串励电机火花产生原因及改善的方法

串励电机火花产生原因及改善的方法电动工其２００６（１）串励电机火花产生原因及改善的方法
华兆坤
１火花产生的原因
产生火花的原因很多，如电磁因素、电位因素、机械因素和化学因素等。

我们的着重点是电磁因素，主要有电抗电势、电枢反应电势和变压器电势。

１．１电抗电势ｅ，
在换向过程中，换向元件电流从＋ｆ。

变到一ｆ。

时，电流变化，引起漏磁通变化。

漏磁通包括：槽漏磁、齿部漏磁和绕组端部漏磁，这三部分漏磁在换向元件中产生电抗电势。

电抗电势的特性：，
１）电抗电势相位滞后电流相位９ｌＪ。

，但因为换向时间极短在ｌ／ｌｏＯＯＯｓ以下，所以把电抗电势看成与电流同相位，故电抗电势Ｐｒ白勺大小与电流成正比，电枢电流越大电抗电势也越大。

２）电抗电势ｅ与电机转速成正比，电机转速高电抗电势就大。

３）电抗电势Ｐ与电枢元件匝数平方成正比，匝数越多Ｐｒ越大。

电抗电势Ｐ表达式：
ｅ，＝２ｗ，，入彳％
式中肌一元件匝数
卜元件有效长度
入一元件单位漏磁导
彳一电机线负荷
吁一电机转速（电枢表面线速度）１．２电枢反应电势ｅ。

串励电动机有两个磁场：一为定子激磁绕组产生的直轴主磁场西。

．见图１；二为电枢绕组产生的交轴电枢反应磁场中。

见图２电枢磁场。

当电机旋转时，换向元件切割换向区域内的交轴电枢磁场，产生旋转电势（或称电枢反应电势）。

电枢反应电势的方向，由电枢反应磁势Ｆ。

和电机转向，由右手法则判定（图２电枢磁场）。

图中注的ｅａ方向是流入纸面的ｏ，它与电抗电势方向一致。

图２
电枢反应电势Ｐ特性：
１）电枢反应电势Ｐ。

大小正比于电流。

电流大，电枢磁通也大，换向元件切割电枢磁通而产生的电枢反应电势越大。

２）电枢反应电势Ｐ。

也正比于电机转速。

电机转速越高，换向元件切割电枢磁通产生电枢反应电势越大。

电枢反应电势Ｐ。

的表达式：
２．５ｗ。

，入彳ｙ，
、。

１一口６
式中（１一ＯＬ。

）一换向区域
１．３换向电势ｅ。

将电刷逆电机转向偏移一个Ｂ角（Ｂ角由实际生产中决定），也可将换向元件顺电机转向偏移一个Ｂ角与换向片焊接。

换向电势Ｐ。

是由换向元件切割主磁场产生的，其方向由换向元
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电劫工其２００６（１）串励电机火花产生原因及改善的方法
件切割主磁场极性和电机转向由右手法则判定。

图２电枢磁场，它的方向是流出纸面的，与电抗电势和电枢反应电势方向相反。

既然ｅ，、Ｐ，是极力阻止元件换向，那么ｅ。

就大，反之则小。

换向电势ｅ。

是无法计算的，所以它没有表达式。

１．４变压器电势ｅ．
一在串励电动机中，影响电机换向的最严重的因素就是变压器电势ｅ．，它的大小取决于电源频率。

与电源频率成正比降低电机转速或移动电刷位置，都不能降低变压器电势。

它是由定子磁场交变而产生的，频率高ｅ．就大。

．
变压器电势ｅ。

的特性：
１）变压器电势大小与电机转速无关，与电源频率成正比，频率高ｅ．就大，反之Ｅｌｌｄ，。

２）由于全部主磁通中中。

与换向元件匝链，因此变压器电势数值很大，往往比（ｅ，＋Ｐ。

）之和大许多。

３）变压器电势ｅ。

的相位与电抗电势ｅ，电枢反应电势ｅ。

的相位正交，因此不能采用偏移电刷方法消除ｅ，。

变压器电势ｅ表达式：
ｅｉ＝４．４４ｆ．彬中Ｘ１０“Ｖ
１．５电位引起火花
电源电压是通过几何中心线上的两个电刷加在电枢绕组上的，粗看起来，电压是均匀分布在每个元件上。

