直流电机火花产生的原因分析及解决方法

【摘 要】本文就通过对火花产生的主要（电磁和机械）原因的分析来找出在实际中的解决方法。

【关键词】直流电机；火花；原因；方法；电磁；机械；电磁性；机械性

1. 引言

直流电机在运行时，电刷与换向器之间很容易产生火花，而火花对电机的运行会带来危害，当火花的级别太大时，甚至会烧坏电机及运行设备。火花产生的原因是多种多样的，必须在众多的因素中，找到主要原因，方能排除故障，改善换向。本文就通过对火花产生的主要（电磁和机械）原因的分析来找出在实际中的解决方法。

2. 电磁方面的原因

2.1 根据换向的电磁原理：电刷的前、后边电流密度分布不均匀。电刷与换向片接触或分离时，元件内短路电流并不为零，元件内的电磁能将以火花形式释放，于是前刷边（换向器刚接触电刷的一侧）或后刷边（换向器离开电刷的一侧）会产生火花。当火花在电刷上的范围很小时，对电机运行不会有什么影响。但当火花在电刷上的范围较大时，则对电机的运行将带来危害，尤其是放电性的红色电弧火花，会加速电刷与换向器的磨损，甚至使电机损坏，这时我们就必须及时检查纠正。

2.2 换向元件在换向时，由于受到某些磁场的影响，以及由于自感及互感作用在换向元件中感应出有以下三种电势。

（1）电抗电势：是由自感和互感现象产生的电势，自感电势是指由于自身的电流发生变化而在它的换向元件中产生感应电势；互感电势是指别的换向元件中的电流发生变化时引起我们所研究的换向元件中产生感应电势，这两种电势我们合称为电抗电势。由于自感和互感电势的方向总是阻碍电流的变化，因此自感与互感电势的方向与元件换向前的电流方向相同。

（2）电枢电势：直流电机中存在两种磁场，一是由我们给励磁绕组通入的直流电所产生的磁场，这个磁场我们称为主磁场；另一个是当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，这个电流也要产生一个磁场，我们把这个磁场称为电枢磁场。这就使得在有负载的电机中，主磁场和电枢磁场同时存在，这两种磁场会相互影响，这种影响叫做电枢反应。换向元件切割此电枢反应磁通产生的电势称为电枢反应电势。其方向也和换向前该元件中的电流方向相同。

（3）换向极电势：由前分析可知，电抗电势和电枢电势的方向相同，两者相互叠加，这将导致换向元件回路中产生较大的附加电流，为了减少此对电机的影响，一般都在直流电机中安装换向极绕组（大型电机还装有补偿绕组）。这两种绕组的目的，就是建立一个磁场，使其在换向元件切割换向极磁场产生换向极电势，此电势的方向与前两者相反，起到抵消的作用，以达到改善换向的目的。

2.3 当换向极电势大于电抗电势和电枢电势相加时，换向磁通强，电机加速换向，即超前换向，导致电刷与换向片开始接触的瞬间电流较大，使前刷边因电流密度过大而产生火花。当换向极电势小于电抗电势和电枢电势相加时，换向磁通弱，产生延迟换向，导致电刷离开换向片的瞬间电流较大，使后刷边因电流密度过大而产生火花。

2.4 其常见的原因：电刷位置不在中心线上；换向极磁通过强或过弱；换向极磁路饱和；电枢绕组元件或升高片之间短路；升高片开焊。

3. 机械方面的原因

换向器偏心；换向器表面换向片或云母片凸出；换向器表面污染；电刷压力不合适；电刷与刷盒配合不好使两者太紧或太松；电机装配不良或动平衡不好引起运行时的振动；电刷位置安装不正确；电刷接触面研磨不光滑；换向极气隙不均匀；也有各个刷杆之间或磁极之间距离不等。

4. 电磁性原因解决方法

4.1 换向器片间电阻测量：测量换向器片间电阻，能发现电枢绕组是否断线、开焊和匝间短路，升高片是否断裂以及是否存在换向器片间短路。换向器片间电阻偏差不能超过±5%。片间电阻检查通常采用压降法，也可采用专用片间电阻测量仪。

4.2 电刷中性面的检查：直流电机电刷中性线位置，一般应严格在主磁极几何中心线上，对于大型电机、可逆运行电机和高速电机尤其如此。因为当电刷偏离主极中性线时，换向将发生超前和延迟。纵轴电枢反应使电机的外特性发生变化，对可逆转电动机来说，两个转向下转速不同，而且外特性也不同，两个转向时换向强弱也不同。在电刷偏离中性位置较大时，由于换向元件进入主极磁通区，电机将产生空载火花。

