ZQDR-328型直流电机环火问题的分析与研究

ZQDR328型直流电机环火问题的分析与研究摘要ZQDR328型直流牵引电机的安全稳定运行对于主机（矿山自卸车）的连续正常运行有着至关重要的作用。本文对电机环火现象的原因、电机的原理、环火现象的检测方法以及对电机环火如何进行预防与处理进行了阐述。针对环火现象的特征研究出三种诊断环火现象将要发生的检测方法即换向器及电刷状态检测法、电机分电流动态差别特征判断法、电机换向器电流火花特征判断法，运用该检测法能及时判断将要发生的环火现象，减少故障的发生。同时对环火现象造成的故障从机械、电磁、化学、备件质量等方面如何检测与处理进行了研究，对电机在使用过程中如何进行维护与保养有重要的指导意义。关键词牵引电机；换向器；环火；检测ZQDR328DCMOTORRINGFIREPROBLEMRESEARCHABSTRACTTRACTIONMOTORTOTHESAFEANDSTABLEOPERATIONOFTHEHOSTDUMPTRUCKCONTINUOUSNORMALOPERATIONPLAYSAVERYIMPORTANTROLE,THEMOTORRINGFIREPHENOMENON,MOTORPRINCIPLE,ANDRINGFIREPHENOMENONOFMOTORRINGFIREDETECTIONMETHODANDHOWTOCARRYOUTPREVENTIONANDTREATMENTWEREDISCUSSEDINVIEWOFTHECHARACTERISTICSOFTHERINGOFFIREINTHREEDIAGNOSTICRINGFIREPHENOMENONWILLOCCURTHEDETECTIONMETHODOFCOMMENTATORANDBRUSHSTATEDETECTIONMETHOD,THEMOTORCURRENTDYNAMICDIFFERENTIALCHARACTERISTICSJUDGMENTMETHOD,MOTORCOMMENTATORCURRENTSPARKCHARACTERISTICSJUDGMENTMETHOD,USINGTHISDETECTIONMETHODCANTIMELYJUDGEWILLOCCURRINGFIREPHENOMENON,REDUCINGFAULTOCCURRENCEATTHESAMETIMETORINGFIREPHENOMENONISCAUSEDBYTHEFAULTFROMTHEMECHANICAL,ELECTROMAGNETIC,CHEMICAL,SPAREPARTSQUALITYANDOTHERASPECTSOFHOWTODETECTANDPROCESSWERESTUDIED,THEMOTORINTHEUSEOFTHEPROCESSHOWTOUNDERTAKEMAINTENANCEANDMAINTENANCEISOFIMPORTANTGUIDINGSIGNIFICANCE【KEYWORDS】TRACTIONMOTOR；COMMENTATOR；RINGFIRE；DETECTION目录中文摘要、中文关键词1英文摘要、英文关键词1前言2第一章ZQDR328型直流电机环火现象的原因311环火的形成312诱发环火的几种常见因素313环火的危害4第二章直流电机的知识521直流电机的用途522直流电机的结构523直流电机的分类824直流电机的励磁方式925直流电机的机械特性926直流电机的控制结构1027直流电机的控制原理10第三章直流电机的常规性试验1231轴电压的测定1232电感的测定1233空载特性的测定1534电机的电压、电流纹波因数及电流波形因数的测定1535额定负载试验17第四章直流电机环火现象的检测方法18第五章直流电机环火现象的预防与处理方法21第六章结束语24参考文献25致谢260前言ZQDR328直流电机（以下简称328电机）是应用于矿用自卸车的牵引电机。牵引电机在运行过程中当受到冲击负载或突然短路时，电枢电流急剧增加，换向绕组元件中的电抗电势也立即加大。由于换向极铁芯的涡流作用，换向磁场却不能随电枢电流同步增长，以致电抗电势远远大于换向电势，造成过分的延迟换向，从而在后刷边产生强烈的电弧。这电弧随着换向器的运动而拉长，加上电动力的作用，拉长的速度可能超过换向器的周速，同时,由于电枢电流激增引起磁场严重畸变，使得换向器某地方的片间电压显著增加，因而发生电位差火花，并使换向器周围空气电离。当电磁性火花和电位差火花汇合在一起时，它们互相促进，在一定条件下会形成一股跨越正、负电刷之间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围，这种现象称为环火。又由于环火时产生强烈的弧光和声响，故俗称“放炮”。