寬電刷下直流電機(jī)換向過(guò)程研究

劉 敏 軍

（華東交通大學(xué)，南昌 330013）

前言

直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生火花，是由于電磁、機(jī)械和化學(xué)等各方面原因造成的，其中機(jī)械和化學(xué)方面的原因是外因，可通過(guò)嚴(yán)格要求電機(jī)制造工藝和加強(qiáng)電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)等方法來(lái)解決；電磁原因是內(nèi)因，是由于換向不良造成的。世界上許多專(zhuān)家、學(xué)者在直流電機(jī)換向方面進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究，取得了不少重要成果。由于直流電機(jī)換向非常復(fù)雜，傳統(tǒng)經(jīng)典理論對(duì)換向過(guò)程的研究都是在假設(shè)電刷的寬度等于換向片的寬度下進(jìn)行的。但大部分的直流電機(jī)的電刷寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于換向片的寬度，因此，其分析得出的結(jié)論與實(shí)際情況存在較大的差距。本文主要對(duì)直流電機(jī)在寬電刷下的換向過(guò)程進(jìn)行研究。

1 Bb=Bk+By時(shí)換向過(guò)程

1.1 換向過(guò)程概念

直流電機(jī)的換向過(guò)程是指旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷進(jìn)入另外一條支路時(shí)，繞組元件中電流發(fā)生方向改變的過(guò)程。

在理想的換向過(guò)程中，在換向周期內(nèi)，流經(jīng)電刷接觸面的電流始終與接觸面積成正比。當(dāng)電刷離開(kāi)換向片時(shí)，電流自然過(guò)渡為零，因此不產(chǎn)生換向火花。然而，在實(shí)際的換向過(guò)程中，因換向元件有電抗電勢(shì)、電樞反應(yīng)電勢(shì)等存在，干擾和阻礙了換向元件中的電流變化，導(dǎo)致同一電刷在不同換向片上的電流密度不等，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生換向火花。

1.2 換向過(guò)程簡(jiǎn)化分析

為方便分析該電機(jī)換向情況，首先對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1。圖中電刷寬度Bb等于換向片寬Bk與云母片寬度 By之和（By常忽略不計(jì)）；電刷和換向片接觸表面均勻地流過(guò)電流，為理想面接觸；電刷單位面積上接觸電阻為常數(shù)，接觸面積與接觸電阻成反比；電機(jī)沒(méi)有安裝換向極。圖中電刷固定不動(dòng)，換向器的線速度為Vk，從右向左運(yùn)動(dòng)。

以繞組元件5為例。圖1（a）表示電刷與換向片5完全接觸，圖1（b）表示電刷位于換向片5、6的正中間，與兩個(gè)換向片的接觸面積相等，圖1（c）表示電刷剛好離開(kāi)換向片 5，圖 1（d）表示電刷即將與換向片7接觸。

在電刷以－Vk（Vk為換向器線速度）的速度從圖1（a）中所處位置移動(dòng)到圖 1（c）中所處位置的過(guò)程中，電刷與換向片5、6同時(shí)接觸，而且電刷與換向片5的接觸面積從最大值減小到零，與換向片6的接觸面積從零增大到最大值，元件5中流過(guò)的電流從ia逐步減小到零，再?gòu)牧阕兊剑璱a；在電刷以－Vk的速度從圖1（c）中所處位置移動(dòng)到圖1（d）中所處位置的過(guò)程中，電刷始終與換向片6接觸，接觸面積為最大值，流過(guò)元件5的電流為－ia。

圖1 Bb=Bk+By時(shí)換向過(guò)程示意圖

換向元件中電流變化如圖2中直線1所示。換向周期為T(mén)k=Bb/ Vk，有效換向周期為T(mén)k'=Bk/ Vk，電流換向點(diǎn)為位于t1的瞬間，電樞支路電流變化率為dia/dt=2iaVk/ Bk。

實(shí)際上，換向元件在有效換向周期內(nèi)，由于電樞電流的變化和電樞反應(yīng)的影響，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電勢(shì)Σe，從而在換向元件中產(chǎn)生一個(gè)附加電流 ik，由于 ik與原來(lái)的電樞支路電流 ia方向相同，因此是阻礙電流換向的，從而造成延遲換向，如圖2中曲線2所示。在換向結(jié)束的瞬間，附加電流以電磁能的形式釋放出來(lái)就產(chǎn)生了電磁火花。當(dāng)附加電勢(shì)Σe很大時(shí)，就會(huì)造成過(guò)分延遲換向，如圖2中曲線3所示，在換向結(jié)束瞬間，換向元件中的電流從－ia'突變到－ia，從而產(chǎn)生更大的電磁火花。

2 寬電刷下?lián)Q向過(guò)程

2.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象是ZD115型脈流牽引電動(dòng)機(jī)，它是SS9型電力機(jī)車(chē)用牽引電動(dòng)機(jī)，相關(guān)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速為1081r/min，最大轉(zhuǎn)速為1945r/min，磁極數(shù)2p=6，電樞直徑680mm，電樞鐵心長(zhǎng)度270mm，換向器直徑500mm，云母片厚度為1.2mm，電樞槽數(shù)93，每個(gè)線圈由4個(gè)繞組元件組成，交叉豎放，電刷采用DE7型分裂式電刷，電刷數(shù)據(jù)為(2×10)×42×55mm。

