直流电机的结构9221.docx

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直流电机的结构9221

摘要：

作者针对无轨电车直流牵引电机在无轨电车上的应用以及电机在运行中容易造成换向器故障所实施的保修措施。

关键词：

直流电机，换向器，维护保养

一．引言

驱动无轨电车用的直流牵引电机，工作状态和工作环境非常恶劣，在车辆频繁的起动、调速、制动过程中随着载客量的多少和道路的状况不同，牵引电机的负载和转速将在很大范围内急剧变化。

这种变化，将给直流牵引电机部件带来一些损坏，使之影响到车辆的正常运行，所以牵引电机的日常维护保养就变得非常重要。

二．关于无轨电车直流牵引电机换向器的保养和维护

（一）直流电动机的结构与原理

1．直流电机的结构

（1）、直流电机整体构造

直流电机结构形式,应当满足电磁和机械两方面的要求，它由静止和转动两大部分组成。

直流电机的总体结构见图1-1直流电机结构。

图1-1直流电机结构

①、直流电机静止部分称作定子（通常称作磁极如图1-1），它的作用是产生磁场。

②、直流电机转动部分称作转子（通常称作电枢图1-2）:

它的作用是产生电磁转矩和感应电动势。

图1-2直流电机电枢

（2）、直流电机的静止部分

①、主磁极是一种电磁铁，用1-1.5毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心，它产生电机的主磁道，铁芯上安放有励磁绕组，主磁极用螺栓固定于机壳，并用填充泥封死，以防水进入和防螺栓松动。

如图1-3主磁极。

图1-3主磁极

②、换向极（又称附加极或间极）图1-4：

作用--改善换向。

换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成；铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联。

图1-4换向极

③、机座：

机座通常由铸铁或厚铁板焊成，有两个作用：

固定主磁极、换向极和端盖；机座中有磁通经过的部分称为磁轭。

④、电刷装置如图1-5

作用：

把直流电压、直流电流引入或引出，由电刷（图1-6）、刷握、刷杆座和铜丝辫组成。

图1-5电刷装置

图1-6电刷

（3）、直流电机的转动部分

①、电枢铁心如图1-7。

电枢铁心的两个用处：

作为主磁路的主要部分；

嵌放电枢绕组，通常用０.５ｍｍ厚的硅钢片冲片叠压而成。

图1-7直流电电枢铁芯装配图

②、电枢绕组如图1-8。

直流电机的主要电路部分，用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换，由许多按一定规律联接的线圈组成。

元件及嵌放方法如下图

图1-8电枢绕组的元件及嵌放方法

③、换向器（整流子）如图1-9。

换向器是直流电机中的一种特殊装置，其外形如图1-9（a）所示。

图1-9（b）是换向器的剖面图。

它是由锲形铜片组成，铜片间用云母垫片（或某种塑料垫片）绝缘。

换向铜片放置在套筒上，用压圈固定；压圈本身有用螺帽固紧。

换向器装在转轴上。

电枢绕组的导线按一定规则与换向片连接。

换向器的凸出部分是焊接电枢绕组的。

换向器是直流电机的构造特征，易于识别。

在换向器的表面用弹簧压着固定电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来。

图1-9换向器的构造

2.直流电机工作原理

直流电动机和直流发电机在不同工况下是可以相互转换的，为了说明直流电动机的工作原理，我们先说明一下发电机的工作原理。

（1）、直流发电机的工作原理

①、直流发电机的原理模型如图1-10。

图1-10直流发电机工作原理

②、直流电势产生

当电枢被拖动使之逆时针方向恒速转动时，线圈边ab和cd分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势（如图a）。

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势（如图c），靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势（如图b）。