其实每个元件的电阻是不一样的，而是先绕的元件电阻小，后绕的元件电阻大。

先绕的阻值小，承受电压低，它连接的换向片片间电压也低。

后绕的阻值大，承受的电压也高，连接的换向片片间电压也高。

高低不一的绕组元件就在电机运行时产生电位火花。

当电压施／ＪＩ】ＮＡ、Ｂ两个电刷时（如图３），每条支路所承受的电压都是Ｕ（电源电压），如果说每个元件的电阻是一样的，那么每个元件上所施加的电压也是一样的。

从图３可以完整地看到每个元件的电位差，也就是两换向片间的电位差，因此，当电压均匀分布在元件上时，一８一每两个换向片之间的电压便相等，称为片间平均电压。

由于元件数等于换向片数Ｋ，因此每条支路有六个元件，电压平均分布在这六个元件上，每个元件上的电压即为片间平均电压。

平
均电压以：
以：芸：卫
Ｋ｜２Ｋ
从上式可知换向器片间电压取决于：
１）电源电压，这是不能改变的。

２）换向元件间电阻值差要小，改进制造工艺质量。

３）采用片数多的换向器，增加元件并列数、或者采用多槽冲片。

电动工具用串励电动机推荐Ｕ，＝１０～１６Ｖ
图３
１．６机械因素
由于机械原因引起火花大原因很多，而且复杂，只能主要的和经常遇到的来叙述。

１）换向器偏心，转子动平衡不良；
２）换向器质量不好跳排；
３）换向器表面加工精度不高；
４）电刷压力不当，过大或过小；
５）电刷材质不良及电刷弹簧淬火处理不符要求（当温度升高时，弹簧失去弹性压力）；
６）电刷在刷握里配合尺寸过松，引起跳动。

过紧则将电刷卡住，造成接触不良；
７）换向器与刷握端面间距过大；
８）换向器片间电压过大，电刷电流密度过大；
９）电机绕组存在缺陷，为绕组短路或开路现象：
１０）电机通风不良。

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串励电机火花产生原因及改善的方法电劫工其２００６（１）１．７化学因素
电机在正常工作时，换向器和电刷接触表面上有一层氧化亚铜薄膜。

这层薄膜的电阻很大，又乌亮光滑，因而能使换向近似于直线电阻换向。

正常运转情况下电刷的摩擦作用，可能把换向片表面的氧化亚铜薄膜破坏。

但是在电流流过电刷与换向片时，由于温度较高以及空气中含有水分，又使换向器表面氧化，生成氧化亚铜薄膜。

这样，换向器表面的氧化亚钢薄膜，在电机运行过程中处于不断破坏和不断生成的动态平衡中。

如果正常运行条件遭到破坏，如电刷压力过大或过小，或者缺乏氧气和水分，或者电机运行在有腐蚀性的气体中时，都会使换向器表面的氧化亚钢薄膜遭到破坏。

氧气和水分对于串励电机运行很重要，所以串励电机一般不制成封闭式电机就是这个原因
２改善的方法
上面谈到了影响火花的因素，有电磁因素、电位因素、机械因素和化学因素等等。

、分析这些因素后，同时也给我们提供了改善火花的措施。

（１）逆电机旋转向移动电刷一个角度（约２【｝。

）或者将绕组元件接线顺电机转向转动２Ｉ’ｏ与换向片焊接。

移动元件接线与移动电刷是等效的。

为什么移动电刷的位置可以改善换向？因为电机在旋转时，换向元件切割了电枢磁势，产生了电抗电势和电枢反应电势。

如果我们将在几何中性线上的电刷逆电机转向移动一个合适角度，使电刷处在Ｎ极【正极）主磁场下与电枢磁势方向相反。

也就是说，换向元件切割磁场后．产生换向电势ｅ。

，它的方向与电抗电势和电枢反应电势方向相反，
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由于串励电动机在工作时，负载是变化的，要求换向电势与电抗电势和电枢反应电势同时随负载变化而变化。

