機空載情況下，讓它正轉和反轉。保持正反轉時電樞電壓和勵磁電壓不變，分別測量正反轉的轉速。如果相同條件下轉速相同，說明電刷在幾何中性線上。如果轉速不同，這時就要稍微向轉速高的電樞旋轉方向移動電刷位置，直到正反轉的轉速相同。

2)正反發(fā)電機法。用此法確定電刷中性線位置時，電機應接成他勵或并勵，其輸出電壓應接近額定值。調(diào)整時，使電機在轉速不變，勵磁電流不變的情況下進行正轉和反轉。分別測量電機在正反轉時電樞的輸出電壓。如果電壓相等，說明電刷在中性線上。如果電壓不相等，這時就要稍微向輸出電壓高的電樞旋轉方向移動電刷位置，直到正反轉輸出電壓相等。

3)感應法。電機靜止，電樞兩端接上直流毫伏表mv(最好零位在中間)，在勵磁繞組兩端以觸動方式加3 V直流電源，并觀察電壓表指針偏轉情況，如左右擺動，這是就要稍微將電刷位置移動，直到觸動時指針擺動最小或指針不動，如圖3所示。

圖3 感應法

2.2 機械部分引起火花的測試以及調(diào)整的方法

當確定由機械部分引起火花后，先分析其具體是由于那部分元件所引起，再進行調(diào)整。按火花形態(tài)分，一般又分為碎裂狀火花以及電刷跳動火花。

2.2.1 碎裂狀火花的調(diào)整方法碎裂狀火花多由電刷裝置所引起，常見的有以下幾種:1)刷盒與換向器工作面不垂直?？伤砷_緊固刷盒螺栓后重新對其進行調(diào)整。

2)刷孔變形或太松。電刷在刷盒內(nèi)應可上下自如滑動。當超過規(guī)定的間隙時就需要更換新刷盒。

3)電刷與換向器接觸面積過小。新電刷的安裝，一般先用0號砂紙進行打磨，電刷弧面盡量與換向器貼合(要求電刷磨合面需達到80%以上)。

2.2.2 電刷跳動火花的調(diào)整方法

1)電刷壓力不足［3］。其檢測方法是用彈簧秤將電刷拉離換向器接觸面此時彈簧秤讀數(shù)就是電刷壓力。如電刷壓力不足，可通過調(diào)整或更換彈簧解決。

2)換向器凹凸不平。電機運行時將使電刷與換向器接觸不良，引起強烈火花，嚴重時還將打碎電刷。在電機停機時用手慢慢旋轉電樞，一般可以聽到電刷的跳動聲。觀察換向器的工作面，常常在凸片的附近會出現(xiàn)由深到淺的痕跡。此種情況可通過對換向器外圓進行精車削，并對換向器的云母片下刻。

3 結束語

直流電機產(chǎn)生換向火花的原因很多，也很復雜，如電機安裝不同軸，換向器油污等都會影響換向火花?？傊?，在分析問題，解決問題時，不能孤立地，片面地考慮，應從整體著手，找出問題的本質。

對造成火花原因正確的判斷，使裝配工人能快速的進行修理，大大提高了工作效率。在直流電機檢測中通過對造成直流電機換向火花原因的分析并依據(jù)以上方法進行調(diào)整，使工廠電機交驗合格率達到90%以上。

［1］楊春紅，李向陽.直流電機變向火花變大的分析［J］.黑龍江科技信息，2008(6)：34-34.

［2］曹太忠.直流電機防止火花產(chǎn)生的措施［J］.內(nèi)江科技，2012(10)：129-129.

［3］陳菊華.淺析如何解決直流電機中電刷易產(chǎn)生電火花的問題［J］.時代報告：學術版，2012(10)：32-32.

［4］許大中.電機的電子控制及其特性［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［5］王生.電機與變壓器［M］.北京：高等教育出版社，2005.