直流电机换向故障的处理

一、火花产生原因和等级

（一）换向火花划分原则 保持电刷与换向器良好的工作状态 ,保持优良的 换向性能是保证直流电机安全的重要条件。 通常情况下， 电机无 火花运行 （或微弱的无害火花下运行） ，换向器表面 氧化膜 均匀 而有光泽，电刷与换向器磨损轻微等均可认为是良好的换向性能 的表征。相反，强烈的换向火花， 换向器表面氧化膜破坏或异常， 电刷与换向器之间滑动接触不稳定， 电刷与换向器的异常磨损等 都是换向不良的症状，将直接威胁电机运行。

火花是电刷与换向器之间的电弧放电现象，是直流电机换向 不良的最明显标志 。由于轻微的电刷火花释放能量微弱，不会构 成对电机运行的危害，故称 无害火花 。 较强的电刷火花 其能量将 会破坏电刷与换向器之间的滑动接触 ，灼伤电刷镜面和换向器表 面氧化膜，使两者磨损增加，并造成恶性循环，这种火花属有害 火花。更有甚者，由于强烈的电刷火花使电刷磨道上空气游离， 因电弧飞越而导致环火事故对电机造成巨大的损坏，构成对直流 电机运行的威胁。

不同的换向火花对直流电机运行的影响和危害不同，为了确 定换向火花对直流电机运行的影响和危害， 必须要划分火花等级。 换向火花是电刷和换向片脱离接触时换向元件中释放电磁磁 量，以电弧放电形式表现出来。根据对换向火花研究表明，它是 一种频谱广阔的电磁波， 其频谱主要范围是 30KHZ 至 1MHZ 。换 向火花的危害性应根据火花能量的标志，可以作为评价换向火花 的标准。但由于火

花测量十分复杂和困难， 因而通常以火花亮度、 密集程度和大小作为划分火花等级的依据。

世界各国对于火花划分标准各不相同，但是所有这些标准都 是根据换向火花的亮度、密集程度、大小以及对电刷和换向器的 损害表现，来划分换向火花等级的，由于至今尚未有某种仪器可 精确测定换向火花等级，都是由观察者目视决定的，因而不可避 免的带有火花观察者的某些主观因素。 （二）火花等级

GB755-87 标准规定的火花等级， 是用两种方法加以判别 的。

一是电刷下火花特征，即火花大小、亮度和密集程度；二是 火花对换向器表面和电刷的损害程度。

在上述火花等级标准中可以看出， 1 级和 11/4 级火花是 无

害火花 ， 11/2 级火花虽然在换向器和电刷表面产生 轻微灼痕 ， 但仍允许长期运行， 不致造成对电机的威胁； 2 级火花的电弧能量 较大，会造成对换向器和电刷的灼伤，是 有害火花 ，只允许在过 载时短时出现； 3级火花是危险火花， 它能导致 环火事故，不允许 经常出现。

当直流电机采用晶闸管供电时， 换向火花通常会比电池或 机

组大一些，原因是晶闸管供电电动机火花是含有交流分量 ，用 眼睛观察到的火花亮度虽然大一些， 但是实际上其电弧能量较小。

、氧化膜

1． 氧化膜形成和性质 直流电动机在运行过程建立起的氧化膜， 是

滑动接触中的一 个重要因素，在换向器表面形成有光泽而且颜色均匀的氧化膜， 是良好换向的前提。

氧化膜的形成主要是由于电刷和换向器之间滑动接触所发 生的电化学过程。 在大气中普遍存在水蒸气， 电刷和换向器亦都 覆盖一层极薄水膜， 当电机运行时， 电刷和换向器械之间电流通 过并发生接触传导时，分别成为两个电极。当换向片是阳极时， 水电解的氧离子趋向阳极， 使铜被氧化成氧化铜和氧化亚铜。 同 时因机械和电气磨墨结晶不断堆积在铜表面，形成了厚度约为 4~50 mm的氧化膜。其表面又吸附了氧气和水气，形成一水膜。 因此，氧化膜成分中，包含有氧化铜、氧化亚铜、石墨、碳粒、 少量其他杂质以及被吸附的水气和氧。 电刷与换向器接触微观状 态

