楊勇

摘 要：文章闡述了直流牽引電動機(jī)的工作原理及換向器的作用，對直流牽引電動機(jī)換向器環(huán)火故障產(chǎn)生原因進(jìn)行了深入的分析，并提出了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：牽引電動機(jī)；換向器；環(huán)火故障；解決辦法

引言

牽引電動機(jī)是在機(jī)車或動車上用于驅(qū)動一根或幾根動輪軸的電動機(jī)。牽引電動機(jī)有多種類型，如直流牽引電動機(jī)、交流異步牽引電動機(jī)和交流同步牽引電動機(jī)等。直流牽引電動機(jī)，尤其是直流串勵電動機(jī)有較好調(diào)速性能和工作特性，適應(yīng)機(jī)車牽引特性的需要，獲得廣泛應(yīng)用。

直流牽引電動機(jī)在運(yùn)行中換向器與電刷間有少許火花是正?，F(xiàn)象，但是如果火花較大將使其不能正常運(yùn)行，“環(huán)火”現(xiàn)象甚至燒毀電動機(jī)繞組導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，所以對直流牽引電動機(jī)換向器環(huán)火故障產(chǎn)生原因進(jìn)行深入分析并提出有效的解決方案具有重要意義。

1 直流牽引電動機(jī)工作原理及換向器作用

牽引電動機(jī)的工作原理與一般直流電動機(jī)相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動輪直徑的限制；在機(jī)車運(yùn)行通過軌縫和道岔時要承受相當(dāng)大的沖擊振動；大、小齒輪嚙合不良時電樞上會產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動；在惡劣環(huán)境中運(yùn)用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牽引電動機(jī)在設(shè)計和結(jié)構(gòu)上也有許多要求，如要充分利用機(jī)體內(nèi)部空間使結(jié)構(gòu)緊湊，要采用較高級的絕緣材料和導(dǎo)磁材料，零部件需有較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，整臺電機(jī)需有良好的通風(fēng)散熱條件和防塵防潮能力，要采取特殊的措施以應(yīng)付比較困難的“換向”條件以減少炭刷下的火花。

1.1 直流電動機(jī)工作原理

直流電動機(jī)工作原理的理論基礎(chǔ)是安培定律：帶電導(dǎo)體在磁場中必然會受到力的作用即電磁力作用。判斷所受電磁力方向用左手定則：磁力線穿過左手掌心，左手四指方向為帶電導(dǎo)體電流方向，左手大拇指方向即為導(dǎo)體所受到的電磁力方向。直流電動機(jī)的主磁極繞組通以直流電建立主磁場，轉(zhuǎn)子繞組（也稱為電樞繞組）通以交流電即為帶電導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受到電磁力作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。即將輸入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。

1.2 換向器作用

直流電機(jī)工作必然離不開換向器，換向器在直流發(fā)電機(jī)工作中的作用是將轉(zhuǎn)子繞組輸出的交流電轉(zhuǎn)變成直流電輸出；在直流電動機(jī)工作中的作用是將外部的直流電轉(zhuǎn)變成交流電輸入到轉(zhuǎn)子繞組中，從而使轉(zhuǎn)子繞組無論在磁場的上半?yún)^(qū)還是在下半?yún)^(qū)都能產(chǎn)生同一方向的電磁轉(zhuǎn)矩，保證轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)。這種作用被稱為機(jī)械整流。

2 換向器環(huán)火故障的原因

2.1 產(chǎn)生電磁火花原因

（1）換向：導(dǎo)體電流方向的轉(zhuǎn)變。無論直流發(fā)電機(jī)還是直流電動機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子繞組中的某一元件從磁場的上半?yún)^(qū)進(jìn)入到磁場的下半?yún)^(qū)的瞬間都會發(fā)生電流方向的轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象被稱之為換向。（2）直線換向：換向元件的電流由正向最大值均勻地過渡到反向最大值即電流成線性變化的過程稱為直線換向，直線換向時換向器與電刷之間不產(chǎn)生火花，故又稱為理想換向。（3）延遲換向和電磁性火花：換向元件的電流由正向過渡到反向過程中會產(chǎn)生自感電動勢；實(shí)際上直流電機(jī)的電刷寬度通常為2-3個換向片寬，相鄰的幾個元件會同時換向，換向元件還會由于相鄰換向元件的電流變化產(chǎn)生互感電動勢；直流電機(jī)運(yùn)行時轉(zhuǎn)子繞組也會建立磁場（也稱為電樞磁場），該磁場會對主磁場產(chǎn)生影響并使氣隙磁場分布發(fā)生畸變，這種影響被稱為電樞反應(yīng)。換向元件由于氣隙磁場發(fā)生畸變會產(chǎn)生切割電動勢，也稱為電樞反應(yīng)電動勢。上述的電動勢都會阻礙換向元件電流的變化并使之變化延遲，這種情況稱為延遲換向。延遲換向會使電刷與換向片之間電流密度分布不夠均勻，在電刷脫離換向片瞬間造成后部過熱產(chǎn)生火花。