圖2 Bb=Bk+By時(shí)換向元件中電流變化

根據(jù)電機(jī)參數(shù)可知，極距為15.5個(gè)實(shí)槽，第一節(jié)距為15個(gè)實(shí)槽，每片換向片寬度為3.0226mm，云母片厚度為 1.2mm，電刷總寬度為 20mm。即 Bb≈5（Bk+By）。

2.2 研究對(duì)象的簡(jiǎn)化

為方便分析該電機(jī)換向情況，首先對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖 3。圖中 Bb=5（Bk+By）；電刷和換向片接觸表面均勻地流過(guò)電流，為理想面接觸；電刷單位面積上接觸電阻為常數(shù)，接觸面積與接觸電阻成反比。圖中電刷固定不動(dòng)，換向器的線速度為Vk，從右向左運(yùn)動(dòng)。

2.3 換向過(guò)程分析

同樣以繞組元件5為例。圖3（a）表示電刷即將與換向片6接觸，圖3（b）表示電刷即將離開(kāi)換向片1，圖3（c）表示電刷即將與換向片10接觸，圖3（d）表示電刷即將離開(kāi)換向片5。

在電刷以－Vk（Vk為換向器線速度）的速度從圖3（a）中所處位置移動(dòng)到圖3（b）中所處位置的過(guò)程中，電刷與換向片5的接觸面積始終為最大值，電刷與換向片6的接觸面積從零開(kāi)始增大到最大值，元件5中流過(guò)的電流從ia逐步減小到零；在電刷以－Vk的速度從圖3（b）中所處位置移動(dòng)到圖3（c）中所處位置的過(guò)程中，元件5被電刷短路，流過(guò)的電流始終為零；在電刷以－Vk的速度從圖3（c）中所處位置移動(dòng)到圖3（d）中所處位置的過(guò)程中，電刷與換向片 6的接觸面積始終為最大值，電刷與換向片5的接觸面積從最大值開(kāi)始減小到零，元件5中流過(guò)的電流從零逐步減小到－ia。

換向元件中電流變化如圖 4所示。換向周期為T(mén)k=5Bb/ Vk，有效換向周期為T(mén)k'=（5 Bk+4 By）/ Vk，電流換向時(shí)間為bc段所經(jīng)過(guò)的時(shí)間tbc=（3 Bk+4 By）/ Vk，電樞支路電流變化率為dia/dt=iaVk/ Bk。

圖3 Bb=5（Bk+By）時(shí)換向過(guò)程示意圖

對(duì)于ZD115型脈流牽引電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)，換向周期為T(mén)k=0.746ms，有效換向周期為T(mén)k'=0.704ms，電流換向時(shí)間為bc段所經(jīng)過(guò)的時(shí)間tbc=0.49ms。最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，換向周期為T(mén)k= 0.415ms，有效換向周期為 Tk'=0.391ms，電流換向時(shí)間為 bc段所經(jīng)過(guò)的時(shí)間tbc=0.272ms。

圖4 Bb=5（Bk+By）時(shí)換向元件中電流變化

實(shí)際上，換向元件在有效換向周期內(nèi)，由于電樞電流的變化和電樞反應(yīng)的影響，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電勢(shì)Σe，從而在換向元件中產(chǎn)生一個(gè)附加電流 ik，由于 ik與原來(lái)的電樞支路電流 ia方向相同，因此是阻礙電流換向的，從而造成延遲換向，如圖4中曲線2所示。在換向結(jié)束的瞬間，附加電流以電磁能的形式釋放出來(lái)就產(chǎn)生了電磁火花。當(dāng)附加電勢(shì)Σe很大時(shí)，就會(huì)造成過(guò)分延遲換向，如圖4中曲線3所示，在換向結(jié)束瞬間，換向元件中的電流從－ia'突變到-ia，產(chǎn)生的電磁火花更大。

值得注意的是，當(dāng)電刷以－Vk的速度從圖3（b）中所處位置移動(dòng)到圖3（c）中所處位置的過(guò)程中，元件5被電刷短路，流過(guò)的支路電流ia始終為零，因此在這區(qū)間電抗電勢(shì)幾乎為零，僅存在電樞反應(yīng)電勢(shì)，即附加電勢(shì)等于電樞反應(yīng)電勢(shì)，比較小。如果合理安裝換向極，完全可以抵消電樞反應(yīng)的影響。產(chǎn)生電磁火花的瞬間主要出現(xiàn)在圖4中的b點(diǎn)和d點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻。

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）同一型號(hào)的直流電機(jī)，由于換向器的結(jié)構(gòu)是一樣的，因此采用不同寬度的電刷，其換向過(guò)程不一樣，換向元件中電流的變化規(guī)律也就不一樣。

（2）電刷寬度越大，電流的變化率會(huì)變緩，從而可以減小電抗電勢(shì)的大小，進(jìn)而減小附加電勢(shì)Σe的大小，有利于換向。

（3）電刷寬度越大，被電樞短路的元件越多，支路電勢(shì)越小，電機(jī)的電磁功率將下降。

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