淺談艦艇直流電機(jī)常見故障及維護(hù)

李曉偉，劉先越

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院，浙江 寧波 315000）

1 前言

電機(jī)用電占整個(gè)工業(yè)用電的70%以上，無論電能產(chǎn)生端、輸配電過程還是用電終端，無論陸地電力系統(tǒng)還是船舶電力系統(tǒng)，電機(jī)都充當(dāng)著非常重要的角色，可見電機(jī)作為不可或缺的動(dòng)力設(shè)備，在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，軍用艦艇機(jī)艙內(nèi)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同功能需要，同樣需要應(yīng)用大量電機(jī)，這其中包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)直流電機(jī)、交流三相異步電動(dòng)機(jī)、同步發(fā)電機(jī)以及靜止電機(jī)中的變壓器。三相異步電動(dòng)機(jī)在機(jī)艙中應(yīng)用最普遍，各海水泵、淡水泵、燃油泵、滑油泵、消防泵、空壓機(jī)、海水淡化裝置以及非殺傷性武器水炮裝置的泵組等普遍使用交流三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力；同步發(fā)電機(jī)主要作為艦艇電站的各副機(jī)發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急發(fā)電機(jī)及軸帶發(fā)電機(jī)，為艦艇提供電能來源，容量通常較大；變壓器主要為艦船照明系統(tǒng)供電，提供220V交流電，而直流電機(jī)在艦艇上主要作為小型柴油機(jī)組的啟動(dòng)電機(jī)使用，例如，艦艇發(fā)電機(jī)組中副機(jī)的啟動(dòng)馬達(dá)，在一些全電力推進(jìn)艦船中作為主推進(jìn)器和側(cè)推裝置電機(jī)。電機(jī)功能對(duì)于艦艇正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要性不言而喻，但艦艇的環(huán)境條件比陸地惡劣很多，鹽霧、油霧以及航行中艦艇的搖擺直接提高了艦艇電機(jī)的故障發(fā)生率。本文就艦艇直流電機(jī)常見故障及日常使用維護(hù)技巧進(jìn)行論述。

2 艦艇直流電機(jī)常見故障及排除方法

2.1 電刷與換向器之間火花過大（圖1）

圖1 直流電機(jī)內(nèi)部電刷與換向器接觸情況

（1）電機(jī)負(fù)載過大。當(dāng)電機(jī)超載后，電刷上流過的電流過大，導(dǎo)致電機(jī)換向困難，火花過大。解除引起過載原因后故障自行消除，常見過載原因如直流電機(jī)與所拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備齒輪卡滯、電機(jī)絕緣水平降低引起繞組過熱、電機(jī)電樞直流電源供電質(zhì)量不佳等。

（2）刷握松動(dòng)。電刷位置如果安裝不正確，同樣會(huì)引起火花，如果電刷安裝位置不成一條直線，會(huì)影響直流電機(jī)的換向過程。要嚴(yán)格按照位置精準(zhǔn)固定（圖2）。

圖2 電刷裝置具體結(jié)構(gòu)示意圖

（3）電刷與換向器表面接觸不良。換向器表面有油污，碳?jí)K上的預(yù)緊彈簧壓力不夠，碳?jí)K與刷握間隙太緊有卡滯或者碳?jí)K使用磨損嚴(yán)重都有可能導(dǎo)致兩者之間接觸不良，具體處理措施根據(jù)原因詳情來處理。

（4）換向器上各換向片之間存在短路。鴿尾型換向片之間以云母片絕緣，當(dāng)云母片丟失脫落或因?yàn)闄C(jī)艙潮濕的環(huán)境導(dǎo)致云母片霉變后會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向片間短路。碳刷碎裂后，碎屑掉落在換向片之間的槽內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向片之間短路。由于更換換向器后安裝時(shí)與周圍機(jī)械外殼有碰撞導(dǎo)致?lián)Q向器出現(xiàn)毛刺以及打磨不光滑產(chǎn)生的毛刺，都可能與周圍相鄰換向片之間短路。檢修時(shí)，注意檢查換向片的光滑及片間絕緣良好（圖3）。

圖3 鴿尾型換向片組成的換向器

（5）電樞軸向運(yùn)行不穩(wěn)、抖動(dòng)。轉(zhuǎn)子電樞與周圍定子磁極間的間隙不均勻，直流電動(dòng)機(jī)或直流發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中造成磁系統(tǒng)不均勻，電樞繞組上各繞組支路切割磁力線程度不同，各支路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就不同，其內(nèi)部產(chǎn)生的均壓電流使電刷與換向器間產(chǎn)生火花。造成這種間隙不均勻的原因有：第一，主磁極、換向極安裝不當(dāng)，如墊片未安裝導(dǎo)致安裝不牢固或磁極松動(dòng)；第二，軸承內(nèi)鋼珠磨損嚴(yán)重，尺寸失準(zhǔn)；第三，電機(jī)與負(fù)載軸線沒有對(duì)中。具體處理措施根據(jù)原因詳情來處理。