2.2 換向器發(fā)生環(huán)火現(xiàn)象原因

換向器由于片間累積擊穿，會產(chǎn)生環(huán)火現(xiàn)象。主要是由于換向器維護(hù)不良，清掃不認(rèn)真，在換向器云母溝中積存了碳粉、銅粉和油污，或者由于電刷擠銅，換向片銅毛刺延長導(dǎo)致相鄰換向片的短路，這些導(dǎo)電物都構(gòu)成了換向片間云母溝中的導(dǎo)電橋，當(dāng)這一導(dǎo)電橋隨著電樞旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入主極時，換向器表面點(diǎn)位梯度增加，通過電流逐漸加大。當(dāng)電流產(chǎn)生電動力超過維持粉末定位的力時，粉末構(gòu)成的導(dǎo)電橋就會錯位，導(dǎo)電橋由于熔化灼熱而產(chǎn)生片間閃絡(luò)。如果導(dǎo)電橋斷裂點(diǎn)的有效電壓超過電弧最低電壓，就產(chǎn)生電弧。當(dāng)斷裂部分寬度增加到云母溝寬度時，維持電弧的電壓也需增加，否則電弧將熄滅。當(dāng)片間電壓和起弧時感應(yīng)電壓大于維持電弧電壓時，電弧將繼續(xù)燃燒。電流隨著換向片擊穿而增大，磁場區(qū)域也增加，片間電弧沿?fù)Q向器表面擴(kuò)展形成火環(huán)即環(huán)火現(xiàn)象。

3 換向器環(huán)火故障解決辦法

3.1 電磁火花解決辦法

（1）加裝換向極：換向極的軸線與主磁極的軸線垂直，換向極由鐵芯和繞組組成，繞組通以直流電建立磁場，該磁場與電樞繞組磁場在一個軸線上并且方向相反，這樣可以有效的減少電樞反應(yīng)從而降低換向器火花級別。（2）加裝補(bǔ)償繞組：補(bǔ)償繞組安裝在主磁極鐵芯的極靴部分，補(bǔ)償繞組通以直流電建立磁場，該磁場與電樞繞組磁場在一個軸線上并且方向相反，這樣也可以有效的減少電樞反應(yīng)從而降低換向器火花級別。（3）合理選用電刷：電刷的質(zhì)量對換向有很大影響，有些換向不良的電機(jī)僅靠選擇合適的電刷就能降低換向器火花級別。對中、小型電機(jī)應(yīng)采用石墨電刷；對于換向比較困難的電機(jī)通常采用接觸電阻大的碳-石墨電刷；對于低壓大電流電機(jī)則采用接觸壓降較小的青銅-石墨或紫銅-石墨電刷。

3.2 防止環(huán)火的措施

改善換向器表面處理。加強(qiáng)換向器的維護(hù)。經(jīng)常清理、擦抹和吹風(fēng)，防止片間積塵，防止片間銅毛刺產(chǎn)生，是防止環(huán)火發(fā)生的有效措施，特別是換向不好而發(fā)生過環(huán)火的電機(jī)，更應(yīng)加強(qiáng)換向器的運(yùn)行維護(hù)。

4 結(jié)束語

直流牽引電動機(jī)換向器環(huán)火故障產(chǎn)生原因很復(fù)雜，文章僅對最主要原因進(jìn)行了分析，還有許多原因需要深入研究并加以解決，其中很多解決辦法在實(shí)踐生產(chǎn)中得到了檢驗并且顯現(xiàn)良好的效果，體現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

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