直流牽引電動機環火故障原因分析及解決辦法

楊勇

摘 要：文章闡述了直流牽引電動機的工作原理及換向器的作用，對直流牽引電動機換向器環火故障產生原因進行了深入的分析，并提出了有效的解決方案。

關鍵詞：牽引電動機；換向器；環火故障；解決辦法

引言

牽引電動機是在機車或動車上用于驅動一根或幾根動輪軸的電動機。牽引電動機有多種類型，如直流牽引電動機、交流異步牽引電動機和交流同步牽引電動機等。直流牽引電動機，尤其是直流串勵電動機有較好調速性能和工作特性，適應機車牽引特性的需要，獲得廣泛應用。

直流牽引電動機在運行中換向器與電刷間有少許火花是正常現象，但是如果火花較大將使其不能正常運行，“環火”現象甚至燒毀電動機繞組導致嚴重經濟損失，所以對直流牽引電動機換向器環火故障產生原因進行深入分析并提出有效的解決方案具有重要意義。

1 直流牽引電動機工作原理及換向器作用

牽引電動機的工作原理與一般直流電動機相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動輪直徑的限制；在機車運行通過軌縫和道岔時要承受相當大的沖擊振動；大、小齒輪嚙合不良時電樞上會產生強烈的扭轉振動；在惡劣環境中運用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牽引電動機在設計和結構上也有許多要求，如要充分利用機體內部空間使結構緊湊，要采用較高級的絕緣材料和導磁材料，零部件需有較高的機械強度和剛度，整臺電機需有良好的通風散熱條件和防塵防潮能力，要采取特殊的措施以應付比較困難的“換向”條件以減少炭刷下的火花。

1.1 直流電動機工作原理

直流電動機工作原理的理論基礎是安培定律：帶電導體在磁場中必然會受到力的作用即電磁力作用。判斷所受電磁力方向用左手定則：磁力線穿過左手掌心，左手四指方向為帶電導體電流方向，左手大拇指方向即為導體所受到的電磁力方向。直流電動機的主磁極繞組通以直流電建立主磁場，轉子繞組（也稱為電樞繞組）通以交流電即為帶電導體，轉子繞組在磁場中受到電磁力作用并產生電磁轉矩使轉子旋轉。即將輸入的電能轉化為機械能輸出。

1.2 換向器作用

直流電機工作必然離不開換向器，換向器在直流發電機工作中的作用是將轉子繞組輸出的交流電轉變成直流電輸出；在直流電動機工作中的作用是將外部的直流電轉變成交流電輸入到轉子繞組中，從而使轉子繞組無論在磁場的上半區還是在下半區都能產生同一方向的電磁轉矩，保證轉子按同一方向旋轉。這種作用被稱為機械整流。

2 換向器環火故障的原因

2.1 產生電磁火花原因

（1）換向：導體電流方向的轉變。無論直流發電機還是直流電動機運行中，轉子繞組中的某一元件從磁場的上半區進入到磁場的下半區的瞬間都會發生電流方向的轉變，這種現象被稱之為換向。（2）直線換向：換向元件的電流由正向最大值均勻地過渡到反向最大值即電流成線性變化的過程稱為直線換向，直線換向時換向器與電刷之間不產生火花，故又稱為理想換向。（3）延遲換向和電磁性火花：換向元件的電流由正向過渡到反向過程中會產生自感電動勢；實際上直流電機的電刷寬度通常為2-3個換向片寬，相鄰的幾個元件會同時換向，換向元件還會由于相鄰換向元件的電流變化產生互感電動勢；直流電機運行時轉子繞組也會建立磁場（也稱為電樞磁場），該磁場會對主磁場產生影響并使氣隙磁場分布發生畸變，這種影響被稱為電樞反應。換向元件由于氣隙磁場發生畸變會產生切割電動勢，也稱為電樞反應電動勢。上述的電動勢都會阻礙換向元件電流的變化并使之變化延遲，這種情況稱為延遲換向。延遲換向會使電刷與換向片之間電流密度分布不夠均勻，在電刷脫離換向片瞬間造成后部過熱產生火花。

2.2 換向器發生環火現象原因

換向器由于片間累積擊穿，會產生環火現象。主要是由于換向器維護不良，清掃不認真，在換向器云母溝中積存了碳粉、銅粉和油污，或者由于電刷擠銅，換向片銅毛刺延長導致相鄰換向片的短路，這些導電物都構成了換向片間云母溝中的導電橋，當這一導電橋隨著電樞旋轉而進入主極時，換向器表面點位梯度增加，通過電流逐漸加大。當電流產生電動力超過維持粉末定位的力時，粉末構成的導電橋就會錯位，導電橋由于熔化灼熱而產生片間閃絡。如果導電橋斷裂點的有效電壓超過電弧最低電壓，就產生電弧。當斷裂部分寬度增加到云母溝寬度時，維持電弧的電壓也需增加，否則電弧將熄滅。當片間電壓和起弧時感應電壓大于維持電弧電壓時，電弧將繼續燃燒。電流隨著換向片擊穿而增大，磁場區域也增加，片間電弧沿換向器表面擴展形成火環即環火現象。

3 換向器環火故障解決辦法

3.1 電磁火花解決辦法

（1）加裝換向極：換向極的軸線與主磁極的軸線垂直，換向極由鐵芯和繞組組成，繞組通以直流電建立磁場，該磁場與電樞繞組磁場在一個軸線上并且方向相反，這樣可以有效的減少電樞反應從而降低換向器火花級別。（2）加裝補償繞組：補償繞組安裝在主磁極鐵芯的極靴部分，補償繞組通以直流電建立磁場，該磁場與電樞繞組磁場在一個軸線上并且方向相反，這樣也可以有效的減少電樞反應從而降低換向器火花級別。（3）合理選用電刷：電刷的質量對換向有很大影響，有些換向不良的電機僅靠選擇合適的電刷就能降低換向器火花級別。對中、小型電機應采用石墨電刷；對于換向比較困難的電機通常采用接觸電阻大的碳-石墨電刷；對于低壓大電流電機則采用接觸壓降較小的青銅-石墨或紫銅-石墨電刷。

3.2 防止環火的措施

改善換向器表面處理。加強換向器的維護。經常清理、擦抹和吹風，防止片間積塵，防止片間銅毛刺產生，是防止環火發生的有效措施，特別是換向不好而發生過環火的電機，更應加強換向器的運行維護。

4 結束語

直流牽引電動機換向器環火故障產生原因很復雜，文章僅對最主要原因進行了分析，還有許多原因需要深入研究并加以解決，其中很多解決辦法在實踐生產中得到了檢驗并且顯現良好的效果，體現出較強的經濟性和實用性。

參考文獻

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