改善电力机车脉流牵引电动机换向的措施分析综述.docx
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改善电力机车脉流牵引电动机换向的措施分析综述
题目：
改善电力机车脉流牵引
电动机换向的措施分析
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西南交通大学
网络教育学院
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题目改善电力机车脉流牵引电动机换向的措施分析
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题目改善电力机车脉流牵引电动机换向的措施分析
1、本论文的目的、意义在机车运行中，因受多种因素影响，乘务员无法预见牵引电机火花前的特征，因而不能防止牵引电机火花的发生，这样令机务部门十分头疼。
为了减少和防止直流电机故障，本人将在下文通过分析直流电机换向火花产生的原因以及预防措施提出自己的看法与探讨。
2、学生应完成的任务
第一步：
在全面掌握有关理论的基础上积极着手收集资料，拟定该论文大纲；
第二步：
依据指导老师修改后的论文提纲撰写论文；
第三步：
向指导老师提交论文初稿；
第四步：
依据老师的指导对论文进行反复修改；
第五步：
论文定稿并对论文进行装订；
第六步：
对论文答辩进行准备。
3、论文各部分内容及时间分配：
（共
周）
第一部分直流电机的结构（
周）
第二部分直流电机的工作原理（
周）
第三部分换向的定义及换向的物理意义（
周）
第四部分
（
周）
第五部分
（
周）
第六部分
（
周）
评阅及答辩（周）
4、参考文献
备注
指导教师：
年月日
审批人：
年月日
诚信承诺
一、本论文是本人独立完成；
二、本论文没有任何抄袭行为；
三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。
承诺人（钢笔填写）：
年 月 日
目录
摘要I
第1章绪论1
第2章直流电机2
第3章换向火花产生的原因及等级5
3.1电磁原因5
3.2机械原因6
3.3化学原因7
第4章改善换向火花的产生10
4.1相应改善措施10
4.2预防换向火花过大的方法13
4.3脉流牵引电动机换向的特点13
4.4改善换向方法14
4.5环火的定义16
4.6引起环火常见情况16
4.7防止环火的措施16
第5章建议17
5.1应用方面17
5.2检修方面17
5.3保养方面18
结束语19
致谢20
参考文献21
摘要
为了使机车具有优良的牵引性能，保证牵引电动机的质量是非常关键的环节，总结脉流电动机在运用中出现的故障情况，正确的防止电动机在运行过程中出现的不良现象，就必须采取相对应的措施，改善电动机的结构和环节，保障电力机车良好的运行状态，将火花故障降到最低限度，从而保障电力机车良好的运行状态。
现在我们就以脉流牵引电动机ZD105为例，来分析其运行过程中的不良影响及改善脉流牵引电机的换向措施。
关键词：
牵引电机换向火花原因分析改善措施建议
第1章绪论
环火是指牵引电动机正负电刷之间被强烈的大电弧所短路。
飞弧是指电弧跨越换向器或电刷装置表面，飞跃到换向器压圈、前端盖、磁极铁心或机座等处而接地。
环火或飞弧发生时，相当于电枢绕组处于短路状态，而电动机继续转动切割磁力线后将处于发电状态，因而会伴有很大的响声，俗称“放炮”，电机放炮还会产生巨大的冲击振动。
轻则使换向器表面留下铜毛刺或刷杆绝缘表面出现明显灼痕，重则可使电枢绕组出现严重烧损或甩出（俗称“扫膛”），也会使轮箍踏面造成严重擦伤。