氧化膜的颜色是各不相同的，通常是紫色的、红褐色的、浅 兰色的、咖啡色的、灰色的德行， 只要有光泽，颜色均匀都是属 于正常的氧化膜 。

2．氧化膜的维护 氧化膜是一种性质活泼，处于动态平衡过程的物质，直流电 机氧化膜形成能力主要是决定于电机换向性能、负荷性质、电刷 性能、周围介质和滑动接触状态。氧化膜变化过程往往是换向恶

化的前兆，为此，必须精心加以观察和维护，经常地清吹和擦净 换向器表面，当氧化膜状态发生变化时必须分析和找出影响因素。 对于难于建立氧化膜的电机可以采取一些措施， 促使建立氧化膜; 三、常见的换向故障

直流电动机在运行过程中常见的换向故障见表

表1

序号 1 故障现象 换向不良 1.

换向故障的原因和处理方法

故障原因 处理方法 1、 加强维护，并进行表面处理 车圆换向器 2、 应在额定值内运行 3、 处理换向器表面，减少电刷与 刷握间隙 4、 调整至规定压力 5、 选用合适牌号电刷 6清除片间云母沟中金属短路物 7、 补焊电枢并头套 8、 排除短路故障 9、 根据图纸改正接线 1、 换向器表面状态不良 2、 换向器偏心和变形 3、 过载 4、 电刷弹簧压力过小 5、 电刷牌号不合适 6、 电枢绕组片间短路 7、 并头套开焊 8补偿和换向器极绕组 接线错误 9、 有害气体 10、 刷距不均匀 11、 电机振动电刷不在 中10、 不使有害气体进入电机内 性面上 11、 调整刷距 12、 校平衡并消除振动 2 13、 用感应法找出中性面 电刷异常 1、 换向器表面粗糙 1、 车光换向器 磨损和破 损 2、 换向不良 2、 调整和改善换向 3、 绝对湿度低 3、 通风道喷雾增湿 4、 电刷制造、加工不良 4、 更换电刷 除尘和净化空气 5、 空气中研磨性杂质粉 5、 尘 6改善电刷润滑条件和减少电刷， 刷6、 电刷、刷握振动大 握间隙 7、 、改善通风和冷却条件 7、 接触表面温度过高 8、 调整电刷压力 8电刷压力过大 3 换向器条 纹 1、 湿度过高 2、 油雾附着 3、 有害气体 4、 电刷材质不合适 5、 电刷电密过低 6、 温度过高 7、 刷面镀铜 1、 不使潮气进入电机内部 2、 防止油雾进入，经常清擦换向 器 3、 防止不害气体进入 4、 更换电刷 5、 避免在2~5A/c川电密下长期运 行 4 环火 &改善通风 7、防止潮气、有害气体和尘埃进 入，选用合适电刷 维护不良 换向器表面处理，加强清理 防止过载短路或很重负载冲击 片间和清除短路 防止过电压 电压过咼 换向不良 调整和改善换向 补焊电枢绕组 电枢绕组开焊 改善通风 更换电刷 防止油雾进入 防止有害气体进入 5 氧气膜颜 色换向器温度过高 不正常 电刷牌号不对 油附着 有害气体 抖动和噪 声 6 电刷、刷握间隙过大 电刷调整刷握间隙 调整倾角 倾斜铁角不适当 电刷材质选用合适电刷 车光换向器 调整压力 不合适 换向器变形，突片 增加风道湿度 校平衡和消振 电刷压力不适当 低湿度 电机振动 7 8 9 10 换向器表 面选用抑制火花能力强的电刷 补偿并电刷换向性能差 并头套开头套 烧伤 焊 极距、刷距不等 换向器调整刷距、极距 变形、突片 电刷不在中性车圆换向器 面上 调整中性面位置 换向器磨 损电刷中含有碳化硅和金 刚改用合适电刷 改用润滑性好电刷 改快呈铜 本色 沙 善滑动接触条件 人工建立氧化膜 去掉部分电刷 净化空气 电刷磨损率太大 电刷与换向器接触不良 湿度过低 电刷电密过低 空气中有耐磨性尘埃 换向片边 缘电刷振动 电刷卡死在刷握毛刺 内 维护不良 刷握加垫太多 见“电刷振动项”项 使电刷在刷握内自由活动 改善滑动高磨擦 接触，定期清扫换向器 改用整垫 改善滑动接触和使用润滑性能好 电刷 电刷表面 镀铜 云母突出或有毛边 电刷形成氧化膜能力 差、含研磨加强换向器运行维护、重新下刻倒 棱 成分过多 油沾污 采用合适牌电刷 防止油雾进入电机温度过高 内 改善通风 调节风道湿度 湿度过低或湿度过高 电刷电流 电刷压力不等 调整至规定压力 11 分布不均 12 电刷与刷握间隙过小 刷辫螺钉未拧紧 不同牌号电刷混用 电刷粘结在刷握内孔 电刷与换 通风不良 向器温度 高 长期过载、堵转 电刷压力过大 高磨擦 强烈火花 电刷牌号不对 调整间隙 紧固刷辫螺钉 改用同一材质电刷 清扫刷握内孔 改善通风 改善运行状态 调整弹簧压力 改善滑动接触条件 见“换向不良”项 改用润滑性能好的电刷 四、换向器的表面处理

