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直流电动机修理技术资料大全-电机修理-洛阳修理电机-电动机修理

发布日期:2016-04-16 | 来源:洛阳电机修理厂 

电机修理 www.hyjaxx.com 直流电动机原理、结构和分类:

一、工作原理和分类

1)直流电动机的特点

直流电动机的特点是:

1)优良的调速特性,调速范围宽广、调速平滑、方便。

2)过载能力大,能承受频繁冲击负载,而且能设计成与负载机械相适应的各种机械特性。

3)现快速起动、制动和逆向运转。

4)能适应生产过程自动化所需要的各种特殊运行要求。

以上这些特点,是交流电机(特别是大功率交流电机)比较难的。所以到目前为止,功率较大要求较高的现代化自动控制系统中,一般采用直流电动机驱动。

与交流电动机相比较,直流电动机也存在一些弱点:消耗有色金属材料较多,制造工艺较复杂,因此制造成本相对也高一些,而且运行运行维护较困难,所以其应用也受到一些限制。

(一) 直流电动机主要用途

冶金工业中作为各种轧钢机的驱动电机,主要特点是能在不同转速下运行,并能承受频繁的冲击过载,频繁起、制动和逆转、在采矿工作中,作为矿山卷扬机和电铲驱动电机,主要是有良好的调速特性和高过载力矩。在交通运输方面作为大型船舶推进和机车动力,主要利用它能快速起动和高起动转矩的特点。机床工作上用作为宽调速大型车床和巨型友门刨床的驱动,主要利用它的优越调速特性。此外,在城市交通、大型起动设备、船舶、航空和国防工作中,直流电动机都得到广泛的应用。

(二) 直流电动机工作原理

直流电动机的作用原理是将直流电能转换成轴上输出的机械能。

和所有旋转电机一样,直流电动机要进行能量交换,必须要有耦合磁场,以及与耦合磁场具有相对运行的电路。直流电动机励磁绕组和电枢绕组合成磁势在气隙内建立合成磁场――静止气隙磁场,即直流电动机的耦合磁场;由电枢绕组元件构成的电枢绕组合闭合回路,即是相对耦合磁场运动的电路。当能过电刷由外电路输入直流电能时,载流的电枢绕组和气隙磁场相互作用,就产生了电磁转矩,在轴上输出机械能,从而实现了能量转变。

在直流电动机中,电枢绕组元件所受的电磁力、电磁转矩和旋转文向都一致的。

(三) 直流电动机分类

一、  直流电动机可根据其励磁方式,容量等级和用途进行分类,止前较普遍的是以用途进行分类。

二、直流电动机结构

(一) 直流电动机结构型式

直流电动机结构型式,根据其容量大小和工作环境和运行方式不同而有很大差别。根据容量和转矩大小,结构上可分为大、中、小型;根据防护方式不同,又可分为开启式、防护式、防滴式、全封闭式和封闭防水式。但是不论结构型式差别如何,其主要结构部件和功能还是相同的。

直流电动机主要是四定子、转子(电枢)、电刷装置以及支承保护结构件等所组成。

由于大、中、小型直流电动机使用要求和运行条件不同,结构上差别较大。

(二) 直流电动机主要结构部件

直流电动机包括下面几个主要部分:

1. 定子

是产生磁场,构成磁路的部分,由主磁极、换向极、机座和补偿绕组所组成。当电枢直径超过1000mm时,定子一般采用分半结构。

主磁极:是产生励磁磁势和建立主磁场的,由铁心、励磁线圈和极身绝缘组成。

主极铁心:一般由12mm钢板冲成的冲片叠压而成,用铆钉、螺钉或焊接方法装配成一个整体。一般电机的主极冲片不需要绝缘处理,但对于要求励磁回路时间常数小,以及晶闸管供电电机中,则冲片需刷漆,固紧螺杆与铁心需绝缘。

中小型电机主极线圈一般均采用绝缘导线多层绕制而成。对励磁电流较大的大型电动机,往往采用裸铜排扁绕而成。

极身绝缘有绝缘框架、极身直接熨包绝缘和模压极身绝缘三种结构。

换向极:是建立一个抵消电抗电势的换向磁场,以改善换向。由换向极线圈、铁心和极身绝缘所组成。

换向极线圈多数是由裸铜线扁绕而成,匝数较多的换向极线圈中间垫以匝间绝缘,匝数较少时,往往用垫块隔开,以改善通风冷却条件。

换向极铁心:除了小型电机用整体铁心之外,其余电机一般也由12mm冲片叠装而成。对于晶闸管供电的电动机,换向析铁心也需要绝缘处理。

换向极极身绝缘:多数采用极身上直接熨包云母板或玻璃坯布等绝缘材料。

机座:是构成直流电动机磁路的一个部分,同时又起支承主极、换向极和端盖的作用,直流电动机的负载的反作用扭矩,也是通过机座传递到基础上同,因此机座要有足够刚度的钢板焊接而成,晶闸管供电大型电动机,为了减少时间常数和改善动态换向,一般也用12mm冲片叠成。考虑运输、安装和检修的方便,大型电动机机座通常做成分半式。

补偿绕组:是为抵消横轴电枢反应和改善换向而设置的,它放置在主极极靴的槽内,中型以上直流电动机都有补偿绕组。补偿绕组能提高电机的过载能力和减少环火可能性。

2. 电枢

是实现能量转换的旋转部件,由电枢铁心、电枢绕组、电枢支架、换向器和转轴组成。

电枢铁心:是由两面刷漆的0.350.5mm冷轧硅钢片或热轧硅钢片叠压而成,要求有较高的导磁率和较小的铁耗。其外圆表面开有很多槽,以放置电枢绕组,不但起固定绕组作用,而且使槽内导体免受过大电磁力的作用。中、小型电机电枢铁心直接套在轴上,大中型电机的铁心都套在支架上。

电枢绕组:是实现能量交换的主要部件,一般放置于伯心槽内,用槽楔固定,防止离心力将绕组甩出,端部梆扎用钢丝或经增强塑料处理的玻璃丝无纬带,亦是起固定和防离心作用。

电枢绕组种类很多,对于电机的换向和散热影响很大,往往根据不同的使用情况加以选择。为了减低电抗电势,度心头电枢绕组散热条件,目前已出现一种取消槽楔,改用无纬带梆扎电枢绕组结构型式。

电械支架:是大、中型电机电枢铁心的支撑件,必须要有较好的强度和刚度,同时也必须有利于通风和减轻重量。

换向器:和电刷装置一起构成直流电机的滑动接触,将外电路的直流电引入电枢,并转换成电枢内的交流电势。最常见的换向器是拱形,换向器主要由换向片、片间云母、v形以及压圈、套筒等紧固件组成。

转轴:转轴是电枢主要支撑件,它不但要传递扭矩,而且还要承受电枢重量、单边磁拉力,轴向推力和系扭振时产生交变力矩,因侧它必须具有足够的强、刚度和疲劳寿命。

直流电动机转轴通常是实心轴,其材质通常为优质中碳钢、低合金钢或合金钢。为了减轻重量,心头通风和增加刚,在大型电机上,也有采用焊接轴和薄壁应力轴(即空心轴)。

3. 电刷装置

是构成滑动接触的结构部件之一,由电刷、刷握、刷架以及刷杆座圈所组成。要求有足够的刚度,在运行中能保持恒定弹簧压力,保持与换向器的良好接触,刷距应严格等分,以保证良好换向。并应考虑在日常维护工作中,能方便的调整中性面和更换电刷。

4. 支承和保护部件

这些部件包括轴承、端盖(罩)、底板等支承部件,以及过速测速装

置、埋没测温元件和装设在电机内的电加热器等保护装置。

三、直流电动机励磁方式

直流电动机励磁方式:

直流电动机励磁绕组供电方式称为励磁方式。直流电动机励磁方式一般可分:

1)他励式。励磁绕组由其它电源供电。永磁式直流电机亦归属这一类。他励式电机励磁磁势与电枢电流无关,不受回路影响。同时这种励磁方式具有较硬的外特性,一般用于大型和精密直流电动机驱动系统中。

2)并励式。电动机的励磁绕组和电枢由同一电源供电。并励方式优点可以省略一个励磁电源,但是一般用于恒压系统,只以恒功率方式调速,由于励磁电压恒定,磁场变阻器上损耗较大,只用中、小型直流电动机,其外特性曲线与他励方式基本相同,具有较硬外特性。并励方式一般能进行恒转矩调速。

3)积复励式。除并励绕组外,还接入一个与电枢回路相串联,励磁磁势方向和并励绕组相同的少量串励绕组。

这类电动机具有较大的起动转矩,其外特性较囫,多用于起动转矩较大,而负载变化较小的驱动系统中。

除并励绕组可加上串励绕组构杨积复励外,有时为了同样的目的,他励绕组加上串励绕组,亦可构成积复方式,因此还有并积复励和他积复励方式之分。

由于积复励方式两个方向转速和运行特性不同,因此不能用于可逆驱动系统中。

4)差复励式。除并励绕组外,还接入一个励磁磁势方向和并励绕组相反的少量串励绕组。这类电机起动力矩小,但是其外特性较平,有时还出现上翘特性,一般用于起动力矩小,而要求转速较平稳的小型恒压驱动系统中,这种励磁方式,同样不能用于可逆驱动系统中。

5)串励式。其磁绕组和电枢回路相串联。这种电机具有较大的起动转矩,但其特性较囫,空载时将有极高的转速,通常用于车辆牵引驱动系统中。串励电动机不能空载运行。

直流电动机的外特性和励磁方式密切相关,采用不同励磁方式,可以得到不同的外特性。他励和并励电动机具有平的外特性,称硬特性,积复励和串励电动机具有下垂的外特性,称囫特性。差复电动机外特性是上翘的特性,运行时容易出现不稳定情况。

四、铭牌数据、额定值及出线标志

(一)铭牌电动机与额定值

直流电动机铭牌上规定的各种数据,通常称额定值,是指电机在规定的使用环境和运行条件下正常数值。是选用和使用电动机的依据。

直流电动机的铭牌中额定值的含义如下:

1)型号。通常包含有电动机的系列,机座号与铁心长度等几个内容。有的还包括电机极数。例如:ZLD250/145-12

 ZLD 表示直流冶金用电动机系列。

250表示机座号,即电枢外径是250cm

145表示铁心长度,即铁心长度是145cm

12表示电动机为12极。

又如Z282

Z2表示工业用普通直流电机第二次改型系列。

8表示8号机座,即电枢直径为24.5cm

2表示2号铁心长度,即铁心长度为18cm

2)额定功率。指直流电动机长期使用时轴上允许输出的机械功率。

3)额定电压。是指电动机在额定值条件下运用时,施加于电动机两端的输入电压。

4)额定电流。是指电动机在额定电压下输出额定时,长期运转允许输入的工作电流。

5)额定转速。直流电动机铭牌上往往规定有低和高两个转速,低转速是指基本转速,高转速是指最高转速。电动机在基本转速以下,采用改变电枢端电压的恒转矩调速,在基本转速以,采用弱磁恒功率调速。

6)励磁方式。是指励磁绕组供电方式,通常有他励、并励、复励和串励。

7)励磁电压。励磁电压是指励磁绕组供电电压。励磁电压必须要大于额定励磁电流在励磁绕组最高温升时,绕组电阻上产生的励太压降的数值,否则就会使电动机达不到额定转速和转矩。

8)励磁电流。是指电动机在基本转速时,电动机达到额定功率所需励磁电流。

9)定额:是指电机以额定允许持续运行的时间。一般分连续制、断续制和短时制三种。

10)绝缘等级。是指直流电动机所采用的绝缘材料的耐热等级。超额定值运行,会使电动机产生换向困难、发热、应力增加和绝缘裕度降低等问题,缩短电机寿命。因此直流电动机要超额定值运行,事先必须进行详细核算和试验。

选用电动机必须根据负载性质和大小来合理选用,如果选用电动机容量过大时,不但设备容量没有发挥。而且电动机长期低负载运行,经济性较差,不利于节能。对于可逆运转直流电动机来说,容量选大还意味着电机转动惯量的加大,使驱动系统的动态特性变坏,造成时间浪费和生产效率的降低,因此,从节能和保证安全运行观点出发,必须合理选用合适电机。

在铭牌和技术条件上未作规定的运行条件,如海拔高度、环境温度等等,均应符合国家标准的规定,如果不符合国家标准规定条件时,必须折算到国家标准规定条件,如海拔超过1000mm和环境温度超过40°C时。

