直流電動機換向火花分析

肖楊

摘 要： 換向是直流電機的特殊問題。火花是換向不良的表現，輕則灼傷電刷和換向器，嚴重時它會危及電機的運行安全。同時還會對周圍的通訊設施造成干擾。本文是結合實踐工作當中換向出現火花情況，通過分析和實踐消除火花，提高電機的效率，進行分析。

關鍵詞： 直流電機；換向；火花

1概述

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

經過現場不斷的對比，發現是電工在更換該4組換向極線圈時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

直流電機工作過程中，隨著電樞的轉動，每時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。其一個元件的換向過程如圖二所示

3換向電流

根據直流電動機的電壓方程 勵磁回路： U=IfRf

可得換向回路電壓方程為：

式中i1、i2經換向片1、2流入電刷的電流，根據構成電路回路電流法則，它們具有如下關系，即

可推導出換向電流表達式：

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

4分析與說明

Z4-280-31 132KW電刷采用D374N系列，在產生火花后，我們多次調整碳刷壓力、緊固刷架、清理換向器表面都無濟于事，至此可排除機械原因、電機的負載和其他環境因素的原因。

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4組極換向線圈自身材質、長度、繞線方向完全一樣，都分別放置在電機圓周面的四個對稱位置的理想環境下。當該4組換向極線圈有電流通過時，每個線圈都會產生電磁場（運動的電子都會產生磁場）。每個線圈產生的磁場感應強度大小相等，方向跟電流流經的方向有關，如圖一所示。

根據磁場疊加原理：總磁場的磁感應強度等于各個運動電荷或載流線段產生的磁場的磁感應強度的矢量和。圖三c中一、二、三、四空間產生的磁場分別為B、B、B、B， d中一、二、三、四空間產生的磁場分別為-B、B、-B、-B，假定在電機端面的圓周面的中心M處疊加。則

順連時的總磁場感應強度：Bc=B+B+B+B=4B

混連時的總磁場感應強度：Bd=（-B）+B+（-B）+（-B）=-2B

也就是說順連時，電樞繞組和換向線圈回路中各磁場疊加后共同產生的感生電動勢Σe順 是穩定的，產生的換向電流i順 均在該Z4-280-31 132KW電機換向電流i的穩定區間。當混連時，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疊加后產生的感生電動勢Σe混。根據感生電動勢ε=-N*dφ/dt=BLV，由于-△B磁場變化，Σe混∝Σe順→之差-△Σe（“-”矢量方向），由（1）式可知，混連時的換向電流i混已偏離該Z4-280-31 132KW電機換向電流i的穩定區間，即換向極磁場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生火花。混連時這就是我們通常說的延遲換向、超越換向所產生的換向火花。

4.2實際工作中，電器維護人員都認為在串聯電路中元件接頭順序可任意放置，但在磁場中的串聯電路中的感性元件、耦合元件必須按設計要求規范接線，這樣我們才能避免差錯，保證各項工序的正常運行。

結束語：通過對現場直流電動機換向線圈故障后的檢修，發現直流電機換向火花產生的實際原因。在實際生產中，為解決直流電動機火花產生的危害提供了技術支撐。同時為更深入了解直流電機換向火花產生的原因奠定了基礎。

參考文獻

[1]牛維揚，電機應用技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2001，179-191.

[2]徐躍成，直流電機換向性能的綜合評述 上海南洋電機廠.

[3]肖如泉，田錦明，喬靜宇，新編電氣工程師實用手冊 電子工業出版社.