发生环火就相当于电枢绕组经过电刷而直接短路，其后果十分严重。轻者将刷架联线、电刷、刷杆、刷握和换向器烧坏，重者将电枢绕组损害，以致将整台电机、电器烧损。多年来直流电机换向器环火一直是困扰制造单位与使用单位的主要故障问题之一。因此，使用有效的手段及时检测到电机环火的隐患，并运用合理的方法处理环火故障，使牵引电机能够长期稳定的运行，是牵引电机制造单位与使用单位长期追求的目标。1第一章ZQDR328型直流电机环火现象的原因11电机环火现象的形成当电机受到冲击负载或突然短路时，电枢电流急剧增加，换向绕组元件中的电抗电势也立即加大。由于换向极铁芯的涡流作用，换向磁场却不能随电枢电流同步增长，以致电抗电势远远大于换向电势，造成过分的延迟换向，从而在后刷边产生强烈的电弧。这电弧随着换向器的运动而拉长，加上电动力的作用，拉长的速度可能超过换向器的周速，同时，由于电枢电流激增引起磁场严重畸变，使得换向器某地方的片间电压显著增加，因而发生电位差火花，并使换向器周围空气电离。当电磁性火花和电位差火花汇合在一起时，它们互相促进，在一定条件下会形成一股跨越正、负电刷之间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围，这种现象称为环火，如图11所示。又由于环火时产生强烈的弧光和声响，故俗称“放炮”。发生环火就相当于电枢绕组经过电刷而直接短路，其后果十分严重。轻者将刷架联线、电刷、刷杆、刷握和换向器烧坏，重者将电枢绕组损坏，以致将整台电机、电器烧损。图11环火12诱发环火的几种常见因素1换向器表面粗糙我国现行矿用自卸车牵引电机的换向器表面粗糙度规定为RA16以上，在此条件下才能够保证电机运行时因电刷作用在换向器表面会形成一层氧化亚铜CU2O薄膜。由于氧化膜电阻较高，抑制了附加换向电流，有利于换向。一旦因加工精度不够或因划痕等使换向器表面粗糙度超差，则电刷磨耗过大，有大量的碳粉磨落下来，换向器表面的氧化亚铜薄膜遭到严重破坏而不能交替形成。从而，电机的换向急剧恶化，以致形成环火。2下刻、倒角、退刀槽加工的精度差这三道工序虽说简单易做，但是往往被人们所轻视。其实，换向器下刻的精度不高，如过深或过浅，或过于粗糙都可能使电刷与换向器摩擦下来的碳粉滞留倒角和2退刀槽的加工不符合标准也可造成正常磨耗的碳粉从换向器两端甩不出来。这些现象都可能导致火花增大，以致发展成环火放炮。3转轴弯曲变形或动平衡不良电机由于受外力或异物等作用而产生转轴弯曲变形，或动平衡不良。此时，电机在运行中会造成电刷在换向器表面跳动超差，引起电刷向换向器表面放电，像点焊一样，使换向器表面形成“麻面”。这种“麻面”如同砂布的作用一样，把电刷很快磨耗，如同1结果一样。4电刷严重受潮当电刷受潮后，由于摩擦下来的碳粉湿度比较大，吸附性强，所以这种碳粉难以从换向器表面甩出因而破坏换向，产生环火。5运行环境影响电机工作条件对周围环境有一定的要求，如果换向器附近的油液，润滑脂，空气中的水分，油雾，雨雪天气和悬浮的粉尘都将会影响电机换向器上氧化膜的正常驻形成。13环火的危害直流电机在某些恶劣条件下运行时，在换向器表面正、负电刷之间可能出现强烈的环行电弧而发生短路，同时伴有闪光与巨响，这种现象称为环火俗称“放炮”。强烈的电弧不仅会灼伤换向器表面和电刷，对电机具有很大的破坏性，而且可能造成以下危害1电弧由换向器表面飞向换向器前压圈、转轴、刷架圈、磁极铁心或机座，造成电动机接地。2环火时电动机由电动机工况转为发电机工况运行，电流经电弧直接流入励磁绕组，使励磁电流迅速增大，反电动势猛增，从而在电枢绕组中产生巨大的反向短路电流，不仅可能将电枢绕组烧断，造成“扫膛”,还会产生巨大的制动转矩,影响设备的正常运行。环火不仅严重影响电机安全正常运行，而且会给电机使用单位带来一定的经济损失，多年来，尽管电机的制造与使用单位对电动机环火现象非常重视，并采取了一些措施，但因环火造成的故障仍然是危害电机安全运行的主要故障之一。因此，对产生环火的原因进行分析，找出诊治环火顽疾的良方，具有重要意义。3第二章直流电机的基本知识21直流电机的用途直流电机是实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的用途广泛，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、矿用自卸车、市内电车等，通常都使直流电机作为供电设备或作为原动机来拖动工作机械或设备。22直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。