该故障是电力机车在运用中发生的故障之一。
在机车运行中，因受多种因素影响，乘务员无法预见牵引电机环火前的特征，因而不能防止牵引电机环火的发生，容易产生电机烧损或烧坏，影响了机车的运行质量。
总结直流电机在运用中出现的故障情况，采取正确的运用保养措施是减少和防止直流电机故障的有效途径。
现南宁机务段中服役的电力机车机车有SS3、SS7等，它们都是靠ZD-105型电力牵引电动机为主，若牵引电机出现环火等故障，则直接影响铁路的正常运行秩序。
现以机务段ZD-105型牵引电动机的故障情况为例，来分析该型牵引电动机的故障机理。
如下表1-1示：
表1-1牵引电动机的故障
落修原因
1999-2000
2001
2002
2003
2004
2005
合计
比例/%
电机还火
5
4
2
2
5
4
22
17.5
主极接地
3
4
1
4
3
4
19
15.1
换向极接地
3
3
4
3
4
2
19
15.1
电枢接地
0
0
2
2
3
1
8
6.3
整流子拉伤
3
3
4
2
3
2
17
13.5
断线
2
2
8
4
1
3
20
15.9
漏油甩油
0
1
0
5
2
2
10
7.9
轴承固死
3
0
2
3
2
1
11
8.7
合计
19
17
23
25
23
19
126
100
SS3、SS7六台牵引电动机均安装在机车底部，不但启动停车频繁，运行中振动大而且安装空间狭小，又要承受风沙、雨、雪及灰尘的侵袭，使用条件非常恶劣，因而极易发生故障。
综合分析可知，该电机的主要故障为：
（1）电机环火；
（2）绝缘破损（主、附极、电枢接地）；
（3）轴承固死；
（4）绕组间或引出线、刷架联线的断裂等。
本论文主要浅谈电机换向的措施，只与其中电机的环火有关所以只讨论电机环火这一故障及其改善和处理的方法。
将在下文通过分析直流电机换向火花产生的原因以及预防措施提出自己的看法，为了更好地说明问题，首先从直流电机的结构和原理谈起。
第2章直流电机
作为一种旋转电机的直流电动机，其结构与三相异步电动机基本相似，其结构主体也包括定子和转子两大部分。
直流电动机的结构如图所示，包括四大组成部分：
（一）定子
由主磁极、换向极和机座三部分组成，是用来产生磁通和进行机械固定。
图2-1直流电机组成部分
（二）转子
由电枢铁心、电枢绕组和换向器三部分组成（亦称电枢）用来产生电动势。
（三）端盖
端盖上有轴承以支撑电机转子旋转，端盖固定在机座的两端，使电动机做成一个整体。
（四）电刷架
电刷架装在端盖上，电刷与换向器相接触。
其中，电枢绕组由按一定规律联接的线圈组成，是直流电动机中复杂而重要的电路部分，也是通过电流和产生感应电动势、从而实现机电能量转换的关键部件。
（五）换向器
亦称整流子，起整流作用，它由楔形铜片所组成，彼此绝缘，如图所示。
安装于转轴上，是直流电动机的构造特征。
（六）工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。
这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。
如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
图3-1-1图3-1-2
如上图3-1-1和3-1-2，当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。
这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下总是从电刷B流出的方向。
这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。
