第一篇直流电机6

1、第六章 直流电机的换向对装有换向器的电机来说，换向对正常运行有重大影响。本章介绍换向过程、换向的电磁理论、换向过程中火花产生的原因以及改善换向的方法。第一节 直流电机的换向过程图1-6-1 换向过程电枢旋转时，组成电枢绕组的线圈将由一条支路转入另一条支路，此时线圈里的电流要改变方向，这种线圈电流改变方向的过程称为换向过程。图1-6-1表示单叠绕组线圈中电流的换向过程，为清楚起见，把线圈的形状稍加改变。设电刷宽b等于换向片宽bc，换向器从右向左运动。由此可见，当电刷与换向片1相接触时（图1-6-1a），线圈1属于右边一条支路，线圈中电流的方向为从右线圈边流向左线圈边，定为+ia；随着电枢的旋转，

2、电刷与换向片1和2同时接触（图1-6-1b），线圈1被电刷短路；线圈就进入换向过程；接下去，电刷与换向片2相接触（图1-6-1c），线圈1就进入电刷左边的一条支路，线圈中电流反向，变为-ia，换向结束。图1-6-2 理想的线圈电流变化过程正在进行换向的线圈称为换向线圈，换向线圈中的电流称为换向电流。在换向过程中，换向线圈的线圈边在电枢表面上所移过的距离称为换向区域。换向过程经历的时间称为换向周期Tc，即相当于线圈被电刷短路的整个时间，通常Tc只有几千分之几秒，可见换向过程是在极短的时间内完成的，如图1-6-2所示。在换向周期内线圈1中电流发生了2ia的变化， 换向不良，将在电刷下发生有害的火花

3、。当火花超过一定的程度，就有烧坏电刷和换向器的危险，使电机不能正常运行。第二节 换向的电磁理论换向过程中，换向线圈中会产生电抗电动势和运动电动势，并因此引起换向线圈中电流的变化。一、换向线圈中的电动势电抗电动势 换向时，换向线圈中的电流从ia变为ia，换向线圈本身具有自感，同时换向线圈之间又有互感作用，因此换向线圈中必然有自感和互感电动势，两者合成的电动势称为电抗电动势。由于所有线圈（包括换向线圈在内）所产生的气隙磁通汇合起来成为电枢反应磁通，故电抗电动势仅由换向线圈的漏磁通所感应产生。在换向周期内，电抗电动势平均值er为 (1-6-1)式中，Lr为换向线圈的等效漏电感，包括自漏感和互漏感。根

4、据楞茨定律，电抗电动势的作用总是阻碍电流变化的，故er的方向必与换向前的电流方向相同。 运动电动势 在几何中性线附近，主极磁场虽很微弱，但电枢磁场Ba却有一定的值，因此换向线圈“切割”电枢磁场后，将会产生运动电动势ec。分析表明，无论是发电机还是电动机，其方向总与电抗电动势er的方向一致，即也是阻碍换向的。 二、换向线圈中电流变化的规律当换向线圈中的合成电动势erec0时，在理想的情况下，换向线圈中的电流变化规律大体为一直线，这种换向称为直线换向，如图1-6-3b中的iL所示。直线换向的特点是，电刷接触面上的电流密度分布均匀，因此换向情况良好。 a） b） c）图1-6-3 换向线圈中电流的变

5、化a）换向线圈 b）直线换向和延迟换向 c）超越换向以电抗电动势er作为正值，若erec0，则换向线圈中的电流i由直线换向电流iL和由合成电动势erec所产生的附加换向电流ic叠加而成，如图1-6-3b所示。ic的出现使换向线圈中电流改变方向的时刻向后推延因此称为延迟换向。对于强烈延迟换向的情况，换向结束而被电刷短路的换向线圈瞬时开断时，后刷边常常会出现火花。因此大电流、高转速的电机其换向往往比较困难。若换向极磁场较强，则换向线圈中与电抗电动势反向的运动电动势ec可大于电抗电动势er，此时erec0，附加换向电流ic将反向，因而换向线圈中电流改变方向的时刻将比直线换向时提前，如图1-6-3c所

