直流电动机换向器磨损异常的原因分析

李翠兰

(中航工业电源陕西秦岭特种电机有限责任公司，陕西咸阳713107)

0引 言

直流电动机长期工作时，换向器表面一般会形成薄薄的一层氧化膜，它会提高耐磨性，增加电刷与换向器的接触电阻，使换向过程比较理想，但在实际工作中换向器往往因运行条件的不同而出现多种多样的状态。为了保持良好的运行状态，提高电机的运行效率，换向器表面必须维持稳定而良好的氧化膜。所谓换向器表面的良好状态就是不产生过大的换向火花，磨损正常。换向器表面的磨损随运行时间的延长而增加，因此应定期进行检查和维护。下面从经常出现的问题入手，分析异常磨损的原因，提出一些切实可行的解决办法。

直流电动机换向器异常磨损的原因很多，根据理论分析和生产中的经验，主要有以下几个方面。

1电气性磨损

1．1电刷的电流密度过低

在轻载下连续运行的电机，其电刷的平均电流密度低，温度也低，在换向器表面不易形成良好的氧化膜，电刷的滑动特性不稳定。这主要是在选取电机时功率裕度过大，直流电动机在轻载下运行反而会产生不良结果。若使用中发现消耗电流比标称的额定电流小得多，说明电机的功率选取太大，应重新选取电机参数。可按以下要求确定电机功率:若负载与电机之间是直接传动，则所选的功率应是被拖动负载机械功率的1～1．1倍;若负载与电机之间存在传动系统，则功率应是被拖动负载机械功率的1．1～1．2倍。

1．2电刷牌号选择不合适

电刷性能对电机的换向和磨损有很大的影响，应合理选择。在选择时必须考虑多种因素，如电刷的接触压降、电刷电流密度、换向器圆周速度、电刷硬度、摩擦系数等，而这些因素往往是互相矛盾的，应根据具体要求侧重选取。

(1)选用具有较高接触压降的电刷能减小换向电流，改善换向性能。但在大电流电机中，过大的接触压降会使接触损耗增大，电机效率降低。同时，电刷过分发热会破坏氧化膜，反而使换向性能恶化和磨损。所以选取电刷时接触压降应与电机的电压相适应。对高压、小电流电机，可选接触压降较大的电化石墨电刷;对低压、大电流电机，选接触压降较低的金属石墨电刷。

(2)电刷硬度较高能减小磨损，延长电刷的使用寿命。但过硬容易破坏换向器上的氧化膜，使换向性能变差。因此，电刷硬度应控制在一个较为合理的范围内。

(3)高速电机容易引起摩擦振动，尽量选用摩擦系数小的电刷。

在选择电刷时，应根据具体情况选用合适的电刷。一般的选择原则:首先根据电刷的电流密度及换向器的圆周速度来选择电刷种类，再结合电机的额定电流、电压来考虑，就可确定电刷的具体型号。

1．3电枢绕组匝间短路和断路

若电枢绕组匝间短路和断路，各相匝数发生了变化，绕组变得不均匀，各支路电流产生严重的不平衡，电刷电密过大，换向器加剧升温，氧化膜加厚，承受大电流的换向片换向会恶化，导致换向器异常磨损，甚至会出现烧伤现象。用降压法测电阻和短路仪可测量断路和短路位置，也可观察绕组的颜色，若有变色或发黑现象，说明匝间短路。

1．4电机超载运行

电机超载运行时，负载电流超过规定的过载电流值，尤其是加速或减速时的峰值电流不得超过最大过载电流值。若电机长时间超载运行，负载电流超过额定电流值，则电机温度升高，换向器温升超过限值，促使氧化膜加厚，氧化膜过厚会因振动而开裂，出现脱落或剥层现象。氧化膜的剥层现象使得局部变薄，电流容易集中于氧化膜的薄层部分，使局部电流急剧增大，导致换向条件恶化，换向器磨损量随之增加。

2机械性磨损

2．1换向片凸凹不平和云母凸起

换向片表面凸凹不平是换向器制造过程中换向片被压得过紧、受到来自外部的撞击、超速以及换向片间云母片老化等原因引起的。云母凸起往往是由于换向片磨损到超过云母片下刻的深度、车削后云母片下刻的不正确引起的。换向器表面凸凹不平时，电刷会产生剧烈跳动，从而引起换向火花、电刷和换向器异常磨损。这种现象可以通过检查换向器的跳动来判断。磨损严重时，应用油石研磨或车削处理，云母片凸起部分用专用工具去除，并使其低于换向器表面。

2．2电刷压力过小或过大

一般来说，电刷压力大时，电刷径向跳动会减小，换向性能会得到改善。但是压力过大时，摩擦力增大而使机械性磨损增大;电刷压力过小时，电刷和换向器接触不良，容易引起电弧，使换向火花增大。因此电刷压力必须适中，金属石墨电刷的压力值选 1．5 ～2．5 N/cm2，较为合适。

2．3 夹杂物

混入大气中的研磨性灰尘和车削修整换向器时残留下来的铜屑、铜粉和云母粉等夹杂物，会使换向器表面在很短时间内产生损伤，一旦出现这种情况，电刷上产生电流集中现象，使损伤进一步恶化。这时要认真检查电刷的接触面，弄清夹杂物的存在情况，然后，用金刚砂纸磨合电刷的接触面，对换向器表面进行修整，并对电机内外进行彻底清扫。

2．4 粘附油污

换向器表面粘附油污时，摩擦系数增大，往往引起换向器表面和电刷的异常磨损。这是由于存在油污而形成油膜，使临界薄膜层的电阻明显增大，并因放电使油膜破坏而导电，造成电流的过度集中。粘附在换向器表面薄膜上的油污渗入了电刷，使电刷表面成分发生变化，使其滑动特性恶化。因此处理方法是防止油的浸入，在设计时选用致密电刷。

3化学因素

3．1 空气湿度

湿度对换向器表面氧化膜的形成有明显的影响，为了保持电刷与换向器良好的滑动接触，维持适宜的湿度是必要的，湿度过高或过低，都将造成换向不良的后果。

湿度过高时，换向器表面形成的水膜过厚。由于水膜的电解作用，电刷上析出铜来，接触电压降越大，这种作用就越明显。换向器表面也随电刷因电解作用而析出铜变得粗糙起来，当电刷接触面上析出的铜不易脱落时，电刷上附着的铜逐渐变大，使换向器表面磨损加剧。一般认为，绝对湿度超过10～12 g/m3，就会出现上述现象。夏季某些地区换向不良多数就是这种原因。

湿度过低时，换向器表面不能形成具有润滑作用的氧化膜，电刷与换向器不能有较好的滑动接触，容易加剧电刷和换向器磨损。这种现象一般在绝对湿度小于4～3 g/m3时就会出现。

3．2 有害气体

大气中存在有害气体时，往往引起换向不良、电刷和换向器异常磨损。例如，沿海地区因电刷吸附了盐分而容易产生火花和换向器故障。大气中存在氯化性气体或硫化性气体时，换向器表面会形成有害的氧化膜。存在腐蚀性化学气体时，换向器表面的氧化薄膜遭到破坏，在重新形成氧化膜的过程中，换向火花加剧，导致换向器磨损。因此，电机尽量避免在有害气体存在的环境中使用。

4结 语

换向器磨损异常是一个比较复杂的问题，存在多方面的因素，有电刷和换向器等零件的选材、制造工艺和日常维护等原因。处理不当不但会影响电机的正常运转，严重时，还会使电机烧毁，造成经济损失。只有进行认真分析，采取对应措施，才能起到较好效果。