(三) 直流电动机出线标志

                为了便于用户接线,制造厂在直流电机出厂时,在绕组出线端或接板上,都标有出线端标志。

1)电机内有几组同样名称的绕组,或一种绕组分几路引出机外时,其始端和末端除用字母标志外,还需以数字1-23-45-6等作为注脚。

2)对于绕组内电流方向是这样确定的,对于右转电动机其绕组是的电流(除主极上的去磁绕组外),都由始端流向末端。

 

 

换向故障的处理

一、火花产生原因和等级

()换向火花划分原则

                 保持电刷与换向器良好的工作状态,保持优良的换向性能是保证直流电机安全的重要条件。通常情况下,电机无火花运行(或微弱的无害火花下运行),换向器表面氧化膜均匀而有光泽,电刷与换向器磨损轻微等均可认为是良好的换向性能的表征。相反,强烈的换向火花,换向器表面氧化膜破坏或异常,电刷与换向器之间滑动接触不稳定,电刷与换向器的异常磨损等都是换向不良的症状,将直接威胁电机运行。

火花是电刷与换向器之间的电弧放电现象,是直流电机换向不良的最明显标志。由于轻微的电刷火花释放能量微弱,不会构成对电机运行的危害,故称无害火花。较强的电刷火花其能量将会破坏电刷与换向器之间的滑动接触,灼伤电刷镜面和换向器表面氧化膜,使两者磨损增加,并造成恶性循环,这种火花属有害火花。更有甚者,由于强烈的电刷火花使电刷磨道上空气游离,因电弧飞越而导致环火事故对电机造成巨大的损坏,构成对直流电机运行的威胁。

不同的换向火花对直流电机运行的影响和危害不同,为了确定换向火花对直流电机运行的影响和危害,必须要划分火花等级。

换向火花是电刷和换向片脱离接触时换向元件中释放电磁磁量,以电弧放电形式表现出来。根据对换向火花研究表明,它是一种频谱广阔的电磁波,其频谱主要范围是30KHZ1MHZ。换向火花的危害性应根据火花能量的标志,可以作为评价换向火花的标准。但由于火花测量十分复杂和困难,因而通常以火花亮度、密集程度和大小作为划分火花等级的依据。

世界各国对于火花划分标准各不相同,但是所有这些标准都是根据换向火花的亮度、密集程度、大小以及对电刷和换向器的损害表现,来划分换向火花等级的,由于至今尚未有某种仪器可精确测定换向火花等级,都是由观察者目视决定的,因而不可避免的带有火花观察者的某些主观因素。

()火花等级

GB755-87标准规定的火花等级,是用两种方法加以判别的。一是电刷下火花特征,即火花大小、亮度和密集程度;二是火花对换向器表面和电刷的损害程度。

        在上述火花等级标准中可以看出,1级和11/4级火花是无害火花,11/2级火花虽然在换向器和电刷表面产生轻微灼痕,但仍允许长期运行,不致造成对电机的威胁;2级火花的电弧能量较大,会造成对换向器和电刷的灼伤,是有害火花,只允许在过载时短时出现;3级火花是危险火花,它能导致环火事故,不允许经常出现。

        当直流电机采用晶闸管供电时,换向火花通常会比电池或机组大一些,原因是晶闸管供电电动机火花是含有交流分量,用眼睛观察到的火花亮度虽然大一些,但是实际上其电弧能量较小。

()火花产生原因

        良好换向的前提是电刷与换向器之间稳定的滑动接触,主要是保持换向器氧化膜动态平衡,为此必须满足必要的机械、电气条件和适当的物理、化学因素。当必要的机械、电气条件不能满足,物理、化学因素要改变时,由于氧化膜动态平衡的改变,滑动接触变得不稳定,就会产生换向火花。产生换向火花的原因可以归结为下面几个方面。

1. 电磁原因

如果换向元件内的合成电势不等于零,根据电磁理论,换向元件中产生的附加换向电流就会造成电刷前后刷边电流密度分布不均匀,电刷与换向片接触或脱离时,元件内换向附加电流并未为零,元件内的电磁能将以火花形式释放出来。延迟换向火花产生在后刷边;超越换向火花将产生在前刷边。

    电枢绕组开焊或片间(匝间)短路都会造成电路上的不对称,亦将造成严重火花。

    当电枢绕组为不对称多重绕组时,由支路间的电势不对称,在换向元件中产生一个脉动电势,将产生空载火花,负载时将加大。

    电刷不在几何中心线上时,如换向元件进入主极区,换向元件因切割主磁通,将产生空载火花。

2. 机械原因

换向器表面工作状态不良,如换向器突片或变形、片间云母片突出、换向器表面粗糙、电枢动平衡不好和电机振动等都将造成电刷与换向器之间无法保持稳定接触,而产生火花。电刷和刷握的工作状态不良,如电刷与刷握的间隙不合适、电刷压力不均匀、过大或过小、电刷材质不合适和刷握结构形式不合适德行,都影响滑动接触,也将产生火花。

3. 电机负载及周围环境

电机严重过载时,由于电抗电势增加,换向极磁路饱和,电刷电流密度过大,换向火花将加大。冲击性负载、电流变化率过高将导致换向极磁通滞后,造成造成换向困难而产生火花。

当湿度太高或太低、温度过高或过低、周围存在油雾或有害性气体和含尘量过高等都会导致氧化膜平衡的破坏,无法形成正常氧化膜而影响正常滑动接触而产生火花。

产生火花的因素很多,而很多的因素又是相互影响的,在分析和检查换向火花产生原因时,必须根据实际运行条件来加以区分,以针对解决。

二、换向恶化原因的检查与处理

换向火花产生原因是多种多样的,必须在复杂众多的因素中,找到主要原因,针对性排除故障,恢复正常的换向。

寻找换向恶化原因的方法,通常称换向条件正常化检查,是直流电机换向事故处理最常用办法。其原理是这样的:一台直流电机在刚投入运行或过去一直运行,换向一直是正常的,而在以后运行过程中,逐渐变坏或突然恶化,说明电机在换向恶化前,其运行状态、滑动接触、电机结构和各部件工伯情况是正常的。在电机运行过程中,某些部件的工作状态发生了改变,从而破坏了滑动接触,改变了正常的换向状态,而导致换向的恶化。如果通过各种检查项目,对影响电机换向的机械电气条件和物理化学因素进行全面检查和调整,使其能恢复原来的正常状态,则换向也能恢复正常。

换向正常化检查是采用不同的检查方法,寻找换向事故原因并排除故障,通常包括下面几个项目。

(一) 换向器片间电阻测量

当电枢绕组发生断线、开焊、匝间短路,或换向器发生升高片断裂、片间短路时,造成电磁上的不对称,将会产生换向火花。测量片间电阻就能发现电机是否存在上述故障。

     片间电阻测量通常采用压降法,也可以采用专用片间电阻测量仪。

     用压降法测量片间电阻时,把相等的测量电流依次通入两个相邻换向片,并用毫伏表测量通电两换向片间的电压降。如果电枢绕组和换向日历的焊接是良好的,没有短路开焊和断线,则全部换向器片间电压降应该相等(非全均压出现很小变化)。片间电阻测量得最大值或最小值与平均值之比,误差应不大于5%。测量结果如符合上述标准,说明电枢绕组和换向器存在开焊或短路时,则故障点所在的换向片间电阻值与平均值之间出现较大的差别,可以确定故障所的部位和性质。

        如果电枢绕组是蛙绕组,由于在换向片之间构成了复杂的等值电路,当绕组并头套或换向器焊接有一处焊接不良或开焊时,片间电阻即会出现以极对数为周期的正弦变化规律,其中最高峰值即为故障所在位置。相反,当绕组和片间有短路点时,片间电阻正弱律变化的最低点即为故障所在位置。

    在测量片间时,应注意以下几点:

1) 测量时,电源电压要稳定,避免电压波动影响结果。

2) 对于中、大型直流电机,必须用较大的电流(3040A)通入换向片,才能较准确发现故障点。由于测量电流较大,送电棒和换向片脱离接触时必然会产生电弧,因此,测量最好在换向器非工作表面进行,以免破坏换向器工作表面。

3) 测量操作时应注意,送电棒和测量不能直接相接触,以免损坏毫伏表。

    片间电阻测量仪是测量片间电阻的专用设备。在事故抢修和现场测量时,压降法测量需45人同时操作,所需设备和仪器也较多,现场准备工作时间较长,有不便之处。现在国内已经研制成功了专用片间电阻测量仪。PD-1型片间电阻仪是根据压降法原理设计的。它由稳压器、调压器、整流器、测量回路和保护五个部分组成。

    PD-1型片间电阻测量仪技术性能如下:

    测量电流:050A连续可调。长期工作制30à,2h工作制40A,短时工作制50A

        测量精度:面板表头为1.5级;外接精密毫伏表0.5级。稳定性:电源电压波动±10%,输出电流变化小于±1%。外形尺寸:180mm×380mm×410mm。重量:16kg。

片间电阻测量仪大大减少现场测量的准备工作,也可减少现场测量的操作人员,已被不少单位采用。

(二) 换向器摆度检查

换向器在长期运行后,由于云母材料中有机物的挥发产生收缩,紧固件的松动等使整体结构松弛而片间压力降低,产生变形和突片。当换向器变形或偏心时,在运行时将会使电刷跳动,滑动接触稳定性受到干扰,将产生机械性火花,严重时火花加大,换向器表面出现烧伤和氧化膜破坏,导致换向恶化。高速电机和多重路绕组电机的换向,对于换向器变形更为敏感。

当电机换向火花较,面且发现电刷跳动现象时,必须检查换向器摆度。

1. 换向器摆度测量,通常有两种方法:

1)在低速运行或盘车时,可用千分表直接测量,在千分表的端头上套

上一个绝缘套,千分表座最好是磁吸式的,吸牢在铁板制成的基座上。根据电机盘车时千分表指针摆动范围,和换向器对应部位,即可测得换向器摆度和确定突片位置。

2)对于无法盘车和低速运行的电机,换向器的摆度可用测振仪来测量,先将测振仪进行校准,在测振探头——拾振器的探杆上,套上一个绝缘套,可用手持或用套圈固定拾振器,使之接触电刷压板或刷握的压指,即可从测振仪读得换向器摆度,如果将测振仪的输出接至示波器或记录器,即可以读得变形数值并观察振动波形。

用测振仪测得的换向器摆度有时会有一定误差,这是由于电机在高速转动时,电刷的起伏幅度中,不仅有乳白色向器的摆度,还包括了电刷的惯性跳动。

2. 允许摆度

在测量摆度时,应区分是换向器变形和偏心,还是凸片(或凹片),

当换向器由于变形和偏心造成摆度时,在电机旋转时,摆度是逐渐过渡的,换向片之间径向的变化梯度较小,电刷的随从性较好。

由凸片(或凹片)造成的换向器摆度,其换向片局部位置在半径方向的变化梯度较大,电刷随从性不好,易引起电刷跳动,对滑动接触的影响较大。根据运行实践,凸片(或凹片)数值δm应限制在下列范围:

vk≥40 m/s          δm<0.01㎜

15m/s≤vk<40 m/s         δm<0.02㎜

      vk <15m/s          δm<0.05㎜

当换向器摆度超过额定值时,换向器必须进行车削. 

