寬電刷下直流電機換向過程研究

2013-07-02 03:29:32劉敏軍

大電機技術 2013年3期

劉敏軍

（華東交通大學，南昌 330013）

前言

直流電機在運行過程中會產生火花，是由于電磁、機械和化學等各方面原因造成的，其中機械和化學方面的原因是外因，可通過嚴格要求電機制造工藝和加強電機維護保養等方法來解決；電磁原因是內因，是由于換向不良造成的。世界上許多專家、學者在直流電機換向方面進行了長期不懈的研究，取得了不少重要成果。由于直流電機換向非常復雜，傳統經典理論對換向過程的研究都是在假設電刷的寬度等于換向片的寬度下進行的。但大部分的直流電機的電刷寬度都遠遠大于換向片的寬度，因此，其分析得出的結論與實際情況存在較大的差距。本文主要對直流電機在寬電刷下的換向過程進行研究。

1 Bb=Bk+By時換向過程

1.1 換向過程概念

直流電機的換向過程是指旋轉的電樞繞組元件從一條支路經電刷進入另外一條支路時，繞組元件中電流發生方向改變的過程。

在理想的換向過程中，在換向周期內，流經電刷接觸面的電流始終與接觸面積成正比。當電刷離開換向片時，電流自然過渡為零，因此不產生換向火花。然而，在實際的換向過程中，因換向元件有電抗電勢、電樞反應電勢等存在，干擾和阻礙了換向元件中的電流變化，導致同一電刷在不同換向片上的電流密度不等，嚴重時甚至產生換向火花。

1.2 換向過程簡化分析

為方便分析該電機換向情況，首先對其進行簡化，如圖1。圖中電刷寬度Bb等于換向片寬Bk與云母片寬度 By之和（By常忽略不計）；電刷和換向片接觸表面均勻地流過電流，為理想面接觸；電刷單位面積上接觸電阻為常數，接觸面積與接觸電阻成反比；電機沒有安裝換向極。圖中電刷固定不動，換向器的線速度為Vk，從右向左運動。

以繞組元件5為例。圖1（a）表示電刷與換向片5完全接觸，圖1（b）表示電刷位于換向片5、6的正中間，與兩個換向片的接觸面積相等，圖1（c）表示電刷剛好離開換向片 5，圖 1（d）表示電刷即將與換向片7接觸。

在電刷以－Vk（Vk為換向器線速度）的速度從圖1（a）中所處位置移動到圖 1（c）中所處位置的過程中，電刷與換向片5、6同時接觸，而且電刷與換向片5的接觸面積從最大值減小到零，與換向片6的接觸面積從零增大到最大值，元件5中流過的電流從ia逐步減小到零，再從零變到－ia；在電刷以－Vk的速度從圖1（c）中所處位置移動到圖1（d）中所處位置的過程中，電刷始終與換向片6接觸，接觸面積為最大值，流過元件5的電流為－ia。

圖1 Bb=Bk+By時換向過程示意圖

換向元件中電流變化如圖2中直線1所示。換向周期為Tk=Bb/ Vk，有效換向周期為Tk'=Bk/ Vk，電流換向點為位于t1的瞬間，電樞支路電流變化率為dia/dt=2iaVk/ Bk。

實際上，換向元件在有效換向周期內，由于電樞電流的變化和電樞反應的影響，會產生一個附加電勢Σe，從而在換向元件中產生一個附加電流 ik，由于 ik與原來的電樞支路電流 ia方向相同，因此是阻礙電流換向的，從而造成延遲換向，如圖2中曲線2所示。在換向結束的瞬間，附加電流以電磁能的形式釋放出來就產生了電磁火花。當附加電勢Σe很大時，就會造成過分延遲換向，如圖2中曲線3所示，在換向結束瞬間，換向元件中的電流從－ia'突變到－ia，從而產生更大的電磁火花。

