电机火花最详细分析

火花
生产换向火花的主要原因,可以归结为三个方面：电磁因素、机械因素和化学因素.
1、电磁因素
（1）、换向线圈内环流的作用，由于换向线圈内存在三种电势造成了环流，从而破坏了直线无火花换向所具备的条件，从而生产了火花；
（2）、片间电压（势）过高及电枢反应影响。

在电源电压作用下，除了一部分电压力各部分的阻抗降落和电势所平衡外，大部分电压作用在电刷两端，主要为旋转电势所平衡。

当片间电压过高时相邻换向片间就会产生火花，又由于转子旋转时，电刷和换向器进行摩擦，会有碳粉和金属粉末，并会沉积在两换向片间的凹槽内，从；二家具了换向火花，从而在两片间形成了飞弧，持续的飞弧又导致周围空气的电离，从而又促成了强烈的电弧，从而导致电机损坏。

2、械因素
因机械因素二产生的火花，是由于电刷与换向器不能很好接触造成时而接触时而断开，从而产生跳火，造成这种情况主要有以下几个方面：
（1）转子动平衡不良转子动平衡性能不好，以至转子在高速转动时造成剧烈震动，致使碳刷于换向器不能很好的接触；
（2）换向器偏心或圆度不好在换向器压入转子厚，还须经过粗车和精车，因此不应该会出现偏心，但在电机负载运行中，换向器发热，在热和离心力的作用下，就可能造成换向器偏心或园度不好，从而影响碳刷和换向器的良好接触，以致转子旋转时电刷产生跳火而产生火花；
（3）电刷弹簧弹力不够弹簧弹力不够，将使电刷不能好地与换向器接触，尤其当电机有较大的振动时，不能避免电刷的跳动。

但弹簧弹力也不是越大越好，弹力过大，会加速电速机械性磨损增加，甚至破坏换向器表面上的氧化膜，对换向不利。

合适的弹力是（400-500Pa 左右；
3、碳刷座与碳刷配合不好
碳刷座与碳刷的配合，应使电刷能在碳刷座内上下自由滑动，当转子在旋转中产生振动时，保证碳刷在弹力作用下能与换向器有良好的接触，但配合太松也将造成电刷的跳动。

4、化学原因
经过长期的研究和实际的实验证明，在换向器表面上的一层氧化膜对取得良好的换向是很必要的，该氧化膜实际上是又两层膜组成，一层是氧化薄膜，另一层是覆在氧化薄膜上的碳素薄膜。

表面的水膜产生电解而形成的。

这时水分被电解而产生的氧离子堆聚在阳极上（即流入电流的极），使换向片被氧化，但当被氧化的换向片转到另一个极性电刷下(即流出电流，看作阴极)、则一部分氧化层被还原。

这层薄膜主要是氧化亚铜，从而使换向线圈回路中增加了电阻，
这对改善换向，降低火花是有帮助的。

另一层碳素薄膜，是由于转子旋转中，从电刷上磨下的石墨碳粉，吸附了水分而形成的，这层薄膜能对磨擦起润滑作用，因此降低了电刷换向器的摩擦系数，减小了电刷与换向器的摩擦。

在实际运转中，氧化层在不断的被磨损及还原中．同时又在不断的被氧化而加厚，并最终得到动态平衡。

但省用围空气非常十燥顺缺乏水分时，将会影响电化膜的生成、使换向恶化，火花加剧。

当周围环境中有氯气时，氯气与水分化合少成盐鼓，会清除氧化亚铜，破坏氧化层。

以上已经分析了火花产生的原因了，可采取相应的措施来改善换向，有的措施应是显而易见的，如提高动平衡精度来减小械因素所造成换向火花等。

但这里将着重叙述减小电磁因素所造成换向火花的一些措施。

1、减小换向线圈内的电抗电势ex
由于换向线圈内产生电抗电势ex，造成了延时换向，因而产生投向火花，因此设法减小电抗电势，将会改善换向电抗电势是由于换向线圈中的电流在很短的换向过程巾，由正的ia改变到负的ia(变化了2ia的电流)而产生的，
其计算式如下：
ex=L(2ia/T)
从上式可见．ex正比于换向线圈的电感L，以及电枢电流ia，反比于换向周期T。

其中电流ia，实际上就是电机的电流，在电机功率已经确定的情况下，电流也已基本确定。

换向周期T取决于电机转路转速，转速越高，T越小，使ex越大，因此为减小ex只能从降低电感，如减少换向线圈的匝数，采用较短的转子槽和较短的铁芯叠成等。

2、用换向电势ea来抵制ex
在以上的分析中已提到可用换向电势ea来抵消ex，这就要求ea的方向与ex相反。

(1)逆转子旋转方向移动电刷位置
在碳刷座的位置可以移动的电机中，往往采用逆转子旋转方向移动碳刷座的方法来达到上述要求，从而使转子线圈还没有转到几何中心线就开始接触电刷开始进入换向，这样就使换向线圈能切割原极性的磁场。