(三) 电刷中性面的检查

直流电机电刷中性线位置,一般应严格在主磁极几何中心线上,对于大型电机、可逆运行电机和高速电机尤其是如此。因为当电刷偏离主极中性线时,换向将发生超前和延迟。纵轴电枢瓜使电机的外特性发生变化,对可逆转电动机来说,两个转向下转速不同,而且外特性也不同,两个转向时换向强弱也不同。在电刷偏离中性位置较大时,由于换向元件进入主极磁通区,电机将产生空载火花。

电刷中性面检查方法如下:将全部电刷筛起,在励磁绕组出线端上连接一组蓄电池和一个刀闸开关。再用一个毫伏表依次测量相隔一个极距的换向片,当切断和合上开关时,毫伏表上指针将要摆动,毫伏表读数最小位置所对应换向片位置,即为电刷中性面的位置。

在中性面确定后,将刷架或刷焊座圈固定螺钉松开,移动刷回使刷握中心线与中性面对正,此时再紧固固定螺钉,并用漆在机座与刷上做好标志。

应该注意的是中性面检查应在极距、刷距调整后进行,以减少误差。

(四) 极距、刷距和气隙的检查与调整

直流电机各排电刷之间的距离,主极之间和换向极之间距离应力求相等。因为刷距和极距不等则会造成各排电刷下被短路的元件在磁场中的位置不一样,换向极磁场和换向元件电抗电势波形不重合,造成电磁上的不对称,各个刷架下火花不等会使电机换向不正常。

1. 刷距检查与调整

刷距鸡误差通常为±0.5㎜,一般用铺纸等方法来检查和调整

方法如下:首先将电机上一排刷架电刷位置调整好,使这排电刷边缘正好与一个换向片边缘相重合,然后在换向器表面铺一张纸,在接缝处做好搭接标记后取下,将纸以极数进行等分。划好等分线后,再铺在换向器上,使调整好刷焊和刷握垫片,使每个刷架刷握中电刷的边缘正好压在一条等分线上,再将全部电刷落下,电刷边缘与等分的距离就是刷距等分的误差,如将全部电刷按等分线调整,则可要纠正刷距误差。应该注意,在调整刷杆和刷握垫片时,应使刷握离换向器表面距离符合要求。

2. 极距检查和调整

由于磁极固定螺钉在运行后松动,极距分布将出现误差,极距允许误差为±0.75㎜。极距较准确的测量一般采用磁极极靴上划中心线,再用游标卡尺和卡钳等进行测量,可以得以较精确的结果。当电机装配完后,电枢不能抽出的情况下,可以用卡钳测量极靴边缘之间的距离,也可以测量出极距等分误差。

3. 气隙检查与调整

直流电机各主极和各换向极与电枢间隙δ必须均等,如气隙不均,则各极下磁阻不等,在相同的励磁磁势下,磁通量不相等,在部分刷架下火花就会较大。同时,由于主极下磁通量不等,还将出现电枢绕组内环流和单边磁拉力,当电机运行后,由于机座变形、轴承磨损等原因,均会出现气隙不均问题。

为使定子和电枢间的空气隙沿圆周各点均匀,设计规定允许偏差如下:

δ≤3㎜  Δδ为±10%

δ>3㎜  Δδ为±5%

气隙测量可采用如图5-18a所示方法:

(1)用塞尺测量    通常用于δ<10㎜小型电机情况。

      (2)用专用气隙斜面塞尺测量    通常用于δ=5~15㎜气隙允许的电机中,测量比较方便。

      (3)用气隙垫块和塞尺测量    气隙垫块可以加工成固定厚度,再用塞尺测量垫块和极靴之间的气隙值,这种方法通常用于气隙较大的电机。

        气隙测量时应注意以下几点:

1) 极靴和电枢表面漆膜必须刮去,测量处必须直接接触电枢和极靴叠片。

对于大中型直流电机,要防止铁心不圆度和转轴弯曲造成气隙值偏差,为得到准确的气隙平均值,应将转子位置每次盘车90°,共四次

(五) 电刷与刷握工作性能检查

1. 电刷弹簧压力的调整

        合适的电刷压力是保持滑动接触的重要条件,电刷压力过小,造成电刷跳动和接触压降不稳定;压力过大则可能造成电刷机械磨损增加,换向器温升增高,电刷压力不均匀,风吹草动会造成各电刷之间电流分布不匀和个别电刷的火花。

        电刷弹簧压力一般应保持在职16~24kPa范围内,而且电刷间的压力差不超过±10%。电刷的压力 与电刷材质和换向器表面圆周速度有关,应合理选定。

        电刷弹簧压力测定方法如下:用弹簧称在电刷提起方向勾起电刷压指,在电刷下垫一纸片,当纸片能轻轻被拉出时,弹簧称的读数,就是电刷弹簧压力。

2. 握间隙检查

电刷与刷握之配合应保持一合适间隙并应符合一定公差。间隙过大,电刷在刷握内晃动,影响接触的稳定,有时还产生“啃边”现象;但间隙过小时,影响电刷在刷握内的自由滑动,甚至被“卡死”。

3. 刷握离换向器表面距离的检查

由于刷架和刷握固定螺钉的变形,刷握离换向器表面距离将会发生变化。刷握离换向器表面距离应保持在2.5±0.5㎜范围内。

刷握离换向器表面距离与电刷应保持一定、这对防止振动有很大关系。双斜刷握与换向器表面距离,还影响电刷宽度,当距离过大时,电刷还将产生“顶角”,影响工作。刷握距离可用厚度为2~3㎜的绝缘板打进行检查,当距离超过允许值时,可用2.5㎜厚绝缘板垫在刷握下,作为调整基准进行调整。

4. 电刷材质和镜面检查

电刷型号是还符合要求,镜面是否出现异常,在换向火花较大时是必须检查的。电刷是构成滑动接触的主要部件,电刷材质和工作状态对换向有很大关系,因电刷牌号不合适或工作状态不正常,将影响滑动接触,或造成换向恶化。

一般说,不同型号的电刷,最好不要混用。电刷镜面在换向正常时是平滑光亮的。换向火花较大时,就会出现雾状和灼痕。当电刷中含有碳化硅和金刚砂等杂质时,镜面中就会出白色斑点或在旋转方向留下细沟。湿度过大或有酸性气体,电刷表面将出现镀铜现象。

(六) 换向器表面工作状态的检查

换向器表面工作状态是保持良好滑动接触的重要因素之一。换向火花较大时,必须检查换向器表面状态,换向器片间云母二刻质量不好,云母片突出或粘附在云母光两侧,换向片倒棱不直均会引起换向火花;换向器条纹、斑纹都会使换向火花加大;云母沟中积存碳粉和换向片挤铜产生铜毛刺都会产生换向火花和闪络。如果发现上述现象,必须立即清理换向器表面,使其工作状态恢复正常。

有害的换向火花会造成换向器表面的烧伤,除一般烧伤外,有时会出现有规律的烧伤,通常烧伤的规律有重路数型、极距型、槽距型等,这时必须分析换向火花产生的电磁原因,根据存在问题加以解决。

(七) 电机振动的检查

电机振动也是造成滑动接触不稳定的一种因素,是换向不良时需要检查的项目之一,换向火花大时,通常需用测振仪检查电机轴承、机座和刷架等部位的振动值,看是还超过允许值。如果振动值超过规定的允许值时,则需用快速福里哀分析仪(FFT)进行简单的频谱分析,从频谱主要成分分析中寻找振源,并采取必要的消除振源或减振措施。

(八) 补偿绕组和换向极绕组极性检查和匝间短路检查

补偿绕组和换向极绕组的主要作用,一是抵消电枢反应减少主磁场畸变;二是产生换向电垫,抵消换向元件中的电抗电垫。当补偿绕组和换向极绕组极性接反时,则电抗电垫不公不会被抵消,而且由于换向电垫的叠加而增加了换向的困难。当补偿绕组和换向极绕组极性错误时,直流电动机表现为小负载情况下即出现火花,随着负载增加换向火花迅速加大,而空载时火花立即消失。极性错误一般发生在电机修理后,其检查方法通常可按图纸核对,检查接线是有误。另一种方法可使绕组通电,用磁针来检查绕组极性。

当补偿绕组和换向极绕组出现匝间短路时,由于换向电势的减少不能抵消电机电势,将会出现严重的延迟换向而产生火花。对于小型直流电动机的换向极线圈匝间短路,一般可用压降法检查,对于大型直流电动机补偿绕组和换向绕组的匝数很少,而电阻值极少,只能用外观检查,对短路处一定会出现表面绝缘榉变色和放电痕迹,根据这些现象即可发现故障所在并进行排除。

通过换向正常化检查,一般说大部分的换向故障可以检查出来,并加以排除,但是如果通过上述检查后,换向恶化原因依然没有解决,这时必须进行直流电机的无火花区域试验

三、环火事故与处理方法

环火是恶性事故。直流电机在运行中由于片间累积击穿,换向严重化,或特别恶劣的负载条件,均会出现正负极性刷架之间电弧飞越,环绕换向器表面出现一圈强烈的电弧,并伴随着强烈的弧光和巨响,这种事故称为环火。在环火发生极短时间内,电弧的高温和巨大能量,不仅对换向器和电刷装置造成严重破坏,而且对其他绕组也会造成不同程度损害,由于环火接地而产生轴电流还会使轴颈和轴瓦出现麻点和蚀痕。环火的巨响和强光还会使机旁维护人员受到伤害。因而在运行维护中必须要尽一切可能消除环火发生的隐患。

(一) 环火产生原因

1. 片间击穿

        当换向器片间电压较高,而运行中又产生过电压,由于片间累积击穿,会产生环火。而更多的情况是由于换向器维护不良,清扫不认真,在换向器云母沟中积存了碳粉、铜粉和油污,或由于电刷挤铜,换向片铜毛刺延长导致相邻换向片的短路,这些导电物都构成了换向器片间云母沟中的导电桥,当这一导电桥随电枢旋转而进主极区时,换向器表面电位梯度增大,通过电流逐渐加大。当电流产生电动力超过维持粉末定位的力时,粉末构面的导电桥就会错位,导电桥由于熔化灼热而产生片间闪络。如果导电桥断裂点的有效电压超过电弧最低电压,就产生电弧。当断裂部分宽度增加到云母沟宽度时,维持电弧的电压也需增加,否则电弧将熄灭。当片间电压和起弧时感应电压大于维持电弧电压时,电弧将继续燃烧。电流随着换向片击穿而增大,磁场区域也增加,片间电弧沿换向器表面扩展过程,如图5-21所示。

        当换向器相邻的换向片K和L因存在电位差,而片间存在导电物质时,导电桥断裂而产生电弧。在电弧作用下,由于导电物质的气化和电弧的灼热,造成了换向片K和L之间区域的空气局部游离成一个离子区。在这个区域内,由于电离气体内压力和电动力的作用,换向器的旋转电弧沿着换向器表面扩展至M。

        如果电弧扩展的两个换向器片K与M之间的电位差,能维持片间电弧而不熄灭,则电弧将继续扩展。在一定条件下,片间电弧可以扩展到正负两个极性刷架之间,而取终造成环火。

2. 严重的电刷火花

        刷火花是导致换向器环火的加一个主要原因。当直流电机在恶劣的负荷条件下,换向器表面接触受到严重破坏时,就会在电刷与换向器之间产生严重火花。当换向器火花大到一定程度时,火花能量将引起电刷和换向片的燃烧和气化,并在燃烧区造成一个等离子区域,而这个电弧又被旋转的换向器沿电刷磨道所拉长。当这电弧被拉到一定长度的某一换向片M时,电弧是否能继续燃烧,就决定于换向器表面电位分布曲线和电弧特性。当换向片M的电位VKM小于电弧维持电压Ug时,电弧将熄灭。当VKM大于电弧维持电压Ug时,电弧奖持续燃烧,并将继续延伸。电刷磨道上空气的电离使为电弧延伸创造了条件。当换向火花能量大到某一量级时,电弧将伸展到异极性电刷上,而造成环火。

(二) 环炎事故的处理

环火事故必定造成直流电动机的严重损害,首先应检查受损部位和程度,根据检查结果和受损程度来确定修理方案。

环火事故程度一般有三种情况。

较轻的环火事故。一般是电机容量较小,转速较低,环火发生时快速开关或自动开关很快动作,切断了主回路和励磁回路,电弧很快被短路电流磁吹作用所熄灭。这种环火一般只是烧黑了换向器表面和烧断个别刷辫。

较重的环火事故。电机容量较大,而转速较高,环火时虽然快速开关或自动开关及时动作,但是短路时电弧能量较大,所以损坏程度较重。这种环火可在换向器表面产生深浅不等的烧灼点,换向器外端部出现部分烧灼点,部分刷握被烧熔或烧损,刷架、导电环或定子绕组也会局部受损,熔化铜的喷溅,气化了的铜和碳结晶微粒附着绝缘表面,往往使表面泄漏电流大大增加,绝缘电阻降低为零。

严重的环火事故一般发生在高速和大容量直流电机上,除本身外特性曲线较硬外,由于保护系统接线错误和开关动作不及时等,将会造成十分严重的损害,此时电机必须大修,并重新制作换向器。

检查受损部位和程度:

