【正文】 有連續(xù)較密的顆粒狀火花，開始有斷續(xù)的舌狀火花換向器上有黑痕用汽油不能擦除，同時(shí)電刷上灼痕；如短時(shí)出現(xiàn)這級(jí)火花，換向器上不出現(xiàn)灼痕，電刷不燒焦或損壞3電刷整個(gè)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(shí)電刷上灼痕；如在這一級(jí)火花下短時(shí)運(yùn)行，換向器上將出現(xiàn)灼痕，同時(shí)電刷將被燒焦或損壞表中1級(jí)、1級(jí)、1級(jí)均為無(wú)害火花，允許電機(jī)在這些等級(jí)火花下長(zhǎng)期運(yùn)行 。在2級(jí)火花作用下，換向器上會(huì)出現(xiàn)灰渣和黑色的痕跡，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，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(jí)火花只允許短時(shí)出現(xiàn)。電機(jī)運(yùn)行時(shí)絕不允許出現(xiàn)3級(jí)火花。直流和脈流牽引電動(dòng)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(dòng)、強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)和沖擊，在脈動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠，直流牽引電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)火花等級(jí)應(yīng)限制在下述范圍內(nèi)：在額定磁場(chǎng)和個(gè)削弱磁場(chǎng)級(jí)位上正常運(yùn)行時(shí)，火花不應(yīng)超過(guò)1級(jí)，在其他情況下運(yùn)行時(shí)，火花不應(yīng)超過(guò)2級(jí)。對(duì)于脈流牽引電動(dòng)機(jī)，其換向條件更為困難，允許在2級(jí)火花下持續(xù)運(yùn)行。此時(shí)，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(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)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。 換向的物理過(guò)程 為了解每個(gè)電樞元件中電流換向過(guò)程，以一個(gè)單疊繞組元件為例來(lái)分析。為了簡(jiǎn)便起見，假設(shè)電刷寬度b等于一個(gè)換向片片距β，電刷固定不動(dòng)，換向器一線速度V向左移動(dòng)，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(shí)換向元件屬于電刷右邊的一條電樞繞組支路，元件中流過(guò)電流i等于電樞繞組支路電流i，設(shè)此電流的方向?yàn)檎?；?dāng)電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片都接觸的位置時(shí)，如圖（b）所示，換向元件被電刷短路，這時(shí)隨著換向器的繼續(xù)移動(dòng)，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(shí)元件中的電流仍等于電樞繞組支路電流i，但其方向與原來(lái)相反，即為i。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(guò)電刷進(jìn)入電樞繞組另一條支路時(shí)，該元件中電流從一個(gè)方向變換到另一個(gè)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(shí)間稱為換向周期，以T表示，如圖所示，T也就是換向過(guò)程中換向器在空間移動(dòng)距離b所需的時(shí)間。換向周期T是很短的，通常只有千分之幾秒，在這么短的時(shí)間內(nèi)，換向元件中的電流，有+i變到i，因此產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電勢(shì)，然很短，但換向過(guò)程卻很復(fù)雜。 換向元件中的電動(dòng)勢(shì)及換向電流 換向元件中的電動(dòng)勢(shì) （1）電抗電動(dòng)勢(shì)e 根據(jù)電磁感應(yīng)定理，當(dāng)閉合回路中磁鏈變化時(shí)，將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，力圖阻止磁鏈的變化，即阻止電流的變化，這種反電動(dòng)勢(shì)電抗電動(dòng)勢(shì)。電抗電動(dòng)勢(shì)e的方向與換向前的電流方向一致，即換向元件中電抗電動(dòng)勢(shì)e的作用是阻礙電流換向的。電抗電動(dòng)勢(shì)e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(dòng)勢(shì)e越大，電機(jī)換向就越困難。 （2） 電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e 電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，除了主磁場(chǎng)外，還存在電樞磁場(chǎng)，如圖所示，在幾個(gè)中心處，主磁場(chǎng)等于零，但存在著較強(qiáng)的電樞磁場(chǎng)。當(dāng)電樞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于幾何中性線上的換向元件，將切割交軸電樞磁場(chǎng)而產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，根據(jù)右手定則可以判斷e的方向也是與換向電流方向相同，即e和e方向一致，都是阻礙電流換向的。 （3）換向電動(dòng)勢(shì)e 上述所討論的兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)e和e，是沒(méi)有安裝換向極的電機(jī)中的換向元件中所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，它們都是阻礙電流換向的。換向極極性正確，以使它的磁勢(shì)與交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)相反。這樣，當(dāng)換向元件切割換向極磁場(chǎng)時(shí)，感應(yīng)產(chǎn)生換向電動(dòng)勢(shì)e，其方向與e和e相反，用來(lái)抵消e和e對(duì)換向的不利影響。因此，當(dāng)電機(jī)換向時(shí)，換向元件回路內(nèi)合成電動(dòng)勢(shì)等于以上電動(dòng)勢(shì)之和，即 =e+ee 當(dāng)換向電動(dòng)勢(shì)e選擇的合適，使e=e+e，恰好可以互相抵消時(shí)，換向元件中合成電動(dòng)勢(shì)=0，此時(shí)電動(dòng)機(jī)能得到滿意的換向。如果換向極磁場(chǎng)不合適，則合成電動(dòng)勢(shì)就不等于零，這時(shí)在換向元件中將產(chǎn)生附加電流。過(guò)大的附加電流，會(huì)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(jì)元件及引線電阻，換向回路的電阻即時(shí)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，R、R分別為電刷與換向片2的接觸電阻，則 R=R R=R 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(dòng)勢(shì)平衡方程。 （ i+i）R（ii）R= 換向元件中電流的變化規(guī)律為 i=i(1)+=i+i 式中 ____直線換向電流 附加換向電流 在換向過(guò)程中，換向元件中的電流i的變化情況可根據(jù)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)時(shí)為理想換向情況，此時(shí)，元件中的合成電動(dòng)勢(shì)=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(dòng)勢(shì)并不可能抵消電抗電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若換向極磁場(chǎng)較弱，則,合成電動(dòng)勢(shì)，則換向元件中產(chǎn)生附加電流，根據(jù)楞次定律可知，是阻止換向電流i的變化的。當(dāng)i=0時(shí)，電流改變方向的時(shí)刻比直線換向時(shí)推遲，故稱為延遲換向。如圖，由于與同方向，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(duì)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(guò)不斷實(shí)踐和長(zhǎng)期研究，現(xiàn)在對(duì)電磁原因有一下幾種看： （1）當(dāng)電機(jī)處于直線換向時(shí)，盡管電流密度可能很大，但電刷下不會(huì)產(chǎn)生火花。 （2）當(dāng)延遲換向不太嚴(yán)重時(shí)，在換向開始和結(jié)束瞬間你，附加換向電流都等于零，這時(shí)，后刷邊電流密度雖然很大，但不產(chǎn)生火花。只有過(guò)分延遲換向時(shí)，當(dāng)t=T，還未降到零，在換向元件和電刷斷開的瞬間，換向元件中的以電磁能量的形式釋放出來(lái)，當(dāng)這部分能量足夠大時(shí)，后刷邊就會(huì)產(chǎn)生火花。因此，可以認(rèn)為，附加換向電流過(guò)大是產(chǎn)生火花的電磁原因。 由于機(jī)械原因，如牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的強(qiáng)烈振動(dòng)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(gè)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(4) 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良造成換向器擺動(dòng)。 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(dòng)，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(shí)可能是幾種原因同時(shí)起作用。因此在電機(jī)零部件產(chǎn)生和組裝時(shí)，必須精心制造和嚴(yán)格工藝要求。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，一旦出現(xiàn)火花，應(yīng)仔細(xì)觀察和具體分析，一般來(lái)說(shuō)，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(méi)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(dòng)面的薄膜 在正常情況下，當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行之后，換向器滑動(dòng)面會(huì)覆蓋一層很薄的薄膜，電刷在與換向器接觸時(shí)，并不是直接與換向器銅片本身接觸，而是通過(guò)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(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)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(rùn)感。從運(yùn)用觀點(diǎn)來(lái)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(yùn)行是否正常。因此，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(dòng)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(lái)進(jìn)行早期診斷，找出故障發(fā)生的原因和部位，及時(shí)進(jìn)行處理，以保證電機(jī)正常運(yùn)行。 改善直流牽引電動(dòng)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(gè)換向極磁勢(shì)，與交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)相反，它除了抵消電樞反應(yīng)磁勢(shì)外，還剩下一個(gè)換向磁勢(shì)，并在換向區(qū)建立換向磁勢(shì)，換向元件切割后，就會(huì)在換向元件產(chǎn)生一個(gè)與電抗電動(dòng)勢(shì)方向相反的換向電動(dòng)勢(shì)，如果大小與相等，及合成電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)方向與交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)方向相反。因此，對(duì)于電動(dòng)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； 、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(yùn)行時(shí)電抗電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值不是常數(shù)，隨著負(fù)載電流變化成正比變化。為了讓保證在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)隨時(shí)抵消，則要求也必須隨著負(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(dòng)勢(shì)是換向元件切割換向區(qū)磁密產(chǎn)生的，只有磁路不飽和時(shí)，才能保證與電樞電流I成比例變化，滿足正比于I的要求。 為了是換向極磁路不飽和，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，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?cè)龃髶Q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(dòng)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和換向極根與機(jī)座內(nèi)壁之間的第二氣隙，如圖，第二氣隙墊以非磁性墊片，如發(fā)現(xiàn)換向電動(dòng)補(bǔ)償不當(dāng)，還可以調(diào)節(jié)第二氣隙的大小來(lái)調(diào)整的數(shù)值，使電機(jī)得到良好的換向。 減小電抗