郑铁院机车电传动系统课件04直、脉流牵引电动机的换向

第四章直、脉流牵引电动机的换向第一节换向的基本概念第二节直流电机产生火花的原因第三节改善直流电机换向的方法第四节脉流牵引电动机的换向特点第五节改善脉流牵引电动机换向的方法第六节直流和脉流牵引电动机的环火及防止措施第七节牵引电动机的发热和通风冷却第一节换向的基本概念就一个具体的电枢元件(线圈)来说，其电流总是不断变化的。或者说电枢旋转时，每个具体的电枢元件总是不断地从一个支路转进另外一个支路。

元件中电流的方向改变的过渡过程称为换向过程

第一节换向的基本概念电刷是支路的分界线；我们研究跨接在换向片1/2上的电枢元件。

换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；

处于换向中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；

换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由变为-ia（左→右）。

一个元件换向过程所需的时间就是称为换向周期TH，即一个换向片通过电刷所用的时间。换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期（TH=0.0005～0.02秒）。

换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。

产生火花的原因十分复杂，除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至今尚无完整的理论

第一节换向的基本概念换向元件中的电势1.电抗电势一般,换向周期非常短暂,电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势,两者的合成电势称为电抗电势。用er表示。

第一节换向的基本概念电枢反应电势当电枢旋转时，处于几何中性线上的换向元件，将切割交轴电枢磁场而产生电枢反应电势。根据右手定则可以判断的方向也是与换向前的电流方向相同，即和方向一致，都是阻碍电流换向的。第一节换向的基本概念换向电势为了改善换向，容量在1kw以上的直流电机都安装有换向极，换向极安装在几何中性线上。换向极极性应正确，以使它的磁势与交轴电枢反应磁势相反，如图所示。这样，当换向元件切割换向极磁场时，感应产生换向电势，其方向与和相反，用来抵消和对换向的不利影响。

第一节换向的基本概念换向元件中的电阻换向元件中的电流第一节换向的基本概念换向过程电阻换向理想换向情况，元件中的合成电势延迟换向合成电势电流改变方向的时刻比直线换向时推迟，故称为延迟换向超越换向电流改变方向的时刻比直线换向时提前，故称为超越换向第二节产生火花的原因

电磁原因1.当电机处于直线换向时，尽管电流密度可能很大，但电刷下不会产生火花。2.附加换向电流过大是产生火花的电磁原因。3.当电机工作在严重超越换向时,前刷边电流密度增大,导致电刷局部过热而在前刷边出现火花或电弧。第二节产生火花的原因1.换向器及电机旋转部分的缺陷机械原因（1）个别换向片或云母片凸出；（2）换向器偏心、转子动平衡不好；（3）换向器工作表面污染、有毛刺、斑痕或拉伤沟纹等；（4）换向器工作表面变形，如呈椭圆形、腰形或锥形等。

2.电刷装置的缺陷（1）电刷接触面研磨的不光滑，接触不良或只是局部接触；（2）电刷在刷盒中间隙不合适，造成跳动、倾斜或卡死现象；（3）电刷上压力不适当；（4）刷握装置不稳固，造成刷握位置偏离几何中心线；（5）刷架圈的定位不准确或安装不牢固等。第二节产生火花的原因化学原因在正常情况下，当电机长期运行之后，换向器滑动面会覆盖一层很薄的薄膜，电刷在与换向器接触时，并不是直接与换向器钢片本身接触，而是通过这层薄膜与换向器铜片接触。要获得良好的换向，除保持电磁和机械方面的良好条件外，还必须在换向器表面形成均匀而光亮的薄膜层，不正常薄膜的出现将预示着电机换向的恶化。第三节改善直流牵引电动机换向的方法一、设置换向极换向极应满足以下要求：1.极性正确2.换问极绕组必须与电枢绕组串联3.换向极磁路处于低饱和状态二、减小电抗电势希望电抗电势的数值尽可能小些，这样抵消电抗电势的所需要的换向电势也就小些。当这两个电势的绝对值都减小以后，它们的剩余电势也相应减小，这样就改善了电机的换向条件。第三节改善直流牵引电动机换向的方法三、增加换向回路的电阻换向回路电阻主要是决定于电刷与换向片之间的接触电阻，增加接触电阻可以减小附加换向电流的数值，从而改善电机换向。脉流牵引电动机由于换向条件困难，广泛采用高接触电阻的电化石墨电刷第四节脉流牵引电动机的换向特点