1)检查绝缘电阻。环火事故后,必须将烧黑的换向器重新打磨,绕组吹风清理后用兆欧表检查各绕组绝缘电阻,是否符合GB755-87规定,以决定绝缘是否需要处理。

2)测量片间电阻,以检查升高片和电枢并头套是否出现开焊和片间短路现象。

3)检查换向器表面的受损程度是否表面氧化和积碳发黑,或是由于电弧烧灼面出现点状凹陷,还是出现了端部局部烧损或深度大面积烧蚀。

4)检查电刷和刷握的受损程度,刷握和电刷烧损数量以及必须更换的数量。

5)检查刷架和导电环是否出现缺损和需要修补更换的部件。

6)检查主极绕组、换向极绕组和补偿绕组。通常这些绕组是由于铜和碳蒸气的蒸熏而降低绝缘电阻,严重时也会使绕组受损。

7)检查电枢绕组和升高片。由于铜和碳的蒸熏和喷溅,以及环火时电枢绕组内部流过巨大的短路电流,必须检查绝缘电阻和片间电阻。

8)轴瓦的检查。环火后流经轴承的强大轴电流会使轴颈和轴瓦接触面上出现严重麻点,甚至使巴氏合金熔化。

9)轴承和定子固定螺钉的检查。环火时产生巨大的短路力矩。有可能使这些紧固件松动。

(三) 环火事故的处理

1)换向器的处理。对于表面发黑的换向器,可用砂纸或换向器磨石等进行清理性的打磨;对于表面出现轻微和较浅灼点的换向器,可用换向器磨石进行一次打磨;对于烧灼较严重的换向器,必须重新车削外圆;烧灼严重无法修复的必须重新制作换向器。在打磨和车削换向器后,必须重新进行换向器的倒棱和下刻。处理后必须进行一次片间电阻检查。

2)更换烧损的刷握和电刷,电刷牌号必须和原来相同,电刷压力亦需调整均匀。

3)对于受损的绕组和其他部件进行焊补或更换。

4)绕组及导电部件表面绝缘层处理。如绕组及导电部件表面绝缘仅受蒸熏而绝缘电阻下降时,可用棉纱醮少许汽油、酒精和四氯化碳等溶剂,擦洗去这些部件表面凝聚的碳和铜微粒,再测量绝缘电阻。当擦洗清理后绝缘电阻仍难恢复,这时应考虑清洗整台电机的处理方式了。当表面绝缘层被电弧烧焦时,需剥去被烧灼绝缘层,重新绝缘处理。处理后绝缘电阻必须高于允许标准。

5)轴瓦处理。当轴瓦上出现较轻轴电流烧灼点时,轴瓦经研刮后可继续使用。当烧灼点密集和很深时,应更换备品轴瓦或重新浇铸轴瓦。轴瓦处理时,必须检查轴承座的绝缘层是否正常。

6)定子和轴承座固定螺钉如有松动,必须重新紧固。

(四) 防止环火的措施

由于环火发生的时间很短,而且又在电机内部发生,所以很难用继电保护、空气开关和快速开关来保护。必须从设计和运行维护上采取措施解决。防止的措施有:

1)采用补偿绕组,直流电机加设补偿绕组后,首先是解决了换向极饱和问题;同时由于补偿绕组抵消了横轴电枢反应,因而解决主磁场畸变,从而使换向器电位分布曲线较为平滑(因为换向器表面电位分布曲线实际上就是气隙合成磁场的空间分布曲线的积分)。采用补偿绕组有利于抑制电刷火花和片间电弧的扩展。对于无法采用补偿绕组的小型电机,最好采用不同心气隙,也可以适当减少气隙磁场的畸变。

2)改善换向器表面处理,特别是换向片的倒角和片间云母的下刻质量,以及消灭换向片上存在的端部尖棱、夹角,这是有效防止环火的措施。

3)设计时,适当降低片间电压。对于大型电机片电压最好不高于16V;对于小型电机,不超过18V。对于片间电压较高,经常发生环火的电机,应适当降低过电压保护值。

4)加设隔弧板。在刷架之间的空间,用耐弧材料做成隔板进行挡隔,其作用是起电弧扩展的机械性障碍和减轻环火造成的损害。

5)加强换向器的维护。经常清理、擦抹和吹风,防止片间积法,防止片间铜毛刺产生,是防止环火发生的有效措施,特别是换向不好而发生过环火的电机,更应回强换向器的运行维护。

四、产生换向故障的原因和处理方法

换向是一个复杂的物理和电化学过程,它和电机本身及外界很多因素有关,而换向不良又表现在很多方面,如换向火花。氧化膜破坏、电刷与换向器磨损、滑动接触稳定性的破坏等。当换向恶化时,各方面的因素又相互影响,表现是错综复杂的,往往一个原因就会造成几种换向不良征象,有时几种故障原因,反映了共同的换向不良片象,为了便于现场解决和处理换向问题,下面将较详细地逐个分析几种换向故障原因,故障发展和处理方法。

(一) 氧化膜异常

1. 氧化膜形成和性质

        直流电动机在运行过程建立起的氧化膜,是滑动接触中的一个重要因素,在换向器表面形成有光泽而且颜色均匀的氧化膜,是良好换向的前提。

        氧化膜的形成主要是由于电刷和换向器之间滑动接触所发生的电化学过程。在大气中普遍存在水蒸气,电刷和换向器亦都覆盖一层极薄水膜,当电机运行时,电刷和换向器械之间电流通过并发生接触传导时,分别成为两个电极。当换向片是阳极时,水电解的氧离子趋向阳极,使铜被氧化成氧化铜和氧化亚铜。同时因机械和电气磨墨结晶不断堆积在铜表面,形成了厚度约为4~50㎜的氧化膜。其表面又吸附了氧气和水气,形成一水膜。因此,氧化膜成分中,包含有氧化铜、氧化亚铜、石墨、碳粒、少量其他杂质以及被吸附的水气和氧。电刷与换向器接触微观状态。

        氧化膜是处于一种动态平衡过程中。由于换向片是不断回转于不同极性电刷之下,当换向片是阳极时,铜被氧化,氧化膜厚度增加、电阻增加;当换向片是阴极时,氧化铜又有部分被还原,氧化膜的电阻就减少。氧化膜上的碳颗粒与石墨不断堆积,又被负电刷的清理作用不断的磨去。 这们氧化膜在直流电机运行过程中不断的形成,也不断被破坏,经常地维持一种动态平衡。

        氧化膜对于滑动接触是十分重要和有益的。首先使电刷与换向器之间磨擦系数减少,起很好的润滑作用,使电刷能稳定接触,减少了电刷的磨损。其次由于氧化膜电阻率大,增加了电刷与换向器间的接触压降,能限制被电刷短路元件内的短路电流,改善了换向。另外,由于氧化膜的硬度高,使磨损减少,能延长换向器的寿命。因此,正常的氧化膜是直流电机正常运行所不可缺少的。

        氧化膜的颜色是各不相同的,通常是紫色的、红褐色的、浅兰色的、咖啡色的、灰色的德行,只要有光泽,颜色均匀都是属于正常的氧化膜。直流电机生成不同颜色的氧化膜主要取决于运行条件,如负荷、电机转速、电刷牌号、温度、湿度、换向火花等,当电机运行条件改变时,由于氧化膜原来平衡过程破坏,在新的条件达到新的平衡,氧化膜状态和颜色也会随之改变。

        2.氧化膜异常和处理方法

1)氧化膜极薄现出铜本色,同时出现换向器的异常磨损。产生这种现象有如下原因:电刷牌号选择不合适,换向火花较大,且建立的氧化膜性能差;空气温度低,不利于形成氧化膜;电刷与换向器接触面上有硬度较高的研磨性尘埃,或电刷含有金钢砂和碳化硅。处理方法是选用形成氧化膜能力较强的电刷、适当增加湿度以及加强换向器的清扫和维护。对于建立氧化膜困难的直流电动机,可以采用人工建立氧化膜方法,建立起初始氧化膜后再投入运行。

2)氧化膜黑色而无光泽。通常称氧化膜过厚,常见的原因是空气中有油雾或换向器沾有油污,周围存在H2S、SO2、C1等气体。处理方法是消除空气中的油雾和有害气体,并用柔性换向器磨料或换向器修磨面,轻微磨去过厚氧化膜,当电机必须在上述环境中运行时,可以选用具有一定研磨作用的电刷,以适当减少氧化膜的形成。

3)氧化膜斑纹。在换向器上形色调不均匀的氧化膜,有时又会出现块状斑纹。产生斑纹的原因很多,常见的原因有:电机长期过载、堵转,换向器温度过高;换向器表面状态不良,电刷与换向器接触不稳定而产生换向火花;刷握排列和安装不正确,电刷与刷握配合不合适,电刷弹簧不均匀;电刷表面镀铜等都会产生器换纹。消除换向器斑纹通常办法是仔细调整刷握和电刷工作状态,认真处理换向器表面,为换向器和电刷的良好滑动接触创造条件。其次是减少过载和堵转,设法降低换向器工作温度,选用合适的电刷和减少换向火花。

3.氧化膜的维护

氧化膜是一种性质活泼,处于动态平衡过程的物质,直流电机氧化膜形成能力主要是决定于电机换向性能、负荷性质、电刷性能、周围介质和滑动接触状态。氧化膜变化过程往往是换向恶化的前兆,为此,必须精心加以观察和维护,经常地清吹和擦净换向器表面,当氧化膜状态发生变化时必须分析和找出影响因素。对于难于建立氧化膜的电机可以采取一些措施,促使建立氧化膜;对于氧化膜过厚的,则必须适当的清除一些氧化膜;对于不均匀的氧化膜和斑纹要清除后重新建立氧化膜。

4.清理氧化膜新材料

见本章第三节中换向器表面处理的有关内容。

(二) 换向器表面烧伤

持续的有害火花必然会导致换向器表面氧化膜的破坏,并在表面留下黑痕或灼痕,不能用溶剂擦去,这种现象通常称为换向器烧伤。当换向器出现烧伤后,由于氧化膜和滑动接触稳定性的破坏,将发生换向的恶性循环,所以当发现换向器表面烧伤时,必须立即处理。换向器烧伤有不同形式,产生的原因也错综复杂的,下面分析几种烧伤的征象。

1.换向器烧伤的几种征象

(1)表面普遍烧伤  于持续的有害火花,使整个换向器表面出现黑痕和灼点,表面粗糙。从换向片上观察可分以下几种情况:

1)换向片中间的灼痕。通常是由于换向器打磨不良,造成每一换向片表面曲率半径和换向器曲率半径不等,产生换向火花造成的。

2)换向器棱边上的灼痕,通常是换向片倒角不良,云母突出等原因产生的。

3)换向片的灼痕由边缘开始产生,逐渐向片中间扩展,通常是有害火花造成的,随着灼痕的扩展,整个换向片表面出现了烧伤。

(2)局部烧伤   换向器表面一个区域内出现了烧伤,其范围可由几片直至半个换向器表面。这种现象一般是由于换向器出现偏心,变形或局部突片造成的。

(3)有规律的烧伤  换向器表面有时往往出现一定规律烧伤,这种现象也称换向器烧痕,有如下几种类型:

1)槽距型烧伤。电枢槽内通常并列几种导体,即一个电枢槽内有几个绕组元件,亦称槽片数。槽距型烧伤是按槽片数为间隔出现的有规律烧伤。如某台电机的每槽内有三个元件,槽距型烧伤规律是每三片烧伤一片,顺序排列是1-4-7-10-13……。如槽片数u=4,则烧伤顺序是非曲直-5-9-13-17……。一般认为,被烧伤的通常是槽内最后一个元件所连结的换向片。原因是当槽内最后一个元件换向时,槽内其他元件已经换向结束,由于互感电势的作用,由电抗电势所产生的换向附加短路电流较大,这时易产生换向火花。

槽距型烧伤最始时只在局部区域内出现,随着换向火花加大而逐渐扩大到整个换向器表面,而且由每槽一片烧伤扩展到每槽两片或整个换向器表面烧伤。

过负载、电刷选择不合适以及换向极强弱调整不合适时,都会产生槽距烧伤。

2)极距型烧伤。在换向器表面有时会发生以极对数为间隔的烧伤。如四极电机,在换向器上出现对称两处烧伤;六极电机出现对称的三处烧伤,即其烧伤节距是K/p片。开始出现时是每组2~3片,以后逐渐扩展成每组十几片。极距型烧伤一般是由并头套开焊造成的。对于电枢为多重路绕组的直流机,由于机械和电气原因的干扰,如换向器突片,滑动接触不良、电刷电流密度分布不均,支路电流不均等也能造成极距型烧伤。

3)重路数型烧伤。换向器上出现按重路数为周期的烧伤,如双重路绕组的电机出现每二片烧伤一片现象;三重路绕组的电机出现每三片烧伤一片的现象。这种重路数烧伤规律是由于多重路绕组不对称性引起的,在换向过程中绕组间的不平衡电势在被电刷短路的换向元件中产生一脉振电势,在电刷附加换向电流中将叠加一脉振电流,而对换向产生干扰。当滑动接触不稳定时,这种干扰影响将更显著。电刷接触压降的大小对限制换向附加短路电流也是起十分重要作用。防止和消除重路数烧伤的措施是限制过负荷、建立良好氧化膜、选用合适电刷和加强换向器维护。

