直流牵引电动机环火故障原因分析及解决办法

杨勇

摘 要：文章阐述了直流牵引电动机的工作原理及换向器的作用，对直流牵引电动机换向器环火故障产生原因进行了深入的分析，并提出了有效的解决方案。

关键词：牵引电动机；换向器；环火故障；解决办法

引言

牵引电动机是在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。

直流牵引电动机在运行中换向器与电刷间有少许火花是正常现象，但是如果火花较大将使其不能正常运行，“环火”现象甚至烧毁电动机绕组导致严重经济损失，所以对直流牵引电动机换向器环火故障产生原因进行深入分析并提出有效的解决方案具有重要意义。

1 直流牵引电动机工作原理及换向器作用

牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，要采取特殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少炭刷下的火花。

1.1 直流电动机工作原理

直流电动机工作原理的理论基础是安培定律：带电导体在磁场中必然会受到力的作用即电磁力作用。判断所受电磁力方向用左手定则：磁力线穿过左手掌心，左手四指方向为带电导体电流方向，左手大拇指方向即为导体所受到的电磁力方向。直流电动机的主磁极绕组通以直流电建立主磁场，转子绕组（也称为电枢绕组）通以交流电即为带电导体，转子绕组在磁场中受到电磁力作用并产生电磁转矩使转子旋转。即将输入的电能转化为机械能输出。

1.2 换向器作用

直流电机工作必然离不开换向器，换向器在直流发电机工作中的作用是将转子绕组输出的交流电转变成直流电输出；在直流电动机工作中的作用是将外部的直流电转变成交流电输入到转子绕组中，从而使转子绕组无论在磁场的上半区还是在下半区都能产生同一方向的电磁转矩，保证转子按同一方向旋转。这种作用被称为机械整流。

2 换向器环火故障的原因

2.1 产生电磁火花原因

（1）换向：导体电流方向的转变。无论直流发电机还是直流电动机运行中，转子绕组中的某一元件从磁场的上半区进入到磁场的下半区的瞬间都会发生电流方向的转变，这种现象被称之为换向。（2）直线换向：换向元件的电流由正向最大值均匀地过渡到反向最大值即电流成线性变化的过程称为直线换向，直线换向时换向器与电刷之间不产生火花，故又称为理想换向。（3）延迟换向和电磁性火花：换向元件的电流由正向过渡到反向过程中会产生自感电动势；实际上直流电机的电刷宽度通常为2-3个换向片宽，相邻的几个元件会同时换向，换向元件还会由于相邻换向元件的电流变化产生互感电动势；直流电机运行时转子绕组也会建立磁场（也称为电枢磁场），该磁场会对主磁场产生影响并使气隙磁场分布发生畸变，这种影响被称为电枢反应。换向元件由于气隙磁场发生畸变会产生切割电动势，也称为电枢反应电动势。上述的电动势都会阻碍换向元件电流的变化并使之变化延迟，这种情况称为延迟换向。延迟换向会使电刷与换向片之间电流密度分布不够均匀，在电刷脱离换向片瞬间造成后部过热产生火花。

2.2 换向器发生环火现象原因

换向器由于片间累积击穿，会产生环火现象。主要是由于换向器维护不良，清扫不认真，在换向器云母沟中积存了碳粉、铜粉和油污，或者由于电刷挤铜，换向片铜毛刺延长导致相邻换向片的短路，这些导电物都构成了换向片间云母沟中的导电桥，当这一导电桥随着电枢旋转而进入主极时，换向器表面点位梯度增加，通过电流逐渐加大。当电流产生电动力超过维持粉末定位的力时，粉末构成的导电桥就会错位，导电桥由于熔化灼热而产生片间闪络。如果导电桥断裂点的有效电压超过电弧最低电压，就产生电弧。当断裂部分宽度增加到云母沟宽度时，维持电弧的电压也需增加，否则电弧将熄灭。当片间电压和起弧时感应电压大于维持电弧电压时，电弧将继续燃烧。电流随着换向片击穿而增大，磁场区域也增加，片间电弧沿换向器表面扩展形成火环即环火现象。

3 换向器环火故障解决办法

3.1 电磁火花解决办法

（1）加装换向极：换向极的轴线与主磁极的轴线垂直，换向极由铁芯和绕组组成，绕组通以直流电建立磁场，该磁场与电枢绕组磁场在一个轴线上并且方向相反，这样可以有效的减少电枢反应从而降低换向器火花级别。（2）加装补偿绕组：补偿绕组安装在主磁极铁芯的极靴部分，补偿绕组通以直流电建立磁场，该磁场与电枢绕组磁场在一个轴线上并且方向相反，这样也可以有效的减少电枢反应从而降低换向器火花级别。（3）合理选用电刷：电刷的质量对换向有很大影响，有些换向不良的电机仅靠选择合适的电刷就能降低换向器火花级别。对中、小型电机应采用石墨电刷；对于换向比较困难的电机通常采用接触电阻大的碳-石墨电刷；对于低压大电流电机则采用接触压降较小的青铜-石墨或紫铜-石墨电刷。

3.2 防止环火的措施

改善换向器表面处理。加强换向器的维护。经常清理、擦抹和吹风，防止片间积尘，防止片间铜毛刺产生，是防止环火发生的有效措施，特别是换向不好而发生过环火的电机，更应加强换向器的运行维护。

4 结束语

直流牵引电动机换向器环火故障产生原因很复杂，文章仅对最主要原因进行了分析，还有许多原因需要深入研究并加以解决，其中很多解决办法在实践生产中得到了检验并且显现良好的效果，体现出较强的经济性和实用性。

参考文献

[1]杨宗豹.电机及拖动基础[M].冶金工业出版社，2003.

[2]许晓峰.电机及拖动基础[M].高等教育出版社，2000.

[3]张卫.电机、变压器的修理与维护[M].机械工业出版社，2011.

[4]杨柳春.电机实训技术维修指导[M].北京化学工业出版社，2008.

[5]陈家斌.电机故障检查与处理[M].郑州：河南科学技术出版社，2006.