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摘 要：直流电动机在拖动控制中经常遇到换向器打火故障，如果产生了强烈的火花，不仅严重影响直流电动机的正常工作，还会直接烧毁电刷和换向器甚至电枢绕组，危及直流电动机的安全，造成较大的经济损失。因此，掌握换向器打火的原因、分析及维护方法已经成为现场维修技术人员的必备技能之一，也为矿井的安全、高效生产提供有力的保障。
关键词：直流电动机 换向器 方法
1 前言
掌握換向器打火故障的原理，认真分析刷火过大的原因，研究预防措施，对直流电动机安全运转具有重要的指导意义。
2、直流电动机原理：
直流电动机是依据载流导体在磁场中受力的原理而工作的。在两个N、S磁极中间装有一个可以旋转的线圈（abcd），线圈的首尾（a、d）（A、B）相连，电源的“+”、“-”极分别接在与换向片滑动接触的电刷上。当电源接通时，电流通过线圈由“+”→A、a、b、c、d→B“-”构成回路，则线圈的工作边“ab”和“cd”在N、S极磁场作用下，产生两个大小相等方向相反的力，形成了以“O”轴为中心 的逆时针旋转力矩（可利用左手定则判断转子线圈受力方向），于是线圈就按逆时针旋转。当线圈工作边旋转90度至N、S磁极的中性面时，电刷与换向片绝缘物接触，线圈内无电流通过，于是两个工作边不再产生作用力，但由于惯性的作用，线圈仍然旋转。当电与换向片接触时，线圈回路闭合有电流通过，电流从B端进入A端流出。此时，ab工作边位于S极处，cd工作边位于N极处其受力方向与初始情况相同，线圈就这样旋转起来。直流电动机就是根据这个原理制成的。
3、换向器火花故障分析
直流电动机换向器打火可分为机械和电磁（电枢绕组、定子绕组及电源等） 两方面原因。机械方面包括换向器和碳刷的形状、相对位置、接触不良、碳刷型号不同等。电磁方面，直流电机的整流子和碳刷是用来对电枢进行供电的，同时也通过合理的排布使电枢绕组的电流方向符合电机运转方向的要求。也就是说直流电机每个单独的电枢绕组的电流方向是改变的，这就带来的电流换向的问题。另外由于电枢绕组存在电感，所以绕组里的电流不能产生突变，否则会因此产生感应电势。但是在电机高速旋转时这种变化还是很快的，因此会产生换相火花。
3.1、产生火花电磁方面的原因：
①换向器表面有油污、粉尘，云母片之间有导电粉尘。矿用电动机工作环境差，往往存在粉尘在电动机内部的积聚；同时，电刷与换向器接触磨出的粉末也会积聚到换向器云母片沟内，使换向片间短路。
②换向级绕组短路，绕组反接，以及电枢线圈接線接错也可以产生大量的火花。
③电枢不平衡会产生刷火。电枢绕组通常是由2条以上并联支路构成的，要求并联支路中的感应电动势完全相等，否则在并联支路内会产生环流，影响直流电动机换向性能，产生严重刷火。
3.2、产生火花机械方面的原因：
①电刷与换向器表面接触不良会产生刷火现象。电刷因牌号和尺寸不符合要求或电刷在刷握内配合太松或太紧会与换向器表面接触不良，电刷磨损过度，使电刷压力过小，也会使电刷与换向器接触不良。
②换向器外圆不圆，表面有烧灼麻点等缺陷，会产生刷火现象。
③电刷未处在中性线上。电动机检修或重绕大修，刷架位置有所变动，当安装不当时，电刷会改变位置不在中性线上，必然会产生大量的刷火。
④刷杆或者刷杆座接地桩会产生大量的刷火。
4、处理火花故障的方法：
4.1片问短路
换向器片问短路的原因是片间云母沟内有导电杂质，如碳粉和金属屑等，形成换向器外部片间短路；另外，换向器内部锥面密封不好，外界有大量炭粉和油污进入内部锥面的周围缝隙内，造成换向器内部片间短路。这种故障用测试片间电阻的方法就可以发现。
