換向器外圓跳動對直流電機換向的影響

高明縉

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

直流電機電刷與換向器的滑動接觸狀態(tài)是影響電機的換向性能的主要因素。換向器表面較小的徑向圓跳動偏差有利于電機運行狀態(tài)下?lián)Q向器與電刷建立比較穩(wěn)定的接觸面積，這是良好的滑動接觸的前提。在電機實際使用運行當中，經(jīng)常會出現(xiàn)徑向圓跳動偏差變大的現(xiàn)象，尤其是換向器在高轉(zhuǎn)速或過熱出現(xiàn)動態(tài)變形的情況下，由此導致滑動接觸變差，電機換向惡化。以下根據(jù)我公司近年的生產(chǎn)及檢修經(jīng)驗，對圓跳動超標簡單分為兩類情況進行簡述分析。

1 換向器外圓跳動偏差產(chǎn)生的原因

換向器外圓跳動(即徑向圓跳動)出現(xiàn)偏差的原因一般是由于電機運行時間較長，換向器內(nèi)片間云母及V型云母環(huán)內(nèi)的蟲膠隨時間揮發(fā)后其含膠量減少導致尺寸收縮，拉緊螺桿的預緊力減小，換向片片間壓力降低，換向器受離心力影響產(chǎn)生變形，橢圓變形、擺度變大或出現(xiàn)個別甚至整組凸出片。

2 換向器外圓跳動偏差對電機的影響

我公司一般將換向器徑向圓跳動偏差按換向器擺度偏大及個別換向片凸出(片間不平度偏大)兩種情況進行區(qū)分，方便處理。此兩種情況對直流電機換向的影響有所不同。

2.1 擺度偏大的影響

擺度偏大即換向器橢圓變形或換向器偏心的現(xiàn)象，在此類直流電機運行時，雖然換向器整體擺度偏差較大，但相鄰換向器片間半徑的變化梯度較小，即擺度的變化是平穩(wěn)過渡的，對電刷跳動影響不大，所以對換向的影響不十分明顯。但換向器外圓擺度偏大會增加電刷的振動值，同樣不利于換向，且隨著換向器圓周線速度增大，對換向的影響越明顯。此狀態(tài)下的電機長期運行，換向片可能會出現(xiàn)擠銅現(xiàn)象，增加片間短路的風險。

2.2 凸出片的影響

換向器凸出片(即換向片片間不平度偏大)的現(xiàn)象，此種情況與擺度偏大不同，相鄰換向片片間半徑的變化梯度較大，對產(chǎn)生電刷跳動的影響很明顯，會使電刷與換向器之間的滑動接觸狀態(tài)被破壞，導致電機換向惡化。

在電機制造廠內(nèi)，電機的生產(chǎn)或檢修過程中有可能由于操作不規(guī)范，造成個別換向片向內(nèi)凹陷，換向片凹片的片間半徑的變化梯度亦較大，其造成的影響和凸片類似。

3 對換向器外圓跳動偏差的要求

3.1 換向器外圓擺度的要求

換向器外圓擺度偏差對于換向的影響相比凸出片的情況并不十分明顯，很多時候不會直接出現(xiàn)換向火花的明顯增大。根據(jù)電機廠的電機制造及用戶電機定期檢修的經(jīng)驗，可給出換向器擺度的允許范圍，在允許值內(nèi)的換向器擺度，電機可以得到滿意的換向且電刷位置不會出現(xiàn)異響，可以以此作為制造及返修的參考。

一般按換向器線速度的不同，對換向器擺度的允許值給出不同的允許值，如表1所示。

表1 換向器的擺度允許值

3.2 換向器凸出片的要求

換向器外圓個別換向片凸出對直流電機換向產(chǎn)生的影響直接會體現(xiàn)到換向火花變化上，因此，在電機制造及檢修時對此類情況應給予足夠重視。

根據(jù)我公司近些年的制造經(jīng)歷，對換向器外徑在Φ456～Φ800 mm，線速度在20～38 m/s的中型Z系列直流電機出現(xiàn)凸出片的情況進行統(tǒng)計，凸出片值>0.02 mm即會對換向火花產(chǎn)生影響，在凸出片值達到0.04～0.06 mm時，即使是在較低轉(zhuǎn)速運行仍會出現(xiàn)明顯火花，電刷噪聲亦明顯增大。

一般換向器凸出片導致?lián)Q向惡化的情況其相關(guān)影響因素較多，且由于其對換向的影響較直接，換向器表面不平度的允許值可通過對電刷經(jīng)過換向器凸出片位置的情況進行論述求得。圖1為電刷在有凸出片的換向器表面工作的示意圖。

圖1 換向器表面工作示意圖

在電刷彈簧壓力p，電刷質(zhì)量m為已知的情況下，可求得電刷從凸出片位置下落高度Δh，即

據(jù)此，可導出電刷從凸出片位置下落滑出Xo長度，重新落至換向器表面所需的時間t，即

若要保證在電刷下降的距離(Xo)內(nèi)不產(chǎn)生火花，則這段距離應小于換向節(jié)距(tk)，即Xo

由于電刷壓力P、電刷質(zhì)量m、換向器節(jié)距tk、換向器線速度vk等均為已知，據(jù)此可以導出電刷從凸出片位置滑出一個換向器節(jié)距時凸出片的高度，即不產(chǎn)生火花時凸出片的極限高度Δh′，即

根據(jù)此公式亦可求導出同系列電機中轉(zhuǎn)速與凸出片允許值的曲線關(guān)系。

由于我公司生產(chǎn)的中型直流電機(電機中心高450～1 000 mm)中，公式中涉及的幾項參數(shù)除換向器線速度外均較接近，可通過換向器線速度對凸出片要求做大致分類，如表2所示。

表2 換向器的凸出片高度允許值

各制造廠或檢修單位也可根據(jù)自身直流電機類型做大致分類，便于生產(chǎn)服務中參考使用。

4 結(jié)論

換向器外圓擺度大造成直流電機換向惡化，進而使換向片被燒蝕，一般都是由于換向器片間不平度超差造成的。電機制造時應注意相關(guān)制造工藝，避免換向器片間不平度的產(chǎn)生，電機檢修時對換向器片間不平度超差的情況應有足夠的重視，做好對換向器拉桿進行熱態(tài)及冷態(tài)下重新校緊并車削外圓等檢修措施。對于換向器橢圓變形及偏心等雖然擺度大但片間不平度不超差的情況，可根據(jù)制造或檢修難度及成本進行定奪，若無法及時處理則應做好記錄，日常監(jiān)測好換向器表面氧化膜及滑動接觸狀態(tài)，并在電機大修時進行處理。