还必须在换向器表面形成均匀而光亮的薄膜层,不正常薄膜的出现将预示着电机 换向的恶化。 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,当电机工作时 电刷和换向器接触面上流过电流,该电流使水汽发生电解作用,电刷和换向器形 成两个极,正极产生氧,负极产生氢。开始,铜离子向外运动,遇到氧离子生成 氧化亚铜膜。而铜离子不断穿越最初建立的膜,再与空气中的氧相遇产生新的膜, 使膜不断加厚。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。同时,在这层薄膜上面又吸附着 层非常薄、有粘性的石墨和碳粉组成的碳膜,其结构如图4-9所示。 图4一9换向器滑动面薄膜 1-电刷:2-石墨碳粉:3-氧化亚铜:4-换向器。 由图4-9可见,换向器滑动面薄膜由两部分组成 (1)金属氧化膜,由氧化铜和氧化亚铜的混合物组成; (2)碳膜,在氧化膜上面,由微小的碳粒、石墨和其他附着物组成。 电机运行时,由于金属氧化膜本身具有较高的电阻,从而增加了换向元件回 路的电阻,降低了附加换向电流中,改善了电机的换向。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。另外,薄膜与电刷间相互存在着一定的粘附作用,可以缓冲或减小电刷 的颤振频率和速度,保持电刷与换向器之间滑动接触的稳定性,减小或消除机械 性火花。因此,薄膜对电机的工作起着十分重要的作用 但是,这层薄膜并非静止不变。电机工作时,金属氧化膜在电刷的磨擦下被 破坏,但当电流通过时,由电刷和换向器形成的正、负电极使空气中的水汽电解, 加之换向器滑动接触面温度较高,又会使铜表面氧化形成新的氧化膜。与此同时
还必须在换向器表面形成均匀而光亮的薄膜层，不正常薄膜的出现将预示着电机 换向的恶化。 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，当电机工作时， 电刷和换向器接触面上流过电流，该电流使水汽发生电解作用，电刷和换向器形 成两个极，正极产生氧，负极产生氢。开始，铜离子向外运动，遇到氧离子生成 氧化亚铜膜。而铜离子不断穿越最初建立的膜，再与空气中的氧相遇产生新的膜， 使膜不断加厚。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。同时，在这层薄膜上面又吸附着 一层非常薄、有粘性的石墨和碳粉组成的碳膜，其结构如图 4－9 所示。 图 4－9 换向器滑动面薄膜 1-电刷；2-石墨碳粉；3-氧化亚铜；4-换向器。 由图 4－9 可见，换向器滑动面薄膜由两部分组成： (1)金属氧化膜，由氧化铜和氧化亚铜的混合物组成； （2）碳膜，在氧化膜上面，由微小的碳粒、石墨和其他附着物组成。 电机运行时，由于金属氧化膜本身具有较高的电阻，从而增加了换向元件回 路的电阻，降低了附加换向电流中，改善了电机的换向。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。另外，薄膜与电刷间相互存在着一定的粘附作用，可以缓冲或减小电刷 的颤振频率和速度，保持电刷与换向器之间滑动接触的稳定性，减小或消除机械 性火花。因此，薄膜对电机的工作起着十分重要的作用。 但是，这层薄膜并非静止不变。电机工作时，金属氧化膜在电刷的磨擦下被 破坏，但当电流通过时，由电刷和换向器形成的正、负电极使空气中的水汽电解， 加之换向器滑动接触面温度较高，又会使铜表面氧化形成新的氧化膜。与此同时
由正电刷分离出许多极小的微粒吸附在氧化膜上形成碳膜,又由负电刷将它们清 除。因此,薄膜在不断地形成与破坏,如果破坏的速率小于形成的速率,则氧化 膜逐步建立起来,对正常运行的电机维持一种动态平衡 薄膜的形成及其颜色,还与电刷的材质。电刷的压力、电流密度。运行时间 长短及周围环境等许多因素有关。正常的换向器表面薄膜应当是棕褐色的,在手 电光照之下,能反射出光泽,有一种油润感。从运用观点来看,只要薄膜是均匀 的、光亮的、稳定的和呈棕褐色的,则标志着电机的换向是正常的 2.不正常的换向器薄膜 直流和脉流牵引电动机在换向不良、内部发生故障或者在髙原缺氧、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。不正常的权向器薄膜,主要有以下几种: (1)黑片 黑片是指换向片工作表面出现无光泽的黑膜。这是因为当火花达到一定程度 时,其热效应引起铜和碳的气化,使钢表面变得粗糙,而出现无光泽黑膜。如果 整个换向器表面都发黑, 激电机在正常运行时,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。如每槽有4个元件的电枢,在换向器表面上出现隔3 片有1片换向片发黑,通常是与电枢槽中最后换向的电枢元件相连的换向片发 黑。这是因为当一个槽内有几个元件同时换向时,槽内最后一个元件储存的电磁 能量的散失比其他几个元件更为困难,在换向结束时,集中于最后一个元件中的 电磁能量,无法通过互感由其他元件吸收,因而产生火花使换向片烧黑。产生这 种现象的原因主要有:电刷或换向极分布不等分;电刷不在主极中心线上;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。 与均压线相连的换向片发黑。这是由于均压线电流过大引起的。原因可能是 励磁绕组发生故障(断线、匝间短路等),使主磁场差别很大,则均衡电流就很
