發電機集電環發熱現象原因分析及解決措施

中車永濟電機有限公司 田峰毅 范秀云 李慧萍

1.前言

在主發電機中，轉子勵磁繞組通過電刷和滑環外加直流電勵磁。集電環與電刷在電機結構中起著很重要的作用，它的質量的好壞直接影響電機正常工作的工作效率。

一個電機正常工作時呈現的狀態是在運行時形成均勻的氧化膜，并具有穩定性。形成的這一層氧化膜是復合型的薄膜，氧化膜中含量成分與使用的電機的類型、電環的材質有密切聯系。電機與材料間的接觸面的面積受多種因素影響，如使用的電機中的電環的材質、材料的硬度，還跟加工要求、電刷的材質等方面有關。據相關研究表明，氧化膜的狀態受使用中電壓大小有關，當電壓較小時，薄膜會產生絕緣的情況；當電壓較大時，薄膜會被強大的電流擊破。一旦氧化膜被擊破，電流的增減不會對電壓產生影響，因為導電點的增加、導電接觸面積的增大，接觸面的電壓不會產生變化，保持一個恒定的狀態。氧化膜薄膜有良好的潤滑功能，而電刷、集電環兩者間接觸面中，具有潤滑功能的部位是潤滑層中的石墨膜，這一層膜有效的將電刷、集電環分隔開來，在接觸面摩擦過程中發揮潤滑的功能，減少了接觸面的摩擦系數，從而減少產生摩擦熱的概率，最終起到了減少電刷磨損、保護電刷的作用。

2.集電環常見故障的原因及處理方法

在電刷正常工作時容易產生發熱、出現火花以及燒壞集電環等情況。就這些情況發生的主要原因方面分析，體現在下面幾個方面：

（1）出現通風不良的情況，多數是由于設備中的冷卻道堵塞情況，如集電環中的螺旋槽、電機通風處的堵塞情況都會影響到整體通風的情況；特別是若在電機正常工作中，集電環溫度太高會加劇電刷使用過程中的磨損程度，導致碳粉的快速增加、堆積，最后會導致集電環中的散熱通道出現嚴重堵塞的情況。TF1B電機轉子集電環螺旋槽標準要求2×3mm，對于經過多次車削的集電環，根據電機使用維護說明書要求，如果集電環表面的螺旋槽深度到達車削限制標準，即小于1mm時，這時就要求相關工作人員依據說明書上相關要求進行更換螺旋，要求把控集成環在工作時正常散熱。

（2）因接觸面電阻較大、電阻分布不均等原因導致的發熱情況：集電環與電刷兩者間借助相互運動的電流，在TF1B這一類型號的電機中，集電環有3只電刷，因其接觸面的電阻的不同、接觸面中電流分配不均等原因容易引起接觸面產生發熱不均勻的情況，主要分為以下幾個原因：a、電刷、滑環兩者接觸面的電阻、電阻和刷辮接觸面的電阻、刷辮和刷架引線之間接觸面電阻較大。這對這一情況可采取檢測單個電刷總壓降、電刷接觸面的壓降等部位之間的電壓，并將結果進行比較。還要對回路中的螺栓進行檢測。對電刷接觸面上的清潔進行檢測，檢查上面是否有油污，產生污染情況。b、電刷的壓力不均勻，有的電刷由于較短、其彈簧因過熱等原因老化導致失去彈性。通過利用彈簧秤檢測電刷的壓力。所使用的彈簧要求須完整，其壓力要求20-25N內，檢測中偏差不能大于10%。c、集電環和轉子引線兩者間接觸面電阻太大，此時要采取措施加固兩者上的螺栓，用力矩扳手檢查并緊固。d、使用的電刷質量未達標準、電刷導電效能低、電刷型號不達相關要求。在同一個電機上的電刷應來自相同型號、廠家，并對檢查中外觀有不同的電刷進行替換。

（3）機械、摩擦等產生過熱現象：在多數問題中一半都是機械、摩擦引起的，若在未正常運作時沒有加勵磁，出現集電環和電刷溫度過高的情況；或正常運作中溫度太高，拔掉電刷反而出現降低的情況，可以判定是機械、摩擦引起的。機械、摩擦引起發熱的現象體現在這幾個方面：a、電刷上的接觸面研磨不達標準。替換上的電刷須和以前的直接一樣，牌號需要相同。b、電刷和集成環兩者間接觸面積太小，要求不能低于單個電刷面積的百分之八十。c、電刷在正常運作中擺動遲緩。要求電刷在工作時能自由的上下移動，兩者間的間隙要符合相關標準；若無具體規定，兩者間間隙應為0.10-0.20mm。電刷的外形上要求方正，誤差要控制在0.05mm內。d、刷握、集電環兩者間的間隙太大。因為制作電刷的材質相對較脆，若兩者間間隙太大，電刷整體不能接觸到集電環，容易出現電刷崩裂的現象。刷握、集電環兩者間的間隙應為為2－5mm。

3.集電環、電刷故障的分析及建議

（1）正確認識電刷上形成的氧化膜，并為其產生創造條件：由于電刷表層的氧化膜這一薄膜難以自然形成，需要為其形成創造相關條件，若未達到相關條件，難以甚至無法形成氧化膜，其原因主要是：a、溫度過高：氧化膜形成的適宜溫度在70℃，但在集電環與電刷發生問題時的溫度高于150℃，難以形成氧化膜，沒有潤滑的功效，導致加劇電刷的磨損程度、溫度升高，產生惡性循環。這個時候應強行采取電機外部降溫方式，使用功率大的風扇、降低電機功率等方式，讓集電環的溫度在標準范圍內，促進形成氧化膜薄膜，達到潤滑的目的。b、冷卻空氣中有污染性雜質：空氣中含有雜質易對氧化膜薄膜的產生帶來負面作用，其中雜質包括了空氣中的油氣混合物、碳粉等方面。c、空氣濕度太低或含氧量太低：氧化膜的生成條件中對空氣中的水分有要求，要求空氣中水分不能過高或過低。此外，氧化膜的產生主要依靠和空氣中的氧發生反應，對空氣中的氧含量有要求。氧化膜的生成還跟電刷的研磨、集電環清潔度等方面相關。

（2）采購過程中嚴格把控電刷、刷架質量：我國目前一個品牌的電刷是在不同區域、不同工廠進行加工制作的，在采購過程中要嚴格控制質量，對廠家的生產質量即相關質量檢測方式詳細調查。根據此項要求，我廠選用的電刷為南洋或哈碳 D172型。

（3）正常運作中重視集電環、電刷的保養和維護：建立集電環、電刷等設備的保養、維修制度，根據說明書的相關要求對相關設備進行檢查和保養。

4.結論

綜上分析集電環、電刷在使用過程的故障現象和特點，提出幾種常見分析方法的原理，但在實際裝配過程中，必須嚴格按工藝操作、清潔生產，在使用過程中，必須嚴格按照用戶使用手冊維護、保養，確保集電環、電刷的使用質量與使用壽命。

[1]許實章主編.電機學[M].北京：機械工業出版社,1995.

[2]李發海,王巖編.電機與拖動基礎[M].北京：中央廣播電視大學出版社,1994.