直流电机产生火花的探讨

科技信息２００８年第２０期
ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ●
直流电机在运行时，电刷与换向器之间常发生火花，微弱的呈蓝色的火花并不影响电机的正常工作，但当电刷下的火花范围扩大，将烧灼换向器和电刷，进一步使直流电机不能正常运行。

产生的火花的原因较多，在这里根据古典的电磁换向理论来分析产生火花的原因。

直流电机工作时，旋转的电枢绕组元件在换向过程中，由于换向元件的电流ｉ将由＋ｉ变为－ｉ，而产生电抗电动势：
ｅｒ＝－Ｌｒ
ｄｉｄｔ
其中Ｌｒ为换向元件等效的合成漏电感，它包括换向元件的漏电感和同时进行换向的其他换向元件对被研究的换向元件之间漏磁互感。

由于换向电流随时间的变化规律很复杂，我们来分析在换向周期Ｔ内的电抗电动势的平均值，即
ｅｒａ＝１
Ｔ
Ｔ
０"
ｅｒｄｔ＝１Ｔ
＋ｉ
－ｉ
"（－Ｌｒ）ｄｉ＝Ｌｒ
２ｉＴ
由此得电抗电动势的平均值为：
ｅｒａ＝２ｗＬλＡＶａ
其中ｗ为元件的匝数，Ｌ为电枢铁心的有效长度，Ａ为电枢线负载，Ｖａ为电枢表面的线速度。

由上式可知电机的线负载越大，转速越高，则ｅｒａ越大，换向越困难，易产生火花。

当电枢旋转时，换向区域内的磁动势有：交轴电枢反应磁动势，换向极磁动势和主极磁动势。

由于换向元件切割换向区域内的磁场而感应的电动势是旋转电动势，其表达式是：
ｅｋ＝２ｗＢｋＬＶａ
ＢＫ为换向极磁动势和交轴电枢反应磁动势合成后建立的合成磁场，由此得：作用于换向元件的总电动势为：
Σｅ＝ｅｒ＋ｅｋ
流过换向元件中的总电流ｉＨ除了理想换向时的ｉｌ外，还有附加电流ｉｆ，即
ｉＨ＝ｉ１＋ｉｆ
下面分三种情况分析
１．当换向元件中电抗电动势和旋转电动势大小相等方向相反时Σｅ＝０换向电流ｉ为：
ｉＨ＝ｉａ（１－２ｔＴ
）
换向电流ｉ与时间ｔ是线性关系，故称直线换向，又称电阻换向，由于直线换向电刷下的电流密度相等，故电刷接触层中的损耗和发热量最小，是一种理想的换向。

２．若电抗电动势ｅｒ大于旋转电动势ｅｋ则Σｅ＞０根据电磁感应定律，换向电流改变方向的时刻将比直线换向延迟一段时间，因此称为延迟换向，结果是后刷边的电流密度增大，而前刷边电流密度减小，对换向不利从而出现火花。

３．若旋转电动势ｅｋ大于电抗电动势ｅｒ时Σｅ＜０时，换向电流改变方向的时刻比直线换向超前，故称超越换向，结果前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度，前刷边的电流密度如果达到足够大，同样对换向不利，可能出现火花。

另外，电刷与换向器之间的滑动接触是许多直接接触点的总和，触点的面积占电刷表面积的很小部分，当电机旋转时，接触点的位置和数量不断发生变化，多接触点之间空间填完了石墨粉和金属粉末，当电流较大时接触点被烧成红热或白热状态，具备了电子热发射的条件。

当发射出来的电子速度很高时，还会发生碰撞电离，于是在接触点之间的空气隙内形成电弧放电而发生换向火花，特别是在严重延迟换向或过度超越换向时在电刷的后部或前部的电流密度更大，使与换向器之间形成电弧放电而发生换向火花。