2.换向器表面烧伤的处理

分析原因针对处理,这是解决表面烧伤的前提。换向器表面烧伤是换向不良的直接反映。在处理前先要根据烧伤的不同征象来找出换向恶化原因并加以解决,否则即使修磨了换向器后,仍然出现烧伤。

轻度烧伤的处理:当换向开始恶化,并在换向片边缘开始出现黑痕和轻微灼痕时,这时可以采用轻轻修磨换向器办法,即能除去黑痕与灼痕。修磨材料可采用砂纸、柔性换向器修磨料和换向器修磨石。

(三) 换向器不均匀磨损

换向器在运行中常出现轴向不均匀磨损和呈现波浪形磨损,这也是换向不正常和换向器异常磨损的反映,造成换向器不均匀磨损,通常有条痕和沟槽两种情况。

1.换向器条痕和沟槽形成

1)换向器条痕。条痕是指换向器表面出现了类似刀具切削的刀纹状的痕迹,有时深度可达2~3㎜,而且不均匀的布及换向器表面。虽然换向器表面高低不平,但氧化膜仍保持着。长痕的发殿过程开始电机有很小火花,在换向器表面圆圈方向出现了少量几圈微细刻痕,随着时间推延,微细刻痕逐渐变宽和变深,而且又产生新的刻痕,最后发展成严重的换向条痕,随之电刷和换向器磨损就迅速增加。

根据换向器条痕状态,又可分为连续条痕和弧立条痕。连续条痕是沿换向器圆周方向连续和均匀的刻痕;孤立条痕是不连续条状刻痕。

2)换向器沟槽。换向器沟槽是指在换向器表面出现与电刷宽度相近的光滑的磨槽,深度有时可达2㎜以上,沟槽产生初期仅在某些部位电刷磨道出现很浅的下凹,逐渐加深,并形成严重的沟槽,但是沟槽部位部位通常还覆盖着氧化膜,换向火花并不十分严重,有时甚至无火花运行。

在有些电机换向器上同时出现沟槽和条痕,或在沟槽内存在条痕。但不论是条痕或沟槽的出现,都将导致换向器的异常磨损。

2.产生原因和处理方法

换向器条痕产生原因很多,常见的原因是:电机长期轻载运行,电刷电流密度过低,换向器表面温度过低和周围空气湿度过高,将会使条痕很快发展;换向器表面油污染或周围环境中存在硫化氢、酸气、氯气等有害气体,易产生换向器表面的孤立条痕;电刷在制造过程中石墨化过程不够彻底,电刷材质中含有碳化硅等高硬度杂质,以及空气中含有耐磨性粉尘,则是条痕产生和发展的机械性因素。

换向器沟槽产生的原因主要是:电刷位移方法不正确,没有考虑换向器表面上电刷磨道的均匀覆盖和正负电刷下换向片磨损量不等的因素;其次,当周围环境中含有较多的耐磨性尘埃和电刷硬度过高等,也易产生换向器沟槽。

当换向器表面出现的条痕和沟槽深度超过1㎜时,一般应重车换向器,操作方法见本章第三节有关内容。但是,同时必须采取措施,解决导致条痕和沟槽的各种因素。电刷位移本来是一种防止因机械和电气原因产生换向器不均匀的措施,对于因电刷位移不当而引起沟槽的情况,必须调整电刷排列方式,以实现合理的位移。

(四) 电刷抖动

电机在运行过程中,由于换向器润滑不良等原因,会出现电刷的高频噪声,这种情况通常称为电刷的抖动。电刷抖动不仅使火花加大,而且往往导致电刷掉角、碎裂,刷辫脱落,严重时将刷握的压指断裂和铆钉脱落,使电机无法正常运行。

电刷的抖动产生直接原因是换向器与电刷的润滑情况不好,例如:换向器氧化膜过厚、电刷磨擦系数过大、空气湿度过低和电刷弹簧压力过大等都会造成高磨擦而导致电刷抖动。换向器表面状态不良,换向器变形、电刷与刷握配合过松或过紧,刷握固定螺钉的松动等机械性的原因亦可能导致电刷的抖动。

消除电刷抖动办法是分析和寻找出造成高磨擦原因和机械松动的部位,针对性的予以解决。如发现氧化膜过厚,可用柔性磨石或换向器清理石适当清除过厚氧化膜,并使其产生光泽;当空气湿度低于5g/m3时,必须适当用喷雾增湿;当电刷压力过大时,要适当调整压力;而电刷磨擦系数过大时,则必须选择润滑性能较好的电刷(如浸渍石蜡或权利脂的电刷)等等。

解决高磨擦的另一个办法是用润滑剂润滑换向器表面,如定期清擦换向器,并在表面涂石蜡,高频颤动和噪声就会显著降低,但这只是一个临时性的措施,不能彻底解决问题。

对于造成电刷抖动的机械性原因,必须仔细寻找和加以解决。

    ()换向片挤铜

    直流电机在运行中,有时换向片边缘会出现铜毛刺,通常是在换向片边棱出现羽毛状的铜毛刺或铜箔片并逐渐延展出来,这种现象叫换向片挤铜。产生挤铜现象的原因是由于滑动接触情况不好,由于高摩擦和电刷抖动,使换向片表面受到一种高频锤击和定向挤压作用而表面蠕变,逐渐向旋转方向延展。氧化膜过厚,按向器表面的油污垢、电刷摩擦系数过大和空气湿度过低都是产生挤铜现象的诱发因素。挤铜现象大多都发生在单向运行的电机上。当换向片发生挤铜现象时.首先使氧化膜变得不均匀,在某些部位将出现铜本色的亮纹。由于铜的蠕变和延展,实际上换向片的曲率半径变得不均匀.云母沟中出现了铜毛刺,增加了片间短路和闪络的发生,严重时将导致环火事故,因此当发现铜毛刺时,必须立即进行处理。

    对于出现挤铜的直流电机,通常作如下处理:首先对换向器进行倒棱,以剔除附在换向片棱边上的铜毛刺和铜箔,并根据换向器氧化膜和表面情况,可适当的修磨换向器。从根本来说,为防止挤铜现象必须避免高摩擦和电刷抖动。

    ()电刷“镀铜”

    电刷镜面上有微细铜粉沉积.有时部分刷面呈铜色,这种现象叫电刷镀铜。在周围空气绝对湿度过大(超过20gm ),或存在酸气时,因氧化膜表层水膜的电解作用加强,在滑动接触过程中就会使换向器的铜因电解的作用而趋向电刷接触面,细微的铜粉就会沉积在电刷镜面上,而造成镀铜。另外,在空气中存在耐磨性粉尘和油雾,换向器工作温度过高、片间云母突出和电刷磨损率太大等亦可

能产生镀铜现象。

    电刷镀铜会对电机换向带来很多问题。电刷镀铜往往直接导致换向器条痕,换向火花加大、换向器和电刷出现异常磨损。因此,当出现电刷镀铜时,首先必须修磨电刷和换向器表面,并认真清理碳粉和铜粉,使电刷和换向器恢复稳定的滑动接触。同时,也必须加强对换向器的维护,并采用过滤冷却空气,调节空气湿度等措施.保持氧化膜正常的动态平衡,可以防止电刷发生镀铜现象。

    ()常见的换向故障

    直流电动机在运行过程中常见的换向故障见表57

5—7    换向故障的原因和处理方法

序号

故障现象

故障原因

处理方法

1

换向不良

1、换向器表面状态不良

2、换向器偏心和变形

3、过载

4、电刷弹簧压力过小

5、电刷牌号不合适

6、电枢绕组片间短路

7、并头套开焊

8、补偿和换向器极绕组接线错误

9、有害气体

10、刷距不均匀

11、电机振动电刷不在中性面上

1、加强维护,并进行表面处理

车圆换向器

2、应在额定值内运行

3、处理换向器表面,减少电刷与刷握间隙

4、调整至规定压力

5、选用合适牌号电刷

6、清除片间云母沟中金属短路物

7、补焊电枢并头套

8、排除短路故障

9、根据图纸改正接线

10、不使有害气体进入电机内

11、调整刷距

12、校平衡并消除振动

13、用感应法找出中性面

2

电刷异常磨损和破损

1、换向器表面粗糙

2、换向不良

3、绝对湿度低

4、电刷制造、加工不良

5、空气中研磨性杂质粉尘

6、电刷、刷握振动大

7、接触表面温度过高

8、电刷压力过大 

1、车光换向器

2、调整和改善换向

3、通风道喷雾增湿

4、更换电刷

5、除尘和净化空气

6、改善电刷润滑条件和减少电刷,刷握间隙

7、、改善通风和冷却条件

8、调整电刷压力

3

换向器条纹

1、湿度过高

2、油雾附着

3、有害气体

4、电刷材质不合适

5、电刷电密过低

6、温度过高

7、刷面镀铜

1、不使潮气进入电机内部

2、防止油雾进入,经常清擦换向器

3、防止不害气体进入

4、更换电刷

5、避免在2~5A/c㎡电密下长期运行

6、改善通风

7、防止潮气、有害气体和尘埃进入,选用合适电刷

4

环火

维护不良

短路或很重负载冲击

片间电压过高

换向不良

电枢绕组开焊

换向器表面处理,加强清理

防止过载和清除短路

防止过电压

调整和改善换向

补焊电枢绕组

5

氧气膜颜色不正常

换向器温度过高

电刷牌号不对

油附着

有害气体

改善通风

更换电刷

防止油雾进入

防止有害气体进入

6

抖动和噪声

电刷、刷握间隙过大

电刷倾斜铁角不适当

电刷材质不合适

换向器变形,突片

电刷压力不适当

低湿度

电机振动

调整刷握间隙

调整倾角

选用合适电刷

车光换向器

调整压力

增加风道湿度

校平衡和消振

7

换向器表面烧伤

电刷换向性能差

并头套开焊

极距、刷距不等

换向器变形、突片

电刷不在中性面上

选用抑制火花能力强的电刷

补偿并头套

调整刷距、极距

车圆换向器

调整中性面位置

8

换向器磨损快呈铜本色

电刷中含有碳化硅和金刚沙

电刷磨损率太大

电刷与换向器接触不良

湿度过低

电刷电密过低

空气中有耐磨性尘埃

改用合适电刷

改用润滑性好电刷

改善滑动接触条件

人工建立氧化膜

去掉部分电刷

净化空气

9

换向片边缘毛刺

电刷振动

电刷卡死在刷握内

维护不良

刷握加垫太多

高磨擦

见“电刷振动项”项

使电刷在刷握内自由活动

改善滑动接触,定期清扫换向器

改用整垫

改善滑动接触和使用润滑性能好电刷 

10

电刷表面镀铜

云母突出或有毛边

电刷形成氧化膜能力差、含研磨成分过多

油沾污

温度过高

湿度过低或湿度过高

加强换向器运行维护、重新下刻倒棱

采用合适牌电刷

防止油雾进入电机内

改善通风

调节风道湿度

11

电刷电流分布不均

电刷压力不等

电刷与刷握间隙过小

刷辫螺钉未拧紧

不同牌号电刷混用

电刷粘结在刷握内孔

调整至规定压力

调整间隙

紧固刷辫螺钉

改用同一材质电刷

清扫刷握内孔

12

电刷与换向器温度高

通风不良

长期过载、堵转

电刷压力过大

高磨擦

强烈火花

电刷牌号不对

改善通风

改善运行状态

调整弹簧压力

改善滑动接触条件

见“换向不良”项

改用润滑性能好的电刷

 

换向器修理

    换向器是直流电机主要部件,其工作状态是否良好对直流电机的运行起着至关重要的作用.换向器结构型式很多,但都是铜、云母和钢(或塑料)构件组成的复杂弹性体。在运行中不但承受离心力,还受到热应力,惯性力,电刷摩擦力和振动应力的作用,而又要求换向器在各种运行条件下,始终保持一个不变形的光滑圆柱体表面,因此,有较高的技术要求和严格的工艺规程.

    一、换向器的结构与技术要求

    换向器结构通常由导电部分,绝缘部分和紧固与支撑部分所组成。按其结构型式通常可分为拱形换向器、塑料换向器,绑环式换向器,捆扎式换向器、集锁式换向器和紧圈式换向器,其中采用最广泛的是拱形换向器。下面将对换向器作简要介绍.

