1-8 直流电动机的换向

直流电机的换向问题和换向极绕组通过对直流电机电枢绕组的分析知道，当电枢旋转时，组成电枢绕组的每条支路里所含元件数目是不变的，但组成每条支路的元件都在依次循环地更换。

一条支路中的某个元件在经过电刷后就成为另一条支路的元件，并且在电刷的两侧，元件中的电流方向是相反的，因此直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路。

在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要转变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。

换向问题是换向器电机的一个特地问题，假如换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。

当火花超过肯定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。

此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对四周无线电通讯有干扰。

国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有肯定的规定。

读者可参阅我国有关国家技术标准。

产生火花的缘由是多方面的，除电磁缘由外，还有机械的缘由，换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们相互交织在一起，所以相当简单，至今还没有完全把握其各种现象的物理实质，尚无完整的理论分析。

就电磁理论方面看，换向元件在换向过程中，电流的变化必定会在换向元件中产生自感电动势。

此外，因电刷宽度通常为2~3片换向片宽，同时换向的元件就不止一个，换向元件与换向元件之间会有互感电动势产生。

自感电动势和互感电动势的合成称为电抗电动势。

依据楞次定律，电抗电动势的作用是阻挡电流变化的，即阻碍换向的进行。

另外电枢磁场的存在，使得处在几何中性线上的换向元件中产生一种切割电动势，称为电枢反应电动势。

依据右手定则，电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用。

因此，换向元件中消失延迟换向的现象，造成换向元件离开一个支路最终瞬间尚有较大的电磁能量，这部分能量以弧光放电的方式转化为热能，散失在空气中，因而在电刷与换向片之间消失火花。

从产生火花的电磁缘由动身，要有效地改善换向，就必需减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。

改变电动机电流方向的方法
1. 电枢反接法：这种方法适用于他励和并励直流电动机。

通过保持励磁绕组端电压极性不变，改变电枢绕组端电压的极性来实现电动机的反转。

2. 励磁绕组反接法：这种方法适用于串励直流电动机。

因为串励直流电动机的电枢两端电压较高，而励磁绕组两端电压很低，所以反接比较容易实现。

3. 三相动力异步电动机：通过调换任意两相电源输入，可以改变电机的转动方向。

4. 单相电机：将电源输入从启动电容器一端调换到另一端，可以改变单相电机的转动方向。

5. 使用电子开关：适用于无刷直流电动机，通过控制电流的方向来实现电动机的正反转。

6. 使用机械开关：适用于有刷直流电动机，通过控制电极的接线方式来实现电动机的正反转。

7. 使用编码器：适用于需要精确控制电动机转向的应用，通过检测电动机的转向并控制电流的方向来实现正反转。

在实施上述任何一种方法之前，都需要确保电动机停止运转，以防损坏电动机。

同时，还需要确保电源和电动机的额定电压和电流相匹配，避免造成设备损坏。

此外，对于直流电动机，还可以通过改变外电路的正负极来改变电流方向，但这种方法是有条件限制的。

直流电动机换向原理
直流电动机的换向原理是通过改变电机的电流方向来改变电动机的旋转方向。

在直流电动机中，电流通过电枢产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，从而产生转矩使电动机转动。

