cha22 直流电机的换向

一、电磁原因 依据电磁换向理论，直线换向是理想换向， 依据电磁换向理论，直线换向是理想换向，电机 不会出现火花。延迟换向时，若电抗电势Er不甚 不会出现火花。延迟换向时，若电抗电势E 换向也不会产生电火花。 甚大， 大，换向也不会产生电火花。若Er甚大，严重延 迟换向，致使换向时，由于附加电流I 的存在， 迟换向，致使换向时，由于附加电流Ic的存在， 当被电刷短路元件瞬时断开时， 不为零， 当被电刷短路元件瞬时断开时，Ic不为零，这部 分能量 1 L i 2
我们知道由于电枢反应使气隙磁场发生畸变，这不仅给换 我们知道由于电枢反应使气隙磁场发生畸变， 向带来困难， 向带来困难，而且极尖下增磁区域内可使磁密达到很大数 当元件切割该处磁密时会感应出较大电势， 值，当元件切割该处磁密时会感应出较大电势，以至于使 该处换向片间电位差较大， 该处换向片间电位差较大，可能在换向片间产生电位差火 在换向不利的条件下， 花，在换向不利的条件下，电刷间的火花与换向片间的火 花连成一片，出现“环火”现象， 花连成一片，出现“环火”现象，可在很短时间内烧坏电 机。 防止上述情况的措施是减少电枢反应磁势， 防止上述情况的措施是减少电枢反应磁势，方法是装设补 偿绕组。在主极极靴上冲出一些均匀分布的槽， 偿绕组。在主极极靴上冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放 补偿绕组。为了随时补偿电枢反应磁势， 补偿绕组。为了随时补偿电枢反应磁势，补偿绕组应与电 枢绕组串联，它产生的磁势方向与电枢反应磁势方向相反， 枢绕组串联，它产生的磁势方向与电枢反应磁势方向相反， 以保证任何负载下随时能抵消电枢磁势。 以保证任何负载下随时能抵消电枢磁势。 但结构复杂，成本高，仅用于大容量工作繁重的直流电机 但结构复杂，成本高， 中。
第三节 改善换向的方法
改善换向的目的是消除电刷下面的火花，而产生 改善换向的目的是消除电刷下面的火花， 火花的电磁原因是存在I 火花的电磁原因是存在Ic（Ic 由 e + e
r c
产生），因此必须设法减小或消除 产生），因此必须设法减小或消除Ic，即使合成电势 ），因此必须设法减小或消除I
e r + ec
（一）直线换向 如果当换向元件中各种电 动势为零， 动势为零，即 被电刷短接的闭合回路就 不会出现环流， 不会出现环流，元件中的 电流大小由电刷与相邻两 换向片的接触面积决定， 换向片的接触面积决定， 电流随时间均匀变化， 电流随时间均匀变化，我 们把这种换向称为直线换 如图22- 曲线1所示， 向，如图22-2曲线1所示， 直线换向是理想换向， 直线换向是理想换向，电 机不会出现火花。 机不会出现火花。
图22-3加装换向磁极的极性与电路
目前改善直流电机换向最有效的方法是装设换 向极，如图22- 所示， 向极，如图22-3所示，换向极绕组与电枢绕组 串联，装在几何中性线上，当电机负载运行时， 串联，装在几何中性线上，当电机负载运行时， 电枢电流流过换向极产生磁势， 电枢电流流过换向极产生磁势，其方向与电枢 反应磁势方向相反，其大小除抵消F 反应磁势方向相反，其大小除抵消Fa 外，还要 建立一个换向极磁场BC，使换向元件切割BC 建立一个换向极磁场BC，使换向元件切割BC 产生E 并与E 相抵消。这样既可消除I 产生EC，并与Er相抵消。这样既可消除Ic，使 换向良好。 换向良好。 由于换向极与电枢串联，Er正比于Ia，而BC正 BC正 由于换向极与电枢串联， 正比于I 比于I 以使两者在不同负载电流时均能抵消。 比于Ia，以使两者在不同负载电流时均能抵消。
第二十二章 直流电机的换向
主要内容 换向过程的概念 产生火花的原因 改善换向的方法
第一节 换向过程的概念
从前面分析直流电机工作原理可知， 从前面分析直流电机工作原理可知，直流电机 电枢绕组里的电势和电流是交变的。 电枢绕组里的电势和电流是交变的。电机运行 时，元件会随电枢的运转从一条之路经过电刷 换到另一条之路，该元件中的电流就要改变一 换到另一条之路， 次方向，这种电流方向的改变称为换向。 次方向，这种电流方向的改变称为换向。相应 的绕组元件称为换向元件。 22的绕组元件称为换向元件。图22-1是一单叠绕 号元件的换向过程， 组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换 向片宽度相等，电枢以v的速度从右向左旋转。 向片宽度相等，电枢火花的原因
直流电机换向过程产生火花的原因是复杂的， 直流电机换向过程产生火花的原因是复杂的， 不仅是由于电磁原因，在很多情况下， 不仅是由于电磁原因，在很多情况下，由于机 械和化学等原因也可以引起火花。 械和化学等原因也可以引起火花。 如前所述，发生火花是直流电机换向不良的 如前所述， 直接表现，当火花超过一定限度时， 直接表现，当火花超过一定限度时，会妨碍电 机的正常工作。 机的正常工作。但一般也不比要绝对地没有火 因为如果在电刷下只有微弱的火花时， 花，因为如果在电刷下只有微弱的火花时，电 机的正常工作不会受到什么影响。 机的正常工作不会受到什么影响。
