論直流電動機換向器打火原因分析及處理

摘 要：直流電動機在拖動控制中經常遇到換向器打火故障，如果產生了強烈的火花，不僅嚴重影響直流電動機的正常工作，還會直接燒毀電刷和換向器甚至電樞繞組，危及直流電動機的安全，造成較大的經濟損失。因此，掌握換向器打火的原因、分析及維護方法已經成為現場維修技術人員的必備技能之一，也為礦井的安全、高效生產提供有力的保障。

關鍵詞：直流電動機 換向器 方法

1 前言

掌握換向器打火故障的原理，認真分析刷火過大的原因，研究預防措施，對直流電動機安全運轉具有重要的指導意義。

2、直流電動機原理：

直流電動機是依據載流導體在磁場中受力的原理而工作的。在兩個N、S磁極中間裝有一個可以旋轉的線圈（abcd），線圈的首尾（a、d）（A、B）相連，電源的“+”、“-”極分別接在與換向片滑動接觸的電刷上。當電源接通時，電流通過線圈由“+”→A、a、b、c、d→B“-”構成回路，則線圈的工作邊“ab”和“cd”在N、S極磁場作用下，產生兩個大小相等方向相反的力，形成了以“O”軸為中心 的逆時針旋轉力矩（可利用左手定則判斷轉子線圈受力方向），于是線圈就按逆時針旋轉。當線圈工作邊旋轉90度至N、S磁極的中性面時，電刷與換向片絕緣物接觸，線圈內無電流通過，于是兩個工作邊不再產生作用力，但由于慣性的作用，線圈仍然旋轉。當電與換向片接觸時，線圈回路閉合有電流通過，電流從B端進入A端流出。此時，ab工作邊位于S極處，cd工作邊位于N極處其受力方向與初始情況相同，線圈就這樣旋轉起來。直流電動機就是根據這個原理制成的。

3、換向器火花故障分析

直流電動機換向器打火可分為機械和電磁（電樞繞組、定子繞組及電源等） 兩方面原因。機械方面包括換向器和碳刷的形狀、相對位置、接觸不良、碳刷型號不同等。電磁方面，直流電機的整流子和碳刷是用來對電樞進行供電的，同時也通過合理的排布使電樞繞組的電流方向符合電機運轉方向的要求。也就是說直流電機每個單獨的電樞繞組的電流方向是改變的，這就帶來的電流換向的問題。另外由于電樞繞組存在電感，所以繞組里的電流不能產生突變，否則會因此產生感應電勢。但是在電機高速旋轉時這種變化還是很快的，因此會產生換相火花。

3.1、產生火花電磁方面的原因：

①換向器表面有油污、粉塵，云母片之間有導電粉塵。礦用電動機工作環(huán)境差，往往存在粉塵在電動機內部的積聚；同時，電刷與換向器接觸磨出的粉末也會積聚到換向器云母片溝內，使換向片間短路。

②換向級繞組短路，繞組反接，以及電樞線圈接線接錯也可以產生大量的火花。

③電樞不平衡會產生刷火。電樞繞組通常是由2條以上并聯支路構成的，要求并聯支路中的感應電動勢完全相等，否則在并聯支路內會產生環(huán)流，影響直流電動機換向性能，產生嚴重刷火。

3.2、產生火花機械方面的原因：

①電刷與換向器表面接觸不良會產生刷火現象。電刷因牌號和尺寸不符合要求或電刷在刷握內配合太松或太緊會與換向器表面接觸不良，電刷磨損過度，使電刷壓力過小，也會使電刷與換向器接觸不良。

②換向器外圓不圓，表面有燒灼麻點等缺陷，會產生刷火現象。

③電刷未處在中性線上。電動機檢修或重繞大修，刷架位置有所變動，當安裝不當時，電刷會改變位置不在中性線上，必然會產生大量的刷火。

④刷桿或者刷桿座接地樁會產生大量的刷火。

4、處理火花故障的方法：

4.1片問短路

換向器片問短路的原因是片間云母溝內有導電雜質，如碳粉和金屬屑等，形成換向器外部片間短路；另外，換向器內部錐面密封不好，外界有大量炭粉和油污進入內部錐面的周圍縫隙內，造成換向器內部片間短路。這種故障用測試片間電阻的方法就可以發(fā)現。

