电刷位移对直流电机的影响

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

直流电机相较交流电机原理更加简单，但一般直流电机的结构却比交流电机更复杂。因为直流电机中增加了很多结构、措施用来改善电机换向性能，比如叠片机座、换向极绕组、补偿绕组、绝缘铆钉等。其中，直流电机电刷之间会在轴向及换向器圆周方向进行位移，作为一种改良措施，使电机能够得到良好换向，改善换向器表面的长期运行状态。

1 电刷的轴向位移

直流电机的刷杆座圈装配时与同一排刷杆下的电刷之间有一定距离，若每排刷杆的电刷位置都相同，电刷之间的换向器表面将不被电刷研磨。电机在此状态下长期运行，会在换向器表面电刷间隔位置之间形成明显沟槽，不利于电机的维护及运行。为了降低换向器表面出现沟槽的几率，需使不同刷杆上电刷的研磨位置相互错开，即相邻刷杆上电刷相互之间适当在轴向位移，使得电刷之间的间隔能够形成位移，被另一刷杆下的电刷研磨，以此降低换向器出现沟槽的几率。当然，影响换向器表面出现沟槽的原因包括电流密度、电刷材质、空气湿度等多种原因，电刷轴向位移仅是其中之一，轴向位移并不能完全消除换向器表面沟槽现象。

相对于相邻两排刷杆上电刷互相位移(以一对正、负极刷杆为一组)，每相邻两组之间相互错位进行位移见图1，更能有效平衡换向器表面与电刷之间的研磨情况。换向器表面氧化膜的形成情况根据电流方向的不同有一定差异，一般正刷(电流方向从电刷到换向器)侧的氧化膜比负刷(电流方向从换向器到电刷)侧的厚[1]。因此正刷与负刷对换向器表面的研磨情况略有不同，考虑电机的长期运行，以一组正负刷杆为单位进行位移调整，能够更有效平均换向器表面的研磨情况。

图1 相邻两组刷杆在电机轴向方向互相位移

2 电刷的圆周方向位移

各项参数关系按电磁计算时，如下：

图2 同一排刷杆上电刷在换向器圆周方向位移

式中：bb为电刷宽度；j为换向器云母片厚度；a为电枢绕组并联对数；p为主极对数；tK为换向器片距。

根据公式可得，直流电机电磁计算时，对电刷的圆周方向位移cb进行调整，对电抗电势数值变化影响不大，但对换向周期的变化影响明显，这样便可以改变电抗电势波形，以使其与换向磁场的感应电势波形适配，以得到满意的换向。虽然电刷的圆周方向位移使电刷的计算宽度增加了，但电刷的总工作面积Fb并未改变，所以电刷的电流密度ib及与之相关的参数并未改变，对换向器表面氧化膜的建立不会造成太大影响，不会破坏已建立的氧化膜。因此，在电机试验或运行时，若换向火花偏大，也可运用此方法作为改善换向的措施进行应用[2]。

为了能够更直观、详细地了解位移垫块对电抗电势的影响，以及调整波形对换向的影响，现以电枢铁心每槽换向片数u=3(依次标记为a、b、c)举例，绘制电抗电势见图3及换向元件在换向极磁场下感应电势的波形图见图4进行对比说明。

式中：tk为换向片距；Da为电枢外径；Dk为换向器外径。

将图3(a)中各个矩形在纵坐标方向相加并加上端部电抗电势el，便可得到图3(b)中电抗电势er的波形曲线图。

图3 电枢换向元件的电抗电势波形图

图4(a)是按比例绘制的换向极极靴与电枢外径的位置关系，在其上绘制磁力线(与等磁位面线垂直)并按第一换向极气隙δ1、δ2、δ3…δn，计算消耗在第一气隙中的安匝数AWi=IWi，再计算出各点的感应电动势。

式中：l为换向极铁心长度；va为电枢表面线速度；Kδ为换向极卡氏系数；δ为换向极气隙。

图4 换向极磁场下的感应电势波形图

电磁计算时，对比图3(b)和图4(b)，通过改变换向极极靴宽度及形状、改变换向极气隙等调整图4(b)曲线波形，或改变电刷宽度以改变图3(b)曲线波形，以使两图曲线尽量重合，得到满意的换向。

综上，电刷在圆周方向的位移可改变电抗电势波形，以改善电抗电势和换向极磁场波形适配换向。据此可知，位移垫块的调整不仅可以在理论计算阶段进行应用，在电机试验或运行阶段若电机换向不理想，可作为改善换向的方法应用。

直流电机发生换向偏弱，即换向无火花曲线上翘，同时电机换向极气隙调整困难的情况时，可尝试在刷杆装配上增加位移垫块，用以加宽电抗电势波形，降低波形峰值，改善换向。

例如，我厂对于重复生产的、已做过换向检查的直流电机在定子真空浸漆后进行成品试验，遇到个别换向不理想的电机，由于定子已真空整浸，此时调整换向极气隙比较困难，若换向检查显示无火花曲线换向偏弱，会尝试采取增加位移垫块的方法改善换向。对于直流电机换向偏强，即换向无火花曲线下落的情况，已有位移垫块的刷杆座圈，理论上可尝试减薄位移垫块以调整换向，但我厂未对此类情况做过尝试。对于没有位移垫块的电刷由于更改电刷宽度会影响电流密度，且成本较高，不建议在电机换向调整时应用。

此外，通过增加位移垫块对电抗电势的波形进行调整是有一定范围的。若电刷在圆周方向增加了位移垫块，电刷的计算宽度增加，换向区宽度bK亦随之增加，换向区宽与中性区宽度之比βN变小。当换向区窗口过小时，则换向元件有可能进入主磁通区，切割主极磁通而产生电势，情况严重的会在空载状态下可见明显火花，因此位移垫块的调整厚度不可过大，我厂中型电机调整时一般取2～4 mm。

3 结论

直流电机电刷在轴向及圆周方向的位移对电机运行及维护影响明显，电机装配及检修人员应给予足够的重视。另外，位移垫块还可以作为调整改善电机换向的一种手段改善换向偏弱的直流电机的换向情况，对于定子已真空浸漆或现场调整换向极气隙比较困难的情况下可采取此类方式来改善换向，以节省制造、检修成本。