换向即是让电流方向与磁场的相互作用方向发生变化。

要实现换向，通常采用换向器（也称为电刷和换向环）的设计。

在电刷上有两个交替排列的碳刷，它们与旋转的电枢接触，并通过换向环与电源相连。

当电动机开始运行时，刷子与电枢接触，电流通过刷子进入电枢。

这时，由于电枢与永磁体的磁场相互作用，电枢开始转动。

当电枢转到一定位置时，刷子会与换向环接触。

在接触过程中，电流的方向会通过刷子和换向环转换。

换向器的设计使得电流方向能够周期性地改变。

这样，即使电枢转动方向与磁场方向相同，由于电流方向的改变，电枢仍然会受到反向的力矩，从而使电动机保持稳定的旋转。

通过控制换向器中电刷和换向环的位置，可以实现电动机的正转、反转和停止。

例如，当电刷与换向环之间段开断时，电动机会停止转动；当电刷和换向环接触时，电动机会继续转动。

同时，通过改变电动机电源的极性，也可以改变电动机的转向。

总而言之，直流电动机的换向原理是通过改变电流方向，实现电枢与永磁体磁场的不断相互作用，从而使电动机产生稳定的
旋转。

这种换向原理可以通过换向器设计和控制来实现不同的转向和运行状态。

7.2.2直流电动机工作原理与结构图7-4直流电动机模型图7-4是一个最简单的直流电动机模型。

在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。

这个转动的部分通常叫做电枢。

线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。

换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。

A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。

来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。

图7-5换向器在直流电机中的作用当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷人流入，而从电刷B流出。

这时线圈中的电流方向是从a流向b,再从c流向d。

我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。

当电枢在图7-5(a)所示的位置时，线圈ab 边的电流从a流向b,用于表示，cd边的电流从c流向d,用。

表示。

根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。

这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。

当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入$极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5 (b)所示。

这样，线圈内的电流方向变为从d流向c,再从b流向a,从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。

因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。

由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。

直流电机工作原理和结构一、直流电机工作原理直流发电机的工作原理直流电动机的工作原理电机的可逆运行原理两个定理与两个定则1、电磁感应定理在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、体和导体的运动方向三者互相垂直，则作用导体中感应的电势大小为： e = B・l・v电势的方向用右手定则2.电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直（见下图），作用在导体上的电磁力大小为：f = B」・i力的方向用左手定则（一）直流发电机的工作原理1.直流发电机的原理模型time01.1. A亘樵发电机工作原理电刷引击电势无书感题也势如LE 直流发电机工作原理2.发电机工作原理a、直流电势产生用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边a b和c d分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势。

直流电动机的换向原理直流电动机是一种常见的电动机，它的运转需要依赖于电源的电压，通过磁场改变方向来改变电动机的转向，从而实现动力的转换。

在直流电动机中，换向是影响电机正常运转的重要因素之一。

直流电动机的换向原理主要是指电刷与换向环的作用。

电刷是连接电源和直流电动机的引线，而换向环是连接不同转子线圈的组件。

当直流电源施加电压时，电机中的电荷开始流动，使得电机的转子开始旋转。

同时，前一时刻所施加的电压将通过电刷和换向环将其转移到与当前转子线圈连接的电源极性相反的电源，从而使得转子能够继续旋转。

当直流电机旋转时，转子上的导线也会变化，这会引起磁场的变化，当电机的电荷流向线圈时，磁场的极性也会改变，因此换向是很重要的。

直流电动机中的换向环可以用来改变线圈的极性，并确保电动机运转时转子能够按照正确的方向旋转。

当电机的电荷流向线圈时，磁场的极性会随之发生改变。

因此，直流电动机必须在电刷和换向环的帮助下进行换向。

这时，通过换向环来连接不同的导线，从而使得电机能够正常运转。

当磁场的方向改变时，转子的极性也会随之变化，从而保持电机的平衡运转。

直流电动机换向的原理是非常关键的，因为它决定了电机的运动方向。

在实际应用中，电机的电刷和换向环需要始终维持在一个良好的工作状态，以保证电动机的正常运转。

此外，在进行操作和检修时，也需要特别注意换向环和电刷的维护保养，以保证电机的长期稳定运行。

总之，直流电动机的换向原理是一种关键性的工作原理，它是依托于电刷和换向环来实现电机方向变化的。

只有将电刷和换向环的工作状态维持在良好的状态，才能保证电动机的正常运转，同时也可以更好地满足各种应用需求。

第一章 直流电机1-1 在直流电机中，换向器和电刷的作用是什么？答：在直流电机中，电枢电路是旋转的，依靠换向器和电刷的作用，使构成每条支路的元件不停地轮流变换，而每条支路的元件数、位置和感应电动势的方向不变，支路电流产生的磁动势的空间位置也始终不变。