（6）換向極線圈接反。換向極的作用就是改善直流電機(jī)換向，減少火花，如果換向極的線圈接反會(huì)增加直流電機(jī)繞組的換向難度，使其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)換向更加困難，在電刷下產(chǎn)生更大火花。判斷的方法是取出轉(zhuǎn)子電樞,把“正、負(fù)”電刷用導(dǎo)線成對(duì)短接,電機(jī)通入小直流電。用小磁針試驗(yàn)換向極極性。如果是直流發(fā)電機(jī)，則換向極與沿著轉(zhuǎn)向的前一個(gè)主極極性相同；如果是直流電動(dòng)機(jī)，則換向極與沿著轉(zhuǎn)向的前一個(gè)主極極性相反。

（7）換向器上存在部分換向片損壞。各換向片間之間絕緣云母片突出，使得電刷與換向片之間不能良好滑動(dòng)接觸，造成火花現(xiàn)象。處理方法是將直流電機(jī)進(jìn)行廠休更換換向器部件。

（8）電樞繞組與換向器虛接或脫焊。該故障不容易發(fā)現(xiàn)，需要借助電橋測(cè)量工具，用電橋逐個(gè)測(cè)量相鄰兩換向片間電阻，如果某兩片間的阻值高于正常值，說明這兩各換向片與繞組間存在虛接脫焊現(xiàn)象。處理方法是重新刮去焊接點(diǎn)漆包線的絕緣漆進(jìn)行牢固焊接或修復(fù)斷線。

（9）換向極產(chǎn)生的磁通強(qiáng)弱不合適。如果換向極磁通太弱會(huì)產(chǎn)生火花。換向極磁通太強(qiáng)，補(bǔ)償電樞反應(yīng)過強(qiáng)，同樣會(huì)產(chǎn)生綠色針狀火花。具體處理措施可以進(jìn)廠進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)并校正（圖4）。

圖4 主磁極和換向極組成的直流電機(jī)定子

2.2 直流電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)及對(duì)應(yīng)處理措施

（1）電動(dòng)機(jī)電源沒有通上，常見原因就是電路熔斷器燒斷了，及時(shí)檢查電路存在的故障并更換熔斷器。

（2）定子勵(lì)磁繞組所在電路存在斷路點(diǎn)，電機(jī)內(nèi)部定子無法產(chǎn)生磁場(chǎng)，處理措施是查找勵(lì)磁回路斷路點(diǎn)并修復(fù)。

（3）電源電壓低于額定電壓或電樞回路串接的啟動(dòng)電阻太大，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不能夠產(chǎn)生足夠的啟動(dòng)力矩，而造成轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。檢查電源存在的問題，給直流電機(jī)供額定電壓或減小電樞回路的啟動(dòng)電阻。

（4）電刷碳?jí)K卡滯無法與換向器接觸或點(diǎn)接觸，接觸不良導(dǎo)致接觸電阻過大，處理措施是調(diào)整電刷。

2.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低的原因及處理措施

（1）轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩小，處理措施是檢查直流電機(jī)電源供應(yīng)是否正常，電樞回路串接的調(diào)速電阻阻值是否正常。（2）電刷位置不對(duì)，偏離中性線，處理措施是重將電刷安裝位置調(diào)整至中性點(diǎn)處。（3）電樞繞組漆包線絕緣損壞，存在匝間短路或異常接地，處理措施是測(cè)量電樞繞組阻值，找到短路故障所在繞組或接地原因并修復(fù)。

2.4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高的原因及處理措施

直流電機(jī)中E=kΦn，如果直流電機(jī)電源正常的情況下，轉(zhuǎn)速升高主要原因是磁通減弱，即所謂的“弱磁升速”。

（1）如果是串勵(lì)直流電機(jī)，不允許空載啟動(dòng)，否則，會(huì)轉(zhuǎn)速過高，甚至“飛車”，具體處理措施就是啟動(dòng)前給電機(jī)增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（2）勵(lì)磁回路串接的電阻增大，使得勵(lì)磁電流減小，或者并聯(lián)勵(lì)磁繞組存在斷路，使得電機(jī)內(nèi)磁通減弱，根據(jù)上述電勢(shì)平衡方程可以分析出轉(zhuǎn)速會(huì)上升。處理措施是根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)各階段特點(diǎn)調(diào)整勵(lì)磁電流或查找開路點(diǎn)并修復(fù)。