这就是直流电动机的工作原理。
从上述原理我们可以看出，换向是直流电机的特有现象，在换向过程中，换向火花是不可避免的，那么产生换向火花产生与哪些因素有关呢？
这还需了解换向的物理过程。
（七）换向的定义几物理意义
直流电机的换向是指旋转着的电枢元件，在被电刷短路的情况下，经过几何中性线（电刷在磁极轴线上）从一支路过渡到另一支路，元件中的电流由前一支路电流变为后一支路电流的过程。
正在进行换向的元件称为换向元件。
换向是直流电机特有的过程。
电力机车在运行过程中，电机内部当线圈通过电流后，会在永磁铁的作用下，通过吸引和排斥力转动，当它转到和磁铁平衡时，原来通着电的线较对应换向器上的触片就与电刷分离开，而电刷连接到符合产生推动力的那组线圈对应的触片上，这样不停的重复下去，直流电动机就转起来了。
为了解每个电枢元件种电流换向的过程，以一个单叠绕组元件为例来纪进行分析。
为了简便起见，假设电刷宽度bb等于一个换向片片距bk，电刷固定不动，换向器以线速度vk向左移动。
所讨论的换向元件用粗线表示，它和换向片1及二相接.如图4-1示。
图4-1
第3章换向火花产生的原因及等级
直流电机运行中产生火花的原因较复杂，主要原因3个方面：
①电磁原因；②机械原因；③化学原因。
3.1电磁原因
这是换向火花产生的主要原因。
产生换向火花的电磁原因主要是由于电枢反应使物理中性线偏离几何中性线（对称负载时，电枢磁动势对主极磁场基波产生的影响，这种现象称为电枢反应），这样一来电刷所短接的处于几何中性线上的换向元件在换向时其两个边感应的电动势不为零，在电刷短接时就会产生换向火花。
如前所述，换向元件的电磁过程使换向回路产生电势、附加电流，并导致了电刷后刷边的电流密度增大和迟后换向。
迟后换向时，换向元件周围将存在附加电流建立的磁场，在换向结束时，这种磁场的一部分能量会以电磁火花的形式通过后刷边释放出来，造成电刷后刷边火花严重，从而形成环火。
在换向回路中的电势也是产生电磁原因：
1、电抗电势
电枢绕组元件中通过电流时，在元件的槽部和端部将产生漏磁通。
根据电磁感应定律，当闭合回路中磁链变化时，将产生反电势，力图阻止磁链的变化，即阻止电流的变化，这种反电势称为电抗电势。
电抗电势
的方向与换向前的电流方向一致，即换向元件中电抗电势
的作用是阻碍电流换向的。
2、电枢反应电势
电机负载运行时，除了主磁场外，还存在电枢磁场，如图5-1所示。
在几何中心线处，主磁场等于零，但存在着较强的电枢磁场。
当电枢旋转时，处于几何中心线上的换向元件，将切割交轴电枢磁场而产生电枢反应电势
。
根据右手定则可以判断
的方向也是与换向前的电流方向相同，即
和
方向一致，都是阻碍电流换向的。
图5-1电枢反应电动势
3、换向电势
上述所讨论的两个电势
和
，是没有安装换向极的电机中换向元件所感应的电势，它们都是阻碍电流换向的。
为了改善换向，容量在1kW以上的直流电机都安装有换向极，换向极安装在几何中心线上。
换向极极性应正确，以使它的磁势与交轴电枢反应磁势相反，如图3所示。
这样，当换向元件切割换向极磁场时，感应产生换向电势
，其方向与
和ea相反，用来抵消
和
对换向的不利影响。
因此，当电机换向时，换向元件回路内合成电势等于以上电势之和，即
=
+
-
。
当换向电势
选择的合适，使
=
+
，恰好可以相互抵消时，换向元件中的合成电势
=0，此时电机能得到满意的换向。
如果换向极磁场不合适，则合成电势就不等于零，这时在换向元件中将产生附加电流。
过大的附加电流会使电机换向恶。
3.2机械原因
牵引电动机在运行过程中受到强烈的振动，换向器转子和电刷装置不良引起的火花我们称为机械火花。
我们可以分为两大类：
1、换向器及电机旋转部分的缺陷