對于炭粉（導電金屬微粒）以及臟物所造成的短路點，可采用交流電壓施加在片間進行沖擊，就有可能把造成短路的臟物燃燒變成非導電體，使片間短路點消除。另外。云母溝和升高片根部積存的臟物所造成的片間短路，可用電工刀或者刮刀把表面漆膜清理干凈，再用放大鏡檢查，能夠把短路部分查出來，然后采取清理修復措施。

4.2換向極繞組故障

換向極繞組常見故障是匝間短路和對地擊穿。較大容量的換向極線圈是采用裸扁銅（鋁）線繞制成型的，因此常將裸銅線燒損。修補方法是將燒損處銼出整齊的缺口，用銀磷銅焊將與缺口尺寸相吻合的補材與母材焊接在一起，焊好后用銼刀和砂布修補平坦。如果燒損嚴重，需要去掉幾匝損壞的銅線，則要用相同尺寸和材質的銅排進行焊接。為此要采取坡口的連接方式，即要求母材和補材相互銼出沿高在厚度上銼坡口，施焊時，先將母材拉開一部分，用濕石棉布包扎，以防施焊時影響線匝絕緣，然后用銀磷銅焊進行坡口接縫的焊接；冷卻后用銼刀平毛刺，去掉濕石棉布，清理干凈，再按原有絕緣等級包扎或墊放絕緣。

4.3電樞不平衡

電樞不平衡一般是均壓線出了故障。均壓線常見故障有嵌錯、焊接不良、本身有斷裂和接地短路等。

均壓線焊接不良會造成嚴重刷火。處理這類故障比較容易，在換向器升高片處重新補焊即可。檢查方法是測量片間電阻值，阻值比正常大的是焊接質量不良的反映。

均壓線導線本身的斷裂是嵌線時用手錘敲斷的，尤其截面小的導線，常發(fā)現這種故障。表現為空載試驗時無刷火，帶上負載后便發(fā)現嚴重刷火。處理這類故障比較困難，因為均壓線在電樞繞組下面，為了起出均壓線，需要起出電樞繞組的焊接頭，費時費力。

掌握直流電動機換向器打火的原因和分析處理方法，關鍵要掌握直流電動機的換向原理及電磁分析方法。即直流電機的磁通是由勵磁繞組產生的，因此，在理想狀態(tài)下，主磁極下的氣隙磁通應該是均勻的。但是，當電樞通入電流后也會產生磁通，會對電機的主磁通產生影響，產生去磁或助磁作用，這種現象就是電樞反應。電樞反應對直流電機的工作影響很大，使磁極半邊的磁場加強；另半邊的磁場減弱，負載越大，電樞反應引起的磁場畸變越強烈，其結果將破壞電樞繞組元件的正常換向，易引起火花，使電機工作條件惡化。同時電樞反應將使極靴尖處磁通密集，造成換向片間的最大電壓過高，也易引起火花甚至造成電機環(huán)火。為了克服這種現象，在電機，尤其是大電機上加裝了補償繞組，用來抵消電樞反應帶來的磁通畸變現象。

目前國內外大型直流電機均采用加設補償繞組等辦法改善換向，防止電火花產生。但因為產生火花的因素除了電磁方面的原因外，還要受機械、化學、電刷材料及工作環(huán)境等因素的影響。因此很難杜絕此類事故的發(fā)生。只有準確掌握換向器打火的各種原因及處理方法，根據實際情況，具體分析，才能找出解決辦法。

5、經濟效益

興安煤礦混合井延深改造工程中，主提升絞車直流電動機換向器發(fā)生打火事故，影響工程進度。通過分析準確的判斷為換向極方向接反，調換換向極方向后，機換向器發(fā)生打火故障得到了有效的解決，主提升絞車直流電動機工作正常。此次及時解決問題避免了主提升絞車直流電動機外委大修或更換，為礦節(jié)約資金15萬余元。

6、結束語

通過對直流電動機換向器打火事故的分析、處理，掌握直流電動機換向器打火事故處理方法，準確判斷出電機打火事故的原因，及時采取有效措施，避免事故擴大，確保煤礦企業(yè)安全生產。

參考文獻：

[1]李發(fā)海，朱東起編輯。《電機學》第五版 科學出版社，2016-01-01.

作者簡介：

陶乃軍（1969-），男，漢族，黑龍江鶴崗人，畢業(yè)于黑龍江科技學院礦山機電專業(yè)，從事煤礦機電技術培訓工作，現任龍煤鶴崗礦業(yè)公司興安煤礦安全培訓中心講師。