发电机集电环发热现象原因分析及解决措施

中车永济电机有限公司 田峰毅 范秀云 李慧萍

1.前言

在主发电机中，转子励磁绕组通过电刷和滑环外加直流电励磁。集电环与电刷在电机结构中起着很重要的作用，它的质量的好坏直接影响电机正常工作的工作效率。

一个电机正常工作时呈现的状态是在运行时形成均匀的氧化膜，并具有稳定性。形成的这一层氧化膜是复合型的薄膜，氧化膜中含量成分与使用的电机的类型、电环的材质有密切联系。电机与材料间的接触面的面积受多种因素影响，如使用的电机中的电环的材质、材料的硬度，还跟加工要求、电刷的材质等方面有关。据相关研究表明，氧化膜的状态受使用中电压大小有关，当电压较小时，薄膜会产生绝缘的情况；当电压较大时，薄膜会被强大的电流击破。一旦氧化膜被击破，电流的增减不会对电压产生影响，因为导电点的增加、导电接触面积的增大，接触面的电压不会产生变化，保持一个恒定的状态。氧化膜薄膜有良好的润滑功能，而电刷、集电环两者间接触面中，具有润滑功能的部位是润滑层中的石墨膜，这一层膜有效的将电刷、集电环分隔开来，在接触面摩擦过程中发挥润滑的功能，减少了接触面的摩擦系数，从而减少产生摩擦热的概率，最终起到了减少电刷磨损、保护电刷的作用。

2.集电环常见故障的原因及处理方法

在电刷正常工作时容易产生发热、出现火花以及烧坏集电环等情况。就这些情况发生的主要原因方面分析，体现在下面几个方面：

（1）出现通风不良的情况，多数是由于设备中的冷却道堵塞情况，如集电环中的螺旋槽、电机通风处的堵塞情况都会影响到整体通风的情况；特别是若在电机正常工作中，集电环温度太高会加剧电刷使用过程中的磨损程度，导致碳粉的快速增加、堆积，最后会导致集电环中的散热通道出现严重堵塞的情况。TF1B电机转子集电环螺旋槽标准要求2×3mm，对于经过多次车削的集电环，根据电机使用维护说明书要求，如果集电环表面的螺旋槽深度到达车削限制标准，即小于1mm时，这时就要求相关工作人员依据说明书上相关要求进行更换螺旋，要求把控集成环在工作时正常散热。

（2）因接触面电阻较大、电阻分布不均等原因导致的发热情况：集电环与电刷两者间借助相互运动的电流，在TF1B这一类型号的电机中，集电环有3只电刷，因其接触面的电阻的不同、接触面中电流分配不均等原因容易引起接触面产生发热不均匀的情况，主要分为以下几个原因：a、电刷、滑环两者接触面的电阻、电阻和刷辫接触面的电阻、刷辫和刷架引线之间接触面电阻较大。这对这一情况可采取检测单个电刷总压降、电刷接触面的压降等部位之间的电压，并将结果进行比较。还要对回路中的螺栓进行检测。对电刷接触面上的清洁进行检测，检查上面是否有油污，产生污染情况。b、电刷的压力不均匀，有的电刷由于较短、其弹簧因过热等原因老化导致失去弹性。通过利用弹簧秤检测电刷的压力。所使用的弹簧要求须完整，其压力要求20-25N内，检测中偏差不能大于10%。c、集电环和转子引线两者间接触面电阻太大，此时要采取措施加固两者上的螺栓，用力矩扳手检查并紧固。d、使用的电刷质量未达标准、电刷导电效能低、电刷型号不达相关要求。在同一个电机上的电刷应来自相同型号、厂家，并对检查中外观有不同的电刷进行替换。

（3）机械、摩擦等产生过热现象：在多数问题中一半都是机械、摩擦引起的，若在未正常运作时没有加励磁，出现集电环和电刷温度过高的情况；或正常运作中温度太高，拔掉电刷反而出现降低的情况，可以判定是机械、摩擦引起的。机械、摩擦引起发热的现象体现在这几个方面：a、电刷上的接触面研磨不达标准。替换上的电刷须和以前的直接一样，牌号需要相同。b、电刷和集成环两者间接触面积太小，要求不能低于单个电刷面积的百分之八十。c、电刷在正常运作中摆动迟缓。要求电刷在工作时能自由的上下移动，两者间的间隙要符合相关标准；若无具体规定，两者间间隙应为0.10-0.20mm。电刷的外形上要求方正，误差要控制在0.05mm内。d、刷握、集电环两者间的间隙太大。因为制作电刷的材质相对较脆，若两者间间隙太大，电刷整体不能接触到集电环，容易出现电刷崩裂的现象。刷握、集电环两者间的间隙应为为2－5mm。

3.集电环、电刷故障的分析及建议

（1）正确认识电刷上形成的氧化膜，并为其产生创造条件：由于电刷表层的氧化膜这一薄膜难以自然形成，需要为其形成创造相关条件，若未达到相关条件，难以甚至无法形成氧化膜，其原因主要是：a、温度过高：氧化膜形成的适宜温度在70℃，但在集电环与电刷发生问题时的温度高于150℃，难以形成氧化膜，没有润滑的功效，导致加剧电刷的磨损程度、温度升高，产生恶性循环。这个时候应强行采取电机外部降温方式，使用功率大的风扇、降低电机功率等方式，让集电环的温度在标准范围内，促进形成氧化膜薄膜，达到润滑的目的。b、冷却空气中有污染性杂质：空气中含有杂质易对氧化膜薄膜的产生带来负面作用，其中杂质包括了空气中的油气混合物、碳粉等方面。c、空气湿度太低或含氧量太低：氧化膜的生成条件中对空气中的水分有要求，要求空气中水分不能过高或过低。此外，氧化膜的产生主要依靠和空气中的氧发生反应，对空气中的氧含量有要求。氧化膜的生成还跟电刷的研磨、集电环清洁度等方面相关。

（2）采购过程中严格把控电刷、刷架质量：我国目前一个品牌的电刷是在不同区域、不同工厂进行加工制作的，在采购过程中要严格控制质量，对厂家的生产质量即相关质量检测方式详细调查。根据此项要求，我厂选用的电刷为南洋或哈碳 D172型。

（3）正常运作中重视集电环、电刷的保养和维护：建立集电环、电刷等设备的保养、维修制度，根据说明书的相关要求对相关设备进行检查和保养。

4.结论

综上分析集电环、电刷在使用过程的故障现象和特点，提出几种常见分析方法的原理，但在实际装配过程中，必须严格按工艺操作、清洁生产，在使用过程中，必须严格按照用户使用手册维护、保养，确保集电环、电刷的使用质量与使用寿命。

[1]许实章主编.电机学[M].北京：机械工业出版社,1995.

[2]李发海,王岩编.电机与拖动基础[M].北京：中央广播电视大学出版社,1994.