直流電動(dòng)機(jī)換向火花分析

肖楊

摘 要： 換向是直流電機(jī)的特殊問題。火花是換向不良的表現(xiàn)，輕則灼傷電刷和換向器，嚴(yán)重時(shí)它會(huì)危及電機(jī)的運(yùn)行安全。同時(shí)還會(huì)對(duì)周圍的通訊設(shè)施造成干擾。本文是結(jié)合實(shí)踐工作當(dāng)中換向出現(xiàn)火花情況，通過分析和實(shí)踐消除火花，提高電機(jī)的效率，進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞： 直流電機(jī)；換向；火花

1概述

八鋼制品分廠有一臺(tái)LZ8/16全直流調(diào)速冷軋帶肋機(jī)組。主機(jī)電機(jī)是一臺(tái)Z4-280-31 132KW、采用西門子6RA23直流調(diào)速裝置，收線機(jī)電機(jī)是一臺(tái)Z4-180- 37KW、采用西門子6RA24直流調(diào)速裝置。有一次在更換Z4-280-31 132KW 4組換向線圈后，該電機(jī)換向器邊緣有較強(qiáng)烈的火花。無論怎樣調(diào)整電刷、清理換向器表面、降低軋制規(guī)格（也就是調(diào)整負(fù)載狀態(tài)）均不能消除該火花。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)不斷的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)是電工在更換該4組換向極線圈時(shí)把各自的兩接線柱接成混連連接方式，如圖一b所示。后把4組換向極線圈兩接線柱接成順連連接方式，如圖一a所示，就消除該火花現(xiàn)象。（本文筆者暫且稱頭頭與尾尾連接方式為順連，頭尾與頭頭或頭尾與尾尾稱為混連）

2換向過程概念

直流電機(jī)工作過程中，隨著電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)，每時(shí)每刻都有某些元件被電刷短路，它們從短路前的一條支路轉(zhuǎn)入短路后的一條支路，短路前后元件中的電流改變方向。這種元件電流改變方向的過程稱為換向。其一個(gè)元件的換向過程如圖二所示

3換向電流

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程 勵(lì)磁回路： U=IfRf

可得換向回路電壓方程為：

式中i1、i2經(jīng)換向片1、2流入電刷的電流，根據(jù)構(gòu)成電路回路電流法則，它們具有如下關(guān)系，即

可推導(dǎo)出換向電流表達(dá)式：

式中TK—是換向周期，r—是換向片與電刷完全接觸時(shí)的接觸電阻，ia—每支路電流

4分析與說明

Z4-280-31 132KW電刷采用D374N系列，在產(chǎn)生火花后，我們多次調(diào)整碳刷壓力、緊固刷架、清理換向器表面都無濟(jì)于事，至此可排除機(jī)械原因、電機(jī)的負(fù)載和其他環(huán)境因素的原因。

4.1通過電磁原理分析：

通過通過圖一所示的接線圖，直流電機(jī)4組極換向線圈自身材質(zhì)、長(zhǎng)度、繞線方向完全一樣，都分別放置在電機(jī)圓周面的四個(gè)對(duì)稱位置的理想環(huán)境下。當(dāng)該4組換向極線圈有電流通過時(shí)，每個(gè)線圈都會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)（運(yùn)動(dòng)的電子都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)）。每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向跟電流流經(jīng)的方向有關(guān)，如圖一所示。

根據(jù)磁場(chǎng)疊加原理：總磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度等于各個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷或載流線段產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。圖三c中一、二、三、四空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)分別為B、B、B、B， d中一、二、三、四空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)分別為-B、B、-B、-B，假定在電機(jī)端面的圓周面的中心M處疊加。則

順連時(shí)的總磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度：Bc=B+B+B+B=4B

混連時(shí)的總磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度：Bd=（-B）+B+（-B）+（-B）=-2B

也就是說順連時(shí)，電樞繞組和換向線圈回路中各磁場(chǎng)疊加后共同產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)Σe順 是穩(wěn)定的，產(chǎn)生的換向電流i順 均在該Z4-280-31 132KW電機(jī)換向電流i的穩(wěn)定區(qū)間。當(dāng)混連時(shí)，Bd ∝Bc→之差-△B（“-”是矢量方向），電樞繞組和換向線圈回路中各磁場(chǎng)疊加后產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)Σe混。根據(jù)感生電動(dòng)勢(shì)ε=-N*dφ/dt=BLV，由于-△B磁場(chǎng)變化，Σe混∝Σe順→之差-△Σe（“-”矢量方向），由（1）式可知，混連時(shí)的換向電流i混已偏離該Z4-280-31 132KW電機(jī)換向電流i的穩(wěn)定區(qū)間，即換向極磁場(chǎng)陡增或延遲造成換向過程中電刷面上的電流密度不均勻而產(chǎn)生火花。混連時(shí)這就是我們通常說的延遲換向、超越換向所產(chǎn)生的換向火花。

4.2實(shí)際工作中，電器維護(hù)人員都認(rèn)為在串聯(lián)電路中元件接頭順序可任意放置，但在磁場(chǎng)中的串聯(lián)電路中的感性元件、耦合元件必須按設(shè)計(jì)要求規(guī)范接線，這樣我們才能避免差錯(cuò)，保證各項(xiàng)工序的正常運(yùn)行。

結(jié)束語：通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直流電動(dòng)機(jī)換向線圈故障后的檢修，發(fā)現(xiàn)直流電機(jī)換向火花產(chǎn)生的實(shí)際原因。在實(shí)際生產(chǎn)中，為解決直流電動(dòng)機(jī)火花產(chǎn)生的危害提供了技術(shù)支撐。同時(shí)為更深入了解直流電機(jī)換向火花產(chǎn)生的原因奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]牛維揚(yáng)，電機(jī)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2001，179-191.

[2]徐躍成，直流電機(jī)換向性能的綜合評(píng)述 上海南洋電機(jī)廠.

[3]肖如泉，田錦明，喬靜宇，新編電氣工程師實(shí)用手冊(cè) 電子工業(yè)出版社.