2 寬電刷下換向過程

2.1 研究對象

本文研究對象是ZD115型脈流牽引電動機，它是SS9型電力機車用牽引電動機，相關參數為：額定轉速為1081r/min，最大轉速為1945r/min，磁極數2p=6，電樞直徑680mm，電樞鐵心長度270mm，換向器直徑500mm，云母片厚度為1.2mm，電樞槽數93，每個線圈由4個繞組元件組成，交叉豎放，電刷采用DE7型分裂式電刷，電刷數據為(2×10)×42×55mm。

圖2 Bb=Bk+By時換向元件中電流變化

根據電機參數可知，極距為15.5個實槽，第一節距為15個實槽，每片換向片寬度為3.0226mm，云母片厚度為 1.2mm，電刷總寬度為 20mm。即 Bb≈5（Bk+By）。

2.2 研究對象的簡化

為方便分析該電機換向情況，首先對其進行簡化，如圖 3。圖中 Bb=5（Bk+By）；電刷和換向片接觸表面均勻地流過電流，為理想面接觸；電刷單位面積上接觸電阻為常數，接觸面積與接觸電阻成反比。圖中電刷固定不動，換向器的線速度為Vk，從右向左運動。

2.3 換向過程分析

同樣以繞組元件5為例。圖3（a）表示電刷即將與換向片6接觸，圖3（b）表示電刷即將離開換向片1，圖3（c）表示電刷即將與換向片10接觸，圖3（d）表示電刷即將離開換向片5。

在電刷以－Vk（Vk為換向器線速度）的速度從圖3（a）中所處位置移動到圖3（b）中所處位置的過程中，電刷與換向片5的接觸面積始終為最大值，電刷與換向片6的接觸面積從零開始增大到最大值，元件5中流過的電流從ia逐步減小到零；在電刷以－Vk的速度從圖3（b）中所處位置移動到圖3（c）中所處位置的過程中，元件5被電刷短路，流過的電流始終為零；在電刷以－Vk的速度從圖3（c）中所處位置移動到圖3（d）中所處位置的過程中，電刷與換向片 6的接觸面積始終為最大值，電刷與換向片5的接觸面積從最大值開始減小到零，元件5中流過的電流從零逐步減小到－ia。

換向元件中電流變化如圖 4所示。換向周期為Tk=5Bb/ Vk，有效換向周期為Tk'=（5 Bk+4 By）/ Vk，電流換向時間為bc段所經過的時間tbc=（3 Bk+4 By）/ Vk，電樞支路電流變化率為dia/dt=iaVk/ Bk。

圖3 Bb=5（Bk+By）時換向過程示意圖

對于ZD115型脈流牽引電動機，額定運行時，換向周期為Tk=0.746ms，有效換向周期為Tk'=0.704ms，電流換向時間為bc段所經過的時間tbc=0.49ms。最大轉速運行時，換向周期為Tk= 0.415ms，有效換向周期為 Tk'=0.391ms，電流換向時間為 bc段所經過的時間tbc=0.272ms。

圖4 Bb=5（Bk+By）時換向元件中電流變化

實際上，換向元件在有效換向周期內，由于電樞電流的變化和電樞反應的影響，會產生一個附加電勢Σe，從而在換向元件中產生一個附加電流 ik，由于 ik與原來的電樞支路電流 ia方向相同，因此是阻礙電流換向的，從而造成延遲換向，如圖4中曲線2所示。在換向結束的瞬間，附加電流以電磁能的形式釋放出來就產生了電磁火花。當附加電勢Σe很大時，就會造成過分延遲換向，如圖4中曲線3所示，在換向結束瞬間，換向元件中的電流從－ia'突變到-ia，產生的電磁火花更大。

值得注意的是，當電刷以－Vk的速度從圖3（b）中所處位置移動到圖3（c）中所處位置的過程中，元件5被電刷短路，流過的支路電流ia始終為零，因此在這區間電抗電勢幾乎為零，僅存在電樞反應電勢，即附加電勢等于電樞反應電勢，比較小。如果合理安裝換向極，完全可以抵消電樞反應的影響。產生電磁火花的瞬間主要出現在圖4中的b點和d點對應時刻。