换向器外圆跳动对直流电机换向的影响

高明缙

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

直流电机电刷与换向器的滑动接触状态是影响电机的换向性能的主要因素。换向器表面较小的径向圆跳动偏差有利于电机运行状态下换向器与电刷建立比较稳定的接触面积，这是良好的滑动接触的前提。在电机实际使用运行当中，经常会出现径向圆跳动偏差变大的现象，尤其是换向器在高转速或过热出现动态变形的情况下，由此导致滑动接触变差，电机换向恶化。以下根据我公司近年的生产及检修经验，对圆跳动超标简单分为两类情况进行简述分析。

1 换向器外圆跳动偏差产生的原因

换向器外圆跳动(即径向圆跳动)出现偏差的原因一般是由于电机运行时间较长，换向器内片间云母及V型云母环内的虫胶随时间挥发后其含胶量减少导致尺寸收缩，拉紧螺杆的预紧力减小，换向片片间压力降低，换向器受离心力影响产生变形，椭圆变形、摆度变大或出现个别甚至整组凸出片。

2 换向器外圆跳动偏差对电机的影响

我公司一般将换向器径向圆跳动偏差按换向器摆度偏大及个别换向片凸出(片间不平度偏大)两种情况进行区分，方便处理。此两种情况对直流电机换向的影响有所不同。

2.1 摆度偏大的影响

摆度偏大即换向器椭圆变形或换向器偏心的现象，在此类直流电机运行时，虽然换向器整体摆度偏差较大，但相邻换向器片间半径的变化梯度较小，即摆度的变化是平稳过渡的，对电刷跳动影响不大，所以对换向的影响不十分明显。但换向器外圆摆度偏大会增加电刷的振动值，同样不利于换向，且随着换向器圆周线速度增大，对换向的影响越明显。此状态下的电机长期运行，换向片可能会出现挤铜现象，增加片间短路的风险。

2.2 凸出片的影响

换向器凸出片(即换向片片间不平度偏大)的现象，此种情况与摆度偏大不同，相邻换向片片间半径的变化梯度较大，对产生电刷跳动的影响很明显，会使电刷与换向器之间的滑动接触状态被破坏，导致电机换向恶化。

在电机制造厂内，电机的生产或检修过程中有可能由于操作不规范，造成个别换向片向内凹陷，换向片凹片的片间半径的变化梯度亦较大，其造成的影响和凸片类似。

3 对换向器外圆跳动偏差的要求

3.1 换向器外圆摆度的要求

换向器外圆摆度偏差对于换向的影响相比凸出片的情况并不十分明显，很多时候不会直接出现换向火花的明显增大。根据电机厂的电机制造及用户电机定期检修的经验，可给出换向器摆度的允许范围，在允许值内的换向器摆度，电机可以得到满意的换向且电刷位置不会出现异响，可以以此作为制造及返修的参考。

一般按换向器线速度的不同，对换向器摆度的允许值给出不同的允许值，如表1所示。

表1 换向器的摆度允许值

3.2 换向器凸出片的要求

换向器外圆个别换向片凸出对直流电机换向产生的影响直接会体现到换向火花变化上，因此，在电机制造及检修时对此类情况应给予足够重视。

根据我公司近些年的制造经历，对换向器外径在Φ456～Φ800 mm，线速度在20～38 m/s的中型Z系列直流电机出现凸出片的情况进行统计，凸出片值>0.02 mm即会对换向火花产生影响，在凸出片值达到0.04～0.06 mm时，即使是在较低转速运行仍会出现明显火花，电刷噪声亦明显增大。

一般换向器凸出片导致换向恶化的情况其相关影响因素较多，且由于其对换向的影响较直接，换向器表面不平度的允许值可通过对电刷经过换向器凸出片位置的情况进行论述求得。图1为电刷在有凸出片的换向器表面工作的示意图。

图1 换向器表面工作示意图

在电刷弹簧压力p，电刷质量m为已知的情况下，可求得电刷从凸出片位置下落高度Δh，即

据此，可导出电刷从凸出片位置下落滑出Xo长度，重新落至换向器表面所需的时间t，即

若要保证在电刷下降的距离(Xo)内不产生火花，则这段距离应小于换向节距(tk)，即Xo

由于电刷压力P、电刷质量m、换向器节距tk、换向器线速度vk等均为已知，据此可以导出电刷从凸出片位置滑出一个换向器节距时凸出片的高度，即不产生火花时凸出片的极限高度Δh′，即

根据此公式亦可求导出同系列电机中转速与凸出片允许值的曲线关系。

由于我公司生产的中型直流电机(电机中心高450～1 000 mm)中，公式中涉及的几项参数除换向器线速度外均较接近，可通过换向器线速度对凸出片要求做大致分类，如表2所示。

表2 换向器的凸出片高度允许值

各制造厂或检修单位也可根据自身直流电机类型做大致分类，便于生产服务中参考使用。

4 结论

换向器外圆摆度大造成直流电机换向恶化，进而使换向片被烧蚀，一般都是由于换向器片间不平度超差造成的。电机制造时应注意相关制造工艺，避免换向器片间不平度的产生，电机检修时对换向器片间不平度超差的情况应有足够的重视，做好对换向器拉杆进行热态及冷态下重新校紧并车削外圆等检修措施。对于换向器椭圆变形及偏心等虽然摆度大但片间不平度不超差的情况，可根据制造或检修难度及成本进行定夺，若无法及时处理则应做好记录，日常监测好换向器表面氧化膜及滑动接触状态，并在电机大修时进行处理。