一种直流电动机飞车故障的排除

韩红

（渤海船舶职业学院 机电工程系，辽宁 葫芦岛 125005）

0 引言

笔者单位有一台自制的小型设备，采用直流电动机（功率为5.5 kW）拖动，但最近经常发生下述故障：设备在运行接近20～40 min后，声音不正常，并突然出现速度越来越快现象，同时电动机抖动严重，由于操作者经验丰富，几次都及时断开了电机电源，才免于发生生产事故。通过对几次事故的反复分析和现场排查，初步认定是直流电动机飞车故障。粗略分析原因为：本设备由于是自制的，为了降低成本，设计控制系统时考虑不太全面，没有设计失磁保护电路，设备2002年开始使用至今，除了电机不工作和声音异常维修两次外，一直未定期维护，有些器件已老化，尤其是励磁绕组极易发生腐蚀而断路，故而造成飞车事故。

1 故障原因具体分析

1.1 直流电动机工作原理

直流电动机的定子部分由机座、主磁极、换向极、电刷装置组成，转子部分由电枢铁心、电枢绕组、换向器组成，其中，主磁极由铁心和励磁绕组组成。他励直流电动机在工作时，励磁绕组与电枢绕组互不相连，直流电源独立供电，通过换向器的作用，改变成电枢线圈中的交变电流。直流电动机转速

式中：E为直流电动机的电枢电动势，V；Ce为与电动机结构有关的常数；Φ为每极磁通，Wb。

直流电动机电磁转矩

式中：Ia为直流电动机的电枢电流，A；Cm为与电动机结构有关的常数。

直流电动机的电枢电动势

式中：U为直流电动机的电枢电压；R为电枢回路总电阻。

1.2 飞车现象分析

直流电动机在工作时若磁场减弱，则磁通Φ值会相应减小，由于电动机转速n与磁通成反比因此会增大，见式（1），但电动机的电磁转矩M却与磁通成正比，因此M是减小的，见式（2）；随着转速n的增加，各种阻力也将剧增，转矩M继续下降，直到转速出现一个最高值。如果此时磁场再继续减弱，随着转矩的减小，电机的转速反而会下降直至停止，同时反电势E亦会随之减小，见式（1），电枢电流Ia会剧增，见式（3），这种现象极易出现事故。上述提到的转速最高值即飞车，是极危险的，一般电机在达到最高值之前，在强大的离心力作用下，就会把绕组等组件甩出来，造成飞车事故，轻者电动机停止工作，重者电动机冒烟燃烧飞出异物。

可见，‘飞车’是直流电动机在励磁绕组无励磁电流时，电枢绕组有电压，使电动机利用剩磁高速运转影响系统正常运行的一种现象。

2 飞车故障的解决方案

为了解决飞车故障，我们设计了一种直流调速系统失磁保护电路，来防止直流电动机工作中因失磁而发生的飞车故障。由于容量小，因此所控制的直流电动机容量不超过5.5 kW，励磁电流最大不足2 A，甚至在1 A以下，因此一般采用在励磁绕组中串入一个大功率低阻值的电阻，配合欠压继电器使用，用此继电器的常开触点控制主电路，可防止发生飞车事故，失磁保护电路图如图1所示。

图1 直流调速系统失磁保护电路

图1中KV为欠电压继电器，当线圈电压低于其额定电压值时衔铁吸合，而当线圈电压很低时衔铁才释放。所谓的欠电压是指当电源电压降到60%～80%额定电压时，电动机电源自动切除而停止工作，这种保护称欠电压保护，吸合电压通常为额定电压的0.8～0.85倍，释放电压通常为额定电压的0.5～0.7倍。将欠电压继电器KV的线圈跨接在电源上，常开触点串接在接触器线圈电路中即可。

当直流电动机系统在工作中励磁绕组的励磁电流突然消失时，欠电压继电器KV动作，及时切断主电源，这时接触器KM的常开触点就失电断开，即使开关QS闭合，KM线圈也不能得电，KM的主触点不闭合，主电路不工作，系统不工作，即当无励磁电流时调速系统也不启动，以防发生“飞车”事故。图1中4个二极管VD1～VD4对交流电进行桥式整流，以提供励磁电源。在电动机的励磁绕组中串入可变电阻RP，在RP的两端并接一直流欠电压继电器KV，如图1所示。按下启动开关QS，接触器KM线圈得电，常开主触点吸合，启动系统工作。从以上描述可知，防“飞车”的主要元器件是可变电阻RP和欠电压继电器KV。该设备安装上此保护装置后，从此同类“飞车”事故不再发生。

3 结语

通过对飞车事故的查找及排除，使老设备可继续正常使用，不但节约了购置新设备的资金，而且大大缩短了生产周期，不耽误正常生产，并且改后再未出现过飞车故障。

［1］ 谢志萍.电机与设备电气控制［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［2］ 皮益雄.关于三菱交流伺服主轴电动机飞车故障的维修［J］.制造技术与机床，2013（4）：120-121.