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[摘 要]直流电机在带负载高速运行时，换向器与电刷之间容易产生火花，给电机带来很大的伤害，对火花的控制直接影响着电机的使用寿命。本文通过分析产生火花的原因对火花进行有效的控制。
[关键词]直流电机 火花 换向器 电刷
中图分类号：TD522 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0009-01
1、前言
湘钢高线厂二线始建于1958年，经历了2000年的一火成材改造，现场主要的轧机基本都是由直流电机驱动（精轧机除外），包括开坯、粗中轧、预精轧以及辅传等，功率从几十千瓦到数千千瓦不等，大面积使用直流电机，主要是由于直流电机具有它自身得天独厚的优势：
1）调速范围广，易于平滑调速；
2）控制简单，可靠性高；
3）启动、制动和过载转距大。
但其主要的问题是换向问题，它限制了直流电机的极限容量，加上直流电机体积大，维护难度大。随着近年来可控硅整流技术的日趋完善，直流电机在很多场合仍然具有交流电机不可替代的作用。
2、直流电机的换向及火花等级
直流电机换向器的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。换向器是为了让电机往同一个方向旋转，不然电机会来回转动，而不能连续不断的一周一周地旋转。
换向问题很复杂，换向不良会在电刷和换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，有可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。但直流电机运行时，并不是一点火花也不许出现。直流电机的换向电刷火花的等级分类见表1。
3、换向火花产生的原因
换向火花产生的原因有很多，由于在换向过程中伴随着有电化学、电热等因素，所以换向问题相当复杂，此次我们主要从已经掌握相对熟悉的方面进行分析，主要包括电磁原因和机械原因两大方面进行讨论、研究。
3.1、电磁方面的原因
换向器在换向过程中，电流的变化会使换向器本身产生自感电动势，阻碍换向的进行。如果电刷宽度大于换向片的宽度，且换向元件又不止一个，彼此之间会有互感电动势产生，这样会阻碍换向的进行。另外由于电枢反应磁通势的存在，处在几何中心线上的换向元件的导体中会产生切割电动势，切割产生的电动势也阻碍换向的进行。因此换向元件出现延迟换向的现象，可以造成换向元件离开一个支路最后的瞬间产生较大的能量，电刷下也就会产生火花。
3.2、机械方面的原因
影响电机换向火花的机械原因有许多方面，作为现场电气维护人员，我们主要是对产生电机换向火花的机械原因进行分析和处理，达到控制换向火花的目的，保证直流电机的稳定运行和延长使用寿命。
常见的产生换向火花的机械原因有：
a、电刷材质和型号的选择；
b、电机转子偏离几何中心线，或整流子变形，成椭圆状及不平滑的圆状；
c、整流子表面不平整，换相片或云母片凸出，使电机产生跳动，以及换相片间积压碳粉过多；
d、电刷和刷握位置安装不匹配，导致电刷过紧或过松；
e、电刷与整流子表面接触面不充分；
f、电刷磨损过度，电刷压力太大或太小；
g、转子绕组相间有短路。
4、消除换向火花的主要措施
4.1 加装换向极
从产生火花的电磁原因分析，减小换向器的自感电动势、互感电动势和切割电动势，我们就可以有效的改善换向。目前最有效的办法就是在主磁极之间安装换向极。
换向极也就是我们所说的补偿绕组，安装主磁极之间，补偿绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向是相反的，其大小比电枢磁通势大。这样补偿绕组的磁通势可以抵消电枢磁通势，剩余的磁通势在换向元件里会产生感应电动势，这个电动势可以抵消换向器中产生的自感电动势和互感电动势，达到消除电刷下火花的目的，改善电机换向。