4.3 换向器表面工作状态的检查。以保持良好滑动接触、减少电刷磨损和防止片间闪络可能性。

4.4 主极、换向极绕组极性与匝间短路的检查。直流电机定子绕组个别极性错误和匝间短路，都将影响换向。尤其当换向极极性相反时，由于换向电势和电抗电势不能抵消，反而相加，因此即使在很小负载时也将出现严重火花。极性检查可按图纸核对，也可用电阻磁针检查。主极匝间短路通常用交流压降法检查。补偿和换向极绕组匝间短路一般可用外观检查发现。

5. 机械性原因解决方法

5.1 电机振动的检查：应在空载及负载下进行，使其在任何情况下不超过电机振动允许值，并尽可能使振动减小。

5.2 换向器摆度测量：应包括换向器的不同心度、椭圆及个别换向片或云母片的凸出等。当换向器变形、偏心或凸片时，在运行时将会使电刷跳动，滑动接触就不理想，超过一定数值后，将导致换向恶化。

消除换向器的摆度过大，通常采用重新精车换向器的方法，然后重新下刻云母。

5.3 极距和刷距的检查与调整：直流电机各排电刷之间的距离，主极之间和换向极之间距离应力求相等。因为刷距和极距不等则会造成各排电刷下被短路元件在磁场中位置不一样，换向极磁场和换向元件电抗电势波形不重合，各个电刷下火花不等会使电机换向不正常。

5.3.1 刷距允许误差通常为士0.5mm，一般用铺纸等分法来检查和调整。方法如下：首先将电机上一排刷杆电刷位置调整好，使这排电刷边缘正好与一个换向片边缘组合，然后在换向器表面铺一张纸，在一接缝处作好搭接标记后取下，将纸以极数进行等分，划好等分线后，再铺在换向器上，使调整好位置电刷的边缘正好压在一条等分线上，再将全部电刷落下，电刷边缘与等分线的距离就是刷距等分的误差，如将全部电刷按等分线调整，则可以纠正刷距误差。

5.3.2 极距允许误差为士0.75 mm。极距较准确的测量一般采用磁极靴上划中心线，再用游标卡尺和卡钳等进行测量，可以得到较精确的结果。当电机装配完后，电枢不能抽出的情况下，可以用卡钳测量极靴边缘之间的距离，也可以检查极距等分误差。

5.4 电刷和刷握工作性能检查。

5.4.1 弹簧压力的调整：直流电机电刷单位压力，一般规定在1. 6～2.4N/cm2，并且要求全部电刷压力差不超过士10%。电刷压力也是保证正常换向的重要条件。电刷压力过小，会造成电刷跳动和接触压降不稳定；压力大，接触压降减小；但压力过大，则可能造成电刷机械磨损增加，换向器温升增高。

5.4.2 刷握间隙检查。电刷与刷握的间隙应符合一定公差，间隙过大，电刷在刷握内晃动，影响接触的稳定，有时还产生“啃边”现象；但间隙过小时，影响电刷在刷握内的自由滑动，甚至被“卡死”。

5.4.3 刷握离换向器表面距离的检查。刷握离换向器表面距离应保持在（2. 5士0。5） mm范围内。刷握离换向器表面距离与电刷保持稳定、防止电刷振动有很大关系。双斜刷握与换向器表面的距离，还影响电刷宽度，当距离过大时，电刷还将产生“顶角”，影响工作。刷握距离可用厚度为2mm和3mm的绝缘板条进行检查，当距离超过允许值时，可用2.5mm厚绝缘板垫在刷握下，作为调整基准进行调整。

5.4.4 电刷材质和镜面检查。电刷是构成滑动接触的重要部件，电刷材质和工作状态不正常，将影响滑动接触，或造成换向恶化。一般说，不同型号的电刷，最好不要混用。电刷镜面在换向正常时是平滑光亮的。换向火花较大时，就会出现雾状和灼痕。当电刷中含有碳化硅和金刚砂等杂质时，镜面中就会出现白色斑点或在旋转方向留下细沟。

5.5 气隙检查与调整。直流电机主极和换向极气隙必须均等，如气隙不均，则各极下磁阻不等，在相同的励磁磁势下，磁流最不相等，在部分电刷下火花就会较大。同时，由于主极下磁通量不等，还将出现电枢绕组内环流和单边磁拉力。直流电机主极和换向极的允许偏差均为土5%。气隙检查通常用普通塞尺和专用固定斜度塞尺进行测量，当气隙超过规定公差时，可将主极或换向极固定螺钉松开，依靠调节极顶磁性垫片来调整气隙，以符合规定公差。

6. 结论

通过观察直流电机火花产生的现象及特征，分析、判断究竟是哪种原因，就能从根本上消除火花。

[文章编号]1006-7619（2013）09-02-811