發(fā)電機(jī)集電環(huán)發(fā)熱現(xiàn)象原因分析及解決措施

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 田峰毅 范秀云 李慧萍

1.前言

在主發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通過電刷和滑環(huán)外加直流電勵磁。集電環(huán)與電刷在電機(jī)結(jié)構(gòu)中起著很重要的作用，它的質(zhì)量的好壞直接影響電機(jī)正常工作的工作效率。

一個電機(jī)正常工作時呈現(xiàn)的狀態(tài)是在運行時形成均勻的氧化膜，并具有穩(wěn)定性。形成的這一層氧化膜是復(fù)合型的薄膜，氧化膜中含量成分與使用的電機(jī)的類型、電環(huán)的材質(zhì)有密切聯(lián)系。電機(jī)與材料間的接觸面的面積受多種因素影響，如使用的電機(jī)中的電環(huán)的材質(zhì)、材料的硬度，還跟加工要求、電刷的材質(zhì)等方面有關(guān)。據(jù)相關(guān)研究表明，氧化膜的狀態(tài)受使用中電壓大小有關(guān)，當(dāng)電壓較小時，薄膜會產(chǎn)生絕緣的情況；當(dāng)電壓較大時，薄膜會被強(qiáng)大的電流擊破。一旦氧化膜被擊破，電流的增減不會對電壓產(chǎn)生影響，因為導(dǎo)電點的增加、導(dǎo)電接觸面積的增大，接觸面的電壓不會產(chǎn)生變化，保持一個恒定的狀態(tài)。氧化膜薄膜有良好的潤滑功能，而電刷、集電環(huán)兩者間接觸面中，具有潤滑功能的部位是潤滑層中的石墨膜，這一層膜有效的將電刷、集電環(huán)分隔開來，在接觸面摩擦過程中發(fā)揮潤滑的功能，減少了接觸面的摩擦系數(shù)，從而減少產(chǎn)生摩擦熱的概率，最終起到了減少電刷磨損、保護(hù)電刷的作用。

2.集電環(huán)常見故障的原因及處理方法

在電刷正常工作時容易產(chǎn)生發(fā)熱、出現(xiàn)火花以及燒壞集電環(huán)等情況。就這些情況發(fā)生的主要原因方面分析，體現(xiàn)在下面幾個方面：

（1）出現(xiàn)通風(fēng)不良的情況，多數(shù)是由于設(shè)備中的冷卻道堵塞情況，如集電環(huán)中的螺旋槽、電機(jī)通風(fēng)處的堵塞情況都會影響到整體通風(fēng)的情況；特別是若在電機(jī)正常工作中，集電環(huán)溫度太高會加劇電刷使用過程中的磨損程度，導(dǎo)致碳粉的快速增加、堆積，最后會導(dǎo)致集電環(huán)中的散熱通道出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞的情況。TF1B電機(jī)轉(zhuǎn)子集電環(huán)螺旋槽標(biāo)準(zhǔn)要求2×3mm，對于經(jīng)過多次車削的集電環(huán)，根據(jù)電機(jī)使用維護(hù)說明書要求，如果集電環(huán)表面的螺旋槽深度到達(dá)車削限制標(biāo)準(zhǔn)，即小于1mm時，這時就要求相關(guān)工作人員依據(jù)說明書上相關(guān)要求進(jìn)行更換螺旋，要求把控集成環(huán)在工作時正常散熱。

（2）因接觸面電阻較大、電阻分布不均等原因?qū)е碌陌l(fā)熱情況：集電環(huán)與電刷兩者間借助相互運動的電流，在TF1B這一類型號的電機(jī)中，集電環(huán)有3只電刷，因其接觸面的電阻的不同、接觸面中電流分配不均等原因容易引起接觸面產(chǎn)生發(fā)熱不均勻的情況，主要分為以下幾個原因：a、電刷、滑環(huán)兩者接觸面的電阻、電阻和刷辮接觸面的電阻、刷辮和刷架引線之間接觸面電阻較大。這對這一情況可采取檢測單個電刷總壓降、電刷接觸面的壓降等部位之間的電壓，并將結(jié)果進(jìn)行比較。還要對回路中的螺栓進(jìn)行檢測。對電刷接觸面上的清潔進(jìn)行檢測，檢查上面是否有油污，產(chǎn)生污染情況。b、電刷的壓力不均勻，有的電刷由于較短、其彈簧因過熱等原因老化導(dǎo)致失去彈性。通過利用彈簧秤檢測電刷的壓力。所使用的彈簧要求須完整，其壓力要求20-25N內(nèi)，檢測中偏差不能大于10%。c、集電環(huán)和轉(zhuǎn)子引線兩者間接觸面電阻太大，此時要采取措施加固兩者上的螺栓，用力矩扳手檢查并緊固。d、使用的電刷質(zhì)量未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)、電刷導(dǎo)電效能低、電刷型號不達(dá)相關(guān)要求。在同一個電機(jī)上的電刷應(yīng)來自相同型號、廠家，并對檢查中外觀有不同的電刷進(jìn)行替換。

