電刷位移對(duì)直流電機(jī)的影響

高明縉

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

直流電機(jī)相較交流電機(jī)原理更加簡(jiǎn)單，但一般直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)卻比交流電機(jī)更復(fù)雜。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)中增加了很多結(jié)構(gòu)、措施用來(lái)改善電機(jī)換向性能，比如疊片機(jī)座、換向極繞組、補(bǔ)償繞組、絕緣鉚釘?shù)?。其中，直流電機(jī)電刷之間會(huì)在軸向及換向器圓周方向進(jìn)行位移，作為一種改良措施，使電機(jī)能夠得到良好換向，改善換向器表面的長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)。

1 電刷的軸向位移

直流電機(jī)的刷桿座圈裝配時(shí)與同一排刷桿下的電刷之間有一定距離，若每排刷桿的電刷位置都相同，電刷之間的換向器表面將不被電刷研磨。電機(jī)在此狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)在換向器表面電刷間隔位置之間形成明顯溝槽，不利于電機(jī)的維護(hù)及運(yùn)行。為了降低換向器表面出現(xiàn)溝槽的幾率，需使不同刷桿上電刷的研磨位置相互錯(cuò)開(kāi)，即相鄰刷桿上電刷相互之間適當(dāng)在軸向位移，使得電刷之間的間隔能夠形成位移，被另一刷桿下的電刷研磨，以此降低換向器出現(xiàn)溝槽的幾率。當(dāng)然，影響換向器表面出現(xiàn)溝槽的原因包括電流密度、電刷材質(zhì)、空氣濕度等多種原因，電刷軸向位移僅是其中之一，軸向位移并不能完全消除換向器表面溝槽現(xiàn)象。

相對(duì)于相鄰兩排刷桿上電刷互相位移(以一對(duì)正、負(fù)極刷桿為一組)，每相鄰兩組之間相互錯(cuò)位進(jìn)行位移見(jiàn)圖1，更能有效平衡換向器表面與電刷之間的研磨情況。換向器表面氧化膜的形成情況根據(jù)電流方向的不同有一定差異，一般正刷(電流方向從電刷到換向器)側(cè)的氧化膜比負(fù)刷(電流方向從換向器到電刷)側(cè)的厚[1]。因此正刷與負(fù)刷對(duì)換向器表面的研磨情況略有不同，考慮電機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行，以一組正負(fù)刷桿為單位進(jìn)行位移調(diào)整，能夠更有效平均換向器表面的研磨情況。

圖1 相鄰兩組刷桿在電機(jī)軸向方向互相位移

2 電刷的圓周方向位移

各項(xiàng)參數(shù)關(guān)系按電磁計(jì)算時(shí)，如下：

圖2 同一排刷桿上電刷在換向器圓周方向位移

式中：bb為電刷寬度；j為換向器云母片厚度；a為電樞繞組并聯(lián)對(duì)數(shù)；p為主極對(duì)數(shù)；tK為換向器片距。

根據(jù)公式可得，直流電機(jī)電磁計(jì)算時(shí)，對(duì)電刷的圓周方向位移cb進(jìn)行調(diào)整，對(duì)電抗電勢(shì)數(shù)值變化影響不大，但對(duì)換向周期的變化影響明顯，這樣便可以改變電抗電勢(shì)波形，以使其與換向磁場(chǎng)的感應(yīng)電勢(shì)波形適配，以得到滿意的換向。雖然電刷的圓周方向位移使電刷的計(jì)算寬度增加了，但電刷的總工作面積Fb并未改變，所以電刷的電流密度ib及與之相關(guān)的參數(shù)并未改變，對(duì)換向器表面氧化膜的建立不會(huì)造成太大影響，不會(huì)破壞已建立的氧化膜。因此，在電機(jī)試驗(yàn)或運(yùn)行時(shí)，若換向火花偏大，也可運(yùn)用此方法作為改善換向的措施進(jìn)行應(yīng)用[2]。

為了能夠更直觀、詳細(xì)地了解位移墊塊對(duì)電抗電勢(shì)的影響，以及調(diào)整波形對(duì)換向的影響，現(xiàn)以電樞鐵心每槽換向片數(shù)u=3(依次標(biāo)記為a、b、c)舉例，繪制電抗電勢(shì)見(jiàn)圖3及換向元件在換向極磁場(chǎng)下感應(yīng)電勢(shì)的波形圖見(jiàn)圖4進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