因此，直流发电机的换向器和电刷起了整流器的作用，将电枢绕组产生的交流感应电动势和电流变换成直流引到外电路；直流电动机的换向器和电刷起了逆变器的作用，将外部直流电流变换成交流电流引入电枢绕组。

1-2 分析哪些因素影响直流电机的感应电动势；若一台直流发电机额定运行时的电动势为N E ，那么当励磁电流、磁通分别减少10％或者转速提高10％时的电动势为多少？答：根据直流电机感应电动势的公式n C E E Φ=可知，电动势正比于磁通与转速的乘积，当磁通为常数时，电动势正比于转速，当转速为常数时，电动势正比于磁通。

当励磁电流减少10％时，磁通将相应减少，此时的感应电动势将减小，但由于磁路饱和的影响，磁通减少不到10％，故N N E E E <<9.0。

当磁通减少10％时，感应电动势也将减小10％，即N E E 9.0=。

当转速提高10％时，感应电动势也将提高10％，即N E E 1.1=。

1-3 把他励直流发电机转速升高20％，此时空载端电压升高多少？如果是并励直流发电机，电压变化前者大还是后者大？答：根据n C E U E Φ==0可知，当他励直流发电机的转速升高20％时，0U 也将升高20％。

如果是并励直流发电机，0U 的升高将大于20％。

因为并励直流发电机端电压的升高，使励磁电流增大，磁场增强，由此引起端电压进一步升高。

1-4 简述并励直流发电机自励的条件；若正转时能自励，试问反转能否自励？若在额定转速时能自励，试问降低转速后能否自励？答：并励直流发电机自励有如下3个条件：①要有剩磁；②由剩磁感应产生的励磁电流所产生的磁通方向与剩磁方向一致；③励磁回路的总电阻要小于临界电阻值。