电刷与换向器构成的滑动接触是影响换向的重要因素.

电刷

和换向器在直流电机运行中实际上是一个滑动开关的作用， 因此，换 向器表面工作状态是很关键的， 首先，要求工作时电刷应能始终保 持平稳的接触，无抖动和跳动，其次，要有较低的摩擦系数和较高的 表面硬度，以延长电刷和换向器寿命。

通常对换向器工作表面有如下几点要求：

1） 表面要光洁平滑，工作时电刷能干稳的接触，无跳动。

2） 片间云母下刻要干净，不能有残余云母粘留在换向片侧 边，

更不允许有云母片突出云母沟，其次，换向片的倒棱必须平直、 均匀。

3） 建立均匀的有光泽的氧化膜，不仅能降低摩擦系数，而且 也

增加了表面硬度，提高了换向器耐磨性，同时由于氧化膜具有较高 的电阻率，了附加横向换向电流。

因各种原图造成的换向故障， 都会损坏换向器表面氧化膜

和工作状态，如不及时排除故障或处理，则将进一步使换向更加恶化， 而

导致恶性循环． 当换向器表面出现不正常状态时， 必须及时进行处 理以防止事故进一步发展．

换向器表面处理通常有以下几种方法 ．

（一）用砂纸打磨

这是常用最简单的处理办法。可以处理换向器 表面烧伤造 成灼

痕．氧化膜破坏，斑痕和较轻的条痕。

在采用砂纸打磨换向器时，必须要选用粒度较细的水磨砂 纸，操

作时先将砂纸包在一长方木块上， 然后用木块轻压在换向器表 面，在电机旋转时将木块沿换向器长度方向缓缓移动， 即可对换向器 表面起砂光作用， 砂光后必须用压缩空气吹净铜粉和砂粒， 并检查换 向器表面粗糙度和云母沟中是否沾有铜粉等残留物。 砂纸打磨的缺点 是破坏了换向器表面氧化膜， 因此，进行操作后必须重新建立氧化膜。

为了打磨时能有较细粗糙度， 电机转速应适当高些， 操作时 应

注意安全。

（二）用柔性磨石清理换向器表面 用柔性磨石清理换向器表面一船是用于氧化膜不均，斑纹， 氧化腆过厚以及表面污垢．

柔性唐石， 这是宝钢近来引进的一种新的换向器维修材料， 是英 国摩根公司开发的。它是用细微的研磨料和橡胶用粘合剂压制成的， 是具有柔性的非导电性研磨材料外观呈咖啡色．