6、示，这种换向称为超越换向。轻微的超越换向对换向有一定好处，但过度的超越换向亦是不好的。第三节 产生火花的原因直流电机运行时往往在电刷下发生火花，虽然电刷下的小部分发生微弱火花对电机运行并无危害，但如果火花范围扩大和程度强烈，则将烧灼换向器和电刷，使其表面粗糙和留有灼痕，而不光滑的换向器表面与粗糙的电刷接触又使火花程度加强。如此循环积累下去，将很快使电机不能继续运行。所以，在实际运行时，电刷下面的火花不应超过一定的等级。我国国家标准GB755-81将火花分成五个等级：1级 电刷下无火花；换向器上没有黑痕以及电刷上没有灼痕。11/4级 电刷边缘仅小部分（约1/5至1/4刷边长）有断续的几点点状火花

7、；换向器上没有黑痕以及电刷上也没有灼痕。11/2级 电刷边缘大部分（大于1/2刷边长）有连续的较稀的颗粒状火花；换向器上有黑痕，但不发展。用汽油擦其表面可除去；同时电刷上有轻微灼痕。2级 电刷边缘全部或大部分有连续的较密的颗粒状的火花，开始有断续的舌状火花；换向器上有黑痕。用汽油不能擦除，同时电刷上有灼痕。如短时出现这一级火花，换向器上不出现灼痕，电刷不烧焦或损坏。3级 电刷整个边缘有强烈的舌状火花，伴有爆裂声音；换向器上黑痕较严重，用汽油不能擦除，同时电刷上有灼痕。如在这一级火花等级下短时运行，则换向器上将出现灼痕，同时电刷将被烧焦或损坏。关于直流电机允许的火花程度，一般应在电机技术条件里说

8、明。如果不加以说明话，则对正常工作的电机，其火花等级应不超过11/2级。产生火花的原因很多，主要有下列几种：一、电磁性原因当严重的延迟换向时，在tTc时，ic的数值不为零。这是因为电刷与换向器的接触并非完全的面接触，而是点接触，这种接触的不连续变化的性质，使得t趋近于Tc时，限制附加换向电流的接触电阻Rb也不连续地趋于无穷大。当电流密度较大时，甚至离子导电起主要的作用，以致电刷离开换向片前，接触电阻Rb一直呈现低值，这样，当t趋于Tc时，ic便具有较大的数值。在换向结束时，电刷与换向线圈所构成的换向回路突然断开，如果此时换向回路储存着的磁场能量足够大，它将以火花形态由后刷边放出。当过分超越换向

9、时，前刷边电流密度很高，电刷与换向器间的接触点被灼热，加以开始时只在少数点接触，接触电压降增大，导致电刷与换向片间有较大的电压，于是形成离子导电，从而在前刷边出现火花。总之，产生火花的电磁性原因是由于附加换向电流ic的出现，只要换向回路中由ic建立的磁场能量很大，或由ic引起的接触点上的热能损耗很大，火花便可能发生。二、机械原因主要是换向器、转子和电刷装置等方面的缺陷，如换向器偏心、换向片间的云母绝缘突出、转子平衡不良、电刷在刷握盒中松动、电刷压力不适当以及电刷表面粗糙等，都可能导致电刷与换向器接触不良或发生振动而产生火花。也有由于各个刷杆之间、或磁极之间距离不相等，使换向线圈受到主极磁场的作

