罕见直流电机励磁故障分析

李旭亮

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

1 故障描述与检测试验

某厂家向我公司请求技术服务，据其描述其一台铝带冷轧机组的卷取一号电机，在正常点动运行和空载运行时都无异常，可是当上料后一旦“张力投入”按钮按下，驱动该电机的直流驱动器就会出现励磁过流故障并跳闸。经过故障复位操作后，直流驱动器可以再次正常合闸，且点动运行和空载运行时都无异常。

厂方检查电机外部和内部线路正确无异常，检查电机内部无灼烧短路迹象，换向器表面光滑，碳刷接触良好，各部件安装牢固无松动，测量励磁对地、励磁对电枢、电枢对地之间的绝缘都符合要求。更换励磁控制板、测量板、主控制板以后，故障依然存在。将直流驱动器内各参数恢复出厂默认值后重新进行整定，整定过程一切正常。但故障依旧存在，且现象完全相同，点动运行和空载运行时都无异常，仅发生在正常张力投入瞬间，通过电脑调试软件记录励磁电流如图1所示。

通过以上常规检查和排除没有发现任何异常，为分析查找故障采用替换对比方法，将从故障的卷取一号直流驱动器上更换下来的励磁控制板、测量板以及主控制板，依次逐一安装在电机型号和直流驱动器型号完全一样的开卷一号上，发现开卷一号完全正常工作。至此可以完全排除卷取一号直流驱动器硬件故障可能性。通过电脑软件检测发现，开卷一号正常张力投入时实际电枢电流增大，实际和给定励磁电流相等且无任何变化。而卷取一号当正常张力投入时给定励磁电流稳定无变化，实际励磁电流却突然增加直至产生励磁过流故障并跳闸，分别如图2和图3所示。

由于以上检测和实验未能查找到故障原因，决定逐步适当放大励磁过流跳闸保护阀值，并观察。已知卷取一号直流驱动器励磁控制回路最大允许电流可达25A，电机励磁线圈额定电流9.6A，当前励磁过流跳闸保护阀值10A，每次实验上调励磁过流跳闸保护阀值量为电机额定励磁电流的15%。前3次实验现象依然如故出现，但第4次实验励磁过流跳闸保护阀值15.4A，卷取机张力正常投入时没有出现励磁过流故障，实际电枢电流突然增大，给定励磁电流始终稳定不变。实际励磁电流在正常张力投入瞬间突然增大，但并未达到励磁过流跳闸保护阀值15.4A，然后实际励磁电流减小回落至小于额定励磁电流，形成一次回调，而最终又稳定到了正常张力投入之前的额定励磁电流。保持直流驱动器励磁过流跳闸保护阀值15.4A不变，反复重复正常张力投入试验多次，现象完全相同，励磁电流最大只达到15A左右，并未跳闸，仅仅是随着正常张力投入励磁电流产生一次复制较大的突升和一次复制较小的突降，然后恢复到额定励磁电流，如图4所示。

根据以上结果，推测卷取一号励磁电流可能受到电枢电流影响，因此做以下实验。(1)第一个实验，将张力预设为零，结果卷取一号张力投入正常。撤除卷取张力，逐步增加预设张力后张力投入，反复试验，当预设张力大于一定数值，张力投入瞬间就会产生励磁过流故障并跳闸。(2)第二个试验，将张力预设为零并投入，此时无明显异常；然后逐步增大张力给定值，电枢电流增加，给定励磁电流稳定不变，发现实际励磁电流波动逐渐增大，并且据操作人员反应感觉作用在带材上的张力明显小于正常状态。通过以上两个试验可以得出，电枢电流越大对励磁影响越大，电枢电流变化速度越快对励磁影响越大。

综合多次检查测试，最终确定本故障是由电机本身造成。遂将故障电机送电机厂维修，经电机厂检测，发现电机刷架物理中心线错位偏移。电机厂在对电机重新修复后设备重新投入正常使用。

