高海波，程 濤，周長(zhǎng)征，李獻(xiàn)峰，安富濤，張 勇

(1.重慶地區(qū)軍代室，重慶 400050;2.497廠軍代室，重慶 400071;3.虎溪電機(jī)廠，重慶 321017)

換向火花是電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電刷與換向器之間的電弧放電現(xiàn)象，是直流電機(jī)換向不良的最明顯的標(biāo)志。電機(jī)換向火花偏大現(xiàn)象是電機(jī)損壞的主因，而很多其它各方面的故障初期通常也會(huì)表現(xiàn)在換向火花上。而火花對(duì)電機(jī)運(yùn)行是會(huì)帶來(lái)危害的，當(dāng)火花的級(jí)別太大時(shí)，甚至?xí)龎碾姍C(jī)［1］。因此在電機(jī)檢測(cè)中除了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、電流等項(xiàng)目，電機(jī)火花的檢測(cè)同樣也是一項(xiàng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)換向火花的檢測(cè)，可以判斷電機(jī)性能是否符合技術(shù)要求，并通過(guò)尋找火花形成原因，可以為裝配人員維修和技術(shù)人員調(diào)整技術(shù)方案提供依據(jù)。本文從直流電機(jī)火花產(chǎn)生的主要原因、火花的測(cè)試以及調(diào)整的方法2個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 直流電機(jī)火花產(chǎn)生的主要原因

根據(jù)換向電磁原理，直流電機(jī)換向火花產(chǎn)生的原因是由于電刷的前、后邊電流密度分布不均勻，或電刷與換向片分離時(shí)，元件內(nèi)短路電流并不為零，元件內(nèi)的電磁能將以火花形式釋放，于是后刷邊產(chǎn)生火花。再之，在換向元件中不可避免地產(chǎn)生電抗電勢(shì)er;另外當(dāng)換向元件切割交軸電樞反應(yīng)磁通時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea。er和ea都是阻止電流變化的，這兩個(gè)電勢(shì)都使換向惡化，形成火花。

為了改善電機(jī)換向，在直流電機(jī)中普遍采用了換向繞組，大型電機(jī)和高速電機(jī)還裝有補(bǔ)償繞組。這2種繞組的目的就是建立一個(gè)磁場(chǎng)，使其在換向元件中產(chǎn)生一個(gè)換向電勢(shì)ek，它的方向與er、ea電勢(shì)方向相反，使它們相互抵消，ek=er+ea，以達(dá)到改善換向的目的。

由于造成火花的原因可能由電磁部分或機(jī)械部分引起［2］，所以必須進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行判別。對(duì)此一般多通過(guò)觀察火花特征進(jìn)行判別。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試的觀察與分析，直流電機(jī)出現(xiàn)的火花有很多種。通常出現(xiàn)的有藍(lán)色和白色，但也有紅色，黃色和綠色。出現(xiàn)的形態(tài)也有很多種。

電磁原因與機(jī)械原因造成火花的區(qū)分如下:

1)電磁性火花通常呈藍(lán)色。當(dāng)電機(jī)的工作狀態(tài)和負(fù)載條件變化時(shí)，火花的大小和亮度也隨著變化。

2)機(jī)械性火花一般呈黃色，火星長(zhǎng)，強(qiáng)度弱。當(dāng)電機(jī)的工作狀態(tài)和負(fù)載條件變化時(shí)，換向火花反應(yīng)不敏感。增大電刷壓力或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，機(jī)械性火花便隨即減弱或消失。

工廠在電機(jī)的測(cè)試中，換向火花大小的檢測(cè)都是依據(jù)國(guó)標(biāo)GB755-2008規(guī)定的火花等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。

表1 火花等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表1中可以看出，1級(jí)和11/4級(jí)是無(wú)害火花。11/2級(jí)雖在換向器和電刷表面產(chǎn)生輕微灼痕，但允許長(zhǎng)期運(yùn)行，不致造成對(duì)電機(jī)的威脅。2級(jí)火花的電弧能量較大，會(huì)造成對(duì)換向器和電刷的灼痕，只允許在過(guò)載時(shí)短時(shí)出現(xiàn)。3級(jí)火花是危險(xiǎn)火花。它能導(dǎo)致環(huán)火事故，不允許經(jīng)常出現(xiàn)。

2 火花的檢測(cè)及調(diào)整的方法

2.1 電磁部分引起火花的檢測(cè)及調(diào)整的方法

工廠在電機(jī)的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)通常是由以下幾種情況造成的電磁性換向火花。

