【正文】 不燒焦或損壞 3 電刷整個邊緣有強(qiáng)烈的舌狀火花，伴有爆裂聲 換向器上有黑痕用汽油不能擦除，同時電刷上灼痕；如在這一級火花下短時運行，換向器上將出現(xiàn)灼痕，同時電刷將被燒焦或損壞 表中 1級、 121 級、 121 級均為無害火花，允許電機(jī)在這些等級火花下長期運行 。在 2 級火花作用下，換向器上會出現(xiàn)灰渣和黑色的痕跡，隨著運行時間的延長，黑色痕跡將逐漸擴(kuò)展，電刷和換向器磨損也顯著增加，因此 2級火花只允許短時出現(xiàn)。電機(jī)運行時絕不允許出現(xiàn) 3 級火花。 直流和脈流牽引電動機(jī)由于工作條件惡劣，如負(fù)載急劇變化、電網(wǎng)電壓波動、強(qiáng)烈的機(jī)械振動和沖擊，在脈動電壓下工作等，都使電機(jī)的換向更加困難。為了保證牽引電動機(jī)運行可靠，直 流牽引電動機(jī)在運行時火花等級應(yīng)限制在下述范圍內(nèi)：在額定磁場和個削弱磁場級位上正常運行時，火花不應(yīng)超過 121 級，在其他情況下運行時，火花不應(yīng)超過 2 級。對于脈流牽引電動機(jī)，其換向條件更為困難，允許在 2 級火花下持續(xù)運行。此時，換向器表面將變黑，但只要不損害換向器工作表面，這種火花是允許的。 直流和脈流牽引電動機(jī)在運行過程中的火花情況，除使用專門的儀器側(cè)量外，是很難直接觀察到的。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 換向的物理過程 為了解每個電樞元件中 電流換向過程，以一個單疊繞組元件為例來分析。為了簡便起見，假設(shè)電刷寬度 bb 等于一個換向片片距 βK ，電刷固定不動，換向器一線速度 VK 向左移動，如圖所示 開始換向瞬間，電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片相接觸的位置，如（ a)所示。這時換向元件屬于電刷右邊的一條電樞繞組支路， 元件中流過電流 i等于電樞繞組支路電流 ia，設(shè)此電流的方向為正；當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片都接觸的位置時，如圖（ b）所示，換向元件被電刷短路，這時隨著換向器的繼續(xù)移動，換向元件中的電流 i 開始減小。當(dāng) i減小到零之后，再反向增加；當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到電刷只與換芯片接觸，如圖（ c）所示，換向元件屬于電刷左邊的一條電樞繞組支路，這時元件中的電流仍等于電樞繞組支路電流 ia ，但其方向與原來相反，即為 ia 。至此，換向結(jié)束。 如上所述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的電樞元件從電樞繞組一條支路經(jīng)過電刷進(jìn)入電樞繞組另一條支路時，該元件中電流從一個方向變換到另一個方向。電樞繞組元件中的電流方向的改變成為換向。 換向元件從換向開始到換向結(jié)束所經(jīng)歷的時間稱為換向周期，以 Tk表示，如圖所示， Tk也就是換向過程中換向器在空間移動距離 bb 所需的時間。換向周期Tk是很短的，通常只有千分之幾秒，在這么短的時間內(nèi)，換向元件中的電流，湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 有 +ia 變到 ia ，因此產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢和電勢，然很短，但換向過程卻很復(fù)雜。 換向元件中的電動勢及換向電流 換向元件中的電動勢 （ 1）電抗電動勢 er 根據(jù)電磁感應(yīng)定理，當(dāng)閉合回路中磁鏈變化時，將產(chǎn)生反電動勢，力圖阻止磁鏈的變化，即阻止電流的變化，這種反電動勢電抗電動勢。電抗電動勢 er 的方向與換向前的電流方向一致，即換向元件中電抗電 動勢 er 的作用是阻礙電流換向的。電抗電動勢 er 的大小取決于電樞電流和轉(zhuǎn)速，電流越大，轉(zhuǎn)速越高，則電抗電動勢 er 越大，電機(jī)換向就越困難。 （ 2） 電樞反應(yīng)電動勢 ea 電機(jī)負(fù)載 運行時，除了主磁場外，還存在電樞磁場，如圖所示，在幾個中心處，主磁場等于零，但存在著較強(qiáng)的電樞磁場。