直流电动机换向火花分析

肖杨

摘 要： 换向是直流电机的特殊问题。火花是换向不良的表现，轻则灼伤电刷和换向器，严重时它会危及电机的运行安全。同时还会对周围的通讯设施造成干扰。本文是结合实践工作当中换向出现火花情况，通过分析和实践消除火花，提高电机的效率，进行分析。

关键词： 直流电机；换向；火花

1概述

八钢制品分厂有一台LZ8/16全直流调速冷轧带肋机组。主机电机是一台Z4-280-31 132KW、采用西门子6RA23直流调速装置，收线机电机是一台Z4-180- 37KW、采用西门子6RA24直流调速装置。有一次在更换Z4-280-31 132KW 4组换向线圈后，该电机换向器边缘有较强烈的火花。无论怎样调整电刷、清理换向器表面、降低轧制规格（也就是调整负载状态）均不能消除该火花。

经过现场不断的对比，发现是电工在更换该4组换向极线圈时把各自的两接线柱接成混连连接方式，如图一b所示。后把4组换向极线圈两接线柱接成顺连连接方式，如图一a所示，就消除该火花现象。（本文笔者暂且称头头与尾尾连接方式为顺连，头尾与头头或头尾与尾尾称为混连）

2换向过程概念

直流电机工作过程中，随着电枢的转动，每时每刻都有某些元件被电刷短路，它们从短路前的一条支路转入短路后的一条支路，短路前后元件中的电流改变方向。这种元件电流改变方向的过程称为换向。其一个元件的换向过程如图二所示

3换向电流

根据直流电动机的电压方程 励磁回路： U=IfRf

可得换向回路电压方程为：

式中i1、i2经换向片1、2流入电刷的电流，根据构成电路回路电流法则，它们具有如下关系，即

可推导出换向电流表达式：

式中TK—是换向周期，r—是换向片与电刷完全接触时的接触电阻，ia—每支路电流

4分析与说明

Z4-280-31 132KW电刷采用D374N系列，在产生火花后，我们多次调整碳刷压力、紧固刷架、清理换向器表面都无济于事，至此可排除机械原因、电机的负载和其他环境因素的原因。

4.1通过电磁原理分析：

通过通过图一所示的接线图，直流电机4组极换向线圈自身材质、长度、绕线方向完全一样，都分别放置在电机圆周面的四个对称位置的理想环境下。当该4组换向极线圈有电流通过时，每个线圈都会产生电磁场（运动的电子都会产生磁场）。每个线圈产生的磁场感应强度大小相等，方向跟电流流经的方向有关，如图一所示。

根据磁场叠加原理：总磁场的磁感应强度等于各个运动电荷或载流线段产生的磁场的磁感应强度的矢量和。图三c中一、二、三、四空间产生的磁场分别为B、B、B、B， d中一、二、三、四空间产生的磁场分别为-B、B、-B、-B，假定在电机端面的圆周面的中心M处叠加。则

顺连时的总磁场感应强度：Bc=B+B+B+B=4B

混连时的总磁场感应强度：Bd=（-B）+B+（-B）+（-B）=-2B

也就是说顺连时，电枢绕组和换向线圈回路中各磁场叠加后共同产生的感生电动势Σe顺 是稳定的，产生的换向电流i顺 均在该Z4-280-31 132KW电机换向电流i的稳定区间。当混连时，Bd ∝Bc→之差-△B（“-”是矢量方向），電枢绕组和换向线圈回路中各磁场叠加后产生的感生电动势Σe混。根据感生电动势ε=-N*dφ/dt=BLV，由于-△B磁场变化，Σe混∝Σe顺→之差-△Σe（“-”矢量方向），由（1）式可知，混连时的换向电流i混已偏离该Z4-280-31 132KW电机换向电流i的稳定区间，即换向极磁场陡增或延迟造成换向过程中电刷面上的电流密度不均匀而产生火花。混连时这就是我们通常说的延迟换向、超越换向所产生的换向火花。

4.2实际工作中，电器维护人员都认为在串联电路中元件接头顺序可任意放置，但在磁场中的串联电路中的感性元件、耦合元件必须按设计要求规范接线，这样我们才能避免差错，保证各项工序的正常运行。

结束语：通过对现场直流电动机换向线圈故障后的检修，发现直流电机换向火花产生的实际原因。在实际生产中，为解决直流电动机火花产生的危害提供了技术支撑。同时为更深入了解直流电机换向火花产生的原因奠定了基础。

参考文献

[1]牛维扬，电机应用技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2001，179-191.

[2]徐跃成，直流电机换向性能的综合评述 上海南洋电机厂.

[3]肖如泉，田锦明，乔静宇，新编电气工程师实用手册 电子工业出版社.