式中：tk為換向片距；Da為電樞外徑；Dk為換向器外徑。

將圖3(a)中各個(gè)矩形在縱坐標(biāo)方向相加并加上端部電抗電勢(shì)el，便可得到圖3(b)中電抗電勢(shì)er的波形曲線圖。

圖3 電樞換向元件的電抗電勢(shì)波形圖

圖4(a)是按比例繪制的換向極極靴與電樞外徑的位置關(guān)系，在其上繪制磁力線(與等磁位面線垂直)并按第一換向極氣隙δ1、δ2、δ3…δn，計(jì)算消耗在第一氣隙中的安匝數(shù)AWi=IWi，再計(jì)算出各點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

式中：l為換向極鐵心長(zhǎng)度；va為電樞表面線速度；Kδ為換向極卡氏系數(shù)；δ為換向極氣隙。

圖4 換向極磁場(chǎng)下的感應(yīng)電勢(shì)波形圖

電磁計(jì)算時(shí)，對(duì)比圖3(b)和圖4(b)，通過(guò)改變換向極極靴寬度及形狀、改變換向極氣隙等調(diào)整圖4(b)曲線波形，或改變電刷寬度以改變圖3(b)曲線波形，以使兩圖曲線盡量重合，得到滿意的換向。

綜上，電刷在圓周方向的位移可改變電抗電勢(shì)波形，以改善電抗電勢(shì)和換向極磁場(chǎng)波形適配換向。據(jù)此可知，位移墊塊的調(diào)整不僅可以在理論計(jì)算階段進(jìn)行應(yīng)用，在電機(jī)試驗(yàn)或運(yùn)行階段若電機(jī)換向不理想，可作為改善換向的方法應(yīng)用。

直流電機(jī)發(fā)生換向偏弱，即換向無(wú)火花曲線上翹，同時(shí)電機(jī)換向極氣隙調(diào)整困難的情況時(shí)，可嘗試在刷桿裝配上增加位移墊塊，用以加寬電抗電勢(shì)波形，降低波形峰值，改善換向。

例如，我廠對(duì)于重復(fù)生產(chǎn)的、已做過(guò)換向檢查的直流電機(jī)在定子真空浸漆后進(jìn)行成品試驗(yàn)，遇到個(gè)別換向不理想的電機(jī)，由于定子已真空整浸，此時(shí)調(diào)整換向極氣隙比較困難，若換向檢查顯示無(wú)火花曲線換向偏弱，會(huì)嘗試采取增加位移墊塊的方法改善換向。對(duì)于直流電機(jī)換向偏強(qiáng)，即換向無(wú)火花曲線下落的情況，已有位移墊塊的刷桿座圈，理論上可嘗試減薄位移墊塊以調(diào)整換向，但我廠未對(duì)此類情況做過(guò)嘗試。對(duì)于沒(méi)有位移墊塊的電刷由于更改電刷寬度會(huì)影響電流密度，且成本較高，不建議在電機(jī)換向調(diào)整時(shí)應(yīng)用。

此外，通過(guò)增加位移墊塊對(duì)電抗電勢(shì)的波形進(jìn)行調(diào)整是有一定范圍的。若電刷在圓周方向增加了位移墊塊，電刷的計(jì)算寬度增加，換向區(qū)寬度bK亦隨之增加，換向區(qū)寬與中性區(qū)寬度之比βN變小。當(dāng)換向區(qū)窗口過(guò)小時(shí)，則換向元件有可能進(jìn)入主磁通區(qū)，切割主極磁通而產(chǎn)生電勢(shì)，情況嚴(yán)重的會(huì)在空載狀態(tài)下可見(jiàn)明顯火花，因此位移墊塊的調(diào)整厚度不可過(guò)大，我廠中型電機(jī)調(diào)整時(shí)一般取2～4 mm。

3 結(jié)論

直流電機(jī)電刷在軸向及圓周方向的位移對(duì)電機(jī)運(yùn)行及維護(hù)影響明顯，電機(jī)裝配及檢修人員應(yīng)給予足夠的重視。另外，位移墊塊還可以作為調(diào)整改善電機(jī)換向的一種手段改善換向偏弱的直流電機(jī)的換向情況，對(duì)于定子已真空浸漆或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整換向極氣隙比較困難的情況下可采取此類方式來(lái)改善換向，以節(jié)省制造、檢修成本。