直流电动机故障诊断及保养

梁 毅 孙 继 董春强

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900)

直流电动机具有优良的启动和调速性能，且启动转矩大，能实现频繁的快速启动、反转和制动，能在较宽范围内进行平滑的无级调速。因此，凡要求在宽广范围无级调速，或者要求较大的启动转矩的机械都采用直流电动机作为动力。小容量的直流电动机广泛地用于自动控制系统中。直流电动机维护工作量大，故障率高。电动机的很多故障都由电刷和换向器这两个部件引起。下面结合工作实际分析这两个部件的故障原因及在运行保养中应采取的措施。

1 换向器

换向器是直流电动机中的关键部件，是直流电动机的心脏，它的状态好坏直接影响电动机的使用寿命。换向器状态不好可能引起电动机换向不良，严重时会产生环火，放炮，造成电动机大修。下面分析一数控磨床的主轴电动机换向器故障。

例1 故障现象:一数控磨床的主轴电动机为带测速反馈的永磁直流电动机，主轴速度高速调不上去。

诊断分析:主轴速度通过50 kΩ的电位器进行调节。速度调不上去的可能原因有:速度调节电位器故障，主轴驱动器故障，测速反馈故障，电动机故障等。静态检查该电位器，电位器阻值变化正常。主轴旋转时，电枢电压在0～38 V变化，电枢电压达不到110 V。检查主轴驱动器，没发现异常，且脱开电动机模拟驱动器输出电压能达到110 V。根据直流伺服调速原理，断开测速反馈，电动机应该高速旋转，即所谓的“飞车”，但电动机速度仍然上不去，因此排除电位器、驱动器、测速反馈故障，故障点定位在电动机本身。手摸电动机发烫，且转动起来有轻微的振动。检查电动机电刷粗糙且较短，而测速电动机电刷光滑。拆卸电动机后，电枢换向器有条状环纹，粗糙，且表面发黑。测量电动机换向器片间电阻为1.3 Ω，但有6片换向器片间电阻为0.2 Ω，即短路状态;测速机换向器片间电阻均为3.6 Ω，正常。用砂纸对凹凸不平的换向器研磨，使其表面光滑，用清洁的压缩空气吹换向器，并用绸布蘸酒精擦拭，测量换向器片间电阻均为1.3 Ω。安装电动机并更换电动机电刷后，速度调节正常，电枢电压能在0～110 V实现平滑调速。因此故障原因就是电动机电刷长度不够，换向器片间短路，引起主轴速度调不上去。

正常情况下，电动机运行时，电刷与换向器之间有淡蓝色的火花产生，微弱而细密，电刷的接触表面平滑光亮，换向器的表面形成一层红褐色的氧化层薄膜。但拆卸电动机看到，电刷较短，电刷和换向器表面粗糙，换向器表面发黑，有灼痕。这是由于没有定期清扫换向器表面和刷握内的碳粉，集结的碳粉使电动机散热条件变差，换向片短路;换向器和电刷磨损严重，未能及时更换电刷造成电刷压力不足，致使电刷与换向器运行时产生黄红色或红绿色的不正常火花，使得电刷接触表面凹凸不平，换向器表面发黑，出现灼痕。不光滑的换向器表面与粗糙的的电刷接触，又使火花加剧，如不及时处理，会很快将换向器与电刷烧毁甚至烧毁电动机。据操作者反应，该电动机多年没进行保养，因此换向器表面粗糙的条状纹路是电刷与换向器长期的不正常打火、灼烧造成。其实主轴速度在对应的档位一直在减小，只是操作者没注意而已，直到主轴高速调不上去，才发现问题。