（1）个别换向片或云母片凸出；
（2）换向器偏心、换向器升高片连接处断开、换向器松动，换向片有高低；
（3）换向器工作表面污染、工作变形、有毛刺、癍痕和拉伤沟纹等；
（4）附加极调整不良；
2、电刷装置的缺陷
（1）电刷接触面研磨的不要光滑，接触不良或只是局部接触；
（2）电刷在刷盒中间隙不合适，造成跳动，倾斜或卡死现象；
（3）电刷上压力不适当；
（4）刷握装置不稳固，造成刷握位置偏离几何中心线；
（5）刷架的定位不准确或安装不牢固；
（6）碳刷型号不适合电机。
产生机械火花的原因是多种多样的，有时是几种原因同时起作用，有时只是一种原因一旦出现火花，应仔细观察和具体分析。
3.3化学原因
直流电机工作环境属于工业现场环境，通常存在各种腐蚀性气体或物质，存在着水汽、油雾、粉尘等，直流电机工作时在直流电的作用下，换向片和电刷将产生化学反应，正常层氧化亚铜薄膜、具有较大的电阻，可以减小附加电流；在水蒸气较多或其他有害气体中运行的电机，这层氧化亚铜薄膜很容易遭到腐蚀而破坏，引起附加电流和火花增大，破坏换向片的换向性能，从而使换向火花增大，这就是换向火花产生的机械原因。
1、薄膜的形成、化学成分及作用
换向器滑动面的薄膜是电刷与换向器接触并在相对运动过程中逐渐形成的。
由于大气中有水蒸汽，使电刷和换向器表面都覆盖着一层水膜。
随着膜的不断加厚，新生膜的速度也逐渐减慢，直到一定的厚度为止。
这样，换向器滑动面的氧化膜就形成了。
碳膜附着物在吸收空气中的水分之后能产生良好的润滑作用，减小电刷与换向器之间的磨耗，使电刷运行稳定。
减小或消除机械性火花。
2、不正常的换向趋薄膜
换向器薄膜并非静止不变。
直流牵引电动机和脉流牵引电动机在换向不良、内部发生故障或者在高原缺氧、干燥以及周围空气中有某种化学气体的环境中运行时，都会使换向器表面薄膜遭到破坏，出现异常状态。
不正常的换向器薄摸，主要有以下几种：
（1）换向器薄膜产生黑片
黑片是指换向片工作表面出现无光泽的黑膜。
如果整个换向器表面都发黑，表明电机在正常运行时，火花达到2级或以上，此时必须对该电机进行换向调整。
通常换向器表面只是部分换向片发黑，分为有规律和无规律分布两类。
①有规律分布的黑片
有规律分布的黑片是指沿换向器圆周，按一定的间隔距离，在换向器表面出现的黑片。
按槽节距分布的黑片，产生这种现象的原因主要有：
电刷或换向极黑片的分布不等分；电刷未主极中心线上；换向极气隙特别是第二气隙不合适；换向极绕组或补偿绕组匝间短路等。
②无规律的换向片发黑
换向器工作表面上无规律的换向片发黑，大多是由于机械方面的原因，使电刷与换向器表面接触不良引起的。
。
（2）换向器产生条纹和沟壑等
条纹是指沿换向器圆周表面形成的有明暗色调变化的平行圆环，其宽度是不规则的。
条纹的继续发展会在换向器表面产生沟槽。
条纹的形成是由于电刷接触面上局部电流比较集中或电刷的机械摩檫作用，使局部薄膜变薄或消失而造成的。
电刷接触面上沉淀有铜离子，或者电刷成膜性能差、结构不均匀、含有较硬的杂质等，均易引起条纹，甚至发展成为沟槽。
（3）电刷轨痕
这是指平行的电刷轨道之间在色调上的不同。
其主要原因有：
同一刷握内各并联电刷之间的电流分配不均匀；电刷压力相差太大；并联电刷牌号不同；电刷高度相差太大；个别电刷与刷盒连接不良等。
（4）换向片被氧化、有铜毛刺
铜毛刺是指在换向片边缘出现象碎片一样的毛刺，它们逐渐发展成薄铜片延伸至云母槽内。
铜毛刺继续发展，会使相邻的换向片短路，此时铜薄片被烧掉，在两换向片边缘处
出现一些麻点，严重时，可能引起环火。
铜毛刺是由于电刷滑行过程中的压延作用和电刷振动时的捶击作用形成的。
如果换向器表面没有形成薄膜层，电刷的摩擦作用显著增加，在此机械力的作用下，容易发生铜毛刺。