2.5 轉(zhuǎn)子電樞繞組過熱、燒毀的原因及處理措施

電樞繞組過熱的根本原因是繞組電流過大，導(dǎo)致銅損增加。（1）電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行，處理方法是查找電機(jī)過載原因并修復(fù)。（2）電樞繞組或換向極線圈匝間短路，處理方法是分析、查明繞組短路原因并解決。（3）電機(jī)所拖動(dòng)的負(fù)載不變時(shí)，直流電機(jī)電樞外加電壓低于額定值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩不夠，導(dǎo)致電能不能充分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電流在繞組發(fā)熱。處理措施是根據(jù)負(fù)載及電機(jī)參數(shù)調(diào)整外加電源電壓。（4）發(fā)電機(jī)外接負(fù)載發(fā)生短路，造成電樞回路電流過大。處理方法是使用萬用表等電工工具查明短路故障點(diǎn)并恢復(fù)。（5）定、轉(zhuǎn)子之間存在摩擦，或轉(zhuǎn)軸與軸承存在銹蝕摩擦力過大造成阻力矩增大等，處理措施是進(jìn)廠修理。

2.6 直流發(fā)電機(jī)無電壓或端電壓太低

（1）自勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)不建壓原因及處理方法。原因一：電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)行，電機(jī)勵(lì)磁回路無剩磁，不能自勵(lì)起壓，處理措施是對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁進(jìn)行充磁，充磁時(shí)注意極性。原因二：勵(lì)磁線圈接反，處理措施是調(diào)整勵(lì)磁線圈與電樞繞組的正確接線并進(jìn)行充磁。原因三：勵(lì)磁繞組所在回路存在斷路，處理措施是查找故障點(diǎn)并修復(fù)。

（2）發(fā)電機(jī)端電壓低的原因及處理措施。原因一：勵(lì)磁電流過小，處理措施是調(diào)整勵(lì)磁回路，檢查勵(lì)磁回路電阻值。原因二：轉(zhuǎn)子電樞繞組匝間短路，測(cè)量繞組阻值，找到異常繞組并修復(fù)。原因三：換向片間短路，處理措施查看換向器短路具體原因進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)或廠修。

3 日常使用維護(hù)技巧

為了減少艦艇直流電機(jī)的日常故障發(fā)生率，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，作為艦艇電氣管理人員，要經(jīng)常監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行情況并及時(shí)維護(hù)。

3.1 日常維護(hù)清潔

電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)中非常重要的一項(xiàng)就是清潔工作，電機(jī)周圍環(huán)境中雜物及時(shí)清理，尤其金屬性雜物，如未及時(shí)清理，在船舶振動(dòng)搖擺過程中可能進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部引起短路。電機(jī)通風(fēng)孔道應(yīng)保持通暢，如有灰塵應(yīng)用皮老虎或壓縮空氣進(jìn)行清潔。觀察電機(jī)表面絕緣漆有無損壞，若有掉漆現(xiàn)象及時(shí)涂漆，同時(shí)轉(zhuǎn)子軸承定期填充潤(rùn)滑油脂。

3.2 外觀的檢查

電機(jī)外殼應(yīng)完好無損，無裂紋，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸靈活無變形且安裝牢靠。

3.3 運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)

（1）監(jiān)測(cè)電機(jī)電源。如果是柴油機(jī)啟動(dòng)電機(jī)所用直流電機(jī)通常為蓄電池作為啟動(dòng)電源，定期測(cè)量蓄電池組的端電壓，通常為24V。（2）監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的溫升，若溫升超過正常范圍，則說明電機(jī)本身或控制設(shè)備和負(fù)載等有問題，必須及時(shí)查明原因并修復(fù)，否則，長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)損壞電機(jī)繞組絕緣，甚至引發(fā)安全事故。（3）監(jiān)聽電機(jī)運(yùn)行過程中的聲音。正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)是平順正常的低微嗡嗡聲，如果電機(jī)出現(xiàn)故障會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律異常響動(dòng)，并可能伴隨著抖動(dòng)。常見的如轉(zhuǎn)子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯、散熱風(fēng)葉異物堵塞。

3.4 查看直流電機(jī)碳刷裝置中碳?jí)K的磨損程度

直流電機(jī)運(yùn)行過程中，碳刷與換向器的摩擦是不可避免的，因此碳刷需要定期查看磨損情況，如果磨損嚴(yán)重，需及時(shí)進(jìn)行更換。

3.5 測(cè)量絕緣電阻

用兆歐表測(cè)量維修后的電機(jī)繞組的對(duì)地絕緣電阻，通常應(yīng)不低于5MΩ。引起電機(jī)絕緣電阻低的原因可能是電機(jī)受潮，或檢修后安裝不規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

掌握艦艇直流電機(jī)常見故障及維護(hù)技巧對(duì)于提升相關(guān)電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性非常重要，關(guān)鍵時(shí)刻可以保證發(fā)電機(jī)組的快速啟動(dòng)，側(cè)推裝置的高效靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，提升艦艇的機(jī)動(dòng)性能，一定程度上提升了艦艇續(xù)航，提高了艦艇的生命力。