4.2 選用合适的电刷
电刷型号和材质的选择由电机制造厂根据电机的型号、运行条件来进行合理选择，一般按电刷型号、种类、硬度、耐磨系数、接触压降、电阻率等进行综合考虑。尽量选用电刷耐磨性好，电刷与整流子表面的接触电阻大的。
4.3 调整电机转子的中心线
当电机转子偏离几何中心线时，就会使换向火花加大，灼伤电机整流子。电刷所在的最佳位置为电机转子的几何中心线上，此位置是正负电刷引出的支路电势最大，被电刷所短路的元件的电势最小。对于刚更换上线的直流电机，若电机出现火花，一般是电机转子偏离了中心线，需要对其进行调整。使用毫伏表测量，负偏1格左右为最佳合适位置。
4.4 整流子车削、研磨、掏沟倒角
电机使用过久，整流子可能会出现变形，换相片或云母片凸出，整流子表面出现刮痕，表面氧化膜有发黑的痕迹，需要对整流子表面进行车削，保证整流子旋转起来在一个平面上，消除电刷跳动。对整流子表面进行研磨，换向片间进行掏沟、倒角，保证相间无碳粉。
4.5 调整电刷、刷握的位置，保证电刷的压力
在保证刷架与整流子在同心圆的情况下，调整刷握距离整流子间的距离，一般在2.5mm左右。电刷和刷握之间要匹配，不宜太松或太紧。当电刷压力过紧时，会加快电刷和整流子表面的磨损。当电刷压力太小时，电刷与整流子表面之间接触不良，容易产生火花，灼烧整流子，严重时会形成哧哧的电流声，烧损电机。
除了上述措施之外，直流电机的常规维护中，电机运行一个月左右，对电机的整流子表面进行检查，用酒精白布清擦，保证整流子表面、换向片间的清洁。检查电刷的磨损情况，规定当电刷小于总长度的三分之一必须更换，防止电刷过短，产生火花。
5、结束语
在我们平时的维护过程中，遇到直流电机火花达到级时，就需要采取措施，通过运用本文介绍的几种方法，就能很好的控制电机火花在允许的范围内，延长电机的使用寿命。同时只要我们精心维护，定周期的进行检测、检修和维护，及时消除隐患，就能够将直流电机的优势发挥到极致，为我们现场的生产提供有效的保证。
参考文献
[1] 李发海、李岩.《电机与拖动基础》第3版2006.2.
[2] 陈伯时.《电力拖动自动控制系统》第3版2007.8.
[关键词]直流电机 火花 换向器 电刷
中图分类号：TD522 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0009-01
1、前言
湘钢高线厂二线始建于1958年，经历了2000年的一火成材改造，现场主要的轧机基本都是由直流电机驱动（精轧机除外），包括开坯、粗中轧、预精轧以及辅传等，功率从几十千瓦到数千千瓦不等，大面积使用直流电机，主要是由于直流电机具有它自身得天独厚的优势：
1）调速范围广，易于平滑调速；
2）控制简单，可靠性高；
3）启动、制动和过载转距大。
但其主要的问题是换向问题，它限制了直流电机的极限容量，加上直流电机体积大，维护难度大。随着近年来可控硅整流技术的日趋完善，直流电机在很多场合仍然具有交流电机不可替代的作用。
2、直流电机的换向及火花等级
直流电机换向器的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。换向器是为了让电机往同一个方向旋转，不然电机会来回转动，而不能连续不断的一周一周地旋转。
换向问题很复杂，换向不良会在电刷和换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，有可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。但直流电机运行时，并不是一点火花也不许出现。直流电机的换向电刷火花的等级分类见表1。
3、换向火花产生的原因
换向火花产生的原因有很多，由于在换向过程中伴随着有电化学、电热等因素，所以换向问题相当复杂，此次我们主要从已经掌握相对熟悉的方面进行分析，主要包括电磁原因和机械原因两大方面进行讨论、研究。
3.1、电磁方面的原因