在清理换向器表面时， 让电机以正常速度旋转， 操作者可手 持

柔性磨石以适当的力压在换向器上， 并将磨石沿换向器长度方向缓 缓的

来回移动，直至获得满童的效果。

使用柔性磨石进行维修作业， 操作简单， 既不会破坏换向器 氧

化膜，又不产生粉尘，而能有效地除去厚的氧化膜以及氧化膜污垢， 打磨后换向器表面呈现薄而均匀有光泽的氧化膜。 解决了大型直流电 机换向器表面的清扫间题， 而且使氧化膜能保护完好， 是一种值得开 发和推广的换向器维修材料．

但由于操作是在电机旋转的情况， 换向器和电刷带电条件下 进

行的，因此，操作时必须注意安全。

(三) 用”换向器清理石”修磨换向器

“换向器清理石” 可以用来修磨换向器烧伤留下的灼痕、 轻 微

的条痕，电刷镀铜，挤铜后的换向器砂光，也可以清理不正常的氧 化膜。

“换向器清理石”又称“电刷修磨石” ，是由疏松，较软的 磨

料加粘合剂压制而成， 其外观和颜色和粉笔很相似， 它可以同时修 磨换向器和电刷．是由美国理想公司开发和生产的。宝钢引进“换向 器清理石”后，

清理程度可完全由操作人员根据需要来掌握． 短时间轻度的修磨 能清除换向器表面的污垢和减薄氧化

3．改进操作带电切削换向器 1) 2)

车刀对刀架必须良好绝缘，以避免造成电枢接地、 拆去奇数排刷架。为了便于操作和安装刀架，对被切削的 电动机来说，一般为蛙绕组或叠绕组，拆去奇数排刷架时，节 削区

两边电刷是同极性的， 所以在切削区电枢绕组内设有支路 电流。 3) 切削必尖一定要在电刷中性位置，这时能使切削时被铜屑 和刀尖所短路元件内的感应电势为零。

4) 断开(或短路)切削点相邻换向极与补偿绕组，因为刷架 拆去后，电枢元件内支路电流为零，电抗电势等于零，所以最 好使换向电势也等于零。

5) 电动机在带电切削时，尽量采用弱磁，低电压动行，这样 可以减少节削区之外的铜屑火花，并改善主极绕组发热。

6) 带电切削的工艺参数和注意事项，同现场本体切削换向器 相同。 (七)换向器云母沟下刻和换向倒棱 在打磨和切削换向器后，必须进行下刻和倒棱，以改善换向器表 面的工作状态，保持良好地滑动接触，减少电刷磨损和防止片间 闪络的可能性。

1) 云母沟下刻。下刻深度1.5〜2mm,下刻深度太小，易产生 云母片突出，下刻深度过大，云母沟中易积存碳粉。

云母沟下刻是一项细致和工作量很大的工作。下刻要求光滑平 直，两边残存云母片必须弄净。云母沟下刻一般用手工操作，下 刻工具一个夹紧锯条片的带把工具。

2) 换向片倒角。换向片倒角能减少电刷磨损和云母沟积灰， 对于防止换向片铜毛刺和闪络的发生， 也是有效的， 换向片倒 角能常要求是0.5X45°,要求均匀平直，倒角工具一般是用

锯片磨制成的。 换向器下刻和倒角操作时,用力要均匀,操作要细心,特别防止 划伤换向器表面。 由于云母沟下刻工作量很大,是很繁重的

一项操作,所以近年来 已经出现用电动工具下刻云母沟,手持式云母下刻工具,是用一 个小马达带动一个小的薄铣刀片, 操作时,把铣刀片对准云母沟。 电动下刻也有采用手持式风动下刻工具,是用压缩空气带动铣刀 片,使用方法和电动下刻工具相同。 3）换向器表面精砂光。在换向器下刻和倒

角操作结束后,应

先旋转时就将换向器表面重新精砂光一次,使换向器有较细的粗 糙度。