直流电机换向火花的检测与调整

高海波，程 涛，周长征，李献峰，安富涛，张 勇

(1.重庆地区军代室，重庆 400050;2.497厂军代室，重庆 400071;3.虎溪电机厂，重庆 321017)

换向火花是电机运行时，电刷与换向器之间的电弧放电现象，是直流电机换向不良的最明显的标志。电机换向火花偏大现象是电机损坏的主因，而很多其它各方面的故障初期通常也会表现在换向火花上。而火花对电机运行是会带来危害的，当火花的级别太大时，甚至会烧坏电机［1］。因此在电机检测中除了转速、转矩、功率、电流等项目，电机火花的检测同样也是一项重要的检测项目。通过对换向火花的检测，可以判断电机性能是否符合技术要求，并通过寻找火花形成原因，可以为装配人员维修和技术人员调整技术方案提供依据。本文从直流电机火花产生的主要原因、火花的测试以及调整的方法2个方面进行阐述。

1 直流电机火花产生的主要原因

根据换向电磁原理，直流电机换向火花产生的原因是由于电刷的前、后边电流密度分布不均匀，或电刷与换向片分离时，元件内短路电流并不为零，元件内的电磁能将以火花形式释放，于是后刷边产生火花。再之，在换向元件中不可避免地产生电抗电势er;另外当换向元件切割交轴电枢反应磁通时，还会产生旋转电势ea。er和ea都是阻止电流变化的，这两个电势都使换向恶化，形成火花。

为了改善电机换向，在直流电机中普遍采用了换向绕组，大型电机和高速电机还装有补偿绕组。这2种绕组的目的就是建立一个磁场，使其在换向元件中产生一个换向电势ek，它的方向与er、ea电势方向相反，使它们相互抵消，ek=er+ea，以达到改善换向的目的。

由于造成火花的原因可能由电磁部分或机械部分引起［2］，所以必须进一步对其进行判别。对此一般多通过观察火花特征进行判别。经过长期测试的观察与分析，直流电机出现的火花有很多种。通常出现的有蓝色和白色，但也有红色，黄色和绿色。出现的形态也有很多种。

电磁原因与机械原因造成火花的区分如下:

1)电磁性火花通常呈蓝色。当电机的工作状态和负载条件变化时，火花的大小和亮度也随着变化。

2)机械性火花一般呈黄色，火星长，强度弱。当电机的工作状态和负载条件变化时，换向火花反应不敏感。增大电刷压力或降低电机转速，机械性火花便随即减弱或消失。

工厂在电机的测试中，换向火花大小的检测都是依据国标GB755-2008规定的火花等级标准进行判断，具体分级标准详见表1。

表1 火花等级分级标准

表1中可以看出，1级和11/4级是无害火花。11/2级虽在换向器和电刷表面产生轻微灼痕，但允许长期运行，不致造成对电机的威胁。2级火花的电弧能量较大，会造成对换向器和电刷的灼痕，只允许在过载时短时出现。3级火花是危险火花。它能导致环火事故，不允许经常出现。

2 火花的检测及调整的方法

2.1 电磁部分引起火花的检测及调整的方法

工厂在电机的测试中发现通常是由以下几种情况造成的电磁性换向火花。

2.1.1 换向极绕组连接错误的检测及调整的方法

换向极绕组连接错误有以下2种情况:① 双极性接反。这会使得换向磁场与电枢反应磁场相互迭加后不是抵消削弱，而是增加，使得换向更加恶化，换向火花明显加剧，形成有明显的环火，特别是随着负载的增加时火花更强烈，各极电刷出现均匀灼痕;②部分换向极绕组接反。这会出现火花分布不匀，极性接反的电刷下火花增大，烧伤也较严重。

以上2种情况只要沿接线方向通少量直流电流，用指南针按产品接线图作极性测试，就能确定其极性。当电机太小，无法使用指南针作极性检查时，也可用以下2种方法确定其极性:

1)用交流电源测量换向极极性

把直流电机的电枢G与换向极绕组串联，这种测试时，在换向极绕组两端B1、B2加交流电源U1，其值约为其额定电压的10%。然后测量。如 U3=U1-U2则说明换向极极性正确;如U3=U1+U2则说明换向极极性错误。因为交流电压加在上，会产生交流电流，这个交流电流产生一个变化的磁场，电磁绕组处在这个磁场中，产生感应电势。只有这2个绕组上的电势满足U3=U1-U2时，即感应电势极性相反，换向极绕组产生的磁场在换向元件上产生的感应电势才会抵消el+ek的作用，如图1所示。

图1 交流电源测量换向极极性

2)用直流电源测量换向极极性

将直流电源及毫伏表mv接入线路，当开关SA闭合的瞬间，mv表往正方向偏转，开关断开的瞬间mv表往反方向偏转，则说明换向极极性正确，否则错误。因为，在开关SA闭合的瞬间，电枢绕组中的电流增加，磁场也是增加，而要达到换向绕组产生的磁场抵消电枢磁场，必须是换向极绕组B1、B2上产生一个左“+”右“-”的感应电势。这个电势产生的电流使mv表正偏。相反，SA断开时，在B1、B2上产生一个左“-”右“+“的电势，使mv表反偏。当确定换向极极性接反，应按产品图要求重新接线再进行检测，如图2所示。