机械方面原因，常见有换向器转子和电刷装置等方面的缺陷，如
换向器的偏心，换向片间云母绝缘凸出，转子平衡不良，电刷在刷盒中松动，电刷弹簧压力不适当，以及换向器和电刷表面粗糙等都分别引起电刷与换向器接触不良或跳动而产生火花，若换向极主极和各刷杆在圆周上装配不均，可能在换向元件中使电抗电动势和旋转电动势不能平衡，也能产生火花，电机运行环境中的空气状况不利于在换向器表面形成氧化亚铜薄膜也易于产生火花。

另外由机负载若处于剧烈变化的动态情况下，旋转电动势就不能很好与电抗电动势平衡将使换向困难引起火花。

针对上述分析产生火花的原因，主要是电磁方面的原因，其次是机械或化学方向引起的。

如果电机换向方面的电磁性能不好，即使改善其他方面的条件，也很难达到良好的状态。

在电磁方面认为附加换向电流ｉｆ＝Σｅ／Ｒｂ的存在是引起电磁性火花的主要根源，为此应设法减小Σｅ和增大Ｒｂ。

一、在磁极中性线位置装设换向极
以建立换向区磁场使换向元件产生与ｅｒ大小相等而方向相反的旋转电动势，以求达到Σｅ＝０是目前改善换向的主要方法。

换向元件一般都处于几何中性线附近，故换向极应装设在两相邻主极之间。

首先要正确选定换向极的极性，其次要正确设计换向极的所需的合适的磁动势值。

在发电机运行时换向极的极性应与顺电机转向的相邻主极的极性相同，而在电动机运行时换向极的极性应与逆电机转向的相邻主机的极性相同，总之换向极的磁动势方向总是与交轴电枢反应磁动势的方向相反。

为了在换向周期内使Σｅ≈０就应使Ｂｋ∝Ｉａ这说明换向极磁动势正比于电枢电流Ｉａ。

因此，换向极绕组应与电枢绕组相串联。

二、选择电刷
从改善换向性能考虑希望电刷的接触电阻大些，但相应的接触电压降ΔＵ也较大，会引起电刷接触处损耗和发热的加剧，因此选用电刷必须根据不同电机的具体情况来考虑，对于换向并不困难的中小型电机采用石墨电刷，对于换向比较困难的电机采用碳－石墨电刷以及石墨－纤维电刷，对于低电压大电流的电机宜采用青铜－石墨电刷或紫铜－石墨电刷。

三、在主磁极极靴上装设补偿绕组
在主磁极极靴上装设补偿绕组，当补偿绕组中流过电枢电流时，
产生一个与电枢反应磁动势方向相反的磁动势，以抵消电枢反应的不利影响，其实质是尽量消除由于电枢反应所引起的气隙磁场畸变，从而减少产生电位差火花的可能性。

另外还有化学方面的接触面的氧化膜理论。

由于空气中含有水蒸气，电刷和换向器表面都会覆盖一层水膜。

电流通过时，产生电解作用电刷和换向器就成为电解的两个电极，正极产生氧，负极产生氢，最终结果会在换向器表面形成一层氧化亚铜的薄膜，虽然电刷的摩擦作用倾向于破坏这层薄膜，但电流经过时的局部高温又维护这一表面氧化过程，并在破坏和形成之间维持一种动态平衡，使氧化膜的存在成为客观事实。

由于氧化膜电阻较高，能有效地抑制附加换向电流分量ｉｋ，因而有利于换向。

实践证明，氧化膜的形成，对电机的良好换向有重要作用；此外，氧化膜表面吸附的水分和碳，石墨等电刷结构材料的粉末也对加强润滑，减小磨损有积极意义。

【
参考文献】［１］王毓东．电机学［Ｍ］．浙江：浙江大学出版社，１９９４．
［２］王广惠，王铁光，李树元．电机与拖动［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．
［责任编辑：田瑞鑫］
直流电机产生火花的探讨
宋平伟
（汝州高级技工学校河南
汝州
４６７５００）
【
摘要】本文对直流电机产生电磁火花的原因和换向过程中流过换向元件的电流变化规律、在电磁方面进行了分析，并针对各种原因提出比较实际的解决方法。

【
关键词】直流电机；换向；电磁火花；电枢绕组○职校论坛○２１３。