    ()换向器的结构型式

    1.拱形换向器

    换向器最常见的结构型式是拱形换向器,换向片侧面车有两个V型槽,使换向片下部形成一个鸽尾,V型压圈在换向片鸽尾30度锥面上,施加一个束紧力,使换向片之间留有少量间隙.换向片和云母片间隔排列成凹柱体,钢制V型压圈和套筒依靠拉紧螺杆的轴向拉力,把换向片束紧成一个整体,使它们之间有足够的片间压力,在电机运行的各种工作状态下,换向片承受各种应力作用,不致发生有害变形。螺杆式拱形换向器通常用于直径和长度较大的结构,由于换向器受热膨胀时,螺杆柔度较大,而且螺杆也受热伸长,因此.换向片鸽尾和压圈热应力较小.压圈,套筒与换向片之间是用V型云母环绝缘的。在拱型换向器中,换向片和升高片是导电部分,片间云母和V形环是绝缘部分、压圈、套筒和螺杆是换向器的紧固和支承部分。

    2.塑料换向器

    这是一种工艺简单,材料节省,制造成本较低的换向器.它是在换向片上车出T形尾,用塑料热压固紧成型。塑料内套既起固紧换向器作用,又起与轴配合的支承作用.加强环一般是环氧型无纬玻璃丝带制成玻璃丝环,或包有绝缘材料的钢环,金属套筒则提高了塑料换向器在轴上固定的可靠性.由于塑料换向器机械强度较差,目前都用在较小的直径,最大直径在300mm 以内。

  3.绑环式换向器

  利用热压套在圆柱形换向片上的高强度合金钢绑环的束紧力使换向器形成一个坚定整体,这种换向器机械强度好,变形小,但是工艺较复杂,制造成本较高,所以通常只用于高速直流电动机上。

    4.捆扎式换向器

    它是美国通用电气公司(GENERAL ELECTRIG CO)经常采用的结构形式。捆扎式换向器是换向片和片间云母用无纬玻璃丝绑扎带捆紧在绝缘的支承套筒上,捆扎式换向器具有较好的紧固性,热稳定性和光滑度,有利于保持良好滑动接触和延长电刷寿命。

    捆扎式换向器制造工艺过程如下:先将梯形铜排和片间云母排成一个圆环,用扇形瓦块和锥形外环把换向片固紧在一起,并使达到一定片间压力。在换向片外表面上车出矩形绑扎槽。然后加热换向片,并将无纬带在恒定拉力下绕入绑扎槽内,送入烘箱进行固化。待槽内无纬带完全固化后换向片就在强力下形成一个定整的箍。换向片装配内孔需进行精确的机械加工,云母箔熨贴在支承套筒上,将加工完的换向片圆筒热套在绝缘后的套筒上,就坚固地形成了一个换向器整体.

    捆扎式换向器不但零件少,结构简单,而且不易产生变形,热稳定好,表面平滑性也优于拱形换向器。

    5.集锁式换向器

    这是英国AEI公司经常采用的结构。集锁式换向器固紧方式比较特殊,换向片尾部呈半圆形,支持杆是钢制的,头部也是圆形的,换向片间和换向片与钢杆间垫有玻璃布云母绝缘.换向片全长均被钢杆支承着,钢杆再与换向器套支架的支持环焊牢.形成一个紧固的整体,         

    集锁式换向器工艺上要求较严格,必须使支承钢秆均匀地紧固整个换向器,而不挤坏间隔绝缘。集锁式换向器的特点是换向片全长被支撑着,受力情况较好。对同一磨损深度来说,换向片厚度较薄,因而节约了用铜,也减少了转动惯量,尤其适用于高速电动机和大型轧钢电动机.

    6.紧圈式换向器

    这是BBC公司经常采用的结构。这种换向器是换向片两端车出两个紧圈槽,用两个热套的紧圈将换向器束紧,由于紧圈下仅垫有几层簿薄的聚酰亚胺薄膜,而且不含粘结剂,因而换向器变形小,特别是凸片少,因而能使换向器保持良好的滑动接触和换向性能。

    由于这种换向器没有压圈和固紧螺杆,换向器与轴间有较大的空间,而且内外表面都是冷却面,电机通风和换向器的冷却效果均较好,而且结构较简单,省铜。

    但是这种换向器的支承刚性较差,致使换向器的径向摆度较大,特别是热态摆度较大,尚需研究和改进.

   ()换向器的主要质量标准

    1)换向器的允许摆度,换向器工作表面必须是圆柱形,表面粗糙度为Ra08或更细些,不允许出现大的突片和变形,

    2)各刷距下的换向片数应分布均匀,容差为lmm,为此在大型换向器制造时,必须进行分组压力测量。

    3)换向片应与轴线保持平行,其偏斜歪扭度应规定.

    4)换向器端面和轴线应保持垂直,端面摆度不超过05mm,端面应刻有磨损寿命线,大型换向器应打有换向片号。

    5)绝缘性能可靠,片间和对地应能承受规定耐压.所用云母材料中含有机挥发性溶剂要少,减 少因绝缘收缩而整体结构松弛。V型环3度面涂封严密。

    6)换向器用梯形铜排,除了良好的导电性能之外,还应有较高的耐磨性、耐热性,耐孤性和机械强度。换向器梯形铜排常用材质和主要性能, 

    7)换向片和升高片焊接可靠,接触电阻小.

 二,换向器故障检查

    换向器常见故障有片间短路,接地,升高片断裂或开焊,表面严重磨损等,其故障原因和检查方法如下:

  ()换向器片间短路

    1.片简短路原因

    1)有金属屑或焊锡粒落入片间云母沟中,造成两片之间短路。

    2)换向器端而涂封不好,碳粉与导电性尘埃进入3度而造成片间短路,这种片间短路一般短路片数较多,而且阻值不一定是零。

    3)换向器装配时没有清理干净,异物在换向器内部造成了短路。

    2.片间短路检查方法

    运行中,电机出现片间短路故障征象时,如电枢绕组局部发热 ,片间闪络、换向火花加大等,可测量换向器片间电阻即可检查出短路故障点。

  ()升高片断裂

    1. 升高片断裂原因

    升高片断裂原因一般是由于材料不好,固定不紧密和弯折引起机械损伤,振动和扭振引起共振造成疲劳,以及由于升高片焊接工艺不好而造成根部退火。断裂部位大多在升高片根部.其中情况最严重的是由振动和扭振引起升高片的共振,这种原因造成的升高片数量随时间以指数曲线规律增长,如断裂数量较多,无法补焊,往往被迫停机检修。处理方法不能用简单的更换升高片办法来解决,还必须改造结构,防止共振和继续断裂。

    2.升高片断裂的检查

    升高片断裂的电气征象是换向恶化,断裂部位有时可以用目测观察到,有时发现漆膜裂纹,而不能确定是否存在裂纹或断裂时,可用手锤和螺丝刀轻轻敲拨作机械检查,另外一种办法是用片间电阻仪测量升高片电阻,测量部位是并头套至换向片   测量结果发现,升高片电阻明显加大甚至开路时,则证明该升高片确已断裂,这时必须进行补焊处理。如发现升高片大量断裂,则应卸下换向器,进行解体处理,并应考虑改造升高片结构.

  ()换向器突片和变形

    1.产生突片和变形的原因

    突片和变形发生的原因是,由于长期运行后,云母绝缘材料中的有机物质的挥发和收缩使作用在鸽尾上束紧力减小,换向器制造时保持的片间压力逐渐降低,整体结构松弛的结果。

    2.检查方法

    换向器变形和突片通常用千分表检查,在盘车过程中,千分表指针突然跳动则为突片,指针慢慢摆动则为变形.

    突片和变形的处理方法是车换向器 ,但是在车削之前,必须先拧紧螺栓(或固紧螺帽)

 ()换向器接地

    换向器接地通常是V型云母环表面污染爬电,损坏和击穿造成,也可能由于换向器内部异物引起接地.因此,必须区分这几种情况,接地事故检查一般用兆欧表,在检查发现换向器接地后,先用毛刷刷去云母环外露部分上积灰和污垢,不能刷除时应用酒精和汽油清擦,再作检查,如故障消失,则可在云母环外露部分剧上灰瓷漆。如发现接地故障依然存在,则必须解体换向器,折出云母环进行进一步检查,同时也能发现换向器内是否存在异物。v形环的损坏一般是由于换向器受机械碰撞、v形环与压圈配合不当、拉紧螺杆拉力大大超过设计规定值和30度的压力过大,而造成云母环错层滑片而损坏,被击穿。处理办法是修理或更换V形环。若是由异物短路引起接地,则应排除异物,换向片内部和套筒内重刷灰瓷漆,再仔细装配起来.

 ()换向器表面不均匀磨损

    换向器表面出现严重的沟道,波浪度时,必须重新车削换向器表面,并重新下刻和倒角,使换向器恢复良好的工作表面,以保持稳定的滑动接触.同时必须重新合理选择电刷,使电刷在换向器表面

合理排列,调整换向,以防止同样故障重复发生.

    换向器表面不均匀磨损,表现为换向器表面出现的沟道和轴向波浪度,通常有三种形式:孤立条痕,连续条痕和沟槽.当换向器表面不均匀磨损出现后,就使滑动接触稳定性受到机械性干扰,从而使电刷和换向器磨损迅速增加,因此在换向器上出现不均匀磨损时,必须尽快处理.

    不均匀磨损深度最简单的检查方法是用钢板尺和塞尺,       当钢板尺边与换向片靠平后,磨损部分便出现空隙,空隙大小就是磨损深度.通常o2mm以内为轻度不均匀磨损,02o5mm范围称一股不均匀磨损,超过o5mm时,为严重不均匀磨损。

    对于轻度不均匀磨损,通常可采用换向器砂石进行打磨,而当换向器表面出现严重的沟道。波浪度时,必须重新车削换向器表面,并重新下刻和倒角,使换向器恢复良好的工作表面,以保持稳定的滑动接触.同时必须重新合理选择电刷,使电刷在换向器表面合理排列,调整换向,以防止同样故障重复发生.

    无论采取何种办法处理,换向器氧化膜将被破坏,对于换向困难的电机,必须考虑人工建立氧化膜。

三、换向器片间短路和接地故障的处理

   ()换向器的解体

    直径较小的换向器,如需拆开修理时,先用1mm钢纸在换向器表面围绕一层,在钢纸板外面扎紧一层钢丝以保持换向片的整体性,即可进行解体操作。而对于较大的换向器,则必须预先根据换向器外圆尺寸,加工一个强度足够的箍紧工具,把换向片紧箍成一个整体,方可进行下一步解体操作.

    解体前,先用漆作好压圈,套筒与换向片相对位置标记,以便装配时按原来相对位置恢复。然后拧开锁紧螺母(或松开拉紧螺杆),取出压圈,分离V形环,继而吊取箍紧成一个整体的换向片,再

卸下套筒,分离另一个V形环.

    当压圈或套筒与换向片粘结牢固不易分离时,可将换向器加热80~90"C,再用木锤轻轻敲击压圈和套筒端面,使之脱离,吊出压圈和套筒,脱出V形环,即完成了换向器的解体.

  ()换向器接地故障的处理

    (1)V形环的局部修补  换向器接地是因V形环损坏和击穿造成时,必须修理V形环。如V形环仅仅是金属屑和其他异物没有清理干净而局部被击穿,一般可以用修补法修复,修补工艺如下:

    先将v形环击穿处清理干净,孔的四周削成斜面,用酒精擦净刷上虫胶漆,并特换向器塑型云母板修剪缺孔形状放在缺孔上,用电熨斗熨平,修补处外面再刷上虫胶漆,熨贴一层较大面积  o25mm塑形云母扳,待冷却后,修整边缘。V形环修补完后,需进行一次耐压试验,          

    (2)重新制作换向器V形环  若换向器形环是由于压圈与v形环配合不好,压装时压力过大使V形环滑片,而造成接地时,则必须更换V形环.

   ()换向片短路故障的排除

    换向片短路故障通常是片间云母沟中流入焊锡和掉入金属屑引起的,认真清理云母沟就能排除。

    另外,在制造过程中,金属屑等夹在换向片之间,换向器组装后,如在片间试验时击穿.这时就必须将换向器解体,从换向片装配成圆柱体中,抽出击穿片间云母,进行修补,或更换相同云母片,

插回原处,重新组装.

    由于3度锥面涂封不严,碳粉灰尘进入积贮引起片间短路,这时也需将换向器解体,仔细清理V形槽中和V形环3度锥面上的积尘,并用酒精棉球精心擦净.如发现V形环上3度锥面上因放电而表面有灼痕,则应将表面修平,刷上虫胶漆.如灼痕较深,应补贴虫胶云母板,用电熨斗熨平,片间短路故障排除后,应用交流220V试灯再进行一次试验,确无短路时,方可重新组装换向器.