因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势。

所以电刷A始终有正极性，同样道理，电刷B始终有负极性。

所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势。

③、结论：

线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷AB端的电动势却是直流电动势。

（2）、直流电动机的工作原理

直流电动机是把直流电能转换为机械能的电磁装置，直流电动机的结构与直流发电机结构相同，也是由定子、转子、换向器组成的。

定子绕组产生磁场，当通直流电时定子绕组产生固定极性的磁场，转子通直流电在磁场中受力，于是转子在磁场中受力就旋转起来。

要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时，导体中电流的方向也要同时改变。

换向器和电刷就是完成这个任务的装置。

在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。

可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。

直流电动机与交流电动机相比，它有较大的起动力矩和均匀的加速性能，而且可以方便地进行匀滑的电气制动，所以无轨电车上广泛的采用了直流电动机作为牵引电机。

（二）直流电动机的使用与维护

1．直流电动机的牵引特性

牵引电动机的工作特性，通常是指在外加电压为恒定值时，电动机的转速、转矩和效率对电枢电流的关系以及牵引力与速度的关系等。

前者称为牵引电动机的电气机械特性，后者称为牵引特性。

这些特性是和电机本身结构特点有关的。

当牵引电动机的电压为恒定时，牵引力与速度之间的关系称为电动机的牵引特性。

牵引特性也称为电动机的机械特性曲线，可从转矩曲线和速度曲线求得。

牵引特性曲线一般具有下降的特性，也就是牵引力随着速度的增大而降低。

图2-1是各种不同激磁方式的电动机所具有的牵引特性曲线。

在同样牵引力的变化范围内，牵引力由F1变化到F2，则串激电动机由速度V1下降到V2，复激电动机下降到V2′，而并激电机下降到V2′′。

因而串激电动机的速度变化较并激电动机要大得多，而复激电动机的变化则介于两者之间。

图3-1不同激磁方式电动机的牵引特性曲线

1—串激电动机；2—复激电动机；3—并激电动机

电动机的牵引特性对于无轨电车的运行性能和运行的经济性有很大的影响。

在车辆运行过程中，负载的变化很大。

例如，在上坡行驶所需要的牵引力要较平地行驶所需的牵引力大很多。

在这种情况下，串激牵引电动机由于速度相应的降低，所消耗的功率增加得不多。

而并激电动机由于速度相应的变化很小，所消耗的功率显然要比串激电动机大得多。

复激牵引电动机则介于两者之间。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。

碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。

2．直流电动机的故障原因和解决方法

无轨电车用直流电机的工作环境和使用状态都很差，主要有几个方面：

（1）.主电机必须经常的起动、滑行和进行电气制动，并随着路况和载客的不断变化，电机的负载和转速将在很大范围内急剧变化。

（2）.电机电源（线网）电压变动显著，一般会在额定值的±20%之间变化。

（3）.车辆在行驶时的颠簸、震动会影响电机的正常工作，特别使电机的换向发生困难。

（4）.由于电机的安装位置使电机的绝缘处于不利状态，特别是雨雪天气。

（5）.在电机使用过程中会因为电源或者是电机控制器而出现一些故障。

电动机在运行过程中，如果流过电动机的电流小于额定电流，

称为欠载运行；超过额定电流，称为过载运行。

长期过载或欠载运行，对电机都不好。

长期过载有可能因为过热而损坏电机；长期欠载，运行效率不高，浪费能量。

电机在使用过程中频繁的启动制动，使电压、电流、负载不断变化，电机就会会发生各种故障，影响电机的正常使用。

下面就以下几个方面重点说明电机换向器故障的维修。

1.电磁原因：

当纯电阻换向时，电刷与换向器之间不易产生火花，当换向元件回路电抗电势愈大时，火花愈大，当转速越高时，在前侧端易引起火花。

电机在车辆运行过程中由于电机控制器开关频率比较高，会产生电抗和电磁干扰，由于线网对电机控制机组的干扰，也会使控制电路产生失控现象，由于这些原因的存在，都会使电机产生过电流，使电刷与换向器之间火花加大。

电刷的磨损也使电刷与换向器之间的压力不够，从而产生火花，使换向器烧蚀。

对于烧蚀严重的换向器需要对换向器表面进行切削处理，切削后还要进行手工或机械切割云母片，使整流片之间有符合要求的绝缘距离，其片与片之间的绝缘深度须达到1—1.5mm。