我们知道ｅ，番Ｉｌｅ。

是换向元件切割电枢磁产生的，而Ｐｊ｝换向元件切割主磁场产生的。

在串励电机中，主磁场绕组与电枢绕组是串联的，因此它们的变化是一致的。

为了使ｅ。

＝（Ｐ，＋Ｐ。

），要求电刷移动角度要适当。

过大ｅ。

＞（ｅｒ＋ｅ。

），表示主磁场强度太大，前刷边火花太大；过／Ｊ＇、ｅ。

＜（ｅｆ＋ｅ。

）表示主磁场强度太小．火花出现在后刷边。

电刷移动角度要反复调试，才能获得良好换向。

（２）上面谈到了影响火花原因，主要是电抗电势和电枢反应电势。

事实上，真正影响火花原因是变压器电势吼，它往往要比（ｅｒ＋ｅ。

）之和大许多，且不能用电刷移位来改善，降低电机转速也无用。

它是单相串励电动机换向恶化的重要原因之一。

因此，在制造工艺上、材料使用上以及在电机设计上都要重视火花问题。

我们已经知道影响电机火花，主要是各项电势所为。

由于电机是感性元件，它在运行过程中，必然会产生各种不利于换向的电感电势。

而这些电势都与电枢匝数平方成正比的，因此没计电机时．要有意识地减少电枢绕组匝数．但也不能减少过多，太多了会使主磁通增大，定子匝数增多，电机效率下降。

如何减少电枢匝数？经验告诉我们，只要把磁路各部分的磁通密度艿控制在不超过就可以。

但也要进行调试逐步达到，电枢匝数减少了，必然造成定子匝数增加，使定、转子安匝比提高，电机的机械特性将会变硬。

另外，增加每槽并列元件数，绕组采用短距绕组等等，这些都是减少电抗电势的好措施。

众所周知，电刷是串激电机重要元件之一，电刷材质选用对电机火花至关重要，且直接影响到电机使用寿命。

电机对电刷的要求绝不仅仅表现在换向性能上，而且还要求电刷的润滑性能好，形成氧化膜的能力要强．电刷自身的磨损及对换向器表面磨损要小等，以保良
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浅柝电动工具试验中的耐漏电起痕试验电劫工其２００６（１）
两电极间施加电压时，更易形成导电通道，产生漏电起痕，使得试样的ＰＴＩ值明显降低。

（２）两个电极的表面要经常进行清洁，保持干净。

单次样品测试完后，特别是发生导通击穿或起火时，电极上会附着较多的黑色碳化物，在进行下一次样品测试时，一定要注意加强清理，以免影响测试结果。

（３）液滴的体积一定要准确，过大的液滴会使得ＰＴＩ值有减小的趋势。

测试过程中，如果液滴过大，会影响热源对溶剂挥发的速度，使得离子浓度增加，加快电极之间形成导电通路，产生漏电起痕。

（４）在测试过程中要ｎ，－Ｊ＇Ｎ注意滴嘴。

ａ）测试过程中由于溶剂和碳化物的挥发会部分积聚在滴嘴周围，使得滴出来的液体可能与之吸附在一起，从而导致不能完全按设定时间间隔和液滴大小滴落于试样表面，当发现此类现象时，应及时用脱脂棉类擦拭滴嘴。

ｂ）测试过程中，由于液体压力的变化，可能导致滴出来的液体不能按设定时间间隔和滴液次数滴落于试样表面，从而影响测试结果。

此时应及时调整没备．使其满足试验标准规定的要求。

（５）氯化铵溶液的浓度应达到试验标准规定的要求。

电解液浓度的偏高或偏低。

都会影响测试结果的准确性。

浓度偏高，会使得ＰＴＩ值有减小趋势；相反，浓度偏低，会使得ＰＴＩ值有增大趋势。

因此在试验中要注意以下几个方面，以保证电解液浓度的准确。

ａ）氯化铵溶液是一种易挥发溶液，配置好的溶液应保存在密封的容器中。

对容易形成氯化铵溶液残留的地方，在每批试验结束后应用蒸馏水清洗晾干。

在每批试验开始前，用相同的溶液清洗滴液装置内部。

ｂ）每次试验前要清洗电极，擦净滴针并流掉１０。

２（）滴溶液，以保证溶液的浓度。

（６）测试样品的被测表面应保持水平平整。

若样品表面凹凸不平或成一斜面，则试验时由于电极与样品表面不能保持在同一水平面而出现部分接触或点接触，导致电极间的电场强度不均匀，出现局部电场强度偏大的现象，影响测试结果的准确性。

５结束语
耐漏电起痕试验是电动工具绝缘材料试验中的一个重要项目。

由于各方面因素的影响，试验结果的准确度很难得到保证，因此，在试验中应该严格按照标准的要求，充分考虑各方面的因素及采取相应的措施，以提高试验的准确度。

（上接第９页）
所以选择电刷时，要尽量满足上述多项要求。

电刷的电流密度控制在１２Ａ／ｃｍ２以下。

与电刷配合使用的电刷弹簧，它也是非常重要的零件之一，弹簧压力范围在电动工具上采用２５０—５００９／ｃｍ２之间。

功率大的取大值，功率小的取小值。

弹簧质量的好坏，取决于选用材料和加工工艺，尤其是控制材质的淬火温度。

弹簧与电刷接触的，它是一个导电体，工作温度也很高，在高温下弹簧不能软化，失去正常压力。

与电刷配对的还有换向器，它的工作条件非常恶劣，不仅受到每分钟数万转离心力作用，还要受到元件换向过程中释放电火花灼伤，它的温度高出电枢许多，因此对换向器的材质和加工工艺要求也很高。

材质分紫铜换向器和银铜合金换向器两种，一般产品用紫铜换向器，对产品质量要求高的或者功率大的选用银铜合金换向器。

银铜合金软化温度比紫铜高出１３ｔ）℃。

换向器加工质量对电机换向影响很大，例如要求换向器表面加工成光泽镜面，表面粗糙度控制在±０．４以上，换向器跳动量控制在０．０］ｍｍ以下。

电刷与换向器吻合表面应大于８０％以上。

上面是归纳了工厂生产中长期经验积累，如把这些问题逐步得到解决，火花将明显改善。

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串励电机火花产生原因及改善的方法
作者：华兆坤
作者单位：
刊名：
电动工具
英文刊名：ELECTRIC TOOL
年，卷(期)：2006，(1)
引用次数：0次
本文链接：/Periodical_ddgj200601003.aspx
下载时间：2010年3月21日。