由正电刷分离出许多极小的微粒吸附在氧化膜上形成碳膜，又由负电刷将它们清 除。因此，薄膜在不断地形成与破坏，如果破坏的速率小于形成的速率，则氧化 膜逐步建立起来，对正常运行的电机维持一种动态平衡。 薄膜的形成及其颜色，还与电刷的材质。电刷的压力、电流密度。运行时间 长短及周围环境等许多因素有关。正常的换向器表面薄膜应当是棕褐色的，在手 电光照之下，能反射出光泽，有一种油润感。从运用观点来看，只要薄膜是均匀 的、光亮的、稳定的和呈棕褐色的，则标志着电机的换向是正常的。 2.不正常的换向器薄膜 直流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。不正常的权向器薄膜，主要有以下几种： （1）黑片 黑片是指换向片工作表面出现无光泽的黑膜。这是因为当火花达到一定程度 时，其热效应引起铜和碳的气化，使钢表面变得粗糙，而出现无光泽黑膜。如果 整个换向器表面都发黑， 激电机在正常运行时，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。如每槽有 4 个元件的电枢，在换向器表面上出现隔 3 片有 1 片换向片发黑，通常是与电枢槽中最后换向的电枢元件相连的换向片发 黑。这是因为当一个槽内有几个元件同时换向时，槽内最后一个元件储存的电磁 能量的散失比其他几个元件更为困难，在换向结束时，集中于最后一个元件中的 电磁能量，无法通过互感由其他元件吸收，因而产生火花使换向片烧黑。产生这 种现象的原因主要有：电刷或换向极分布不等分；电刷不在主极中心线上；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。 与均压线相连的换向片发黑。这是由于均压线电流过大引起的。原因可能是 励磁绕组发生故障（断线、匝间短路等），使主磁场差别很大，则均衡电流就很
大;或是采用了不同牌号的电刷,接触电阻不同,使并联支路电流相差较大,均 压线电流增大。 沿换向器表面对称地出现成组几片换向片发黑。这种黑片现象可能是换向器 因机械缺陷或过热而产生较大的变形,引起换向器表面局部跳动量过大所致。因 为局部跳动量大时会使电刷跳离换向器工作表面,可能产生覆盖几片换向片的电 弧。电刷压力偏低时也可能造成换 向器表面局部成组几片发黑。 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。如电刷压力不够;电刷在刷盒中活动不灵活 个别换向片或云母片凸出;电枢动平衡不好;换向器表面有油污等。 (2)条纹和沟槽 条纹是指沿换向器圆周表面上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磨擦作用, 使局部薄膜 变薄或消失而造成的。电刷接触面上沉积有铜粒子,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)铜毛刺 铜毛刺是指在换向片边缘出现象碎片一样的毛刺,它们逐渐发展成薄钢片延 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锤击作用形成的 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
大；或是采用了不同牌号的电刷，接触电阻不同，使并联支路电流相差较大，均 压线电流增大。 沿换向器表面对称地出现成组几片换向片发黑。这种黑片现象可能是换向器 因机械缺陷或过热而产生较大的变形，引起换向器表面局部跳动量过大所致。因 为局部跳动量大时会使电刷跳离换向器工作表面，可能产生覆盖几片换向片的电 弧。电刷压力偏低时也可能造成换 向器表面局部成组几片发黑。 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。如电刷压力不够；电刷在刷盒中活动不灵活； 个别换向片或云母片凸出；电枢动平衡不好；换向器表面有油污等。 （2）条纹和沟槽 条纹是指沿换向器圆周表面上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磨擦作用， 使局部薄膜 变薄或消失而造成的。电刷接触面上沉积有铜粒子，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）铜毛刺 铜毛刺是指在换向片边缘出现象碎片一样的毛刺，它们逐渐发展成薄钢片延 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锤击作用形成的。 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,象镜面一样 此时,电刷与换向器之间的接触电阻减小,附加换向电流i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。 高度磨光是由于多种外因作用,破坏了换向器表面氧化膜层而形成的。