當(dāng)電樞磁場旋轉(zhuǎn)時，處于幾何中性線上的換向元件，將切割交軸電樞磁場而產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動勢 ea ，根據(jù)右手定則可以判斷 ea 的方向也是與換向電流方向相同，即 ea 和 er 方向一致，都是阻礙電流換向的。 （ 3）換向電動勢 eK 上述所討論的兩個電動勢 er 和 ea，是沒有安裝換向極的電機(jī)中的換向元件中所感應(yīng)的電動勢，它們都是阻礙電流換向的。換向極極性 正確，以使它的磁勢湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 與交軸電樞反應(yīng)磁勢相反。這樣，當(dāng)換向元件切割換向極磁場時，感應(yīng)產(chǎn)生換向電動勢 eK ，其方向與 er 和 ea 相反，用來抵消 er 和 ea 對換向的不利影響。因此，當(dāng)電機(jī)換向時，換向元件回路內(nèi)合成電動勢等于以上電動勢之和，即 e? =er +ea eK 當(dāng)換向電動勢 eK 選擇的合適，使 eK =er +ea ，恰好可以互相抵消時，換向元件中合成電動勢 e? =0，此時電動機(jī)能得到滿意的換向。如果換向極磁場不合適，則合成電動勢就不等于零，這時在換向元件中將產(chǎn)生附加電流。過大的附加電流，會使電機(jī)換向惡化。 換向元件中的電阻 如圖所示換向元件電路，若不計元件及引線電阻，換向回路的電阻即時電刷與換向片間的接觸電阻。接觸電阻的大小可以認(rèn)為和電刷接觸面積成反比，設(shè) R為電刷總接觸電阻， R1 、 R2 分別為電刷 與換向片 2的接觸電阻，則 R1 =RtkkTT? R2 =RtTk 換向元件中的電流 如圖的換向元件電路，可得換向元 件回路的電動勢平衡方程。 （ ia +i） R1 （ ia i） R2 = e? 換向元件中電流的變 化規(guī)律為 i=ia (1kTt2 )+ Re? 2 )(kkT ttT? =iL +iK 式中 Li ____直線換向電流 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 ki 附加換向電流 在換向過程中，換向元件中的電流 i的變化情況可根據(jù) e? 的不同，可分為電阻換向、延遲換向和超越換向三種基本類型。 （ 1）電阻換向 當(dāng) arK eee ?? 時為理想換向情況，此時，元件中的合成電動勢 e? =0，換向元件中的電流的變化取決于換向元件回路電阻，故成為電阻換向。 （ 2）延遲換向 在一般情況下，換向電動勢 Ke 并不可能抵消電抗電動勢 re 和電樞 反應(yīng)電動勢 ae ，若換向極磁場較弱，則 Ke ar ee? ,合成電動勢 0??e ，則換向元件中產(chǎn)生附加電流 Ki ，根據(jù)楞次定律可知， Ki 是阻止換向電流 i 的變化的。當(dāng) i=0 時，電流改變方向的時刻比直線換向時推遲，故稱為延遲換向。 如圖，由于 Ki 與 1i 同方向，相應(yīng)地使后邊刷的電流密度增大，前邊刷的電流密度減小，破壞了電刷下電流密度分布的均勻性，這對換向是不利的，可能后邊刷產(chǎn)生火花。 產(chǎn)生火花的原因 電磁原因 經(jīng)過不斷實踐和長期研究，現(xiàn)在對電磁原因有一下幾種看： （ 1）當(dāng)電機(jī)處于直線換向時，盡管電流密度可能很大，但電刷下不會產(chǎn)生火花。 （ 2）當(dāng)延遲換向不太嚴(yán)重時，在換向開始和結(jié)束瞬間你，附加換向電流 Ki 都等于零，這時，后刷邊電流密度雖然很大，但不產(chǎn)生火花。只有過分延遲換向時，當(dāng) t=T K ， Ki 還未降到零，在換向元件和電刷斷開的瞬間，換向元件中的 Ki 以電磁能量 221KriL的形式釋放出來，當(dāng)這部分能量足夠大時，后刷邊就會產(chǎn)生火花。因此，可以認(rèn)為，附加換向電流 Ki 過大是產(chǎn)生火花的電磁原因。 機(jī)械原因 由 于機(jī)械原因，如牽引電動機(jī)運行中的強(qiáng)烈振動或電刷與換向器裝配工藝不符合燒定要求，使電刷和換向器接觸不良而產(chǎn)生的火花，稱為機(jī)械火花。機(jī)械原因可分為兩類 (1)換向器表面粗糙，有毛刺、斑痕及拉傷的溝紋等。 (2)個別換向片凸出或云母片凸出。 (3)換向器裝配偏心，換向器工作表面變形，如呈橢圓形、腰鼓形或錐體形 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (4)轉(zhuǎn)子動平衡不良造成換向器擺 動。 