221定子（1）主磁极1主磁极2励磁绕组3机座图21主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用05MM15MM厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。如图21所示，整个主磁极用螺钉固定在机座上。（2）换向极4换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。如图22所示，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，主磁极的结构换向极的数目与主磁极相等。1换向极铁心2换向极绕组图22换向极（3）机座电机定子的外壳称为机座，见图21中的3。机座的作用有两个用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。（4）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图23所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。1刷握2电刷3压紧弹簧4刷辫图23电刷装置5222转子电枢（1）电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由05MM厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成嵌线槽的形状如图24所示，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。1槽楔2线圈绝缘3电枢导体4层间绝缘5槽绝缘6槽底绝缘图24直流电机定子绕组嵌线槽（2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈以下称元件按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图25所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。1首端2末端3元件边4端接部分5换向片图25电枢绕组6（3）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，如图26所示。换向片之间用云母片绝缘，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用螺母锁紧。1换向片2连接部分图26换向器（4）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。23直流电机的分类直流电机分为无刷直流电机和有刷直流电机。无刷直流电机是将普通直流电机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电机类似。无刷直流电机定子的结构与普通的同步电机或感应电机相同在铁芯中嵌入多相绕组，绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同。可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电机也叫做永磁无刷直流电机。有刷直流电机有刷电机的2个刷铜刷或者碳刷是通过绝缘座固定在电机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上，而换相器连通了转子上的线圈，3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁形成作用力而转动起来。由于换相器与转子固定在一起，而刷与外壳定子固定在一起，电机转动时刷与换相器不断的发生摩擦产生大量的阻力与热量。所以有刷电机的效率低下且损耗非常大。但是，他同7样具有，制造简单，成本及其低廉的优点24直流电机的励磁方式直流电机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电机的励磁方式有4种直流他励电机、直流并励电机、直流串励电机和直流复励电机。掌握4种方式各自的特点（1）直流他励电机励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。（2）直流并励电机电路并联，分压，并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。（3）直流串励电机电流串联，分流，励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。