如长 期在低负载下工作;严寒条件下换向器表面积有冰霜;在干旱风沙地区运行等 此时应设法找出破坏氧化膜的原因,重建氧化膜,必要时可选用经过特殊处理, 含有帮助建立氧化膜物质(如MS2)的电刷。 总之,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 当经常注意和检査换向器的表面状态,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 第三节改善直流牵引电动机换向的方法 改善换向的目的在于消除电刷下的火花。消除换向火花的实质,是设法减小 换向元件中附加换向电流讠。从换向过程分析可知,减小换向元件中的附加换向 电流i,可通过减少换向元件合成电势∑e和增大换向回路电阻两条途径实现 、设置换向极 换向极装在电机几何中心线上,其作用是在元件的换向区域内建立一个换向 极磁势F’F与交轴电枢反应磁势见相反,它除了抵消电枢反应磁势外,还剩 下一个换向磁势F,并在换向区建立换向磁场B,换向元件切割B后,就会在 换向元件产生一个与电抗电势。方向相反的换向电势ek,如果ek大小与e,相等 即合成电势∑e=0,从而改善电机的换向 为了保证在任何负载下换向电势都能恰好抵消电抗电势,换向极应满足以下
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，象镜面一样。 此时，电刷与换向器之间的接触电阻减小，附加换向电流 K i 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。 高度磨光是由于多种外因作用，破坏了换向器表面氧化膜层而形成的。如长 期在低负载下工作；严寒条件下换向器表面积有冰霜；在干旱风沙地区运行等。 此时应设法找出破坏氧化膜的原因，重建氧化膜，必要时可选用经过特殊处理， 含有帮助建立氧化膜物质（如 MOSZ）的电刷。 总之，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。 第三节 改善直流牵引电动机换向的方法 改善换向的目的在于消除电刷下的火花。消除换向火花的实质，是设法减小 换向元件中附加换向电流 K i 。从换向过程分析可知，减小换向元件中的附加换向 电流 K i ，可通过减少换向元件合成电势 e 和增大换向回路电阻两条途径实现。 一、设置换向极 换向极装在电机几何中心线上，其作用是在元件的换向区域内建立一个换向 极磁势 F， F 与交轴电枢反应磁势见相反，它除了抵消电枢反应磁势外，还剩 下一个换向磁势 Fk ，并在换向区建立换向磁场 Bk ，换向元件切割 Bk 后，就会在 换向元件产生一个与电抗电势。方向相反的换向电势 K e ，如果 K e 大小与 r e 相等， 即合成电势 e＝0，从而改善电机的换向。 为了保证在任何负载下换向电势都能恰好抵消电抗电势，换向极应满足以下
要求 (1)极性正确 换向极极性要保证其磁场方向与交轴电枢反应磁场方向相反。因此,对于电 动机,换向极极性应与沿旋转方向前面的主极极性相反,如图4-10所示。 发动机 电动机 s⑧ 图4-10换向极极性 (2)换问极绕组必须与电枢绕组串联 电机运行时电抗电势e的数值不是常数,e随着负载电流变化成正比变化。 为了保证ex在整个负载范围内随时抵消e,则要求ex也必须随着负载电流变化 而变化。因此,换向极绕组必须与电枢绕组串联。 (3)换向极磁路处于低饱和状态 换向电势e,是换向元件切割换向区磁密B2产生的,只有磁路不饱和时,才 能保证Bk与电枢电流人成比例变化,满足ex正比于L的要求。 为了使换向极磁路不饱和,在设计电机时,通常采用较大换向极气隙以使换 向极磁密降低。但是,如果单纯增大换向极和电枢表面间的空气隙,将使漏磁通 增加,而换向极漏磁通也是造成换向极磁路饱和的重要因素。为此,牵引电动机 常将换向极气隙分成两部分,即电枢与换向极极靴之间的第一气隙δ和换向极根 与机座内壁之间的第二气隙δ2,如图4-11所示。第二气隙垫以非磁性垫片 如发现换向电势补偿不当,还可通过调节第二气隙的大小来调整B4的数值,使
要求： （1）极性正确 换向极极性要保证其磁场方向与交轴电枢反应磁场方向相反。因此，对于电 动机，换向极极性应与沿旋转方向前面的主极极性相反，如图 4－10 所示。 图 4－10 换向极极性 （2）换问极绕组必须与电枢绕组串联 电机运行时电抗电势 r e 的数值不是常数， r e 随着负载电流变化成正比变化。 为了保证 K e 在整个负载范围内随时抵消 r e ，则要求 K e 也必须随着负载电流变化 而变化。因此，换向极绕组必须与电枢绕组串联。 （3）换向极磁路处于低饱和状态 换向电势 K e 是换向元件切割换向区磁密 Bk 产生的，只有磁路不饱和时，才 能保证 Bk 与电枢电流人成比例变化，满足 K e 正比于 a I 的要求。 为了使换向极磁路不饱和，在设计电机时，通常采用较大换向极气隙以使换 向极磁密降低。但是，如果单纯增大换向极和电枢表面间的空气隙，将使漏磁通 增加，而换向极漏磁通也是造成换向极磁路饱和的重要因素。为此，牵引电动机 常将换向极气隙分成两部分，即电枢与换向极极靴之间的第一气隙 1 和换向极根 与机座内壁之间的第二气隙 2 ，如图 4－11 所示。第二气隙垫以非磁性垫片， 如发现换向电势补偿不当，还可通过调节第二气隙的大小来调整 Bk 的数值，使