对于炭粉（导电金属微粒）以及脏物所造成的短路点，可采用交流电压施加在片间进行冲击，就有可能把造成短路的脏物燃烧变成非导电体，使片间短路点消除。另外。云母沟和升高片根部积存的脏物所造成的片间短路，可用电工刀或者刮刀把表面漆膜清理干净，再用放大镜检查，能够把短路部分查出来，然后采取清理修复措施。
4.2换向极绕组故障
换向极绕组常见故障是匝间短路和对地击穿。较大容量的换向极线圈是采用裸扁铜（铝）线绕制成型的，因此常将裸铜线烧损。修补方法是将烧损处锉出整齐的缺口，用银磷铜焊将与缺口尺寸相吻合的补材与母材焊接在一起，焊好后用锉刀和砂布修补平坦。如果烧损严重，需要去掉几匝损坏的铜线，则要用相同尺寸和材质的铜排进行焊接。为此要采取坡口的连接方式，即要求母材和补材相互锉出沿高在厚度上锉坡口，施焊时，先将母材拉开一部分，用湿石棉布包扎，以防施焊时影响线匝绝缘，然后用银磷铜焊进行坡口接缝的焊接；冷却后用锉刀平毛刺，去掉湿石棉布，清理干净，再按原有绝缘等级包扎或垫放绝缘。
4.3电枢不平衡
电枢不平衡一般是均压线出了故障。均压线常见故障有嵌错、焊接不良、本身有断裂和接地短路等。
均压线焊接不良会造成严重刷火。处理这类故障比较容易，在换向器升高片处重新补焊即可。检查方法是测量片间电阻值，阻值比正常大的是焊接质量不良的反映。
均压线导线本身的断裂是嵌线时用手锤敲断的，尤其截面小的导线，常发现这种故障。表现为空载试验时无刷火，带上负载后便发现严重刷火。处理这类故障比较困难，因为均压线在电枢绕组下面，为了起出均压线，需要起出电枢绕组的焊接头，费时费力。
掌握直流电动机换向器打火的原因和分析处理方法，关键要掌握直流电动机的换向原理及电磁分析方法。即直流电机的磁通是由励磁绕组产生的，因此，在理想状态下，主磁极下的气隙磁通应该是均匀的。但是，当电枢通入电流后也会产生磁通，会对电机的主磁通产生影响，产生去磁或助磁作用，这种现象就是电枢反应。电枢反应对直流电机的工作影响很大，使磁极半边的磁场加强；另半边的磁场减弱，负载越大，电枢反应引起的磁场畸变越强烈，其结果将破坏电枢绕组元件的正常换向，易引起火花，使电机工作条件恶化。同时电枢反应将使极靴尖处磁通密集，造成换向片间的最大电压过高，也易引起火花甚至造成电机环火。为了克服这种现象，在电机，尤其是大电机上加装了补偿绕组，用来抵消电枢反应带来的磁通畸变现象。
目前国内外大型直流电机均采用加设补偿绕组等办法改善换向，防止电火花产生。但因为产生火花的因素除了电磁方面的原因外，还要受机械、化学、电刷材料及工作环境等因素的影响。因此很难杜绝此类事故的发生。只有准确掌握换向器打火的各种原因及处理方法，根据实际情况，具体分析，才能找出解决办法。
5、经济效益
兴安煤矿混合井延深改造工程中，主提升绞车直流电动机换向器发生打火事故，影响工程进度。通过分析准确的判断为换向极方向接反，调换换向极方向后，机换向器发生打火故障得到了有效的解决，主提升绞车直流电动机工作正常。此次及时解决问题避免了主提升绞车直流电动机外委大修或更换，为矿节约资金15万余元。
6、结束语
通过对直流电动机换向器打火事故的分析、处理，掌握直流电动机换向器打火事故处理方法，准确判断出电机打火事故的原因，及时采取有效措施，避免事故扩大，确保煤矿企业安全生产。
参考文献：
[1]李发海，朱东起编辑。《电机学》第五版 科学出版社，2016-01-01.