（4）直流复励电机电机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。25直流电机的机械特性电机的转速N随转矩T而变化的特性【NFT】称为电动机机械运行特性，它是选用电机的一个重要依据，各类电机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。调速从直流电机的电枢回路看,电源电压U与电机的反电动势E和电枢电流Z在电枢回路电阻R上的电压降必须平衡，即UEDIDRD。反电动势又与电机的转速N和磁通有关，电枢电流又与机械转矩M和磁通有关。即Z4系列直流电机EDCNMCID式中C为常数。由此可得式中N0为空载转速，K为R/C2。以上是未考虑铁心饱和等因素时的理想关系，但对实际直流电机的分析也有指导意义。由上可见直流电机有3种调速方法调节励磁电流、调节电枢端电压和调节串入电枢回路的电阻。调节电枢回路串联电阻的办法比较简便，但能耗较大；且在轻负载时，由于负载电流小，串联电阻上电压降小，故转速调节很不灵敏。调节电枢端电压并适当调节励磁电流，可以使直流电动机在较宽的速度范围内平滑地调节。端电压加大使转速升高，励磁电流加大使转速降低，二者配合得当，可使电机在不同转速下运行。调速中应注意高速运行时，换向条件恶化，低速运行时冷却条件变坏，从而限8制了电机的功率。串励直流电机由于它的机械特性图2接近恒功率特性,低速时转矩大，故广泛用于电动车辆牵引，在电车中常用两台或两台以上既有串励又有并励的复励直流电机共同驱动。利用串、并联改接的方法使电机端电压成倍地变化（串联时电动机端电压只有并联时的一半），从而可经济地获得更大范围的调速和减少起动时的电能消耗。26直流电机的控制结构直流无刷电机的控制结构，直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数P影响，N120F/P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制驱动器，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速返馈至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。电源部可以直接以直流电输入一般为24V或以交流电输入110V/220V，如果输入是交流电就得先经转换器CONVERTER转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器INVERTER转成3相电压来驱动电机。换流器INVERTER一般由6个功率晶体管Q1Q6分为上臂Q1、Q3、Q5/下臂Q2、Q4、Q6连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM脉冲宽度调制决定功率晶体管开关频度及换流器INVERTER换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器HALLSENSOR，作为速度之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。但这只是用来作为速度控制并不能拿来作为定位控制。27直流电机的控制原理直流无刷电机的控制原理，要让电机转动起来，首先控制部就必须根据HALLSENSOR感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启或关闭换流器INVERTER中功率晶体管的顺序，INVERTER中之AH、BH、CH这些称为上臂功率晶体管及AL、BL、CL这些称为下臂功率晶体管，使电流依序流经电机线圈产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到HALLSENSOR感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管或只开下臂功率晶体管；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。