一台换向正常的直流牵引电动机，若工作在脉动电源下，这台电机换向将显著恶化，这是因为在脉动电源条件下，牵引电动机的换向元件中，除已经介绍过的直流电势外，由于脉动电源中交流分量的作用，还将引起另外3种交流电势，即：(1)由电枢电流交流分量Ia～引起的交流电抗电势er～；(2)由换向区磁通交变分量由φK～引起的交流换向电势ek～；(3)由主极磁通交变分量φf～引起的变压器电势et，第四节脉流牵引电动机的换向特点交流电抗电势er~

er~=Ki

er在一定的电流脉动系数下，交流电抗电势er~的幅值正比于直流电抗电势er=其交变频率和相位与电枢电流交流分量相同。第四节脉流牵引电动机的换向特点变压器电势et

变压器电势是由于主极磁通交变分量由f～的作用，在换向元件中感应的电势，其表达式为：第四节脉流牵引电动机的换向特点换向元件中的交流合成电势过大的Δer~是引起脉流牵引电动机换向困难的根本原因。因此，要改善脉流牵引电动机的换向，就要尽可能地减小交流剩余电势Δer~。第五节改善脉流牵引电动机换向的方法

脉流牵引电动机的换向比直流牵引电动机困难，为了保证脉流牵引电动机可靠运行，必须针对它在换向方面存在的问题采取一定的措施。一、减小交流电势的数值1．减小交流电抗电势er~2．减小变压器电势et第五节改善脉流牵引电动机换向的方法二、改善交流换向电势ek~的相位1.换向极铁心采用电工钢片叠制2.机座内壁敷设磁桥3.减小换向极漏磁通4.采用全叠片或半叠片机座第五节改善脉流牵引电动机换向的方法三、选择合适的变压器电势补偿不平衡电势由换向元件各交流电势的相位关系可见，变压器电势与交流电抗电势的相位几乎是相反的，因此可利用来抵消。实践证明，这是积极有效的办法。为了使在数值上和相位上都能补偿，必须选择合适的固定磁场削弱系数。四、采用感应分路第六节换向器上的环火直流和脉流牵引电动机在某些恶劣条件下运行时，正、负电刷之间可能形成一股强烈的环形电弧；同时伴有闪光与巨响，这种现象称为环火（俗称“放炮”）环火是直流和脉流牵引电动机最严重的故障之一第六节换向器上的环火一、产生环火的原因换向器片间电压分布曲线和电位特性第六节换向器上的环火

电刷下火花的扩展当原始火花较大时，随着换向器的转动，原始火花将被机械地拉长，从而在电刷与换向片形成电弧，该电弧能否维持甚至发展，决定于电弧本身的能量及换向器上的电位。图中1、2表示电机的电位特性，3表示电弧特性，a是电弧继续燃烧的临界点。第六节换向器上的环火牵引电动机运行时，电刷磨损而产生碳粉或电刷碎片，换向器磨损的铜粉以及其他导电灰尘会积聚在换向片间的沟槽中，这些可导电物质在换向片间形成了所谓的导电桥。当片间电压过高时，此导电桥中的导电尘粒因燃烧形成火花。若片间电压足够大，会在这些导电尘粒燃烧后，出现片间电弧，当电弧向前扩展时，它遗留下来的离化气体是导电的，因而，电弧不断伸长，以至形成环火。第六节换向器上的环火防止环火的措施1.限制换向器圆周上的电位梯度和最大片间电压值2.采用适当的主极极靴形状3.选择适当的极弧系数4.设置补偿绕组第七节牵引电动机的发热和通风冷却

一、电机的损耗和温升直流牵引电动机在实现能量转换过程中，电机内部将产生机械损耗、铁耗、铜耗和附加损耗等4类损耗，这些损耗一方面使电机的输出功率减小、效率降低；另一方面，损耗最终都变为热能,使电机各部分温度升高,引起电机发热。第七节牵引电动机的发热和通风冷却均质固体的发热曲线，曲线表明物体发热时，其温升随时间按指数函数规律变化。开始发热时，物体与周围介质的温差较小，散发出的热量较少，产生的热量大部分用以升高物体本身的温度，温度上升得较快。随着电机温度的升高，温差的增大，散发的热量逐渐增加，用以升高物体本身的热量逐渐减少，温度上升速度减慢。当发热体经过较长时间，温度升高到一定数值后，产生的热量等于散发热量，物体的温度不再升高，达到热稳定状态。此时，物体的温升称为稳定温升，用表示。第七节牵引电动机