（3）機(jī)械、摩擦等產(chǎn)生過熱現(xiàn)象：在多數(shù)問題中一半都是機(jī)械、摩擦引起的，若在未正常運作時沒有加勵磁，出現(xiàn)集電環(huán)和電刷溫度過高的情況；或正常運作中溫度太高，拔掉電刷反而出現(xiàn)降低的情況，可以判定是機(jī)械、摩擦引起的。機(jī)械、摩擦引起發(fā)熱的現(xiàn)象體現(xiàn)在這幾個方面：a、電刷上的接觸面研磨不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。替換上的電刷須和以前的直接一樣，牌號需要相同。b、電刷和集成環(huán)兩者間接觸面積太小，要求不能低于單個電刷面積的百分之八十。c、電刷在正常運作中擺動遲緩。要求電刷在工作時能自由的上下移動，兩者間的間隙要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；若無具體規(guī)定，兩者間間隙應(yīng)為0.10-0.20mm。電刷的外形上要求方正，誤差要控制在0.05mm內(nèi)。d、刷握、集電環(huán)兩者間的間隙太大。因為制作電刷的材質(zhì)相對較脆，若兩者間間隙太大，電刷整體不能接觸到集電環(huán)，容易出現(xiàn)電刷崩裂的現(xiàn)象。刷握、集電環(huán)兩者間的間隙應(yīng)為為2－5mm。

3.集電環(huán)、電刷故障的分析及建議

（1）正確認(rèn)識電刷上形成的氧化膜，并為其產(chǎn)生創(chuàng)造條件：由于電刷表層的氧化膜這一薄膜難以自然形成，需要為其形成創(chuàng)造相關(guān)條件，若未達(dá)到相關(guān)條件，難以甚至無法形成氧化膜，其原因主要是：a、溫度過高：氧化膜形成的適宜溫度在70℃，但在集電環(huán)與電刷發(fā)生問題時的溫度高于150℃，難以形成氧化膜，沒有潤滑的功效，導(dǎo)致加劇電刷的磨損程度、溫度升高，產(chǎn)生惡性循環(huán)。這個時候應(yīng)強(qiáng)行采取電機(jī)外部降溫方式，使用功率大的風(fēng)扇、降低電機(jī)功率等方式，讓集電環(huán)的溫度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，促進(jìn)形成氧化膜薄膜，達(dá)到潤滑的目的。b、冷卻空氣中有污染性雜質(zhì)：空氣中含有雜質(zhì)易對氧化膜薄膜的產(chǎn)生帶來負(fù)面作用，其中雜質(zhì)包括了空氣中的油氣混合物、碳粉等方面。c、空氣濕度太低或含氧量太低：氧化膜的生成條件中對空氣中的水分有要求，要求空氣中水分不能過高或過低。此外，氧化膜的產(chǎn)生主要依靠和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，對空氣中的氧含量有要求。氧化膜的生成還跟電刷的研磨、集電環(huán)清潔度等方面相關(guān)。

（2）采購過程中嚴(yán)格把控電刷、刷架質(zhì)量：我國目前一個品牌的電刷是在不同區(qū)域、不同工廠進(jìn)行加工制作的，在采購過程中要嚴(yán)格控制質(zhì)量，對廠家的生產(chǎn)質(zhì)量即相關(guān)質(zhì)量檢測方式詳細(xì)調(diào)查。根據(jù)此項要求，我廠選用的電刷為南洋或哈碳 D172型。

（3）正常運作中重視集電環(huán)、電刷的保養(yǎng)和維護(hù)：建立集電環(huán)、電刷等設(shè)備的保養(yǎng)、維修制度，根據(jù)說明書的相關(guān)要求對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查和保養(yǎng)。

4.結(jié)論

綜上分析集電環(huán)、電刷在使用過程的故障現(xiàn)象和特點，提出幾種常見分析方法的原理，但在實際裝配過程中，必須嚴(yán)格按工藝操作、清潔生產(chǎn)，在使用過程中，必須嚴(yán)格按照用戶使用手冊維護(hù)、保養(yǎng)，確保集電環(huán)、電刷的使用質(zhì)量與使用壽命。

[1]許實章主編.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[2]李發(fā)海,王巖編.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社,1994.