9基本上功率晶体管的开法可举例如下AH、BL一组AH、CL一组BH、CL一组BH、AL一组CH、AL一组CH、BL一组，但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂或下臂尚未完全关闭，下臂或上臂就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令COMMAND与HALLSENSOR信号变化的速度加以比对或由软件运算再来决定由下一组AH、BL或AH、CL或BH、CL或开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于HALLSENSOR信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、直流无刷电机实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的HALLSENSOR信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以ENCODER变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，PID控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差ERROR。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如PID控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型PID控制的重要理论。10第三章直流电机的常规性试验31轴电压的测定试验前应分别检查轴承座与金属垫片、金属垫片与金属底座间的绝缘电阻。第一次测定时，被试电机应在额定电压、额定转速下空载运行，用高内阻毫伏表测量轴电压UL，然后用导线A将转轴一端与地短接，测量另一轴承座对地轴电压U3，测量完毕将导线A拆除。试验时测点表面与毫伏表引线的接触应良好，轴电压测定，如图31所示。第二次测定时，被试电机在额定电流、额定转速下短路或额定负载运行，测量轴承电压U2对调速电机可仅在最高额定转速下进行检查。1轴承座；2绝缘垫片；3金属垫片；4一绝缘垫片；S转子；图31轴电压测定32电感的测定321电枢回路电感的测定1不饱和电感的测定试验开始前电机电刷的安装应接触良好，并（他）励磁场的绕组应短路以避免绕组感应高压。试验时，在电机电枢回路端子通以50HZ或60HZ的单相交流电。固定电枢防止转动，交流电流应限制在额定电流的20左右，以避免在短暂的试验期间电刷和换向器过热，同时读取交流电压、交流电流、相角或功率，相角也可通过瓦特表间接求得。2饱和电感的测定励磁绕组他励，通以额定励磁电流，励磁用直流电源的电流纹波因数不超过6。测定方法与不饱和电感相同。11串励电机电枢回路仅进行饱和电感的测试，此时串励绕组由直流电源他励，通以额定电流，励磁用直流电源的纹波因数不超过6。求得的饱和电感并不包括由于串励磁场引起的附加电感。3负载状态下的饱和电感的测定被试电机作为发电机，在特定的负载电流状态下运行，使用一台交流发电机，一个电容器C和一个电感L，如图32所示，将20左右额定电流的交流电流叠加在直流负载电流上。电枢回路电感用交流电压、交流电流的有效值，按式33计算。图32电感测定4电枢回路电感试验值的计算电枢回路电感试验值应按式1计算式31式中L电枢回路电感的试验值，H；U交流电压的有效值，V；F频率，HZ交流电压，交流电流间的相角；I交流电流的有效值322并（他）励励磁绕组电感的测定1不饱和电感的测定试验时，电机励磁绕组用一在被试电机额定励磁电流时电压调整率小于2的电源他励，将电机驱动到额定转速，电枢两端开路，调节励磁使电枢电压至额定，在额定和零之间来回两次，然后降低电枢电压到50额定值左右，记下励磁绕组电压为预定值，再将励磁电压减小到零，断开励磁回路，调节励磁电压到预定值，再合上励磁回路，观察并摄录励磁电压、励磁电流、电枢电压相对于时间的变化过程。2饱和电感的测定试验线路如图33所示。12图33试验线路试验时，将电机驱动到额定转速，对调速电机，应驱动到最低额定转速，电枢两端开路，闭合开关S，调节励磁电压UF，使电枢两端产生100额定电枢电压，然后打开开关S，调节R。使电枢电压在90110额定值之间变动两次，最终使之停止于90额定值处。闭合开关S，观察并摄录励磁电压、励磁电流、电枢电压相对于时间的变化过程。3励磁绕组电感试验值的计算不考虑铁心涡流效应时励磁绕组电感按式32、式33计算式32式33式中；LF励磁绕组电感，H；RF励磁绕组直流电阻，；T励磁电流变化量达到最大值的632时的时间，S；L励磁绕组有效电感，HTV电枢电压变化量达到最大值的632时的时间S。考虑电机铁心涡流效应时励磁绕组电感按式34计算式34式中RF励磁绕组直流电阻，；A在半对数坐标IF/IFC与T的关系曲线上，曲线直线部分的延长线与纵坐标轴交点之值）；励磁电流的稳态值。13C按（式35计算式35式中T、B1和T、B；在曲线的直线部分任取两点P和Q的相应值，曲线图如图34所示。