作者简介：
陶乃军（1969-），男，汉族，黑龙江鹤岗人，毕业于黑龙江科技学院矿山机电专业，从事煤矿机电技术培训工作，现任龙煤鹤岗矿业公司兴安煤矿安全培训中心讲师。
关键词：直流电动机 换向器 方法
1 前言
掌握換向器打火故障的原理，认真分析刷火过大的原因，研究预防措施，对直流电动机安全运转具有重要的指导意义。
2、直流电动机原理：
直流电动机是依据载流导体在磁场中受力的原理而工作的。在两个N、S磁极中间装有一个可以旋转的线圈（abcd），线圈的首尾（a、d）（A、B）相连，电源的“+”、“-”极分别接在与换向片滑动接触的电刷上。当电源接通时，电流通过线圈由“+”→A、a、b、c、d→B“-”构成回路，则线圈的工作边“ab”和“cd”在N、S极磁场作用下，产生两个大小相等方向相反的力，形成了以“O”轴为中心 的逆时针旋转力矩（可利用左手定则判断转子线圈受力方向），于是线圈就按逆时针旋转。当线圈工作边旋转90度至N、S磁极的中性面时，电刷与换向片绝缘物接触，线圈内无电流通过，于是两个工作边不再产生作用力，但由于惯性的作用，线圈仍然旋转。当电与换向片接触时，线圈回路闭合有电流通过，电流从B端进入A端流出。此时，ab工作边位于S极处，cd工作边位于N极处其受力方向与初始情况相同，线圈就这样旋转起来。直流电动机就是根据这个原理制成的。
3、换向器火花故障分析
直流电动机换向器打火可分为机械和电磁（电枢绕组、定子绕组及电源等） 两方面原因。机械方面包括换向器和碳刷的形状、相对位置、接触不良、碳刷型号不同等。电磁方面，直流电机的整流子和碳刷是用来对电枢进行供电的，同时也通过合理的排布使电枢绕组的电流方向符合电机运转方向的要求。也就是说直流电机每个单独的电枢绕组的电流方向是改变的，这就带来的电流换向的问题。另外由于电枢绕组存在电感，所以绕组里的电流不能产生突变，否则会因此产生感应电势。但是在电机高速旋转时这种变化还是很快的，因此会产生换相火花。
3.1、产生火花电磁方面的原因：
①换向器表面有油污、粉尘，云母片之间有导电粉尘。矿用电动机工作环境差，往往存在粉尘在电动机内部的积聚；同时，电刷与换向器接触磨出的粉末也会积聚到换向器云母片沟内，使换向片间短路。
②换向级绕组短路，绕组反接，以及电枢线圈接線接错也可以产生大量的火花。
③电枢不平衡会产生刷火。电枢绕组通常是由2条以上并联支路构成的，要求并联支路中的感应电动势完全相等，否则在并联支路内会产生环流，影响直流电动机换向性能，产生严重刷火。
3.2、产生火花机械方面的原因：
①电刷与换向器表面接触不良会产生刷火现象。电刷因牌号和尺寸不符合要求或电刷在刷握内配合太松或太紧会与换向器表面接触不良，电刷磨损过度，使电刷压力过小，也会使电刷与换向器接触不良。
②换向器外圆不圆，表面有烧灼麻点等缺陷，会产生刷火现象。
③电刷未处在中性线上。电动机检修或重绕大修，刷架位置有所变动，当安装不当时，电刷会改变位置不在中性线上，必然会产生大量的刷火。
④刷杆或者刷杆座接地桩会产生大量的刷火。
4、处理火花故障的方法：
4.1片问短路
换向器片问短路的原因是片间云母沟内有导电杂质，如碳粉和金属屑等，形成换向器外部片间短路；另外，换向器内部锥面密封不好，外界有大量炭粉和油污进入内部锥面的周围缝隙内，造成换向器内部片间短路。这种故障用测试片间电阻的方法就可以发现。