换向器在换向过程中，电流的变化会使换向器本身产生自感电动势，阻碍换向的进行。如果电刷宽度大于换向片的宽度，且换向元件又不止一个，彼此之间会有互感电动势产生，这样会阻碍换向的进行。另外由于电枢反应磁通势的存在，处在几何中心线上的换向元件的导体中会产生切割电动势，切割产生的电动势也阻碍换向的进行。因此换向元件出现延迟换向的现象，可以造成换向元件离开一个支路最后的瞬间产生较大的能量，电刷下也就会产生火花。
3.2、机械方面的原因
影响电机换向火花的机械原因有许多方面，作为现场电气维护人员，我们主要是对产生电机换向火花的机械原因进行分析和处理，达到控制换向火花的目的，保证直流电机的稳定运行和延长使用寿命。
常见的产生换向火花的机械原因有：
a、电刷材质和型号的选择；
b、电机转子偏离几何中心线，或整流子变形，成椭圆状及不平滑的圆状；
c、整流子表面不平整，换相片或云母片凸出，使电机产生跳动，以及换相片间积压碳粉过多；
d、电刷和刷握位置安装不匹配，导致电刷过紧或过松；
e、电刷与整流子表面接触面不充分；
f、电刷磨损过度，电刷压力太大或太小；
g、转子绕组相间有短路。
4、消除换向火花的主要措施
4.1 加装换向极
从产生火花的电磁原因分析，减小换向器的自感电动势、互感电动势和切割电动势，我们就可以有效的改善换向。目前最有效的办法就是在主磁极之间安装换向极。
换向极也就是我们所说的补偿绕组，安装主磁极之间，补偿绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向是相反的，其大小比电枢磁通势大。这样补偿绕组的磁通势可以抵消电枢磁通势，剩余的磁通势在换向元件里会产生感应电动势，这个电动势可以抵消换向器中产生的自感电动势和互感电动势，达到消除电刷下火花的目的，改善电机换向。
4.2 選用合适的电刷
电刷型号和材质的选择由电机制造厂根据电机的型号、运行条件来进行合理选择，一般按电刷型号、种类、硬度、耐磨系数、接触压降、电阻率等进行综合考虑。尽量选用电刷耐磨性好，电刷与整流子表面的接触电阻大的。
4.3 调整电机转子的中心线
当电机转子偏离几何中心线时，就会使换向火花加大，灼伤电机整流子。电刷所在的最佳位置为电机转子的几何中心线上，此位置是正负电刷引出的支路电势最大，被电刷所短路的元件的电势最小。对于刚更换上线的直流电机，若电机出现火花，一般是电机转子偏离了中心线，需要对其进行调整。使用毫伏表测量，负偏1格左右为最佳合适位置。
4.4 整流子车削、研磨、掏沟倒角
电机使用过久，整流子可能会出现变形，换相片或云母片凸出，整流子表面出现刮痕，表面氧化膜有发黑的痕迹，需要对整流子表面进行车削，保证整流子旋转起来在一个平面上，消除电刷跳动。对整流子表面进行研磨，换向片间进行掏沟、倒角，保证相间无碳粉。
4.5 调整电刷、刷握的位置，保证电刷的压力
在保证刷架与整流子在同心圆的情况下，调整刷握距离整流子间的距离，一般在2.5mm左右。电刷和刷握之间要匹配，不宜太松或太紧。当电刷压力过紧时，会加快电刷和整流子表面的磨损。当电刷压力太小时，电刷与整流子表面之间接触不良，容易产生火花，灼烧整流子，严重时会形成哧哧的电流声，烧损电机。
除了上述措施之外，直流电机的常规维护中，电机运行一个月左右，对电机的整流子表面进行检查，用酒精白布清擦，保证整流子表面、换向片间的清洁。检查电刷的磨损情况，规定当电刷小于总长度的三分之一必须更换，防止电刷过短，产生火花。
5、结束语
在我们平时的维护过程中，遇到直流电机火花达到级时，就需要采取措施，通过运用本文介绍的几种方法，就能很好的控制电机火花在允许的范围内，延长电机的使用寿命。同时只要我们精心维护，定周期的进行检测、检修和维护，及时消除隐患，就能够将直流电机的优势发挥到极致，为我们现场的生产提供有效的保证。
参考文献
[1] 李发海、李岩.《电机与拖动基础》第3版2006.2.
[2] 陈伯时.《电力拖动自动控制系统》第3版2007.8.