摘要：本文通过学习直流电机的作用原理和构造，结合多年的实际工作经验，对直流电机换向时刷面下火花的分析，并提出实际解决方法。
关键词：直流电机 ；电刷；换向片；火花消除
目前，在中小型发电厂中，中小型同步发电机的直流励磁电流仍广泛地使用同轴直流励磁发电机供给。直流发电机即励磁机能否正常运行，直接影响着交流发电机安全经济地发供电。励磁机在动行时，电刷和换向片间常引起火花，火花超过一定限度，将加速电刷和换向片的损坏。火花严重时，还可能与其它炭刷产生的火花汇合在一起形成环火，烧坏电机，影响同步发电机的正常工作，造成供配电的异常，给电厂带来不必要的损失。
在直流电机中，换向便是用机械方法强制改变电路的连接，使转子绕组元件在极短的时间内从一条支路移入另一条支路，从而使该绕组元件中的电流从一数值变换至另一数值。直流电机运行时，电枢在旋转，绕组元件一个个地经过电刷进行换向。换句话说，只要直流电机在运转，任何瞬间都有元件在换向，而换向的好坏、有无火花、火花的大小等等，又直接决定着直流电机工作的可靠性。
由于换向不良而产生火花的因素，很多很复杂，有电磁、化学、机械、电热等各个方面的原因，以下将逐一分析这些原因。
一、电磁方面的原因：
从形式上看，换向这一闭合回路非常简单，其实不然。首先，这个闭合回路存在有多种感应电势；其次，回路中换向片和电刷的接触电阻较为复杂。下面分析换向元件中存在的各种感应电势以及它们对换向的影响，这些电势可分为两类，电抗电势和速度电势。
1、电抗电势 电抗电势由换向元件中的自感电势和互感电势组成。当换向元件中有电流i流过时，会产生交链该元件的漏磁通。电流i变化时，这些漏磁通便将随之而变化，将在该元件电路中，产生一感应电势，这个电势称为电抗电势er，它的方向倾向于维持原来的电流不变，亦即是倾向于阻止换向电流i的变化。因此电抗电势总是阻碍换向的。互感电势的产生是由于当电刷的宽度大于一片换向片宽度时，同时将有两个或两个以上的元件在进行换向，由于在同一槽中有两个元件在换向，其间存在互感作用，因此所考虑的换向元件中存在互感电势。在换向过程中，电抗电势和换向电势共同作用产生换向电流。如在一半换向周期时，换向电势恰好补偿电抗电势即二者之和为0时，换向电流为0，然后换向结束，这叫直线换向。如在一半换向周期时，电抗电势没有被换向电势抵消，合成电势倾向于保持原来的电流方向，在它的影响下，当换向时间经历一半换向周期时，换向电流尚降为0，这种情况称为延迟换向，反之为超前换向，长期运行经验证明，直线换向或合成电势较小时，都会有良好的换向，都不会在电刷下产生换向火花。
2、速度电势 所考虑的换向元件是和电枢一起在旋转的，在换向周期内，换向元件的两个圈边，将切割电机交轴处的磁通而感应速度电势。速度电势是阻碍换向还是帮助换向，要由速度电势的方向决定，如果其方向与换向前的电流方向相同，则和电抗电势一样，是阻碍换向。如果其方向与换向后的ia方向相同，则是帮助换向。换向元件在交轴处可能切割的磁通有下列三种，相应的速度电势也有三种，有的阻碍换向，有的帮助换向。
（1）换向元件切割主磁通的边缘磁通的速度电势。在交轴附近的主磁通的边缘磁通是微不足道的，但是我们把电刷自交轴移过一角度，作可随意使换向元件切割N极或S极的边缘磁通，所产生的速度电势可以帮助换向，也可以阻碍换向，依电刷移动的方向而定。
（2）换向元件切割电枢反应磁通的速度电势。电枢反应的磁轴即在电刷处，当换向元件的两个圈边切割电枢反应磁通时，所感应的电势总是阻碍换向时。