10、用而引起火花。三、化学原因换向器表面的氧化亚铜薄膜的形成，对电机的良好换向有重大作用。如果电刷压力过大、或在高空缺氧与缺乏水汽、或在具有破坏氧化膜的气体(如酸性气体等)的环境工作，都会使换向器表面的氧化膜遭到破坏，于是就容易引起火花。上述的产生火花的原因，只是按其根源来分类。实际上形成火花的原因是综合的，而且情况比较复杂，要结合具体情况来分析。第四节 改善换向的方法图1-6-4 用换向极改善换向改善换向的目的在于消除电刷下的火花。这里，从消除产生火花的电磁原因方面来介绍常用的改善换向的方法。一、装置换向极改善换向的最有效方法就是在两个主极之间的几何中性线处装置换向极，如图1-6-4所示。换向极

11、产生的磁动势方向应与电枢磁动势方向相反，且比电枢磁磁动势稍强。既除了抵消电枢磁场外，还建立一个与之相反的换向磁场Bc，使换向线圈切割Bc后产生的电动势ec与电抗电动势er相抵消，使换向线圈内的合成电动势为零，消除附加换向电流ic，从而改善电机的换向。换向极的极性可以由换向极磁场与交轴电枢磁场相反的原则来确定。如图1-6-4所示，作为发电机运行时，电枢磁场的方向为自左至右，故换向极磁场的方向应为自右至左。由此可见，在发电机中，换向极的极性应与顺电机旋转方向的前方主极的极性相同；在电动机中，应与逆电机旋转方向的前方主极的极性相同。由于电抗电动势er与电枢电流成正比，所以换向磁场Bc也应与电枢电流成

12、正比，以使ec和er在不同的负载电流下均能抵消，所以换向极绕组应该和电枢绕组串联。实践证明，只要换向极的设计和调整良好，就能达到无火花换向。因此当直流电机容量大于时，一般都装设换向极。二、移动电刷位置在未装置换向极的小型电机中，把电刷从换向器的几何中性线移开一个适当的角度，使换向区域随之从电枢上的几何中性线移开一个相应的角度而进入主极磁场之下，利用主极磁场来代替换向极所产生的换向磁场，同理可获得必要的运动电动势以抵消电抗电动势。移刷方向确定如下：对于发电机运行，应顺电机旋转方向移过一个适当的角度；对于电动机运行，应逆电机旋转方向移过一个适当的角度。如图1-6-5所示。电刷移动角度的大小，须使移

13、刷后换向线圈能产生适当的ec以抵消er。图1-6-5 移动电刷改善换向用移刷来改善换向的方法存在两个严重缺点：其一，移刷后产生的直轴去磁电枢反应，将使发电机的电压降低，使电动机的转速升高；其二，因电抗电动势er随负载而变化，故必须随着负载的变化不断的调节电刷的位置，这是很难实施的。因此这种方法除在个别小容量直流电机外很少采用。三、选用合适的电刷电刷是引导电枢电流的，减小电刷接触电阻可减小电刷接触电阻压降。但从改善换向的角度看，却要增加电刷接触电阻。故对不同的电机必须选用相应合适的电刷。图1-6-6 环火一般来说，对于换向并不太困难的中，小型电机，通常采用石墨电刷；对于换向比较困难的电机常采用碳

14、石墨电刷；对于低压大电流电机，则常采用接触电压降较小的青铜石墨或紫铜石墨电刷；对于换向问题严重的大型直流电机，电刷的选择应以长期试验和运行经验为依据。四、补偿绕组在大容量和负载繁重或变化剧烈的中大型电机中，则常采用补偿绕组来改善换向。图1-6-7 补偿绕组电枢反应不仅会给换向带来困难，且在极靴下的增磁区域使气隙磁场达到很高的值。当线圈“切割”该处磁场时，就会感生较高的电动势，使与这些线圈相连接的换向片的片间电位差较高。当片间电位差超过一定限度，就会发生游离击穿，在换向片的片间形成电位差火花。在换向不利的情况下，电刷下的火花与换向片间的电位差火花汇合在一起，可导致正、负电刷之间形成很长的电弧，使