此外，电刷在刷盒中间隙过大，运行时电刷接触面过小（有时只有30%），从而使电刷下电流密度和单位压力大幅度增加，换向器表面由于过热而产生铜退火，这时因压延作用易产生铜毛刺。
（5）换向器表面高度磨光
这是指换向器表面的氧化膜被摩擦掉，露出本铜色，抛光发亮，像镜面一样。
此时，电刷与换向器之间的接触电阻很小，附加换向电流iK增大，从而使电机换向恶化。
同时，由于电刷与换向器之间的摩擦增加，电刷会产生高频振动和异常磨耗，严重时，只运行几百公里时换向器就磨损到限。
换向器表面状态反映了电机运行是否正常。
因此，在电机运行时，应当经常注意和检查换向器的表面状态，观察薄膜的变化情况，许多牵引电动机的故障在尚未造成破坏前，往往可以根据换向器表面的异常状态来进行早期诊断，找出故障发生的原因和部位，及时进行处理，以保证电机正常运行。
3.4火花等级
在机车运行过程中必然存在换向火花，我国国家标准“电机基本技术要求”（GB755—2000）中，对直流电机换向器上的火花等级作了规定，见表6-1
表6-1
火花等级
电刷下的火花程度
换向器及电刷的状态
1
无火花
换向器上没有黑痕、电刷上没有灼伤
1
电刷边缘仅小部分有微弱的火花或有微弱放电性火花
1
电刷边缘大部分或全部有轻微的火花
换向器上有黑痕出现，但不发展、用汽油擦其表面能除去，同时电话有轻微的灼痕
2
电刷边缘大部分或全部有较强的火花
换向器上有黑痕出现，用汽油不能擦去,同时电刷上有灼痕。
如短时间出现这一级火花，换向器上不会出现灼痕,电刷不被烧焦或损坏
3
电刷整个边缘有强烈的火花，同时有火花飞出
换向器上的黑痕相当严重，用汽油擦不去，同时电刷上有灼痕。
如果在这一级火花下短时运行，则换向器出现灼痕，同时电刷被烧焦或损坏
直流牵引电动机和脉流牵引电动机由于工作条件恶劣，如负载急剧变化、电网电压波动、强烈的机械振动和冲击、在脉流电压下工作等，都使电机换向困难。
为了保证牵引电动机运行可靠，直流牵引电动机在运行时的火花等级应限制在下述范围内：
在额定磁场和削弱磁场极位正常上运行时，火花不应超过3/2级；在其他情况下运行时，火花不应超过2级。
对于脉流牵引电动机，其换向条件更为困难，允许在2级火花下持续运行。
此时，换向器表面将发黑，但只要不损坏换向器工作表面，这种火花所允许的。
第4章改善换向火花的产生
4.1相应改善措施
1、采用分裂式电刷
分裂式电刷是将两个同样的电刷装在同一刷盒内,电刷上端共用一个橡皮吸震垫。
电刷的电流输出与整块电刷相同，其电阻及电压降不变，但对换向回路来说却增加了两块电刷间的接触面，增加了换向回路的电阻，因而可以减少附加电流。
分裂式电刷的电流输出与整块电刷相同，其电阻及电压降不变，但对换向回路来说却增加了两块电刷间的接触面，增加了换向回路的电阻，因而可以减小附加电流。
2装设换向极
改善换向的目的在于消除电刷下的火花。
而产生火花的原因除了电磁原因外，还有机械方面和化学方面的原因。
从产生火花的电磁原因出发，选用合适的电刷，增大换向回路的电阻，也可以减小附加换向电阻ik,,从而减小电刷下的火花。
但最有效地方法是使∑e=0，则ik,=0，目前通常采用加装换向级的方法。
加装换向级的目的在于在换向元件在处建立一个磁动势fK,其一部分用来抵消电枢反应磁动势，剩下部分用来在换向元件所在气隙处建立磁场BK，换向元件切割BK产生换向电动势eK，且让eK的方向与er相反，使换向元件中的合成电动势∑e=er-eK=0成为直线换向，从而消除电磁性火花。
为此，对换向极的要求是：
（1）换向极应装在集合中性线处；
（2）换向极的极性应使所产生的FK的方向与电枢反应磁动势的方向相反。