2 故障原因理论分析

直流电机正常制造完成后还会对其刷架进行微调，以保证其物理中心线与几何中心线重合。在直流电机学中把磁极结构上的磁极分界线称作几何中心线，把气隙磁场分界点称为物理中性线。在电机没有负载，即电枢无电流通过，只有励磁回路产生的磁场时，物理中心线和几何中心线完全重合，位于两个磁极的正中间，这是电机的理想状态。在这种状态下，当电枢内通过电流，则电枢所产生的磁场正好垂直于励磁磁极所产生的磁场，二者正交。由电枢产生的磁场的垂直正交与励磁磁场的分量称之为交轴分量，而平行于励磁磁场的分量为直轴分量。在电机物理中心线与几何中心线重合时，只有交轴分量，直轴分量为零，如图5所示。

图5中电机顺时针旋转，电枢交轴分量向下。当电机逆时针旋转时，电枢内电流换向，根据右手螺旋定则，交轴分量则向上。

当直流电机刷架位置发生偏移，就会使物理中心线与几何中心线产生一个偏转角度，此时当电枢内有电流通过时，其产生的磁场将不再与励磁磁场垂直，二者不再是正交关系。此时可对电枢所产生的磁场进行直角分解，变为垂直于励磁磁场的交轴分量和平行于励磁磁场的直轴分量，如图6所示。

电枢电流产生的磁场对励磁主极磁场基波产生影响的现象称作电枢反应，它包括交轴电枢反应和直轴电枢反应。当电机物理中心线与几何中心线重合时，只有交轴电枢反应。当电机物理中心线与几何中心线偏离一定角度时，就会既有交轴电枢反应，又有直轴电枢反应，且偏离角度越大，交轴电枢反应影响越小，直轴电枢反应影响越大。

直轴电枢反应所产生的磁场由于平行于励磁主极磁场，则直接加强或者削弱电机主磁通，由电枢电流方向和物理中心线偏离几何中心线的方向来共同决定的，可总结为，对于直流电动机，电刷(电机物理中心线)向电机旋转方向偏移一个角度，则增强磁场，电刷(电机物理中心线)向电机旋转方向的相反方向偏移一个角度，则削弱磁场；对于直流发电机，电刷(电机物理中心线)向电机旋转方向偏移一个角度，则削弱磁场，电刷(电机物理中心线)向电机旋转方向的相反方向偏移一个角度，则增强磁场。直轴电枢反应无论是对励磁磁场的增强还是削弱，对实际生产都是不利的。直轴电枢反应绝大多数都是由于电机在制造和维修时装配精度不够所造成的，应尽量避免。 当卷取机正常张力投入时，随着电枢电流的增大，其产生的直轴分量磁场也很大，足以对励磁磁场产生明显的增磁效果。而此时电机励磁绕组的工作状态与变压器相同，直轴磁场变化所引起的通过励磁绕组的磁通变化在其内部产生了感应电动势，且电动势方向与励磁电压方向相同，两者起到了叠加作用。由图3和图4所记录的卷取机正常张力投入时刻的电枢电流变化曲线来看，此时不仅电流数值很大，而且上升速度很快，接近于阶跃曲线。

由以下公式推导可得，磁场强度H=NI/Le；式中，H为磁场强度，A/m；N为励磁线圈的匝数；I为励磁电流(测量值)，A，这里即为电枢电流；Le为测试样品的有效磁路长度，m。由此可知，当电枢电流较大时，其产生的直轴磁场分量也较大。此时通过励磁绕组感应磁场应为，感应磁场强度B=H=μNI/Le；式中，B为磁通密度，Wb/m2；μ为磁导率是一个常量；H为磁场强度，A/m。此时通过励磁绕组的磁通为，磁通Φ=BS=μN×I/Le。而通过励磁绕组的磁通产生变化时，将会在绕组中产生感应电动势，其大小由下列公式确定，感应电动势E=NdΦ/dt=(dI/dt)μN/Le；式中，(dI/dt)为电枢电流对时间的导数，即电枢电流变化率，而其它均为常量。

3 总结

本案例中卷取电机正常张力投入时励磁过流跳闸故障的根本原因是厂方对该电机拆解保养后重新装配时，物理中心线与几何中心线没有完全重合，且偏差较大。同时该电机作为卷取电机，其电枢电流方向和物理中心线与几何中心线偏离方向共同决定了直轴电枢反应的效果是对励磁磁场产生增强效应，当卷取张力增大后，电枢电流上升，使得电枢磁场直轴分量在励磁绕组中产生了较大的感应电动势，造成励磁电流瞬间激增以至于超过直流驱动器所设保护阀值造成跳闸并产生励磁过流故障报警。