简述直流发电机工作原理直流发电机是一种将机械能转换为电能的装置，其工作原理基于电磁感应定律。

下面将详细介绍直流发电机的各个工作环节。

1.直流发电机工作原理直流发电机的基本原理是利用电磁感应产生电流。

当一个导线或导线回路在磁场中旋转时，导线中就会产生感应电流。

这个过程被称为法拉第电磁感应定律。

2.电磁感应原理电磁感应是指当一个导线或导线回路置于变化的磁场中时，导线内会产生电动势，从而产生电流。

这个过程中，磁通量的变化率与感应电动势成正比，即法拉第电磁感应定律的表达式为：e=-dΦ/dt。

3.磁场方向和电枢反应在直流发电机中，磁场方向与电枢的平面垂直，这样可以在电枢上产生最大的转矩。

电枢反应是指电枢中的电流产生的磁场对原磁场的影响。

适当的电枢反应可以增加输出电压，但过大的电枢反应会导致换向问题。

4.直流电机的换向换向问题是由于电枢反应导致磁场方向偏移，使得电枢上的电流方向发生变化。

为了避免换向问题，可以通过增加磁场强度、减小电枢反应等方法来保持磁场方向的稳定。

5.电磁转矩与负载的关系直流发电机的电磁转矩与负载之间存在一定的关系。

当负载增加时，电磁转矩也会相应增加，以保持发电机转速的稳定。

通过调整转矩和负载可以实现对直流发电机的调速和制动等操作。

6.控制调节电磁转矩电磁转矩可以通过调节励磁电流、电枢电流或两者同时调节来控制。

在实际应用中，根据需要选择合适的调节方法，例如通过励磁调节器来改变励磁电流，从而改变电磁转矩。

7.发电机状态和电动机状态的转变直流发电机和直流电动机具有相似的结构和工作原理，因此它们之间可以实现状态的转变。

当直流电动机的电源反接时，它就会变成直流发电机，从而实现电动机和发电机之间的转换。

8.直流电机的结构与维护直流电机主要由定子、转子、换向器和轴承等组成。

定子包括机座、磁极和电枢等；转子则包括轴、铁芯和换向器等。

在日常维护中，要保持电机表面的清洁和干燥，定期检查换向器和电刷的磨损情况，并及时更换受损部件。

直流电机基础知识题库100道及答案1. 直流电动机的额定功率指（）。

A. 转轴上吸收的机械功率B. 转轴上输出的机械功率C. 电枢端口吸收的电功率D. 电枢端口输出的电功率答案：B2. 直流电机空载时，其气隙磁密波形为（）。

A. 平顶波B. 正弦波C. 马鞍形波D. 以上都不对答案：A3. 直流电机负载时，其电枢磁动势波形为（）。

A. 三角形B. 矩形C. 正弦形D. 以上都不对答案：A4. 在直流电机中，右行单叠绕组的合成节距为（）。

A. 1B. -1C. -2D. 2答案：A5. 一台他励直流发电机，4 极，单叠绕组，额定电流为100 安，电枢绕组的支路电流为（）安。

A. 25B. 50C. 100D. 12.5答案：A（单叠绕组并联支路数= 极对数，100÷4 = 25）6. 一台他励直流发电机，额定电压为200 伏，四极，额定支路电流为50 安培，当电枢为单叠绕组时，其额定功率为（）kW。

A. 40B. 20C. 80D. 120答案：A（200V×(50A×4) = 40000W = 40kW）7. 并励直流电动机带较大负载运行时励磁绕组断开了，电机将（）。

A. 停转B. 飞车C. 可能飞车，也可能停转D. 无法确定答案：C8. 要改变并励直流电动机的转向，可以（）。

A. 改接励磁绕组与电枢的联接B. 增大励磁C. 改变电源极性D. 减小励磁答案：A9. 一台直流发电机，磁极固定，电枢和电刷以同一速度、同一方向旋转，则两刷间的电动势是（）。

A. 交流B. 直流C. 脉动直流D. 不能确定答案：A10. 一直流电动机拖动一台他励直流发电机，当电动机的外电压、励磁电流不变时，增加发电机的负载，则电动机的电枢电流和转速n 将（）。

A. 电枢电流增大，n 降低B. 电枢电流减少，n 升高C. 电枢电流减少，n 降低D. 电枢电流增大，n 升高答案：A11. 一台并励直流电动机将单叠绕组改接为单波绕组，保持其支路电流不变，电磁转矩将（）。

简要说明直流电动机的主要部件及作用直流电动机是一种常见的电动机类型，其结构较为简单，主要包括定子、转子、换向器、集电器以及电枢等组成部分。

下面将对直流电动机的主要部件及其作用进行简要说明。

1.定子（Stator）：定子是直流电动机的不动部分，通常由一组绕组组成。

该绕组通过电流激励产生磁场，并通过与转子磁场相互作用来产生转矩。

定子的主要作用是提供磁场，使转子产生力矩，从而实现机械能转换为电能。

2.转子（Rotor）：转子是直流电动机的旋转部分，通常由一组绕组以及电枢铁芯组成。

电枢绕组通常由导线绕制而成，并与集电器相连接。

转子通过旋转产生磁场，并与定子磁场相互作用来产生力矩。

转子的主要作用是将机械能转换为电能。

3.换向器（Commutator）：换向器是直流电动机的核心部件，位于转子的轴上。

换向器主要由一组分段的导电材料（通常是铜条）和绝缘材料组成。

换向器在电枢绕组与外电源之间起到交换电流方向的作用，使电机能正常工作。