对于不符合技术要求的电刷要进行更换，检修换向器的同时应检查刷握是否完好，让电刷在刷握中不能左右间隙太大，间隙应该在±0.5mm，电刷长度不小于25mm。

弹簧压力应为1.7——2.4Kg。

由于电机刷握的结构不一样在使用上也有一定的差别，例如，我们使用的90KW大功率直流电机其刷簧为补偿式压簧，刷簧的压力也会因为受热而压力减小，所以在使用过程中针对这种情况，我们对刷握进行了改进，把刷握一侧壁进行切削，使切削处与刷簧宽度相同，使压簧能够延深距离，更好的起到压簧的作用，使电刷与换向器的接触良好，大大减少了使用故障，使电机的换向器保持良好的的工作状态。

2．机械原因：

直流电机在运行过程中也会因为一些机械故障，使电机出现问题。

如：

换向器偏；换向片之间绝缘凸出；使电刷与换向器的表面接触不良和刷簧压力大小不合适；电刷在电机上布置不当，致使有些电刷所短路的换向元件不在中性面上等。

机械故障有时还表现在定子上，定子在电机运转过程中也会发生故障，由于在维修过程中，当拆卸定子线圈进行检修后，再安装时机件会发生磁路变化，这时，电机在运行时应更加注意电机的火花情况，在电机转速由低到高时，火花将越来越大，这时应该对电机的换向线圈进行调整，主要操作是，加减换向极垫片，当火花大时，说明磁通量大，火花小时，磁通量小，此时需要调整换向极垫片。

若火花仍不正常，需要调节前端盖的中心位置，使电刷和换向器接触良好。

通电后，电动机在带载情况下，火花等级应达到1/4级，也就是电刷与电机换向器接触后看到有星点火花为宜。

调整好的电机在车辆行驶中还要继续观察，通过视觉或感官观察电机振动情况，无抖动或颤动说明电机安装良好，如果能明显感到电机抖动，电机换向器与电刷之间就会出现火花，主要是通过电机平衡试验调整，使电机在运行过程中保持平稳。

电机产生的机械原因中，电机轴也是一个主要原因，当电机前后轴承损坏后，对电机产生火花影响很大，因为前后轴不同轴，电机发生位移量大，换向器与电刷之间加速磨损使电刷与换向器之间的火花有一定变化，会对换向器表面产生影响。

电机在运行过程中如果发生轴承响，应更换新轴承，更换后需经过试验，使电机在带一定负载的情况下，达到良好的运行效果。

3.化学原因：

换向器表面经过高温氧化，换向器上与电刷接触的表面形成氧化亚铜薄膜，这层氧化膜对换向有利，但是这层薄膜一旦破坏，就容易引起火花，使换向器表面烧蚀。

在电机维护过程中，查看转子表面有没有烧痕或者过热发黑的现象，如果有烧蚀现象，应该进行处理或者更换。

电机经过检修后应进行必要的绝缘测试，检测绝缘阻值,干燥天气应该≥10MΩ,潮湿天气应≥1MΩ，并且电机应在负载电流为额定电流的1.2倍的情况下应能平稳运行，火花正常为合格。

三．结束语：

以上是对无轨电车牵引直流电机在使用和维护过程中一点点粗浅的体会。

由于牵引直流电机是在运动工况下工作，会受到天气、供电、和电机控制器等诸多因素的影响，会使电机产生一些不正常的故障，所以，在实际工作中我们还要根据不同的故障现象具体情况具体分析，保证电机的正常运行。

四．参考文献：

1、《技师专业论文撰写指南》编辑者：

赵建北

中国劳动社会保障出版社2003年2月

2、《无轨电车》北京市电车公司、南京市公共交通公司主编中国建筑工业出版社出版

3、《牵引电机》西南交通大学电机系编中国铁道出版社出版

作者签名

2011年9月22