图34曲线图33空载特性的测定试验时，励磁绕组他励，并由其他可变电压的直流电源给电枢供电，作空载电动机运行，加在电枢上的电压从额定电压的25左右到120左右调节，保持额定转速不变，同时读取电枢电压和励磁电流的数值在低电压时，电动机运行很不稳定，应注意不要使电机超速。34电机的电压、电流纹波因数及电流波形因数的测定341脉动电压、脉动电流最大值、最小值的测定脉动电压、脉动电流最大值、最小值可用示波器记录电压、电流波形进行测定。342电压、电流纹波因数的计算（1）电压、电流波形不间断时纹波因数的计算如图35所示，电压、电流波形不间断时，其纹波因数应按式36、式37计算式中KOCU式36式中KOCU电压纹波因数；脉动电压最大值，V；脉动电压最小值，V；式37式中14KOCI电流纹波因数；脉动电流最大值，V；脉动电流最小值，V。图35电压、电流波形图（2）电压、电流波形间断时纹波因数的计算如图36所示，电压、电流纹波间断式，其纹波因数应按式38、式39计算式38式中KOCU电压纹波因数；U脉动电压最大值，VI；U直流电压平均值,V。式39式中；KOCI电流纹波因数；I脉动电流最大值，A；I直流电流平均值，A。图36电压、电流波形图343电流波形因数的计算15电流波形因数按式312计算K式312式中K电流波形因数；电流的有效值，A；IAV一电流的平均值，A。35额定负载试验直流电动机的额定负载试验，是当电动机在额定电流，额定电压、额定励磁电流或额定励磁电压下（对不带磁场变阻器的并励电机）校核转速。小功率直流电动机的额定负载试验，是当电动机在额定功率或额定转矩、额定电压、额定励磁电压下，确定额定电流及校核转速调速电动机的额定负载试验，应分别在最低额定转速及最高额定转速下进行。试验时，应测定电枢电压、电枢电流、励磁电流及转速。对保持额定功率进行试验的小功率直流电动机还应测定转矩。在型式试验中，电机的额定负载试验，应在电机额定运行至各部分的温升达到热稳定时进行。在检查试验中，电机额定运行的持续时间由该类型电机标准规定。电机的换向检查应在电机额定负载试验中同时进行。检查的方法是将负载自空载或1/4额定负载（对不允许空载的电机）调节到额定负载。此时，在换向器及电刷上的火花等级应不超过GB755或该类型电机标准的规定。16第四章直流电机环火故障的检测方法直流牵引电机环火故障的检测技术是准确诊断故障的主要手段、根据直流牵引电机的原理与产生环火火花的特征，在日常的使用过程中主要从以下几个方面进行检测（1）换向器及电刷状态检测法该方法是基于换向器火花等级法，如表1所示。而制定的静态检测方法；针对不同火花等级下对应的换向器及电刷应有的状态进行比对，判断是否存在环火故障的隐患，做到及时发现与处理。同时根据现场经验，对不同情况下换向器表面的体现出的不同状态制定换向器检查表，用于比较换向器表面的标志，如表1、表2所示。表1电机换向火花的等级判定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11/4电刷边缘仅小部分（约1/5至1/4刷边长）有断续的几点点状火花换向器上没有黑痕及电刷上没有灼痕11/2电刷边缘仅大部分（大于1/2刷边长）有连续的、较稀的颗粒状火花换向器上有黑痕，但不发展，有汽油擦其表面即能除去，同时在电刷上有轻微灼痕2电刷边缘大部分或全部有连续的、较密的颗粒状火花，开始有断续的舌状火花换向器上有黑痕，有汽油不能擦除，同时在电刷上灼痕；如短时出现这一级火花，换向器上不出现灼痕，电刷不烧焦或损坏3电刷整个边缘有强烈的舌状火花，伴有爆裂声音换向器上有黑痕较严重，有汽油不能擦除，同时在电刷上灼痕。如在这一火花等级下短时运行，则换向器上将出现灼痕，同时电刷将被烧焦或损坏17表2换向器表面状态标志合格的换向器表面在整个换向器表面上的浅褐色氧化膜，是在功能良好的机器上常见的很多正常的状况之一。无规则氧化膜图案的熔化表面可能是工业上最常观察到的换向器状况。定子槽条纹标志是一种稍暗的氧化膜，以和每个定子槽导体数量有关的一定图案的形式出现在定子槽铜条上。浓密的氧化膜会出现在整个有效区和正常的换向器上，而且，如果氧化膜均匀的话，则完全合格。存在隐患的换向器表面在换向器表面上出现的条纹预示着大量的金属开始转移到了碳刷上，找出可能的原因。当出现过量的金属转移时，就会在换向器上出现细线纹路。通常导致重新对换向器表面进行涂层和导致碳刷快速的磨损。凹槽是一种由碳刷或大气中的研磨材料引起的机械状况。如果形成了凹槽，应开始采取改正措施。铜阻是换向器材料的异常积聚，往往在定子铜条的后缘形成。这种情况很少发生，但是，如果不加以制止，就会引起飞弧。节距条纹标志会在换向器表面产生凹陷的或灼烧出的斑点。这些标志的数量等于电机上极数的一半或等于全部极数。