電刷裝置的缺陷 （ 1）電刷接觸面研磨的不光滑，接觸不良或只是局部接觸； （ 2）電刷在刷盒中間隙不合適，造成跳動，傾斜或卡死現(xiàn)象； （ 3）電刷上壓 力不適當(dāng)； （ 4）刷握裝置不穩(wěn)固，造成刷握位置偏離幾何中心線； （ 5）刷架圈的定位不準(zhǔn)確或安裝不牢固等。 產(chǎn)生機(jī)械火花的原因是多種多樣的，有時可能是幾種原因同時起作用。因此在電機(jī)零部件產(chǎn)生和組裝時，必須精心制造和嚴(yán)格工藝要求。電機(jī)運行時，一旦出現(xiàn)火花，應(yīng)仔細(xì)觀察和具體分析，一般來說，機(jī)械火花和電磁火花是有區(qū)別的。機(jī)械火花呈紅色或是黃色，連續(xù)而較粗，沿切線方向飛出，且在換向器表面產(chǎn)生沒規(guī)律的黑痕。電磁原因引起的火花呈白色或藍(lán)色，連續(xù)而細(xì)小，基本上都在后刷邊燃燒，換向器留下有規(guī)律的黑色痕跡。 化學(xué)原因 —— 換向器滑動面的薄膜 在正常情況下，當(dāng)電機(jī)長期運行之后，換向器滑動面會覆蓋一層很薄的薄膜，電刷在與換向器接觸時，并不是直接與換向器銅片本身接觸，而是通過這層薄膜與換向器片接觸。要獲得良好的換向，除保持電磁和機(jī)械方面的良好條件外，還必須在換向器表面形成均勻而光亮的薄膜層，不正常薄膜的出現(xiàn)將預(yù)示著電機(jī)換向的惡化。 薄膜的形成及其顏色，還與電刷的材質(zhì)、電刷的的壓力、電流密度，運行時間長短及周圍環(huán)境等許多因素有關(guān)。正常的換向器表面薄膜應(yīng)當(dāng)是棕褐色，在于電光照之下，能反射出光澤，有一種油潤 感。從運用觀點來看，只要薄膜是均勻的、光亮的、穩(wěn)定的和呈棕褐色的，則標(biāo)志著電機(jī)的換向是正常的。 總之，換向器表面狀態(tài)反映了電機(jī)運行是否正常。因此，在電機(jī)運行時，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常注意和檢查換向器的表面狀態(tài)，觀察薄膜的變化情況，許多牽引電動機(jī)的故障在尚未造成破壞前，往往可以根據(jù)換向器表面的異常狀態(tài)來進(jìn)行早期診斷，找出故障發(fā)生的原因和部位，及時進(jìn)行處理，以保證電機(jī)正常運行。 改善直流牽引電動機(jī)換向的方法 設(shè)置換向極 換向極裝在 電機(jī)幾何中心線上，其作用是在元件的換向區(qū)域內(nèi)建立一個換向極磁勢 wF ， wF 與交軸電樞反應(yīng)磁勢 aqF 相反，它除了抵消電樞反應(yīng)磁勢外，還剩下一個換向磁勢，并在換向區(qū)建立換向磁勢 KB ，換向元件切割 KB 后，就會在換向元件產(chǎn)生一個與電抗電動勢 re 方向相反的換向電動勢 Ke ，如果 Ke 大小與 re相等，及合成電動勢 0??e 嗎，從而改善電機(jī)的換向。 （ 1） 極性正確 換向極性要保證其磁場方向與交軸電樞反應(yīng)磁場方向相反。因此，對于電動湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 機(jī)，換向極極性應(yīng)與沿旋轉(zhuǎn)方向前面的主極極性相反如圖： N、 S主極極性； KN 、 KS 換向極極性 （ 2) 換向 極繞組必須與電樞繞組串聯(lián) 電機(jī)運行時電抗電動勢 re 的數(shù)值不是常數(shù)， re 隨著負(fù)載電流變化成正比變化。為了讓保證 Ke 在整個負(fù)載范圍內(nèi)隨時抵消 re ，則要求 Ke 也必須隨著負(fù)載電流變化而變化。因此，換向極繞組必須與電樞繞 組串聯(lián)。 （ 3）換向極磁路處于不飽和狀態(tài) 換向電動勢 Ke 是換向元件切割換向區(qū)磁密 KB 產(chǎn)生的，只有磁路不飽和時，才能保證 KB 與電樞電流 Ia 成比例變化，滿足 Ke 正比于 Ia 的要求。 為了是換向極磁路不飽和，在設(shè)計電機(jī)時，通常采用較大換向極氣隙以使換向極磁密降低。但是，如果單純增大換向極和電樞表面間的氣隙，將使漏磁通增加，而換向極漏磁通也是造成換向極磁路飽和的重要因素。為此，牽引電動機(jī)常將換向極氣隙分成兩部分，即電樞與換向極極靴之間的第一氣隙 1? 和換 向極根與機(jī)座內(nèi)壁之間的第二氣隙 2? ，如圖，第二氣隙墊以非磁性墊片，如發(fā)現(xiàn)換向電動補(bǔ)償不當(dāng)，還可以調(diào)節(jié)第二氣隙的大小來調(diào)整 KB 的數(shù)值，使電機(jī)得到良好的換向。 減小電抗 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書