    ()换向器组装工艺

    换向器解体排除故障后,需要重新组装.在故障处理过程中,没有松散换向片组合整圆,则不必重新车鸽尾槽,经几次烘压即可组装复原,加热至120~C热态下再拧紧固定螺母或拉紧螺杆,即组装

完毕。

    如换向器解体后,仅更换个别换向片或片间云母板,可将换向片组合重新排圆,新换的换向片与云母板必须与其他换向片在鸽尾处对齐,用压装工具压紧后,  且可组装复原。当更换换向片和云母板较多,而且不能在鸽尾处对齐时,刚必须根据原来的换向器量规径,重车换向片组合体V形槽.由于重车V形槽,换向器鸽尾变窄,则必须重配套筒和拉紧螺杆,但是v形槽车深尺寸不能超过lOmm,否则将使V形环外露尺寸过小.造成爬电距离不够。

    换向器解体后,全部换向片和片间云母是拆散后重新组合,则必须重新组装与烘压,工艺过程如下:

    (1)换向片的压力测量  将全部换向片和片间云母分成若干组,在油压机上加压到规定片间压力,使每组的厚度相等,不等时可调整片间云母的厚度.

    (2)一次装配  用换向器一次装配工具先将换向片排圆,在外圆上包一层绝缘纸板,然后套上外围在油压机上压紧使成为一个紧固圆柱体,   

      一次装配工具是由锥状扇形块和带锥度外环组成,其锥度通常为5·,锥形环一般用中碳钢,扇形瓦块一般用铸铁,配合面粗糙度要求在Ra32Ra16

    一次装配时,必须保证:换向片数正确无误,换向片对轴线应平行.不得有歪扭,在升高片端的云母片突出高度应相等。

    换向器冷压之后,还要加热烘压,烘压温度,时间和压力,与云母板胶粘剂和换向器直径有关,当片间云母板采用虫胶云母板时,换向片烘压次数,                       

    (3)V形槽  经一次烘压后,连同压装工具,在换向片组合体上车V形槽.v形槽加工要求十分精确,尺寸和角度应用量规径样板进行检查,要求是两面的信心度不超过o5mm30·惟度面必须与样板贴合,V形槽表面粗糙度Ra3.2,片间无毛刺.

    (4)二次装配  二次烘压时,需将换向器所有零件装配成整体,再进行烘压,使之成为坚固稳定的整体。要求换向器二次装配场地必须清洁,装配时要严格防止灰尘和杂物进入换向器内部。在拧紧螺钉或螺帽时,应对称均匀地进行,要保持紧固时换向片端面和压圈面的平行.

    每次热压和冷压后,必要拧紧螺钉或螺帽。

    (5)端面涂封  烘压结束后,卸掉压装工具,接着进行端面涂封。用加热并加固化剂和填充剂的环氧树脂,浇灌3度锥面处间隙,以防止水分和碳粉进入换向器内部。涂封严密后,在V形环外露部分绑扎玻璃丝带,平绕一层,并在表面刷一层光滑的虫胶漆,以防止云母飞散和碳粉积存.也可用无纬带绑扎一层,并用稀释环氧树脂涂刷表面,具有同样的效果。

    (6)半精车外圆表面  以换向器内孔或定位止口为基准,在车床上半精车外圆,尺寸无公差要求,车光为止.

  四、换向器的动态成形

    ()动态成形的目的和适用范围

    换向器的动态成形又称回转加热。运行条件较恶劣,工作要求较高的换向器在装配和半精车外圆表面后,需进行动态成形。     

    动态成形的作用是以较苛刻的要求来模拟电机运行条件,使换向器在高温和高机械应力情况下,进行最后一次烘压,并检验换向器质量是否符合要求。因此,这一工艺过程包括要实现动压成型和超速试验两个目的。

    动态成形的适用范围,

    1)换向器表面圆周速度大于15mS

    2)大型可逆转电动机换向器,

    3)两段式结构换向器 .

    ()动态成形工艺设备

    动态成形需在超过换向器工作温度2025,超过最高转速12倍工况下考核换向器的稳定性,因此,动态成形设备(又称回转加热装置)应包括:加热器,温度检测装置,换向器支承胎具、调速驱动装置和保护外罩。在换向器进行功态成形时,用胎具和轴文承起来.保护外罩不但需要有足够的强度,而且还兼起加热室的作用,因此,内面贴有保温材料,底部还有电加热器来实现加热和升温,装置内最高温度应能达到并超过换向器工作温度20~25"C

    此外,动态成形装置还必须配有相适应的测温和测速装置.

 ()动态成形操作程序和标准

    1)精车换向扮外圆,测量并记录外径或外圆的径向跳动,

    2)将被试换向器套装到轴上或支承胎具上,

    3)换向器胎具与转轴一起进行静平衡 

    4)将平衡过的换向器连同胎具、转轴一起吊入装置,轴置于轴承上.轴端套上皮带轮,拉紧转动皮带,用盖封好保护罩 

    5)使换向器低速旋转,接通电加热器,使加热室逐渐升温至换向器的工作温度 

    6)按动态成形规范规定的参数,进行动态成形 

7)第一次动态成形结束后,应打开保护罩,在热态下,用扭矩板手拧紧螺母,此时,换向器温度低于工作温度,但不应超过20"C~

8)第二次动态成型结束后,需再次检查换向器螺母拧紧情况,在同样扭矩下,螺母转动角度不应超过60

9)用外径千分尺或千分表来测量换向器的外径或外圆的径向跳动。对Dk<1000nm的换向器,动态成型前,后之差值不能超过o03mm,对于Dk<10000m的换向器,差值不得大于o.05mm,测量外径和外圆径向跳动的位置       

10)如果换向器在动态成型检查中,当螺母拧紧角度超过60度,或外径和外圆跳动值超过o03~o05mm时,则需重新做一次动态成形,直至符合规定值.

11)在动态成形后,换向器需重新打一次耐压,施加电压为35倍额定电压(+25kV)的工频交流电压,时间lmin, 无击穿或闪络现象为合格。

五、升高片断裂的处理

()升高片断裂的几种情况

    用于可逆轧机传动,经常承受强烈冲击和振动的直流电动机,升高片断裂故障是较普遍的.升高片断裂通常分几种情况,

 1)少量升高片断裂。直流电动机在运行一段时间后,发生个别或少数升高片断裂,这种情况通常是由于升高片材质有缺陷,受机械碰撞或固定不紧而造成的.

 2)数量较多的升高片频繁断裂,多次修理后仍轮流断裂,这种情况往往是升高片疲劳所致,应考虑减少电机负荷冲击和振动,更换升高片的材质或增加升高片的厚度.

 3)投入运行的直流电动机起初升高片很正常,而经过一段时间运行后,开始出现断片,而且往往按指数律增加,这种情况往往发生在大型可逆式轧机主传动电机上,这和扭振现象有关.当电机和轴系发生扭振时,如升高片固有频率和轴系扭振频率成正数倍时,升高片易受激振而引起共振,此时升高片受力情况似两端固定粱,在交变应力作用下很快发生疲劳,在升高片固定不紧时,这种现象更加严重.在处理时应考虑改变升高片结构,并采取加强固定和减震措施。

()升高片断裂的修理办法

  1.少量升高片断裂的补焊 

    升高片断裂部位通常在根部,一般处理较困难 。在断裂片数较少时,为了缩短检修工期,通常采用局部补焊,这种方法简单,可不解体换向器.办法是将已断升高片,在离根部50~60mm处剪断,用小锯条在升高片断裂部位拉出一个宽约2mm,深为712mm斜口槽,在槽内搪锡,然后将与升高片尺寸相同的铜片插入槽中,用喷灯和烙铁将换向片与铜片焊接起米,钢片与剩余升高片应搭接30~40mm,也用焊锡焊住,焊后—般需测量片间电阻,看焊接质量是否符合要求.焊接时应特别注意,不使焊锡流入电机内,并不使换向片局部过热.

 2.升高片的重新装配

    如升高片大量断裂,在焊补后仍然无效,这时应将换向器解体,更换全部升高片。升高片重新装配工艺如下,

 1)换向器解体,取出换向片,将全部升高片齐根剪去。

 2)整理换向片。将换向片重新铣槽,并在锡锅内将槽壁搪上锡。

 3)升高片铆接.将顶先准备好的升高片插入铣好的槽内,升高片与换向片必须保持垂直,在原来铆钉孔位置新钻孔 ,两边划沉孔,用埋头铆钉将换向片与新升高片铆接。铆接完后,必须再检查一次升高片与换向片是否垂直。

 4)焊接装配前升高片的焊接,一般是在搪锡锅内进行。焊前先在换向片槽的缝隙中,撤进松香粉末,将铆上的升高片的换向片的开槽端浸入锡锅内,摇动几次待锡灌满缝隙提出锡槽,趋未冷却时立即将换向片两侧面挂锡用棉纱擦净,并外观检查槽内是否有缝隙、孔眼存在。升高片改装完成后,即可重新组装换向器。              

 3、升高片结构的改进

    升高片是电枢绕组和换向片连接零件。在高速电动机和小型直流电动机中,由于电抠直径和换向器直径很接近,往往用换向片一端加高来代替升高片之外,其余电机升高片一般都用紫铜或成型钢带制成.

    通常升高片一端有一并头套,以连接电枢绕组,另一端冲成弧形插入换向片槽内,中间冲击一个圆弧段,以缓冲换向器和电枢绕组因绕度差和振动引起的应力.

    在冲击、振动较大工况下运行的直流电动机,往往发生升高片共振疲劳断裂,升高片断裂数量往往随时间以指数规律增长,应考虑提高升高片材料的疲劳强度,并应改变升高片的结构型式和截面形状,以改变升高片的共振频率,防止疲劳。

    升高片结构改造有两种方案:

    弓形升高片:一般升高片下料形状为一条窄带,                    运行经验证明,这种结构形式对于防止升高片根部疲劳断裂是十分有效的。

    捆束式升高片:将升高片下料尺寸放长,固定方式改为分组绑扎,捆束式升高片目前已经在国内逐步推广,这种升高片的优点可有效防止升高片疲劳断裂,因为升高片束捆弯曲处长度较大,可以大大缓冲因挠度差引起的弯曲应力,而且绑扎成束的升高片柔性很好,不易引起共振而产生疲劳破坏。捆束式升高片为电枢绕组和铁心的维护创造了条件,束捆之间的菱形网孔使维护人员的手和工具可以从换向器端进入电枢内部.

    由于捆束式升高片结构上是将升高片捆在一起,所以升高片之间必须相互绝缘,  由于片间电压较低,所以通常是间隔绝缘,采用云母带,聚酰亚胺薄膜带等半叠绕一层,外面加包o1mm玻璃丝布带一层作为保护布带,片与片之间垫入lmm厚玻璃丝布板间隔垫块,然后用无纬带扎紧。为了使升高片在根部和顶部定位,所以在中间绑扎部分两侧仍需绑扎两圈固定绑绳。

    钢质升高片:将升高片材质由紫铜改为钢质,这样由于材料的强度和抗疲劳强度的提高,可以有效的防止升高片断裂。西门子公司长期以来在大型直流电动机上采用钢质升高片,因而很小发生过升高片断裂事故。采用钢质升高片一般是冲制成弓形的,升高片和换向片的焊接通常采用电阻钎焊或中频钎焊,为了减少钎焊时的热影响区,焊接时一般将梯形铜排焊接部分外,都浸泡在水中,焊接处每边均放置一个感应线圈,用压紧手轮将感应线圈紧压住梯形铜排,然后通中频电流将其感应加热,并往焊缝中加钎焊料和焊剂。

 4.升高片的加固

    大型直流电动机中,升高片较长,由于负载冲击,轴系扭振和高速制动等原因,都会引起升高片的振动,从受力情况来看,升高片象是一个两端固定扁薄梁,在机械振动的激振下,将发生固有频率的振动,当激振频率和固有频率合拍时,升高片将发生共振而产生较大的振幅,而导致疲劳断裂。所以升高片中间部分必须加以固定,以限制升高片的自由振动。

    大型直流电动机的升高片固定有很多方式,常用的有间隔垫块.绑扎绳环、固定梳子和弹性垫块.间隔垫块固定方式是升高片中间冲一个孔,间隔垫块的凸起圆柱正好嵌在升高片冲孔,沿圆周一圈,正好把换向器升高片垫紧密。绑扎绳环,是在升高片一定部位,用尼龙绳或无纬带交叉穿片,在升高片上构成一道绑扎绳环。绑扎绳环道数,是根据升高片高度来选择.升高片固定梳子是用环璃丝布板铣出梳子状沟,将梳子插入升高片,不铣槽的一端用螺钉固定在电枢压板上,以防止升高片因惯性力而振动。                    

    为了防止升高片的断裂,最近又采用在升高片根部楔入弹性垫块(通常是硅橡胶垫块),这样不但使升高片的根部应力减少, 而且弹性垫块也对升高片的振动起有效的阻尼作用。

六、换向器的表面处理

    电刷与换向器构成的滑动接触是影响换向的重要因素.电刷和换向器在直流电机运行中实际上是一个滑动开关的作用,因此,换向器表面工作状态是很关键的, 首先,要求工作时电刷应能始终保持平稳的接触,无抖动和跳动,其次,要有较低的摩擦系数和较高的表面硬度,以延长电刷和换向器寿命。

    通常对换向器工作表面有如下几点要求:

    1)表面要光洁平滑,工作时电刷能干稳的接触,无跳动。

    2)片间云母下刻要干净,不能有残余云母粘留在换向片侧边,更不允许有云母片突出云母沟,其次,换向片的倒棱必须平直、均匀。

    3)建立均匀的有光泽的氧化膜,不仅能降低摩擦系数,而且也增加了表面硬度,提高了换向器耐磨性,  同时,  由于氧化膜具有较高的电阻率,限制了附加横向换向电流。

    因各种原图造成的换向故障, 都会损坏换向器表面氧化膜和工作状态,如不及时排除故障或处理,则将进一步使换向更加恶化,而导致恶性循环.当换向器表面出现不正常状态时,必须及时进行处理以防止事故进一步发展.