2 电刷

电刷装置是将直流电引入或引出的装置，它由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等零件组成。电刷为石墨制成的导电块，置于刷握内，其上压以弹簧，以保证电刷与换向器表面有良好的接触。正确地进行电刷质量选择和合理维护电刷运行是换向器维护的重要途径。电刷的材质和型号选择不合理，过硬或过软均会对换向器产生不良影响。电刷的选型不当，会使电刷在运行中磨损异常。电刷压力调整过大，使电刷和换向器之间的摩擦力增大，机械磨损加剧，产生比正常运行时较多的热量不易散发;压力过小时，电刷与换向器接触不良，易产生火花，严重时烧蚀换向器。下面分析一例电刷引起的直流电动机故障。

例2 故障现象:一直流伺服的数控车床主轴在旋转时，其变速系统声音异常，且主轴调速装置的快速保险在加工工件时经常烧断。

诊断分析:根据现象观察，可能有两个原因:系统本身有问题(如:各传动齿轮配合不好)，造成声音异常，且增加了主轴电动机的负载;伺服系统有故障，造成电动机间歇性工作，电动机带动变速系统产生加速、减速、加速…的工作过程，使变速系统的主轴齿轮与被动齿轮发生碰撞，产生不正常的声音。同时，造成电动机在加工工件时负载不均衡。

基于以上两种可能性，为分清原因，将主轴电动机与变速系统脱开。启动主轴，测量测速反馈电压信号为一脉动波形，而给定信号为一平稳的高电平;且目测主轴电动机无明显的停车现象，如图1所示。根据这两个波形判断故障可能在测速电动机部分。检查测速电动机，发现其电刷中有一个弹簧失效，电刷与换向器断开。由此引起电刷减少，使测速机的发电性能变差，出现脉冲反馈电压(在正常时，其测速反馈电压为一平稳的电压波形)，当测速反馈电压突降为低电压时，使调速系统的速度给定输入与速度反馈之间的差值突然增大，经调速装置后，使主轴电动机突然加速;随后，测速反馈又变为高电压，此时反馈电压高于给定电压值，经调速装置使主轴电动机减速，这样就造成了主轴电动机的加速、减速…循环往复，使变速系统的主轴齿轮与被动齿轮发生碰撞，发出不正常的声音且在加工过程中造成主轴电动机电枢电流的不均衡，使电流瞬间过大，烧断保险。将电刷更换后，主轴声音正常，且保险也不再频繁烧断。

上述两例故障都反应了直流电动机保养的重要性，只有合理地对其进行维护保养，才能确保电动机的正常工作性能。直流电动机的维护保养主要集中在电刷、换向器、轴承等元件。检查步骤通常如下:

(1)必须在机床处于断电的状态下且电动机已经完全冷却的情况下进行检查。

(2)取下橡胶刷帽，拧下刷盖取出电刷。

(3)测量电刷长度，如FANUC直流伺服主轴电动机的电刷由10 mm磨损到小于5 mm时，必须更换同型号的新电刷。

(4)仔细检查换向器和电刷的弧形接触面是否有深沟或裂痕，以及电刷弹簧有无打火痕迹。如果换向器表面出现轻微的条纹或凹槽，则要采取研磨或抛光的方式进行处理。如果换向器表面不平整程度达到0.2 mm时应进行车光。

(5)用不含水分的清洁压缩空气吹刷握孔和换向器表面，吹净粘在刷孔壁上的电刷粉末。用绸布蘸酒精把换向片擦干净，确保换向片不短路，片间阻值相同。

(6)重新装上电刷，弹簧的安装必须正确，确保电刷能在刷握内自由移动。如果更换了新电刷，应使电动机空运行磨合一段时间，以使电刷表面和换向器表面吻合。

3 结语

总之，直流电动机的故障率高，故障体现多种多样，但故障主要集中在电刷、换向器、轴承等零部件，定期和合理地对这些零部件维护保养是正确运行直流电动机，迅速排除运行故障的关键。

［1］牛志斌.数控车床故障诊断与维修技巧［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］史咏梅.电气设备安装、试验、检修与运行维护实务全书［M/OL］.金版电子出版公司，2003.