15、换向器的整个圆周上发生环火，如图1-6-6所示。环火可以把电刷和换向器表面烧坏，并使电枢绕组受到损伤。因此在主极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放一套补偿绕组，如图1-6-7所示。补偿绕组与电枢绕组串联，其磁动势方向与电枢磁动势相反，使在任何负载下均能减少或消除电枢反应所引起的气隙磁场畸变，达到消除电位差火花和环火的目的。习 题1-1 直流电机有哪些励磁方式？各种励磁方式具有什么特点？1-2 一台直流电机，Qu=S=K=22。分别计算2p=4的右行单叠短距绕组和2p=6的左行单波绕组的节距，并绘出绕组展开图和电路图。1-3 在换向器上电刷正常应当置放在什么位置？为什么？1-4 如果一台p

16、对极的单叠绕组其电枢电阻为R，问用同等数目的同样线圈接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？1-5 一台四极直流发电机，原为四组电刷，现取去相邻两组电刷，问电机的端电压及允许通过的电枢电流会发生什么变化：（1）电枢为单叠绕组；（2）电枢为单波绕组。1-6 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？1-7 一台两极发电机的空载磁通为0.3Wb，每极励磁磁动势为3000A；设电枢圆周上的电流总和为8400A，并作均匀分布；电枢外径为0.42m，电刷自中性线沿转向前移20o电角

17、度；试计算：（1）每极下的交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势；（2）不计磁饱和时，每对磁极的合成磁动势及每极的总磁通值。1-8 试述电刷从几何中性线上移开时，直流发电机电刷上的空载电压有何变化（设电枢绕组是整距的，主磁场在极弧下的分布为矩形波）。1-9 直流电机电枢绕组线圈内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑线圈本身的电感电动势？1-10 直流电机的电磁功率等于什么？1-11 一台四极82kW、230V、970r/min的他励直流发电机，电枢上共有123个线圈，每线圈为一匝，支路数2a=2。如果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极的磁通，试计算当电机输出额定电

18、流时的电磁转距。1-12 磁饱和效应对直流发电机的运行有什么影响？如何表征磁饱和效应？1-13同一台既有并励、又有串励绕组的直流发电机，在恒速条件下，将它作他励、并励、积复励时，比较电压调整率的大小。为什么励磁不同时，电压调整率也不同？1-14 一台他励发电机的转速提高20%，空载电压会提高多少（设励磁电流保持不变）？若为并励发电机，则电压升高的百分值比他励发电机多还是少（设励磁电阻不变）？1-15 一台他励直流发电机的额定电压为230V，额定电流为10A。额定转速为1000r/min，电枢总电阻Ra=1.5，励磁绕组电阻R f =88。已知在750r/min时的空载特性如下表所示，试求：（1

19、）额定转速时，励磁电流为2.5A，空载电压为多少？（2）若转速为900r/min，空载电压为多少？（3）满载时电磁功率为多少？If/A0.4 1.0 1.6 2.0 2 .5 3.0 3.6 4.4 5.2Eo/V33 78 120 150 176 194 206 225 2401-16 一台四极82kW、230V、970r/min的并励发电机，R(75C)=0.0259励磁绕组总电阻Rf(75C)=22.8，额定负载时并励回路串入3.5的调节电阻，电刷压降为2V，铁耗和机械损耗共2.5kW，杂散损耗为额定功率的0.5%，试求额定负载时发电机的输入功率、电磁功率和效率。1-17 一台5.5kW

20、并励直流发电机，电枢总电阻Ra=0.5。当转子的角速度为100rad/s时，其空载特性为If /A 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Eo/V 95 167 218 248 256在此角速度下调节励磁回路的电阻，使发电机产生空载端电压为250V，试决定：（1）电枢电流为20A时，发电机的端电压是多少（不计电枢反应）？（2）当角速度从100rad/s降低为80rad/s时，要保持电枢电流为10A，端电压为220V，励磁电流必须增加到多少（不计电枢反应）？1-18 一台100kW、230V的并励发电机，每极励磁绕组有1000匝，在额定转速下，空载产生额定电压需励磁电流7A，额定电流时需9.4A才能达到同样的电压，今欲将