但移刷定于磁场作于转子上的有效磁通减少，以致效率降低，并使电机转速升高、如果移动电刷过大改善换向的作用力不增强，因为造成单糊中激电机换向火花的电磁因素不仅仅只是电抗电势，还有变压器电势所产生的环流，这是依靠移动电刷是没有作用的，所以对两个极的电机移角度一般控制在10一26度。

(2)借偏转子线圈到换向片的接线
大多电机的碳刷座是不可移动，因此电刷是不能移动的，为了能得到移动电刷的同样效用，可将转子线圈接到换向片的位置借偏一个角度。

将接线顺着转子的旋转方向偏前1—2个换向
片，这与电刷逆旋转方向移后一定的角度是等效的，
现在我们讨论如何进行接线借偏，以及如何来算借偏的角度(换向片数)。

首先要定出一个转子槽内的线圈中心统然后定出槽中心线及相应的换向片位置。

两个中心线定出后，只要比较这两条小心线落在换向片上的间距，并以换向片数来汁算，就是移片数，具体做法如下：接图4-16定出线圈中心绝的位置。

图1—16(a)为一个槽有两个线圈(两个换向片)的转子，图1—16(b))为一个槽有三个线圈(三个换向片)的转子，从图个可以清楚的看到，要定出一个槽内的线圈中心线，可将相邻槽内的与本槽线圈相连接的第一个线圈边合在一起来看，并把连到换向片的连线作为基线，这几个连接线的中心、就是这个槽内的线圈中心线。

定出槽中心线的位置是容易的，可参见图4—17，但应该注意换向片的位置如何对准槽中心线、团4—17(a)为一槽有两个换向片的转子示意图，图4—17（b）为一槽有三个槽换向片的转子示意图，换向片的片中心应对淮槽中心线。

两个中心线的位置及换向片的位置都确定后，就可按照设计上对接线借偏的要求，来决定线圈接线应接到那一换向片上，图4—18为接线借偏的示例、图4—18(a)为一槽有二个换向片的绕组接线图(部分)，接线顺旋转方向借偏一个换向片；图4—18(6)为一槽有三个换向片的绕组接线图(部分)，接线顺旋转方向借偏一个半换向片。

以上介绍的移电刷和接线借偏的办法，都是按电机的旋转方向来采取“后移”和“前借“的，因此只适用于一种转向的电机，不能用于正反转的电机否则会造成某一转向时换向良好，另一转向时换向严重恶化。

对于正反转电机，电刷位置应固定在几何中心线上，线圈连到换向片的接线不借偏，或者按图4—18上的左方向借偏半个换向片，以清除绕组短距所造成的正转与反转的电磁不平衡状态。

对于一个槽有两个换向片的转子，为了能得到借偏半个换向片的条件，在向转子上压装换向器时，应使换向器的云母槽对准槽中心线，而不是云母片片中心对住槽中心线，这样才能借偏半个换向片，否则只能以整片数借偏。

3．减小电抠反应的影响，限止气隙战场波形过多畸变
在上面分析电磁因素造成换向火花中，提到由于转子（电枢）所产生的磁场、致使气隙磁场产生畸变，对换向不利，为了减小这种电抠反应影响，可采用加强定子磁场相对削弱转子磁场的办法。

加强定子磁场，就要增大定子磁势。

它以下式计算：
定于磁势：2W1I
其中：W1一定子上一个磁极线圈的圈数；
I——流过定子线阁的电流、即为电机电流，也就是转子总电流。

而转子磁势以下式计算：
转子磁势：NI/4
其中；N——转子中的总导体数
为表示定转子磁场相对强弱程度，可用定转子磁势的比值，即转于安匝比来衡量
定转子安匝比：2W1I/NI/4=8W1/N
根据设计制造经验，定转子安匝比的数值应控制在0.85-1.3，大一点对换向有利，过大则使电机铜耗增大，效率降低。

4．限止变压器电势et
在分析原因的时候，就已经描述，变压器电势往往比换向线圈内其它的电势数值
大，而且无法用具它的电势来抵消，因此限止变压器电势的数值对改替换向有显著作们。

变压器电势可用下式计算：
et=4.44Fw2￠d(V)
其中：f——电源频率(Hz)
W2—一转子每个元件(线圈)匝数
￠d一主磁通(wb)
由于电源频率f是给定的、磁通中按输出转矩需要，也不能有大的变化，因此要限制变压器电势，只能减小每元件的匝数W2。

因W2=N/（2K）
其中：K——换向片致。

所以要限止变压器电势，就要有适当多的换向片数。

根据设计制造经验，限止变压器电势ei不超过7V。

5．限止片间电压EP
在分析电磁因素造成换向火花的叙述中，对换向片片间电压过高的问题作了介绍，限制片间电压对改善换向有显著的效果采取的措施也是保证有足够的换向片数。

但所选用的限值应根据电机功率大小、转速高低以及电磁参数等具体情况来决危虽然换向片数越多(相应的转子槽数
也越多)对改善换向超为有利，但将增加制造上的复杂性，增高了制造成本。