2.1.1 換向極繞組連接錯(cuò)誤的檢測(cè)及調(diào)整的方法

換向極繞組連接錯(cuò)誤有以下2種情況:① 雙極性接反。這會(huì)使得換向磁場(chǎng)與電樞反應(yīng)磁場(chǎng)相互迭加后不是抵消削弱，而是增加，使得換向更加惡化，換向火花明顯加劇，形成有明顯的環(huán)火，特別是隨著負(fù)載的增加時(shí)火花更強(qiáng)烈，各極電刷出現(xiàn)均勻灼痕;②部分換向極繞組接反。這會(huì)出現(xiàn)火花分布不勻，極性接反的電刷下火花增大，燒傷也較嚴(yán)重。

以上2種情況只要沿接線方向通少量直流電流，用指南針按產(chǎn)品接線圖作極性測(cè)試，就能確定其極性。當(dāng)電機(jī)太小，無(wú)法使用指南針作極性檢查時(shí)，也可用以下2種方法確定其極性:

1)用交流電源測(cè)量換向極極性

把直流電機(jī)的電樞G與換向極繞組串聯(lián)，這種測(cè)試時(shí)，在換向極繞組兩端B1、B2加交流電源U1，其值約為其額定電壓的10%。然后測(cè)量。如 U3=U1-U2則說(shuō)明換向極極性正確;如U3=U1+U2則說(shuō)明換向極極性錯(cuò)誤。因?yàn)榻涣麟妷杭釉谏希瑫?huì)產(chǎn)生交流電流，這個(gè)交流電流產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，電磁繞組處在這個(gè)磁場(chǎng)中，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。只有這2個(gè)繞組上的電勢(shì)滿足U3=U1-U2時(shí)，即感應(yīng)電勢(shì)極性相反，換向極繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在換向元件上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)才會(huì)抵消el+ek的作用，如圖1所示。

圖1 交流電源測(cè)量換向極極性

2)用直流電源測(cè)量換向極極性

將直流電源及毫伏表mv接入線路，當(dāng)開(kāi)關(guān)SA閉合的瞬間，mv表往正方向偏轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間mv表往反方向偏轉(zhuǎn)，則說(shuō)明換向極極性正確，否則錯(cuò)誤。因?yàn)?，在開(kāi)關(guān)SA閉合的瞬間，電樞繞組中的電流增加，磁場(chǎng)也是增加，而要達(dá)到換向繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消電樞磁場(chǎng)，必須是換向極繞組B1、B2上產(chǎn)生一個(gè)左“+”右“-”的感應(yīng)電勢(shì)。這個(gè)電勢(shì)產(chǎn)生的電流使mv表正偏。相反，SA斷開(kāi)時(shí)，在B1、B2上產(chǎn)生一個(gè)左“-”右“+“的電勢(shì)，使mv表反偏。當(dāng)確定換向極極性接反，應(yīng)按產(chǎn)品圖要求重新接線再進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 直流電源測(cè)量換向極極性

2.1.2 電樞繞組短路或斷路的檢測(cè)以及調(diào)整的方法

電樞繞組斷路時(shí)，由于斷路線圈從第一條線路經(jīng)過(guò)電刷轉(zhuǎn)入第二條線路的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈而急速的火花，斷路線圈不斷地旋轉(zhuǎn)，換向器上的各組電刷也就一組一組地輪流發(fā)出火花，使接通斷路線圈的2個(gè)換向片，很快就會(huì)發(fā)黑燒壞。

電樞繞組短路時(shí)，將導(dǎo)致這一支路的其它線圈電流過(guò)大。產(chǎn)生局部過(guò)熱，發(fā)出焦臭味甚至冒煙，與線圈相連接的換向片也發(fā)熱、發(fā)黑。

電樞斷路檢測(cè)可用目測(cè)或電樞感應(yīng)儀進(jìn)行。對(duì)焊接質(zhì)量不好或脫焊，可仔細(xì)觀察換向器升高片處的焊點(diǎn)情況，再用鑷子等撥動(dòng)各焊點(diǎn)即可發(fā)現(xiàn)。還可以用萬(wàn)用表置于歐姆檔，測(cè)換向器每相鄰換向片間電阻，電阻值為無(wú)窮大時(shí)說(shuō)明該處繞組斷路。電樞短路檢測(cè)也可用電樞感應(yīng)儀，確定電樞短路或斷路的，應(yīng)重新更換電樞。

2.1.3 電刷不在幾何中性線的檢測(cè)以及調(diào)整的方法

電機(jī)運(yùn)行時(shí)如果電刷偏離幾何中性線，換向元件切割磁力線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea，使換向火花增大。若將電刷位置移動(dòng)到幾何中性線位置，則可大大減小旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，從而使換向狀況得到改善。

