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1、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，直流电机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。图22-1是一单叠绕组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。,图22-1 1号元件换向过程,换向之前，如图（a）所示，电刷与换向片1接触，1号元件中的电流ia从下层边流向上层边，设为+ia，元件处于右支路。换向之中，如图（b

2、）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号元件被短接，元件中的电流正从+ia向-ia变化。换向之后，如图（c）所示，电刷与换向片2接触，1号元件中的电流ia从上层边流向下层边，电流为-ia，元件处于左支路。,电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元件的换向时间称为换向周期，记作Tk。由于在极短的时间内，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，换向不良，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，使电机不能继续运行。 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，我们仅就换向的电磁现象及改善

3、换向的方法作简单介绍。,一、换向元件中的电势,实际在换向过程中，换向元件中会出现下列两种电势，这些电势会影响电流的变化。 （一）电抗电势Er 换向元件本身是一个线圈，所以当元件中电流从+Ia 变到-Ia时，线圈中必有自感作用，同时换向元件之间又存在互感作用，因此换向元件在电流变化时必须出现有自感和互感作用所引起的感应电势，这个电势成为电抗电势Er 。,根据楞次定律，电抗电势的作用总是阻碍电流变化的，因电流在减小，所以其方向必与+ Ia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。 （二）运动电势Ea 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，即固电刷放在磁极轴线下的换向片

4、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。换向元件切割此磁密产生运动电势：,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Ea 总是阻碍换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Er 和Ea均阻碍电流换向，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。 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，所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。,（一）直线换向 如果当换向元

5、件中各种电动势为零，即 被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，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，电流随时间均匀变化，我们把这种换向称为直线换向，如图22-2曲线1所示，直线换向是理想换向，电机不会出现火花。,图22-2换向元件中的 电流变化,（二）延迟换向,换向元件中合成电势,倾向于保持换向前电流方向，所产生的附加电流为Ic ，使换向元件中电流由直线电流和附加电流组成，即,使换向元件中电流改变方向的时刻向后推移，所以称延迟换向。,（三）超越换向,则换向极磁势过强，换向元件中合成电势,所产生的附加电流Ic倾向于与换向后电流方向相同。在Ic的影响下，使换向元件中电流改变方向的时刻比

6、直线换向时提前，称为超越换向。,如,第二节 产生火花的原因,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，由于机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直接表现，当火花超过一定限度时，会妨碍电机的正常工作。但一般也不比要绝对地没有火花，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。,一、电磁原因 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Ic的存在，当被电刷短路元件瞬时断开时，Ic不为零，这部分能量

7、,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，前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。上述两种原因引起的火花，又称电磁火花。,二、机械原因 如果换向器不同心、换向器表面粗糙、电刷压力不当、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，从而导致产生火花。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。,三、化学原因 研究表明，电刷与换向器表面有水汽，电流流过时发生电解作用，在换向器表面产生一层氧化亚铜薄膜，氧

8、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。如果电刷压力过大，环境中缺少必要的水分和氧气，影响氧化亚铜薄膜的生成从而容易产生火花。此外，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。,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，而产生火花的电磁原因是存在Ic（Ic 由,产生），因此必须设法减小或消除Ic，即使合成电势,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22-3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，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Fa 外，还要建立一个换向极磁场BC，使换向元件切割BC 产生EC，并与Er相抵消。这样既可消除Ic，使换向良好。 由于换向极与电枢串联，Er正比于Ia，而BC正比于Ia，以使两者在不同负载电流时均能抵消。,我们知道由于电枢反应使气隙磁场发生畸变，这不仅给换向带来困难，而且极尖下增磁区域内可使磁密达到很大数值，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，可能在换向片间产生电位差火花，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，可在很短时间内烧坏电机。 防止上述情况的措