浅析直流电机环火与电磁之间的关系

2017-08-02中国中车永济电机有限公司苗志涛

电子世界 2017年14期

中国中车永济电机有限公司苗志涛

浅析直流电机环火与电磁之间的关系

中国中车永济电机有限公司苗志涛

直流电机在试验时容易出现换向不良导致的电机环火，该故障较为常见，而且发生率高。本文是通过对某试制直流电动机在试验时发生电刷后刷边缘出现火花，而且电刷后边缘产生灼痕，经现场和理论结合分析得知属于换向器线圈中电抗电动势太大导致。本文主要是从电磁原因方面分析环火，找其原因和改善方法。

直流电机；电磁；环火；换向器；电动势

一、前言

电机试验时经常会出现换向器被灼黑，刷辫烧断，甚至有严重的将刷架烧损，给生产制造造成了经济损失；由于环火产生的原因比较多而且也比较复杂，我们在电机出现环火后一定要看其规律，根据规律找根源；本文所涉及的只是浅浅的一部分——（电磁）换向极线圈中电抗电动势和换向极电动势与电机环火之间的关系。

二、环火的定义与危害

直流电机运行时，电枢绕组的线圈由一条支路经电刷短路进入另一条支路，该电流方向发生改变，这种电流方向的改变叫换向；换向不良将在电刷下出现火花，若火花超过一定程度，就会产生环火；然而火花产生的原因也是十分复杂的，有电磁、机械和化学等各方面的因素交织在一起形成的；电刷下的火花是有害的，也是不可避免的，若火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，更有甚至烧损刷架，使电机不能继续运行。直流电动机技术标准中将火花分为五个等级，并规定电机正常运行时不应超过11/2级，如表1所示：

表1 火花等级

三、电磁原因导致环火的原因分析

直流电机的换向过程：电机在换向过程中由电刷与线圈通过换向器片接触；设定有线圈1，线圈2，线圈3….，串联后均相对应换向片1、2、3…，如果电刷只与单个换向器片1接触时线圈中的电流为+i；当电刷同时与相临的换向片1和2两个换向片接触时，线圈与换向线圈就被电刷短路，线圈中的电流i=0；当线圈经过1只与换向片2接触时，电刷只与换向线圈接触，进入另一支路，此时电流反向改变为-i。这样线圈1中的电流在被电刷短路的过程中，进行了电流换向，而线圈1则被称为换向线圈。从+i到-i所用的时间称为换向周期Tc，而Tc一般只有千分之几秒。

由以上的换向过程可以看出，换向时换向线圈中换向电流i的大小、方向发生急剧变化，因而会产生自感电动势。同时进行换向的线圈不止一个，电流的变化，除了各自产生的自感电动势外，各线圈之间还会产生互感电动势。我们知道自感和互感电动势之和就是电抗电动势ex。根据楞次定律（感应电动势趋于产生一个电流，该电流的方向趋于阻止产生此感应电动势的磁通的变化），电抗电动势ex具有阻碍换向线圈中电流变化的趋势，因此电抗电动势ex的方向与线圈换向前的电流方向一致，如图2所示。另外，直流电机负载运行时，电枢反应使主极磁场畸变，几何中性线处磁场不为零，这时处在几何中性线上的换向线圈，就要切割电枢磁场的磁力线而产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势ea。在图2中用右手定则，可以判断出直流电动机的ea方向也与线圈换向前的电流方向一致，阻碍电流的换向。由此可以断定换向线圈中出现的电抗电动势ex和电枢反应电动势ea均阻碍电流的换向，它们共同产生一个附加换向电流ik，使换向电流的变化变慢，这个表现在图1曲线2所示的延迟换向；图1直线1所示为假设换向线圈的电动势=0，则换向电流的变化规律如图1中的线1所示直线理想换向，而在实际换向过程中，换向变化规律并不是如图1中的线1所示直线理想情况，而是存在有以上两种感应电动势影响电流的换向。

图1 换向电流变化过程

当换向结束的瞬间，被电刷短路的线圈瞬时脱离电刷后边时，ik不为零，因为换向线圈属于电感线圈，所以其中存在一部分磁场能量Lik

2，这部分能量达到一定数值后，以弧光放电的方式转化为热能，导致环火发生。

图2 换向线圈中电动势方向及换向极位置和极性

四、改善电磁环火的方法

改善电磁环火的方法就是从减小、甚至消除附加换向电流ik入手。换向极的作用就是要产生一个与电枢磁通势方向相反的换向极磁通势，它除了要抵消处在几何中性线处的电枢磁通势外，还要产生一个换向极磁场，在几何中性线上的换向线圈切割该磁场，产生旋转电动势叫换向极电动势ek，ek与电抗电动势ex大小相等，方向相反，使得ek+ex≈0，则附加换向电流ik就近似等于零，从而消除环火。

由此我们将环火电机进行进行解体，在换向极线圈下方与机座连接处加装非磁性的铜垫片，调整第二气隙，整个换向极磁路的总气隙长度不变，但极面下的气隙减小了；这样可以减小换向极的漏磁通，增加了换向极的有效磁场，使换向极电动势增加，从而达到消除附加换向电流ik，起到了消除环火的目的。