由图21-17可见，电动机状态时，换向极应与逆转向看的相邻主磁极同极性。
而发电机状态时，应与顺转向看的相邻主磁极同极性。
（3）换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁路不饱和。
3、设置补偿绕组
牵引电动机气隙磁密畸变是由电机负载以后的电枢反应引起的。
因此，防止环火最有效措施应该是尽可能消除电枢磁场引起的气隙磁密畸变，对于负载急剧变化和经常在磁场削弱下工作的牵引电动机，最有效的方法是装置补偿绕组。
利用补偿绕组消除由于电枢反应而引起的气隙磁场畸变，从而限制片间电压的最大值，减小产生电位火花的可能性；同时使换向器电位特性曲线较为平坦，有利于抑制原始火花和电位火花的扩展，大大减小电机发生环火的可能性。
为了达到上述目的，对补偿绕组提出下列要求：
（1）补偿绕组嵌放在主极极靴上专门冲制的槽内，线圈跨接在相邻两主极之间；
（2）为了在不同的负载西都能补偿电枢磁势，补偿绕组应与电枢绕组相串联。
（3）补偿绕组产生的磁势与电枢磁势的方向相反。
图6-1画出了电枢磁势和补偿绕组磁势的波形，两者基本上能够补偿。
但是，由于在两主极之间无法安装补偿绕组，故补偿绕组磁势为梯度波（曲线2），这样在两主极之间的电枢磁势不能全被补偿，留下一个三角形的磁势波（阴影部分），该磁势可由换向极磁势补偿。
对于脉流牵引电动机，由于补偿绕组的交流磁势可以补偿电枢磁势中的交流磁势，改善了交流换向电势的相位，可有效降低换向元件中的交流剩余电势，从而改善了脉流牵引电动机的换向。
电机安装补偿绕组后，使其结构复杂，增加了制造及检修的工作量。
因此，只有在换向特别困难的牵引电动机中采用，国产ZD105、ZD115型脉流牵引电动机均采用了补偿绕组。
图6-1有补偿绕组的磁势
应当指出，牵引电动机虽然在设计和结构上采取了一定的措施来防止环火的发生，但在实际运行中仍有可能发生环火。
为了减轻环火后的破坏性影响，在牵引电动机的结构和线路上也采取了相应的措施，例如：
（1）换向器前端云母环3°面露出部分用耐弧性能好的聚四氟乙烯板覆盖，使得环火时不致烧毁前端云母环。
（2）在电机刷盒侧壁与刷架圈之间设放电间隙，在环火尚未发展到十分严重程度时，使放电间隙击穿，电弧不经过前端云母环。
（3）采用快速动作断路器。
若快速断路器在电弧扩展到相邻电刷之前切断电路，能起到防止环火的作用。
即使在环火发生后切断电路，也能减小电机的损坏程度。
4、移动电刷改善换向
对于有安装换向极、转速固定、负载稳定的小型直流电机，可用移动电刷位置的方法改善换向。
4.2预防换向火花过大的方法
1、电刷的硬度既不能太硬也不能太软
太硬则会加快换向器表面的磨损，使表面产生凹槽，造成换向器与电刷的接触不良，产生火花；太软则分流不均致使个别电刷发热损坏。
2、电刷和换向器表面吻合
电刷在使用前最好将其放在与换向器圆周等大小的模具上研刮，使其下端面形成凹窝，并通过观察擦痕进行修刮，使电刷磨损加快易在换向器表面形成炭膜，使火花拉长。
因此尽可能按照制造厂家使用说明书提供的牌号来选择；其次要注意电刷的尺寸大小要合适，在刷握的每边都应留有0.20mm左右的间隙，但不能太大，只要能够自由地上下移动即可。
同一列电刷的牌号要一致，以免因其与换向器表面完全吻合，保证接触良好。
3、及时更换电刷
电刷磨损过分严重时会导致压簧压力不足，致使电刷与换向器接触不紧密而产生火花，因此应及时更换电刷和刷握弹簧。
一般电刷磨损大于3/4时应予以更换；压簧使用久了，也会因温度效应使弹性逐渐减弱，发现弹簧弹性减弱时应及时更换。
4.3脉流牵引电动机换向
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