1)正反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)法。就是在直流電機(jī)空載情況下，讓它正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。保持正反轉(zhuǎn)時(shí)電樞電壓和勵(lì)磁電壓不變，分別測(cè)量正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。如果相同條件下轉(zhuǎn)速相同，說(shuō)明電刷在幾何中性線上。如果轉(zhuǎn)速不同，這時(shí)就要稍微向轉(zhuǎn)速高的電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷位置，直到正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相同。

2)正反發(fā)電機(jī)法。用此法確定電刷中性線位置時(shí)，電機(jī)應(yīng)接成他勵(lì)或并勵(lì)，其輸出電壓應(yīng)接近額定值。調(diào)整時(shí)，使電機(jī)在轉(zhuǎn)速不變，勵(lì)磁電流不變的情況下進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。分別測(cè)量電機(jī)在正反轉(zhuǎn)時(shí)電樞的輸出電壓。如果電壓相等，說(shuō)明電刷在中性線上。如果電壓不相等，這時(shí)就要稍微向輸出電壓高的電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷位置，直到正反轉(zhuǎn)輸出電壓相等。

3)感應(yīng)法。電機(jī)靜止，電樞兩端接上直流毫伏表mv(最好零位在中間)，在勵(lì)磁繞組兩端以觸動(dòng)方式加3 V直流電源，并觀察電壓表指針偏轉(zhuǎn)情況，如左右擺動(dòng)，這是就要稍微將電刷位置移動(dòng)，直到觸動(dòng)時(shí)指針擺動(dòng)最小或指針不動(dòng)，如圖3所示。

圖3 感應(yīng)法

2.2 機(jī)械部分引起火花的測(cè)試以及調(diào)整的方法

當(dāng)確定由機(jī)械部分引起火花后，先分析其具體是由于那部分元件所引起，再進(jìn)行調(diào)整。按火花形態(tài)分，一般又分為碎裂狀火花以及電刷跳動(dòng)火花。

2.2.1 碎裂狀火花的調(diào)整方法碎裂狀火花多由電刷裝置所引起，常見(jiàn)的有以下幾種:1)刷盒與換向器工作面不垂直?？伤砷_(kāi)緊固刷盒螺栓后重新對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

2)刷孔變形或太松。電刷在刷盒內(nèi)應(yīng)可上下自如滑動(dòng)。當(dāng)超過(guò)規(guī)定的間隙時(shí)就需要更換新刷盒。

3)電刷與換向器接觸面積過(guò)小。新電刷的安裝，一般先用0號(hào)砂紙進(jìn)行打磨，電刷弧面盡量與換向器貼合(要求電刷磨合面需達(dá)到80%以上)。

2.2.2 電刷跳動(dòng)火花的調(diào)整方法

1)電刷壓力不足［3］。其檢測(cè)方法是用彈簧秤將電刷拉離換向器接觸面此時(shí)彈簧秤讀數(shù)就是電刷壓力。如電刷壓力不足，可通過(guò)調(diào)整或更換彈簧解決。

2)換向器凹凸不平。電機(jī)運(yùn)行時(shí)將使電刷與換向器接觸不良，引起強(qiáng)烈火花，嚴(yán)重時(shí)還將打碎電刷。在電機(jī)停機(jī)時(shí)用手慢慢旋轉(zhuǎn)電樞，一般可以聽(tīng)到電刷的跳動(dòng)聲。觀察換向器的工作面，常常在凸片的附近會(huì)出現(xiàn)由深到淺的痕跡。此種情況可通過(guò)對(duì)換向器外圓進(jìn)行精車削，并對(duì)換向器的云母片下刻。

3 結(jié)束語(yǔ)

直流電機(jī)產(chǎn)生換向火花的原因很多，也很復(fù)雜，如電機(jī)安裝不同軸，換向器油污等都會(huì)影響換向火花。總之，在分析問(wèn)題，解決問(wèn)題時(shí)，不能孤立地，片面地考慮，應(yīng)從整體著手，找出問(wèn)題的本質(zhì)。

對(duì)造成火花原因正確的判斷，使裝配工人能快速的進(jìn)行修理，大大提高了工作效率。在直流電機(jī)檢測(cè)中通過(guò)對(duì)造成直流電機(jī)換向火花原因的分析并依據(jù)以上方法進(jìn)行調(diào)整，使工廠電機(jī)交驗(yàn)合格率達(dá)到90%以上。

［1］楊春紅，李向陽(yáng).直流電機(jī)變向火花變大的分析［J］.黑龍江科技信息，2008(6)：34-34.

［2］曹太忠.直流電機(jī)防止火花產(chǎn)生的措施［J］.內(nèi)江科技，2012(10)：129-129.

［3］陳菊華.淺析如何解決直流電機(jī)中電刷易產(chǎn)生電火花的問(wèn)題［J］.時(shí)代報(bào)告：學(xué)術(shù)版，2012(10)：32-32.

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