   换向器表面处理通常有以下几种方法.

 ()用砂纸打磨

    这是常用最简单的处理办法。可以处理换向器 表面烧伤造成灼痕.氧化膜破坏,斑痕和较轻的条痕。

    在采用砂纸打磨换向器时,必须要选用粒度较细的水磨砂纸,操作时先将砂纸包在一长方木块上,然后用木块轻压在换向器表面,在电机旋转时将木块沿换向器长度方向缓缓移动,即可对换向器表面起砂光作用,砂光后必须用压缩空气吹净铜粉和砂粒,并检查换向器表面粗糙度和云母沟中是否沾有铜粉等残留物。砂纸打磨的缺点是破坏了换向器表面氧化膜,因此,进行操作后必须重新建立氧化膜。

    为了打磨时能有较细粗糙度,电机转速应适当高些,操作时应注意安全。

 ()用柔性磨石清理换向器表面

    用柔性磨石清理换向器表面一船是用于氧化膜不均,斑纹,氧化腆过厚以及表面污垢.

柔性唐石,这是宝钢近来引进的一种新的换向器维修材料,是英国摩根公司开发的。它是用细微的研磨料和橡胶用粘合剂压制成的,是具有柔性的非导电性研磨材料外观呈咖啡色.

    在清理换向器表面时,让电机以正常速度旋转,操作者可手持柔性磨石以适当的力压在换向器上,并将磨石沿换向器长度方向缓缓的来回移动,直至获得满童的效果。

    使用柔性磨石进行维修作业,操作简单,既不会破坏换向器氧化膜,又不产生粉尘,而能有效地除去厚的氧化膜以及氧化膜污垢,打磨后换向器表面呈现薄而均匀有光泽的氧化膜。解决了大型直流电机换向器表面的清扫间题,而且使氧化膜能保护完好,是一种值得开发和推广的换向器维修材料.

    但由于操作是在电机旋转的情况,换向器和电刷带电条件下进行的,因此,操作时必须注意安全。

 ()用”换向器清理石”修磨换向器

    “换向器清理石”可以用来修磨换向器烧伤留下的灼痕、轻微的条痕,电刷镀铜,挤铜后的换向器砂光,也可以清理不正常的氧化膜。

    “换向器清理石”又称“电刷修磨石”,是由疏松,较软的磨料加粘合剂压制而成,其外观和颜色和粉笔很相似,它可以同时修磨换向器和电刷.是由美国理想公司开发和生产的。宝钢引进“换向器清理石”后,用于现场的换向器维修,取得了比较理想的效果。

    使用换向器清理石对电刷和换向器进行修磨的操作方法如下:

    1)修磨换向器表面操作方法.在修磨换向器表面时,首先用布擦去换向器表面沾结的油污,并抬起大部分电刷,只留下维持电机空转所需部分电刷,以减少电刷磨耗。根据换向器尺寸选择适当大小的修磨石,在电机低速转动时,注意地将其压紧在换向器表面,并沿轴向缓慢地来回移动,便能均匀有效地从换向器表面清除污垢、积碳,灼痕和过厚的氧化膜。对于转速较高的直流电机,操作更须注意,在修磨时不能来回移动,而必须是谨慎地将修磨石靠紧在刷塑边上,依次分若干段对换向器进行修磨.

    修磨石对换向器表面的清理程度可完全由操作人员根据需要来掌握.短时间轻度的修磨能清除换向器表面的污垢和减薄氧化膜,时间稍长的适度修磨可以完全清除氧化膜和表面灼痕,为重新建立换向器氧化膜作准备.

    修磨换向器表面产生了一定数量粉屑和渣粒,操作后,必须用吸尘器进行吸扫,以免粉屑残留在换向器上或进入电机内部.吸扫后,检查换向器表面,云母沟,刷握内等应均无粉屑和渣粒时,再将电刷复位,并统一调整电刷弹簧压力,修磨作业便告结束.

    2)修磨电刷的操作方法.选择修磨石的宽度略大于电刷宽度,将电刷弹簧压力适当调大,并将修磨石在紧贴刷握进入边压靠在换向器上,由于修磨石粉末随换向器旋转被带入电刷下,就对电刷接触面进行了修磨,每个电刷修磨时间仅需几秒钟即可完成.操作时应注意,在对电刷进行修磨的同时,也在对换向器进行修磨。

    电刷修磨达到要求后,也必须对换向器表面和电刷进行吸扫,调整并恢复弹簧压力。

    用修磨石清理换向器表面氧化膜和电刷接触面,可以大大简化操作和改善劳动条件,效果也较明显,但由于是在电机旋转时带电操作,因此,必须注童安全.

    修磨石根据使用要求和粘结比例不同,有硬(H)、中(M)和软(s)三种,其尺寸和规格也备不相同,可根据使用要求来选用.

 ()用换向器磨石打磨

    直流电机在长期运行后,由于换向不良、电刷布置不合理和电刷材质不合适,在换向表面往往会出现条痕、有规律烧伤,表面出现麻点以及不均匀磨损形成轴向波浪度,通常需采用打磨换向器来处理。

    换向器磨石是砂轮厂特殊制作的一种组织,但较疏松,粒磨的砂石烧结成砖形.在使用时需将磨石用粘结剂粘在带把的打磨工具的座底上,打磨时换向器速度应在l0m S左右,用双手将砂石稳定的压在换向器上,手持压力不能过大,一直打磨到看不见表面烧痕和沟道为止,磨石打磨完后,再用粒度较细的砂布(240目左右)围在木块上,用相同的办陆,再打磨一遍.要求高的换向器,还应用帆布代替细砂布,再打磨一遍。

    必须注童:切忌使用金刚砂布打磨换向器,因为金刚砂微粒嵌入换向器表面,能划伤换向器和电刷表面,使表面形成细沟道,并影响氧化膜的生成.

    当换向器表面烧伤严重,沟道较深以及轴向波浪度超过o5mm时,打磨换向器将不能达到改善换向器表面状态的作用,应车削换向器表面。

 ()换向器的现场切削

    在电机运行之后,如出现换向器变形、突片,摆度超过允许值,以及出现较深沟道、严重烧伤现象和发生环火事故后,应车削换向表面。

    在切削换向器前,应先检查换向器定位螺钉和销钉是否松动,紧固螺帽和拉紧螺杆是否松动,如有松动,应紧固后再切削换向器.

    换向器切削有两种方法:

    1)在车床上切削,适用于中,小型直流电动机,拆卸和运输较方便,而且一般车床上都能切削

    2)大型直流电机换向器的本体切削。大型直流电动机电枢重量很大,拆装困难,在现场本体切削可以节省大量拆装工时,不用考虑运输条件和加工车床问题.但是要解决被车削电机的施动问题。一般要装设一套低速传动机构,即轴头装一个联接齿轮,再用一减速箱将拖动电动机和联接齿轮耦合起来,以实现变速的目的.

    切削时,应卸去水平位置的一排刷架,在换向器侧面装设一临时刀架(最好是车床上带溜板箱的刀架),在空转时,先对好刀,车刀以硬质合金刀和金刚石刀为好。

    切削时应注意:

 1)切削前,应用绝缘纸将升高片全部糊起来,以免铜屑进入电枢内部遗留隐患.

 2)切削时,由于电动机转速较低,应加强轴承润滑,防止烧瓦。

 3)通常车削时,换向器圆周速度为2~25mS,每次吃刀量为02~03mm,精车时吃刀量为O1~O15mm,走刀量为O1~015mmr,。

 4)切削后,至少应达到Ra16的粗糙度.

 5)切削结束后,可适当提高转速,用240目以上细砂布(不能用金刚砂布)打磨一次.

()带电切削换向器

    1.带电切削换向器的优点与存在问题

    换向器带电切削,是指直流电动机,依靠自身驱动,在换向器带电状态下进行车削。这种换向器的切削方法,可以大大节约拆装工作量,节约材料和缩短工期。

    但是,过去在采用带电切削法时,往往产生较大的刀尖火花,致使刀具磨损很快,不但影响工时,而且切削粗糙度不细。因此,带电切削关键问题要消除刀尖火花。

    2.刀尖火花的原固分析

    1)切削点的换向片间存在电位差.切削点的电枢绕组元件存在感应电动势,当带电切削时,铜屑和刀尖短路了两个电位不等的换向片,必然会有短路电流流过,而当刀尖和换向脱离时,就会产生火花,烧蚀了刀尖,使它很快变钝。

2)被短路元件的电磁能量释放。在切削点处刀尖短路了一个电枢元件,原来元件中存在支路电流,刀尖短路瞬间,电流改从刀尖流过,元件的电磁能量就会以火花形式释放出来,刀尖也将产生火花。

3.改进操作带电切削换向器

1) 车刀对刀架必须良好绝缘,以避免造成电枢接地、

2) 拆去奇数排刷架。为了便于操作和安装刀架,对被切削的电动机来说,一般为蛙绕组或叠绕组,拆去奇数排刷架时,节削区两边电刷是同极性的,所以在切削区电枢绕组内设有支路电流。

3) 切削必尖一定要在电刷中性位置,这时能使切削时被铜屑和刀尖所短路元件内的感应电势为零。

4) 断开(或短路)切削点相邻换向极与补偿绕组,因为刷架拆去后,电枢元件内支路电流为零,电抗电势等于零,所以最好使换向电势也等于零。

5) 电动机在带电切削时,尽量采用弱磁,低电压动行,这样可以减少节削区之外的铜屑火花,并改善主极绕组发热。

6) 带电切削的工艺参数和注意事项,同现场本体切削换向器相同。

(七)换向器云母沟下刻和换向倒棱

在打磨和切削换向器后,必须进行下刻和倒棱,以改善换向器表面的工作状态,保持良好地滑动接触,减少电刷磨损和防止片间闪络的可能性。

1) 云母沟下刻。下刻深度1.5~2mm,下刻深度太小,易产生云母片突出,下刻深度过大,云母沟中易积存碳粉。

云母沟下刻是一项细致和工作量很大的工作。下刻要求光滑平直,两边残存云母片必须弄净。云母沟下刻一般用手工操作,下刻工具一个夹紧锯条片的带把工具。

2) 换向片倒角。换向片倒角能减少电刷磨损和云母沟积灰,对于防止换向片铜毛刺和闪络的发生,也是有效的,换向片倒角能常要求是0.5×45°,要求均匀平直,倒角工具一般是用锯片磨制成的。

换向器下刻和倒角操作时,用力要均匀,操作要细心,特别防止划伤换向器表面。

由于云母沟下刻工作量很大,是很繁重的一项操作,所以近年来已经出现用电动工具下刻云母沟,手持式云母下刻工具,是用一个小马达带动一个小的薄铣刀片,操作时,把铣刀片对准云母沟。电动下刻也有采用手持式风动下刻工具,是用压缩空气带动铣刀片,使用方法和电动下刻工具相同。

3)换向器表面精砂光。在换向器下刻和倒 角操作结束后,应先旋转时就将换向器表面重新精砂光一次,使换向器有较细的粗糙度。

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