直流電機換向火花的檢測與調整

高海波，程 濤，周長征，李獻峰，安富濤，張 勇

(1.重慶地區軍代室，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整技術方案提供依據。本文從直流電機火花產生的主要原因、火花的測試以及調整的方法2個方面進行闡述。

1 直流電機火花產生的主要原因

根據換向電磁原理，直流電機換向火花產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，元件內短路電流并不為零，元件內的電磁能將以火花形式釋放，于是后刷邊產生火花。再之，在換向元件中不可避免地產生電抗電勢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。經過長期測試的觀察與分析，直流電機出現的火花有很多種。通常出現的有藍色和白色，但也有紅色，黃色和綠色。出現的形態也有很多種。

電磁原因與機械原因造成火花的區分如下:

1)電磁性火花通常呈藍色。當電機的工作狀態和負載條件變化時，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國標GB755-2008規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。3級火花是危險火花。它能導致環火事故，不允許經常出現。

2 火花的檢測及調整的方法

2.1 電磁部分引起火花的檢測及調整的方法

工廠在電機的測試中發現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，形成有明顯的環火，特別是隨著負載的增加時火花更強烈，各極電刷出現均勻灼痕;②部分換向極繞組接反。這會出現火花分布不勻，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，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，會產生交流電流，這個交流電流產生一個變化的磁場，電磁繞組處在這個磁場中，產生感應電勢。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，換向極繞組產生的磁場在換向元件上產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生的磁場抵消電樞磁場，必須是換向極繞組B1、B2上產生一個左“+”右“-”的感應電勢。這個電勢產生的電流使mv表正偏。相反，SA斷開時，在B1、B2上產生一個左“-”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整的方法

電樞繞組斷路時，由于斷路線圈從第一條線路經過電刷轉入第二條線路的時候，會產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出火花，使接通斷路線圈的2個換向片，很快就會發黑燒壞。

電樞繞組短路時，將導致這一支路的其它線圈電流過大。產生局部過熱，發出焦臭味甚至冒煙，與線圈相連接的換向片也發熱、發黑。

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現。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，再進行調整。按火花形態分，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。可松開緊固刷盒螺栓后重新對其進行調整。

2)刷孔變形或太松。電刷在刷盒內應可上下自如滑動。當超過規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就是電刷壓力。如電刷壓力不足，可通過調整或更換彈簧解決。

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。總之，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以上方法進行調整，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生的措施［J］.內江科技，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：機械工業出版社，1988.

［5］王生.電機與變壓器［M］.北京：高等教育出版社，2005.