4.集电器（Brush）：集电器是与换向器配合使用的零件，通常由碳刷制成。

集电器的作用是通过与换向器接触，将电枢绕组中的电流引出，并向外电路提供电能。

5.电枢（Armature）：电枢是直流电动机的主要元件之一，是绕制在转子上的绕组。

电枢绕组通常由多个线圈组成，这些线圈与换向器相连。

通过电流在电枢绕组中的流动，地动转子磁场，从而实现机械能转换为电能。

除了上述主要部件外，还有一些辅助部件对直流电动机的运行起到至关重要的作用，如定子铁芯、转子铁芯、轴承、滑环等。

这些部件不仅能够增强电机的结构刚度，还能够增加磁路的连续性，提高电机的性能。

13电机与电⽓控制复习（1）电机与电⽓控制试题库及答案⼀、名词解释：1、低压电器：是指在交流额定电压1000V，直流额定电压1200V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作⽤的电器。

2、主令电器：⾃动控制系统中⽤于发送控制指令的电器。

3、熔断器：是⼀种简单的短路或严重过载保护电器，其主体是低熔点⾦属丝或⾦属薄⽚制成的熔体。

4、时间继电器：⼀种触头延时接通或断开的控制电器。

5、电⽓原理图电⽓原理图是⽤来表⽰电路各电⽓元器件中导电部件的连接关系和⼯作原理的电路图6、联锁“联锁”电路实质上是两个禁⽌电路的组合。

K1动作就禁⽌了K2的得电，K2动作就禁⽌了K1的得电。

7、⾃锁电路：⾃锁电路是利⽤输出信号本⾝联锁来保持输出的动作。

8、零压保护为了防⽌电⽹失电后恢复供电时电动机⾃⾏起动的保护叫做零压保护。

9、⽋压保护在电源电压降到允许值以下时，为了防⽌控制电路和电动机⼯作不正常，需要采取措施切断电源，这就是⽋压保护。

10、星形接法：三个绕组，每⼀端接三相电压的⼀相，另⼀端接在⼀起。

11、三⾓形接法：三个绕组⾸尾相连，在三个联接端分别接三相电压。

12、减压起动在电动机容量较⼤时，将电源电压降低接⼊电动机的定⼦绕组，起动电动机的⽅法。

13、主电路：主电路是从电源到电动机或线路末端的电路，是强电流通过的电路，14、辅助电路；辅助电路是⼩电流通过电路16、继电器：继电器是⼀种控制元件，利⽤各种物理量的变化，将电量或⾮电量信号转化为电磁⼒(有触头式)或使输出状态发⽣阶跃变化(⽆触头式)17、热继电器：是利⽤电流的热效应原理来⼯作的保护电器。

18、全压起动：在电动机容量较⼩时，将电动机的定⼦绕组直接接⼊电源，在额定电压下起动。

19、触头触头亦称触点，是电磁式电器的执⾏元件，起接通和分断电路的作⽤。

20、电磁结构电磁机构是电磁式电器的感测元件，它将电磁能转换为机械能，从⽽带动触头动作。

21、电弧电弧实际上是触头间⽓体在强电场作⽤下产⽣的放电现象22、接触器接触器是⼀种适⽤于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交、直流主电路及⼤容量控制电路的⾃动控制开关电器23、点动电路按下点动按钮，线圈通电吸合，主触头闭合，电动机接⼈三相交流电源，起动旋转；松开按钮，线圈断电释放，主触头断开，电动机断电停转，24、电⽓控制系统电⽓控制系统是由电⽓控制元器件按⼀定要求连接⽽成25、变极调速：异步电动机调速中，改变定⼦极对数的调速⽅法。

一、复习：直流调速系统问题1-1：电机的分类？①发电机（其他能→电能）直流发电机交流发电机②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式绕线式：伺服电机旋转变压器控制电机自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？①调速范围D=n max/n min=n nom/n min②静差率S=△n nom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。

③和负载匹配情况：一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.*直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。

缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。

* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。

大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。

缺点：调速性能比直流电机差。

* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场Φ-=e K IR U n 合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。

根据直流电机的转速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。