淺析直流電機(jī)環(huán)火與電磁之間的關(guān)系

中國(guó)中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 苗志濤

淺析直流電機(jī)環(huán)火與電磁之間的關(guān)系

中國(guó)中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 苗志濤

直流電機(jī)在試驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)換向不良導(dǎo)致的電機(jī)環(huán)火，該故障較為常見，而且發(fā)生率高。本文是通過對(duì)某試制直流電動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)時(shí)發(fā)生電刷后刷邊緣出現(xiàn)火花，而且電刷后邊緣產(chǎn)生灼痕，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)和理論結(jié)合分析得知屬于換向器線圈中電抗電動(dòng)勢(shì)太大導(dǎo)致。本文主要是從電磁原因方面分析環(huán)火，找其原因和改善方法。

直流電機(jī)；電磁；環(huán)火；換向器；電動(dòng)勢(shì)

一、前言

電機(jī)試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)換向器被灼黑，刷辮燒斷，甚至有嚴(yán)重的將刷架燒損，給生產(chǎn)制造造成了經(jīng)濟(jì)損失；由于環(huán)火產(chǎn)生的原因比較多而且也比較復(fù)雜，我們?cè)陔姍C(jī)出現(xiàn)環(huán)火后一定要看其規(guī)律，根據(jù)規(guī)律找根源；本文所涉及的只是淺淺的一部分——（電磁）換向極線圈中電抗電動(dòng)勢(shì)和換向極電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)環(huán)火之間的關(guān)系。

二、環(huán)火的定義與危害

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞繞組的線圈由一條支路經(jīng)電刷短路進(jìn)入另一條支路，該電流方向發(fā)生改變，這種電流方向的改變叫換向；換向不良將在電刷下出現(xiàn)火花，若火花超過一定程度，就會(huì)產(chǎn)生環(huán)火；然而火花產(chǎn)生的原因也是十分復(fù)雜的，有電磁、機(jī)械和化學(xué)等各方面的因素交織在一起形成的；電刷下的火花是有害的，也是不可避免的，若火花超過一定程度，就會(huì)燒壞電刷和換向器，更有甚至燒損刷架，使電機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中將火花分為五個(gè)等級(jí)，并規(guī)定電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不應(yīng)超過11/2級(jí)，如表1所示：

表1 火花等級(jí)

三、電磁原因?qū)е颅h(huán)火的原因分析

直流電機(jī)的換向過程：電機(jī)在換向過程中由電刷與線圈通過換向器片接觸；設(shè)定有線圈1，線圈2，線圈3….，串聯(lián)后均相對(duì)應(yīng)換向片1、2、3…，如果電刷只與單個(gè)換向器片1接觸時(shí)線圈中的電流為+i；當(dāng)電刷同時(shí)與相臨的換向片1和2兩個(gè)換向片接觸時(shí)，線圈與換向線圈就被電刷短路，線圈中的電流i=0；當(dāng)線圈經(jīng)過1只與換向片2接觸時(shí)，電刷只與換向線圈接觸，進(jìn)入另一支路，此時(shí)電流反向改變?yōu)?i。這樣線圈1中的電流在被電刷短路的過程中，進(jìn)行了電流換向，而線圈1則被稱為換向線圈。從+i到-i所用的時(shí)間稱為換向周期Tc，而Tc一般只有千分之幾秒。

由以上的換向過程可以看出，換向時(shí)換向線圈中換向電流i的大小、方向發(fā)生急劇變化，因而會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)進(jìn)行換向的線圈不止一個(gè)，電流的變化，除了各自產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)外，各線圈之間還會(huì)產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)。我們知道自感和互感電動(dòng)勢(shì)之和就是電抗電動(dòng)勢(shì)ex。根據(jù)楞次定律（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)趨于產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流的方向趨于阻止產(chǎn)生此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的磁通的變化），電抗電動(dòng)勢(shì)ex具有阻礙換向線圈中電流變化的趨勢(shì)，因此電抗電動(dòng)勢(shì)ex的方向與線圈換向前的電流方向一致，如圖2所示。另外，直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)使主極磁場(chǎng)畸變，幾何中性線處磁場(chǎng)不為零，這時(shí)處在幾何中性線上的換向線圈，就要切割電樞磁場(chǎng)的磁力線而產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，稱為電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea。在圖2中用右手定則，可以判斷出直流電動(dòng)機(jī)的ea方向也與線圈換向前的電流方向一致，阻礙電流的換向。由此可以斷定換向線圈中出現(xiàn)的電抗電動(dòng)勢(shì)ex和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea均阻礙電流的換向，它們共同產(chǎn)生一個(gè)附加換向電流ik，使換向電流的變化變慢，這個(gè)表現(xiàn)在圖1曲線2所示的延遲換向；圖1直線1所示為假設(shè)換向線圈的電動(dòng)勢(shì)=0，則換向電流的變化規(guī)律如圖1中的線1所示直線理想換向，而在實(shí)際換向過程中，換向變化規(guī)律并不是如圖1中的線1所示直線理想情況，而是存在有以上兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響電流的換向。

圖1 換向電流變化過程

當(dāng)換向結(jié)束的瞬間，被電刷短路的線圈瞬時(shí)脫離電刷后邊時(shí)，ik不為零，因?yàn)閾Q向線圈屬于電感線圈，所以其中存在一部分磁場(chǎng)能量Lik

2，這部分能量達(dá)到一定數(shù)值后，以弧光放電的方式轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致環(huán)火發(fā)生。

圖2 換向線圈中電動(dòng)勢(shì)方向及換向極位置和極性

四、改善電磁環(huán)火的方法

改善電磁環(huán)火的方法就是從減小、甚至消除附加換向電流ik入手。換向極的作用就是要產(chǎn)生一個(gè)與電樞磁通勢(shì)方向相反的換向極磁通勢(shì)，它除了要抵消處在幾何中性線處的電樞磁通勢(shì)外，還要產(chǎn)生一個(gè)換向極磁場(chǎng)，在幾何中性線上的換向線圈切割該磁場(chǎng)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)叫換向極電動(dòng)勢(shì)ek，ek與電抗電動(dòng)勢(shì)ex大小相等，方向相反，使得ek+ex≈0，則附加換向電流ik就近似等于零，從而消除環(huán)火。

由此我們將環(huán)火電機(jī)進(jìn)行進(jìn)行解體，在換向極線圈下方與機(jī)座連接處加裝非磁性的銅墊片，調(diào)整第二氣隙，整個(gè)換向極磁路的總氣隙長(zhǎng)度不變，但極面下的氣隙減小了；這樣可以減小換向極的漏磁通，增加了換向極的有效磁場(chǎng)，使換向極電動(dòng)勢(shì)增加，從而達(dá)到消除附加換向電流ik，起到了消除環(huán)火的目的。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)電機(jī)換向極線圈下方與機(jī)座連接處加裝非磁性的銅墊片，進(jìn)行調(diào)整第二氣隙的方法減小附加換向電流ik，將環(huán)火問題進(jìn)行關(guān)閉。

[1]胡幸鳴．電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社．