深色定子槽条纹标志涉及了定子铜条的后缘的侵蚀。图案与每个槽的导体数量有关。18（2）基于换向器及电刷状态检测法电机在发生环火故障时相当于电枢绕组经过电刷而直接短路，致使电枢电流突然变大，根据这一情况利用电机的控制与检测系统监控，一旦监测到电枢电流产生规律性的波动时控制系统自动报警并分断电枢电路的动态检测方法。（3）基于电机换向器电流火花特征判断法电机在运行过程中换向器表面总是会有一定的火花，在正常情况下,允许电机换向器的电刷边缘有轻微的火花，但换向器火花不能大于规定的2级，超过2级火花是不允许运行的。实时的监测换向器火花的状态，并迅速对火花状态的级别进行判断，在超过2级火花的情况下向装配有牵引电机的主设备进行报警，从而达到保护电机，减少环火故障的目的。在生产实践中,对换向火花的监测通常点检工人来完成。人工观测火花受主观因素影响，而且无法对火花的状态进行记录。为此，提出一种新的换向火花监测方法图像监测X收法。该方法的原理如图41所示。该方法使用CCD图像传感器探测火花的光信号，输出视频图像信号。使用视频图像采集卡把视频图像信号转变为数字图象。点检工人可以在监视器和计算机显示器上查看火花图像；通过火花自动识别软件，计算机可以完成对火花的自动分级和电机故障的预报。图41换向火花图象监测法原理框图19第五章直流电机环火现象的预防与处理方法直流牵引电机在换向时换向器表面会现成一定的火花，这是直流电机的构造缺陷，因此在日常的使用过程中一旦发生环火故障应从以下几个方面进行预防与处理，消除由于安装与使用不当从而给电机环火故障带来的隐患（1）机械方面牵引电机在运行时，一旦出现火花，应根据具体情况仔细检查分析，先找出机械方面的原因，并采取措施加以消除。为保证牵引电动机运行时不产生机械火花，应定期对影响换向的各机械量进行检测。对于中小型直流牵引电机，个别换向片产生的跳动量应小于004MM，换向器椭圆度应小008MM，电刷接触面积应大于80，电刷压力为3040N，电刷与刷盒内缘的间隙，轴向为00804MM，径向为007035MM，槽深度为1MM。为了保持换向器和电刷工作状态完好，对电机经常维护保养是很重要的。在日常的检查工作中应着重注意以下几点查看换向器工作表面的氧化膜色泽是否良好，如出现不正常的状态或颜色，应及时分析原因，并作相应处理。检查换向器表面是否有污染、毛刺、斑痕或拉伤沟纹。常用干燥的压缩空气吹扫换向器表面；如有油污，可用浸有少量酒精或丙酮的无维抹布揩拭干净；如有烧痕，可用0号玻璃砂布清擦；如有毛刺、斑痕或拉伤沟纹，可进行刀光处理或打磨处理。检查换向器是否偏心，换向器工作表面是否变形，如变形则应及时报修处理。检查是否有个别换向片或云母片凸出，如有应及时打磨处理。检查电刷接触面是否光滑、是否有接触不良或局部接触现象，并作相应处理。检查电刷与刷盒之间的间隙是否合适，如不合适应作适当调整。测量电刷压力是否在规定值，如不符合应及时进行调整。检查刷握装置是否稳固，必要时要进行紧固处理。检查刷架圈的定位是否准确或安装是否牢固，必要时应进行调整或紧固处理。经常清扫换向片间的沟槽，保持电机内部的良好通风。（2）电磁方面要综合采用改善换向的措施。电磁火花是原始火花中最主要部分，也是最大的火花。减小电磁火花的方法又称改善换向。在这方面的研究较多，技术也比较成熟。20对直流牵引电动机，主要措施有合理安装换向极、减小电抗电势和电枢反应电势、增加换向回路的电阻如采用分裂式电刷、高接触电阻的电化石墨电刷、移动电刷等。对脉流牵引电动机，除了上述措施外，还要采用尽量减小交流合成电势的数值，改善交流换向电势的相位，选择合适的变压器电势，采用感应分路等。减小电枢电流。电枢电流的大小是根据电动机的实际需要确定的，不能进行人为的限制。这里只考虑由于磁场削弱而引起的电枢电流的突增问题。有级磁场削弱过渡瞬间，会引起电枢电流的突增，而且削弱越深，电枢电流越大。因此，一方面要尽量控制磁场削弱不要太深，另一方面尽量采用多级或无级磁场削弱。由于无级磁场削弱是平滑过渡，不会引起电流的突增，因此建议优先采用无级磁场削弱。改善电位特性或减小片间电压A从设计标准上限制换向器圆周上的电位梯度和最大片间电压值。牵引电动机运行经验表明，为防止环火的产生，沿换向器圆周上单位长度即电位梯度的最大值应小于8090V/CM，最大片间电压应不超过下列极限值。当云母片厚度为018MM时，最大片间电压35V；当云母片厚度为110MM时，最大片间电压3540V；当云母片厚度为112MM时，最大片间电压4043V；当云母片厚度为115MM时，最大片间电压4345V。B采用适当的主极极靴形状，如偏心气隙、部分扩张气隙。这样可以减小电枢反应对主磁通的畸变作用，从而改善换向器的电位分布。C选择适当的极弧系数。极弧系数等于极弧长度与极距之比。极弧系数