图2 直流电源测量换向极极性

2.1.2 电枢绕组短路或断路的检测以及调整的方法

电枢绕组断路时，由于断路线圈从第一条线路经过电刷转入第二条线路的时候，会产生强烈而急速的火花，断路线圈不断地旋转，换向器上的各组电刷也就一组一组地轮流发出火花，使接通断路线圈的2个换向片，很快就会发黑烧坏。

电枢绕组短路时，将导致这一支路的其它线圈电流过大。产生局部过热，发出焦臭味甚至冒烟，与线圈相连接的换向片也发热、发黑。

电枢断路检测可用目测或电枢感应仪进行。对焊接质量不好或脱焊，可仔细观察换向器升高片处的焊点情况，再用镊子等拨动各焊点即可发现。还可以用万用表置于欧姆档，测换向器每相邻换向片间电阻，电阻值为无穷大时说明该处绕组断路。电枢短路检测也可用电枢感应仪，确定电枢短路或断路的，应重新更换电枢。

2.1.3 电刷不在几何中性线的检测以及调整的方法

电机运行时如果电刷偏离几何中性线，换向元件切割磁力线产生旋转电势ea，使换向火花增大。若将电刷位置移动到几何中性线位置，则可大大减小旋转电势，从而使换向状况得到改善。

1)正反转电动机法。就是在直流电机空载情况下，让它正转和反转。保持正反转时电枢电压和励磁电压不变，分别测量正反转的转速。如果相同条件下转速相同，说明电刷在几何中性线上。如果转速不同，这时就要稍微向转速高的电枢旋转方向移动电刷位置，直到正反转的转速相同。

2)正反发电机法。用此法确定电刷中性线位置时，电机应接成他励或并励，其输出电压应接近额定值。调整时，使电机在转速不变，励磁电流不变的情况下进行正转和反转。分别测量电机在正反转时电枢的输出电压。如果电压相等，说明电刷在中性线上。如果电压不相等，这时就要稍微向输出电压高的电枢旋转方向移动电刷位置，直到正反转输出电压相等。

3)感应法。电机静止，电枢两端接上直流毫伏表mv(最好零位在中间)，在励磁绕组两端以触动方式加3 V直流电源，并观察电压表指针偏转情况，如左右摆动，这是就要稍微将电刷位置移动，直到触动时指针摆动最小或指针不动，如图3所示。

图3 感应法

2.2 机械部分引起火花的测试以及调整的方法

当确定由机械部分引起火花后，先分析其具体是由于那部分元件所引起，再进行调整。按火花形态分，一般又分为碎裂状火花以及电刷跳动火花。

2.2.1 碎裂状火花的调整方法碎裂状火花多由电刷装置所引起，常见的有以下几种:1)刷盒与换向器工作面不垂直。可松开紧固刷盒螺栓后重新对其进行调整。

2)刷孔变形或太松。电刷在刷盒内应可上下自如滑动。当超过规定的间隙时就需要更换新刷盒。

3)电刷与换向器接触面积过小。新电刷的安装，一般先用0号砂纸进行打磨，电刷弧面尽量与换向器贴合(要求电刷磨合面需达到80%以上)。

2.2.2 电刷跳动火花的调整方法

1)电刷压力不足［3］。其检测方法是用弹簧秤将电刷拉离换向器接触面此时弹簧秤读数就是电刷压力。如电刷压力不足，可通过调整或更换弹簧解决。

2)换向器凹凸不平。电机运行时将使电刷与换向器接触不良，引起强烈火花，严重时还将打碎电刷。在电机停机时用手慢慢旋转电枢，一般可以听到电刷的跳动声。观察换向器的工作面，常常在凸片的附近会出现由深到浅的痕迹。此种情况可通过对换向器外圆进行精车削，并对换向器的云母片下刻。

3 结束语

直流电机产生换向火花的原因很多，也很复杂，如电机安装不同轴，换向器油污等都会影响换向火花。总之，在分析问题，解决问题时，不能孤立地，片面地考虑，应从整体着手，找出问题的本质。

对造成火花原因正确的判断，使装配工人能快速的进行修理，大大提高了工作效率。在直流电机检测中通过对造成直流电机换向火花原因的分析并依据以上方法进行调整，使工厂电机交验合格率达到90%以上。

［1］杨春红，李向阳.直流电机变向火花变大的分析［J］.黑龙江科技信息，2008(6)：34-34.

［2］曹太忠.直流电机防止火花产生的措施［J］.内江科技，2012(10)：129-129.

［3］陈菊华.浅析如何解决直流电机中电刷易产生电火花的问题［J］.时代报告：学术版，2012(10)：32-32.

［4］许大中.电机的电子控制及其特性［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［5］王生.电机与变压器［M］.北京：高等教育出版社，2005.