对于炭粉（导电金属微粒）以及脏物所造成的短路点，可采用交流电压施加在片间进行冲击，就有可能把造成短路的脏物燃烧变成非导电体，使片间短路点消除。另外。云母沟和升高片根部积存的脏物所造成的片间短路，可用电工刀或者刮刀把表面漆膜清理干净，再用放大镜检查，能够把短路部分查出来，然后采取清理修复措施。
4.2换向极绕组故障
换向极绕组常见故障是匝间短路和对地击穿。较大容量的换向极线圈是采用裸扁铜（铝）线绕制成型的，因此常将裸铜线烧损。修补方法是将烧损处锉出整齐的缺口，用银磷铜焊将与缺口尺寸相吻合的补材与母材焊接在一起，焊好后用锉刀和砂布修补平坦。如果烧损严重，需要去掉几匝损坏的铜线，则要用相同尺寸和材质的铜排进行焊接。为此要采取坡口的连接方式，即要求母材和补材相互锉出沿高在厚度上锉坡口，施焊时，先将母材拉开一部分，用湿石棉布包扎，以防施焊时影响线匝绝缘，然后用银磷铜焊进行坡口接缝的焊接；冷却后用锉刀平毛刺，去掉湿石棉布，清理干净，再按原有绝缘等级包扎或垫放绝缘。
4.3电枢不平衡
电枢不平衡一般是均压线出了故障。均压线常见故障有嵌错、焊接不良、本身有断裂和接地短路等。
均压线焊接不良会造成严重刷火。处理这类故障比较容易，在换向器升高片处重新补焊即可。检查方法是测量片间电阻值，阻值比正常大的是焊接质量不良的反映。
均压线导线本身的断裂是嵌线时用手锤敲断的，尤其截面小的导线，常发现这种故障。表现为空载试验时无刷火，带上负载后便发现严重刷火。处理这类故障比较困难，因为均压线在电枢绕组下面，为了起出均压线，需要起出电枢绕组的焊接头，费时费力。
掌握直流电动机换向器打火的原因和分析处理方法，关键要掌握直流电动机的换向原理及电磁分析方法。即直流电机的磁通是由励磁绕组产生的，因此，在理想状态下，主磁极下的气隙磁通应该是均匀的。但是，当电枢通入电流后也会产生磁通，会对电机的主磁通产生影响，产生去磁或助磁作用，这种现象就是电枢反应。电枢反应对直流电机的工作影响很大，使磁极半边的磁场加强；另半边的磁场减弱，负载越大，电枢反应引起的磁场畸变越强烈，其结果将破坏电枢绕组元件的正常换向，易引起火花，使电机工作条件恶化。同时电枢反应将使极靴尖处磁通密集，造成换向片间的最大电压过高，也易引起火花甚至造成电机环火。为了克服这种现象，在电机，尤其是大电机上加装了补偿绕组，用来抵消电枢反应带来的磁通畸变现象。
目前国内外大型直流电机均采用加设补偿绕组等办法改善换向，防止电火花产生。但因为产生火花的因素除了电磁方面的原因外，还要受机械、化学、电刷材料及工作环境等因素的影响。因此很难杜绝此类事故的发生。只有准确掌握换向器打火的各种原因及处理方法，根据实际情况，具体分析，才能找出解决办法。
5、经济效益
兴安煤矿混合井延深改造工程中，主提升绞车直流电动机换向器发生打火事故，影响工程进度。通过分析准确的判断为换向极方向接反，调换换向极方向后，机换向器发生打火故障得到了有效的解决，主提升绞车直流电动机工作正常。此次及时解决问题避免了主提升绞车直流电动机外委大修或更换，为矿节约资金15万余元。
6、结束语
通过对直流电动机换向器打火事故的分析、处理，掌握直流电动机换向器打火事故处理方法，准确判断出电机打火事故的原因，及时采取有效措施，避免事故扩大，确保煤矿企业安全生产。
参考文献：
[1]李发海，朱东起编辑。《电机学》第五版 科学出版社，2016-01-01.
作者简介：
陶乃军（1969-），男，汉族，黑龙江鹤岗人，毕业于黑龙江科技学院矿山机电专业，从事煤矿机电技术培训工作，现任龙煤鹤岗矿业公司兴安煤矿安全培训中心讲师。