【正文】 或損壞 3 電刷整個邊緣有強烈的舌狀火花，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)。電機運行時絕不允許出現(xiàn) 3級火花。 直流和脈流牽引電動機由于工作條件惡劣，如負(fù)載急劇變化、電網(wǎng)電壓波動、強烈的機械振動和沖擊，在脈動電壓下工作等，都使電機的換向更加困難。為了保證牽引電動機運行可靠，直流牽引電動機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，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，電機換向就越困難。 （ 2） 電樞反應(yīng)電動勢 ea 電機負(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=TK ， 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。 機械原因 由于機械原因，如牽引電動機運行中的強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，稱為機械火花。機械原因可 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，機械火花和電磁火花是有區(qū)別的。機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)志著電機的換向是正常的。 總之，換向器表面狀態(tài)反映了電機運行是 否正常。因此，在電機運行時，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)來進行早期診斷，找出故障發(fā)生的原因和部位，及時進行處理，以保證電機正常運行。 改善直流牽引電動機換向的方法 設(shè)置換向極 換向極裝在 電機幾何中心線上，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，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