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（3）换向元件切割换向极磁通的速度电势。换向极是为了帮助换向而特意设置在电机交轴的，因此，换向元件切割换向极磁通所产生的速度电势，当然应该是帮助换向的。当电机装有换向极时，换向极位于电机交轴，因边缘磁通的影响是不大的，可不予考虑。为了帮助换向，换向极所产生的磁通与电枢反应磁通方向相反，且有较大的数值，只有这样，换向极产生的磁势才能在任何负载下的抵消电枢反应强势。
二、机械原因：
主要有换向片偏心，某些换向片间的绝缘突出，电刷上的压力不适当，换向器或电刷接触面粗糙不清洁、电刷在刷握中太松而发生跳动，转子不平衡，各换向极的气隙调整的不相等等原因，都可能产生火花。
三、电化学原因：
由于电刷和换向器表面的水汽，当电流流过时就会发生电解俾用，在换向器表面产生一层电阻较大的氧化亚铜薄膜。实践证明膜的电阻可以抑制换向电流，有利于换向，使得换向能接近于直线换向。如果电刷的压力过大，周围缺乏氧和水汽或存在破坏氧化膜的气体，都会使换向器表面的氧化膜遭到破坏或不能形成，就容易引起火花。
以上就是直流电机换向时刷面下火花的分析，针对火花产生的原因，我们应采取相应的措施。
一、对于电磁原因引起的火花：
1、可设置换向极的方法，换向元件，切割换向极磁通的速度电势来抵消电枢反应的速度电势。
2、调整电刷位置，使得换向成为直线换向或使电抗电势和换向电势的合成电势在较小范围内。
二、对于机械原因必须保证精密的制造工艺，同时在日常生产过程中，对励磁机的运行维护也是十分重要的。对电刷的运行情况，除察看有无电刷碎裂、刷辫断股，还应定期用手提拉每个电刷的刷辫，以检查各电刷之间的压力是否均匀和电刷在刷握中是否有卡涩或间隙过大的情况。必要时，可更换新电刷。更换新电刷时，最好每次每一刷架更换的电刷数不超过一块，以免因新电刷过多接解触不良而引起未更换电刷产生换向火花。对于运行中的刷握和刷架上的油垢，炭粉和尘埃所造成的污垢，可用毛刷仔细清除，必要时可依次取出电刷逐个清扫。对换向器的维护应保持换向器表面的清洁。运行中要定期用细帆布和四氯化碳擦拭换向器表面，还应在停机时吹风清扫换向器和清理刷架、刷握。检查换向片倒角情况和片间云母沟槽的情况，如换向片倒角不合标准，云母片外突时应重新倒角和下刻云母沟。
三、对于电化学原因，必须防止电机周围有酸性气体来破坏氧化膜的形成。同时在日常维护过程中，禁止使用含钢砂纸或粗玻璃砂纸打磨整流子表面，否则会使氧化亚铜层膜遭到破坏，换向发生因难，导致冒火。现在许多电厂都采用整流子表面涂铬的方法，即解决了冒火问题，又大大减轻了整流子的磨损。
从长期生产实践中可以看出，直流电机在运行时往往会在电刷下发生火花，但只要火花被限制在一定程度内，并不会发生危害，只有当火花严重时才会影响电机的正常工作甚至使电机损坏，运行生产人员只有在弄清了火花产生的原因，才能设法减小或消除火花，从而达到安全、经济运行的目的。
参考文献：
[1]《电力安全工作规程规程(发电厂和变电站电气部分》（GB26860-2011）
[2]刘增良.《电气设备及运行维护》.中国电力出版社2007版
[3]周鹗.《电机学》.中国电力出版社1995版
论文作者:许旭东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/15
标签：电势论文; 电刷论文; 火花论文; 元件论文; 电抗论文; 电枢论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第21期论文;