摘要：直流电动机由于具有良好的调速和启动性能，因而被广泛应用于现代企业中作为原动机来拖动工作机械。由于结构复杂，所以相比交流电机更容易发生故障，尤其是担负交、直流电转换任务的关键部件—换向器更容易损坏。在运行中换向器与电刷间有少许火花是正常现象，但如果火花较大将使直流电机不能正常运行，“环火”现象甚至烧毁绕组导致严重经济损失，因此对直流电机换向器火花故障产生原因进行深入分析并提出有效的解决方案具有重要意义。
关键词：直流电机；火花故障；原因；方法；电磁与机械
直流电动机在拖动控制中经常遇到换向器打火故障，如果产生了强烈的火花，不仅严重影响直流电动机的正常工作，还会直接烧毁电刷和换向器甚至电枢绕组，危及直流电动机的安全，造成较大的经济损失。因此，掌握换向器打火的原因、分析及维护方法已经成为现场维修技术人员的必备技能之一，也为矿井的安全、高效生产提供有力的保障。
1 直流电机的基本构成
直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能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。直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。
2 直流电动机的基本原理
直流电动机是依据载流导体在磁场中受力的原理而工作的。在两个N、S磁极中间装有一个可以旋转的线圈(abcd)，线圈的首尾(a、d)(A、B)相连，电源的“+”、“-”极分别接在与换向片滑动接触的电刷上。当电源接通时，电流通过线圈由“+”→A、a、b、c、d→B“-”构成回路，则线圈的工作边“ab”和“cd”在N、S极磁场作用下，产生两个大小相等方向相反的力，形成了以“O”轴为中心的逆时针旋转力矩(可利用左手定则判断转子线圈受力方向)，于是线圈就按逆时针旋转。当线圈工作边旋转90度至N、S磁极的中性面时，电刷与换向片绝缘物接触，线圈内无电流通过，于是两个工作边不再产生作用力，但由于惯性的作用，线圈仍然旋转。当电与换向片接触时，线圈回路闭合有电流通过，电流从B端进入A端流出。此时，ab工作边位于S极处，cd工作边位于N极处其受力方向与初始情况相同，线圈就这样旋转起来。直流电动机就是根据这个原理制成的。
3 换向器火花故障原因解析
电磁原因:(1)换向:导体电流方向的转变。无论直流发电机还是直流电动机运行中，转子绕组中的某一元件从磁场的上半区进入到磁场的下半区的瞬间都会发生电流方向的转变，这种现象被称之为换向。
(2)直线换向:换向元件的电流由正向最大值均匀地过渡到反向最大值即电流成线性变化的过程称为直线换向， 直线换向时换向器与电刷之间不产生火花， 故又称为理想换向。(3)延迟换向和电磁性火花:换向元件的电流由正向过渡到反向过程中会产生自感电动势;实际上直流电机的电刷宽度通常为2—3个换向片宽，相邻的几个元件会同时换向， 换向元件还会由于相邻换向元件的电流变化产生互感电动势;直流电机运行时转子绕组也会建立磁场(也称为电枢磁场)，该磁场会对主磁场产生影响并使气隙磁场分布发生畸变，这种影响被称为电枢反应。换向元件由于气隙磁场发生畸变会产生切割电动势，也称为电枢反应电动势。上述的电动势都会阻碍换向元件电流的变化并使之变化延迟，这种情况称为延迟换向。延迟换向会使电刷与换向片之间电流密度分布不够均匀，在电刷脱离换向片瞬间造成后部过热产生火花。
机械原因:①电刷与换向器表面接触不良会产生刷火现象。电刷因牌号和尺寸不符合要求或电刷在刷握内配合太松或太紧会与换向器表面接触不良，电刷磨损过度，使电刷压力过小，也会使电刷与换向器接触不良。②换向器外圆不圆，表面有烧灼麻点等缺陷，会产生刷火现象。③电刷未处在中性线上。电动机检修或重绕大修，刷架位置有所变动，当安装不当时，电刷会改变位置不在中性线上，必然会产生大量的刷火。④刷杆或者刷杆座接地桩会产生大量的刷火。电刷与换向器表面接触不良会产生刷火现象。电刷因牌号和尺寸不符合要求或电刷在刷握内配合太松或太紧会与换向器表面接触不良，电刷磨损过度，使电刷压力过小，也会使电刷与换向器接触不良。⑤换向器片间短路。所谓换向器片间短路，就是在换向器上相邻的两换向片之间出现短路相接现象。换向片之间短路．会使得换向器表面出现较大火花；短路严重时，换向器表面会产生环火。
化学原因:电刷与换向器的接触面接触不好形成微小间隙使电刷与换向器之间存在接触电压，空气中存在水蒸气及能够导电的悬浮颗粒，会在微小间隙中存在拉弧放电现象。
4 换向器火花故障解决办法
电磁原因解决办法:(1)加装换向极:换向极的轴线与主磁极的轴线垂直， 换向极由铁芯和绕组组成，绕组通以直流电建立磁场，该磁场与电枢绕组磁场在一个轴线上并且方向相反，这样可以有效的减少电枢反应从而降低换向器火花级别。(2)加装补偿绕组:补偿绕组安装在主磁极铁芯的极靴部分，补偿绕组通以直流电建立磁场，该磁场与电枢绕组磁场在一个轴线上并且方向相反，这样也可以有效的减少电枢反应从而降低换向器火花级别。(3)合理选用电刷:电刷的质量对换向有很大影响，有些换向不良的电机仅靠选择合适的电刷就能降低换向器火花级别。对中、小型电机应采用石墨电刷;对于换向比较困难的电机通常采用接触电阻大的碳-石墨电刷；对于低压大电流电机则采用接触压降较小的青铜-石墨或紫铜-石墨电刷。
机械原因解决办法:应保证换向器同心、转子动态平衡、云母片与换向片保持同一平滑面、电刷与刷握良好配合、电刷架内的压力弹簧压力适中、电刷与换向器的接触面干净光滑等。
化学原因解决办法:应尽量保证电刷与换向器紧密接触以减小之间的间隙， 并使电动机运行的环境保持干燥、干净以减少拉弧放电现象。
直流电机换向器火花故障产生原因很复杂，本文仅对最主要原因进行了分析，还有许多原因需要深入研究并加以解决，其中很多解决办法在实践生产中得到了检验并且显现良好的效果，体现出较强的经济性和实用性。
参考文献:
[1]国家机械工业委员会.电机原理[M].北京：机械工业出版社，2013.9
[2]马志云.直流电机换向器研究[J].电工技术杂志.2018.6
[3]杨勇.直流电机换向器火花故障分析与解决方法[J].东方企业文化，2014.21