三、化学原因 研究表明，电刷与换向器表面有水汽，电流流 研究表明，电刷与换向器表面有水汽， 过时发生电解作用， 过时发生电解作用，在换向器表面产生一层氧 化亚铜薄膜，氧化亚铜薄膜具有较高电阻， 化亚铜薄膜，氧化亚铜薄膜具有较高电阻，它 能抑制附加换向电流，有利于换向。 能抑制附加换向电流，有利于换向。如果电刷 压力过大，环境中缺少必要的水分和氧气，影 压力过大，环境中缺少必要的水分和氧气， 响氧化亚铜薄膜的生成从而容易产生火花。 响氧化亚铜薄膜的生成从而容易产生火花。此 电刷的材料、 外，电刷的材料、几何尺寸及电机的运行状态 等都是引起火花的原因。 等都是引起火花的原因。
2
r c
以弧光放电的形式释放出来， 以弧光放电的形式释放出来，所以在电刷和换 向片之间出现火花。在严重的超越换向时， 向片之间出现火花。在严重的超越换向时，前 刷边与换向片刚接触，电流密度大， 刷边与换向片刚接触，电流密度大，电刷与片 间电压增大，而使前刷边产生火花。 间电压增大，而使前刷边产生火花。上述两种 原因引起的火花，又称电磁火花。 原因引起的火花，又称电磁火花。
图22-1 1号元件换向过程 22- 1号元件换向过程
换向之前，如图（ 所示，电刷与换向片1 换向之前，如图（a）所示，电刷与换向片1接 号元件中的电流ia从下层边流向上层边 从下层边流向上层边， 触，1号元件中的电流ia从下层边流向上层边， 设为+ 元件处于右支路。换向之中， 设为+ia，元件处于右支路。换向之中，如图 （b）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号 所示，电刷与换向片1 同时接触， 元件被短接，元件中的电流正从+ 变化。 元件被短接，元件中的电流正从+ia向-ia变化。 换向之后，如图（ 所示，电刷与换向片2 换向之后，如图（c）所示，电刷与换向片2接 号元件中的电流ia从上层边流向下层边 从上层边流向下层边， 触，1号元件中的电流ia从上层边流向下层边， 电流为元件处于左支路。 电流为-ia，元件处于左支路。
二、机械原因 如果换向器不同心、换向器表面粗糙、电刷压 如果换向器不同心、换向器表面粗糙、 力不当、云母突出或者动平衡不好等原因， 力不当、云母突出或者动平衡不好等原因，会 造成电刷与换向器接触不良或发生振动， 造成电刷与换向器接触不良或发生振动，从而 导致产生火花。 导致产生火花。弱换向元件受到不利的主极边 缘磁场作用，如刷杆在座圈上不对称、主极之 缘磁场作用，如刷杆在座圈上不对称、 间距离不等原因也可能导致火花。为此， 间距离不等原因也可能导致火花。为此，使用 时对电刷与换向器的维护和保养是十分必要的。 时对电刷与换向器的维护和保养是十分必要的。
电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元 电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向， 件的换向时间称为换向周期，记作Tk。 件的换向时间称为换向周期，记作Tk。由于在 极短的时间内， 极短的时间内，使感性绕组元件的电流改变方 向，换向问题是一切带有换向器电机的一个专 门问题，它对电机的正常运行有重大影响， 门问题，它对电机的正常运行有重大影响，换 向不良，将在电刷下发生有害火花， 向不良，将在电刷下发生有害火花，当火花超 过一定程度，就会烧坏电刷和换向器， 过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，使电机 不能继续运行。 不能继续运行。 然而换向过程十分复杂，有电磁、 然而换向过程十分复杂，有电磁、机械和电化 学等方面因素相互交织在一起， 学等方面因素相互交织在一起，我们仅就换向 的电磁现象及改善换向的方法作简单介绍。 的电磁现象及改善换向的方法作简单介绍。
er = eLσ + eMσ
根据楞次定律，电抗电势的作用总是阻碍电流 根据楞次定律， 变化的，因电流在减小，所以其方向必与+ Ia 变化的，因电流在减小，所以其方向必与+ 相同，即与换向前电流方向一致， 相同，即与换向前电流方向一致，因此电抗电 势总是阻碍换向。 势总是阻碍换向。 （二）运动电势Ea 运动电势E 我们知道换向元件的有效边处于两极之间的 几何中性线位置， 几何中性线位置，即固电刷放在磁极轴线下的 换向片上，那里由主极产生的磁密几乎为零。 换向片上，那里由主极产生的磁密几乎为零。 但由电枢反应磁势产生的磁密不为零。 但由电枢反应磁势产生的磁密不为零。换向元 件切割此磁密产生运动电势： 件切割此磁密产生运动电势：
ea = BalV
根据右手定则判定换向元件中旋转电势的方向与 换向前元件中电流方向一致。因而E 换向前元件中电流方向一致。因而Ea 总是阻碍换 向元件中电流的变化。 向元件中电流的变化。 二、换向元件中电流变化规律 因上述两种元件中电势E 因上述两种元件中电势Er 和Ea均阻碍电流换向， 均阻碍电流换向， 元件电势I 成正比，所以大电流、 元件电势Ia和v成正比，所以大电流、高转速的电 机会给换向带来更大困难。 机会给换向带来更大困难。 为了改善换向，在电机几何中性线处装有换向极， 为了改善换向，在电机几何中性线处装有换向极， 换向绕组与电枢绕组串联， 换向绕组与电枢绕组串联，换向极磁场的方向与 电枢磁场方向相反，其强度比电枢磁场稍强， 电枢磁场方向相反，其强度比电枢磁场稍强，所 以此时总的运动电势E 反向，即与E 反向。 以此时总的运动电势EC与Ea反向，即与Er反向。 下面分三种情况对换向电流进行分析。 下面分三种情况对换向电流进行分析。