文档介绍：第四章直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
“换向”是装有换向器电机运行时的薄弱环节,对电机正常运行有很大的影响,也是评定电机质量优劣的标准之一。由于牵引电动机特殊的工作条件,使换向更为困难,尤其是由脉动电源供电的脉流牵引电动机,其换向性能更加恶化。
牵引电动机功率大,结构尺寸又受到安装空间的限制,发热极为严重。为降低电机的温度,牵引电动机在结构、材料、工艺上采取了许多措施,大功率牵引电动机,还采用专门的通风系统进行冷却。
本章依据换向的经典理论讨论换向问题,并注重研究直流和脉流牵引电动机换向的特殊问题,寻求改善换向的方法。还介绍了牵引电动机常用的通风冷却方法。
第一节换向的基本概念
一、火花现象和火花等级
人们从生产实践中发现,直流电机运行时,其电刷与换向器之间常常伴有火花。火花通常出现在电刷的后刷边,发生火花是直流电机换向不良的直接表现。如果火花在电刷上范围很小,亮度微弱,呈浅蓝色,它对电机运行并无危害,不必要求绝对没有火花。但当火花在电刷上范围较大,比较明亮,呈白色或红色,就会灼伤换向器及电刷,影响电机的正常运行。因此,火花的大小直接反映了直流电机换向性能的好坏。
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4—1。
表4-1 火花等级
表中1级、1级均为无害火花,允许电机在这些火花等级下长期运行。在2级火花作用下,换向器上会出现灰渣和黑色的痕迹。随着运行时间的延长,黑色痕迹将逐渐扩展,电刷和换向器磨损也显著增加,因此,2级火花只允许短时出现。电机运行时绝不允许出现3级火花。
直流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、在脉动电压下工作等,都使电机换向更加困难。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:在额定磁场和各削弱磁场级位上正常运行时,火花不应超过1级;在其他情况下(如短时冲击负载)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,这种火花是允许的。
直流和脉流牵引电动机在运行过程中的火花情况,除使用专门仪器测量外,很难直接观察。因此,通常以换向器及电刷表面状态作为确定火花等级的主要依据。
二、换向的物理过程
为了解每个电枢元件中电流换向的过程,以一个单叠绕组元件为例来进行分析。为了简便起见,假设电刷宽度等于一个换向片片距,电刷固定不动,换向器以线速度向左移动。所讨论的换向元件用粗线表示,它和换向片1及2相接,如图4-1所示。
图4-1 换向元件中电流的换向过程
(a)换向开始;(b)换向期间;(c)换向结束。
开始换向瞬间,电枢转到电刷与换向片1相接触的位置,如图4-1(a)所示。这时换向元件属于电刷右边的一条电枢绕组支路,元件中流过的电流i等于电枢绕组支路电流,设此电流的方向为正;当电枢转到电刷与换向片1及2都接触的位置时,如图4-1(b)所示,换向元件被电刷短路,这时随着换向器的继续移动,换向元件中的电流i开始减小。当i减小到零之后,再反向增加;当电枢转到电刷只与换向片2接触时,如图4-1(c)所示,换向元件属于电刷左边的一条电枢绕组支路,这时元件中的电流仍等于电枢绕组支路电流,但其方向与原来相反,即为-。至此,该元件换向结束。
如上所述,当旋转的电枢元件从电枢绕组一条支路经过电刷进人电枢绕组另一条支路时,该元件中电流从一个方向变换到另一个方向。电枢绕组元件中电流方向的改变称为换向。
换向元件从换向开始到换向结束所经历的时间称为换向周期,以表示,如图4-2所示,也就是换向过程中换向器在空间移动距离所需的时间。换向周期是很短的,通常只有千分之几秒。应该指出,换向周期虽然很短,但换向过程却很复杂,不仅仅是单一的电磁变化过程,同时还出现了机械、电化学与电热等现象,而且它们之间又相互影响,这样,给研究换向问题带来极大的困难。
图4-2 电枢绕组元件中电流的变化
三、换向元件中的电势及换向电流
换向过程也就是电枢绕组元件被电刷短路的过程,被电刷短路的元件中电流(即换向电流)的变化规律,取定于闭合回路中的电势和电阻。图4-3所示为换向元件的电路图。
图4-3 换向元件电路图
换向元件由于电流换向和受到外磁场的作用,将产生下列电势。
(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。由于换向元件中的电流在很短的换向周期内由变为,所产生的漏磁通也相应地变化。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。在换向元件中由于元件本身