淺析直流電機(jī)環(huán)火與電磁之間的關(guān)系

中國中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 苗志濤

淺析直流電機(jī)環(huán)火與電磁之間的關(guān)系

中國中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 苗志濤

直流電機(jī)在試驗(yàn)時容易出現(xiàn)換向不良導(dǎo)致的電機(jī)環(huán)火，該故障較為常見，而且發(fā)生率高。本文是通過對某試制直流電動機(jī)在試驗(yàn)時發(fā)生電刷后刷邊緣出現(xiàn)火花，而且電刷后邊緣產(chǎn)生灼痕，經(jīng)現(xiàn)場和理論結(jié)合分析得知屬于換向器線圈中電抗電動勢太大導(dǎo)致。本文主要是從電磁原因方面分析環(huán)火，找其原因和改善方法。

直流電機(jī)；電磁；環(huán)火；換向器；電動勢

一、前言

電機(jī)試驗(yàn)時經(jīng)常會出現(xiàn)換向器被灼黑，刷辮燒斷，甚至有嚴(yán)重的將刷架燒損，給生產(chǎn)制造造成了經(jīng)濟(jì)損失；由于環(huán)火產(chǎn)生的原因比較多而且也比較復(fù)雜，我們在電機(jī)出現(xiàn)環(huán)火后一定要看其規(guī)律，根據(jù)規(guī)律找根源；本文所涉及的只是淺淺的一部分——（電磁）換向極線圈中電抗電動勢和換向極電動勢與電機(jī)環(huán)火之間的關(guān)系。

二、環(huán)火的定義與危害

直流電機(jī)運(yùn)行時，電樞繞組的線圈由一條支路經(jīng)電刷短路進(jìn)入另一條支路，該電流方向發(fā)生改變，這種電流方向的改變叫換向；換向不良將在電刷下出現(xiàn)火花，若火花超過一定程度，就會產(chǎn)生環(huán)火；然而火花產(chǎn)生的原因也是十分復(fù)雜的，有電磁、機(jī)械和化學(xué)等各方面的因素交織在一起形成的；電刷下的火花是有害的，也是不可避免的，若火花超過一定程度，就會燒壞電刷和換向器，更有甚至燒損刷架，使電機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。直流電動機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中將火花分為五個等級，并規(guī)定電機(jī)正常運(yùn)行時不應(yīng)超過11/2級，如表1所示：

表1 火花等級

三、電磁原因?qū)е颅h(huán)火的原因分析

直流電機(jī)的換向過程：電機(jī)在換向過程中由電刷與線圈通過換向器片接觸；設(shè)定有線圈1，線圈2，線圈3….，串聯(lián)后均相對應(yīng)換向片1、2、3…，如果電刷只與單個換向器片1接觸時線圈中的電流為+i；當(dāng)電刷同時與相臨的換向片1和2兩個換向片接觸時，線圈與換向線圈就被電刷短路，線圈中的電流i=0；當(dāng)線圈經(jīng)過1只與換向片2接觸時，電刷只與換向線圈接觸，進(jìn)入另一支路，此時電流反向改變?yōu)?i。這樣線圈1中的電流在被電刷短路的過程中，進(jìn)行了電流換向，而線圈1則被稱為換向線圈。從+i到-i所用的時間稱為換向周期Tc，而Tc一般只有千分之幾秒。

由以上的換向過程可以看出，換向時換向線圈中換向電流i的大小、方向發(fā)生急劇變化，因而會產(chǎn)生自感電動勢。同時進(jìn)行換向的線圈不止一個，電流的變化，除了各自產(chǎn)生的自感電動勢外，各線圈之間還會產(chǎn)生互感電動勢。我們知道自感和互感電動勢之和就是電抗電動勢ex。根據(jù)楞次定律（感應(yīng)電動勢趨于產(chǎn)生一個電流，該電流的方向趨于阻止產(chǎn)生此感應(yīng)電動勢的磁通的變化），電抗電動勢ex具有阻礙換向線圈中電流變化的趨勢，因此電抗電動勢ex的方向與線圈換向前的電流方向一致，如圖2所示。另外，直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，電樞反應(yīng)使主極磁場畸變，幾何中性線處磁場不為零，這時處在幾何中性線上的換向線圈，就要切割電樞磁場的磁力線而產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)電動勢，稱為電樞反應(yīng)電動勢ea。在圖2中用右手定則，可以判斷出直流電動機(jī)的ea方向也與線圈換向前的電流方向一致，阻礙電流的換向。由此可以斷定換向線圈中出現(xiàn)的電抗電動勢ex和電樞反應(yīng)電動勢ea均阻礙電流的換向，它們共同產(chǎn)生一個附加換向電流ik，使換向電流的變化變慢，這個表現(xiàn)在圖1曲線2所示的延遲換向；圖1直線1所示為假設(shè)換向線圈的電動勢=0，則換向電流的變化規(guī)律如圖1中的線1所示直線理想換向，而在實(shí)際換向過程中，換向變化規(guī)律并不是如圖1中的線1所示直線理想情況，而是存在有以上兩種感應(yīng)電動勢影響電流的換向。

圖1 換向電流變化過程

當(dāng)換向結(jié)束的瞬間，被電刷短路的線圈瞬時脫離電刷后邊時，ik不為零，因?yàn)閾Q向線圈屬于電感線圈，所以其中存在一部分磁場能量Lik

2，這部分能量達(dá)到一定數(shù)值后，以弧光放電的方式轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致環(huán)火發(fā)生。

圖2 換向線圈中電動勢方向及換向極位置和極性

四、改善電磁環(huán)火的方法

改善電磁環(huán)火的方法就是從減小、甚至消除附加換向電流ik入手。換向極的作用就是要產(chǎn)生一個與電樞磁通勢方向相反的換向極磁通勢，它除了要抵消處在幾何中性線處的電樞磁通勢外，還要產(chǎn)生一個換向極磁場，在幾何中性線上的換向線圈切割該磁場，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢叫換向極電動勢ek，ek與電抗電動勢ex大小相等，方向相反，使得ek+ex≈0，則附加換向電流ik就近似等于零，從而消除環(huán)火。

由此我們將環(huán)火電機(jī)進(jìn)行進(jìn)行解體，在換向極線圈下方與機(jī)座連接處加裝非磁性的銅墊片，調(diào)整第二氣隙，整個換向極磁路的總氣隙長度不變，但極面下的氣隙減小了；這樣可以減小換向極的漏磁通，增加了換向極的有效磁場，使換向極電動勢增加，從而達(dá)到消除附加換向電流ik，起到了消除環(huán)火的目的。

五、結(jié)束語

通過對電機(jī)換向極線圈下方與機(jī)座連接處加裝非磁性的銅墊片，進(jìn)行調(diào)整第二氣隙的方法減小附加換向電流ik，將環(huán)火問題進(jìn)行關(guān)閉。

[1]胡幸鳴．電機(jī)及拖動基礎(chǔ)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社．