第6讲 直流电动机的换向

知识点：直流电动机的换向主讲教师：韩振花直流电动机换向的概念1

目录2换向的电磁理论234改善换向的方法3直流电动机的换向

直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行，甚至引起事故。直流电动机换向的概念1

直流电机每个支路里所含元件的总数是相等的，但是，就某一个元件来说它一会儿在这个支路里，一会儿又在另一个支路里。一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。当电机带有负载后，电枢元件中有电流流过，同一支路里各元件的电流大小与方向都是一样的，相邻支路里电流大小虽然一样，但方向却是相反的。可见，某一元件经过电刷，从一个支路换到另一个支路时，元件里的电流必然改变方向。现以图3-21所示单叠绕组为例来看某个元件里电流换向的过程。直流电动机换向的概念1图3-21直流电机的换向过程直流电动机换向的概念1

电枢绕组以线速度va从右向左移动，电刷固定不动，观察图中元件1的换向过程。当电刷完全与换向片1接触时，元件1里流过的电流为图中所标方向，电流大小为

;当电枢转到使电刷与换向片2相接触时，元件1被电刷短路。由于换向片2接触了电刷，该元件里的电流被分流了一部分。当电刷仅与换向片2接触时，换向元件1已进入另一支路，其中电流也从换向前的方向变为换向后的反方向，完成了换向过程元件1中流过的电流为

。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期

，换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行时电枢绕组每个元件在经历过电刷时，都要经历上述的换向过程。直流电动机换向的概念1

换向问题很复杂，换向不良会在电刷和换向片之间产生火花，当火花到一定程度时有可能损坏电刷和换向器表面，从而使电机不能正常工作，但也不是说，直流电机运行时，一点火花也不许出现。

产生火花的原因是多方面的，除电磁原因外，还有机械的原因，此外换向过程中还伴随着有电化学和电热学等现象，所以相当复杂。

下面仅对电磁方面的原因做一简略地分析。换向的电磁理论2换向的电磁理论指的是换向元件在换向过程中电流变化的情况，从而判断什么情况下会产生火花，什么情况下不产生火花。

设两相邻的换向片与电刷间的接触电阻分别为

和

，元件自身电阻为R，流过的电流为

，元件与换向片间的连线电阻为

，与两个换向片连接的元件电流为

和

，

是换向元件的合成电动势，则根据基尔霍夫电压定律可列写换向元件在换向过程中的回路方程：根据合成电动势

的取值情况，换向可分为直线换向

、延迟换向()或超越换向

。换向的电磁理论2

换向元件里的电流随时间线性变化，这种换向称为直线换向。直线换向时不产生火花，故又称为理想换向，直线换向时元件电流i的变化曲线如图3-22所示。图3-22换向电流变化曲线换向的电磁理论2

如果换向元件里的电流按照图3-22中的延迟换向曲线变化，电机运行时不会产生火花，但是当合成电动势较大时，换向元件里的电流并不按图中所绘制的延迟换向曲线变化，在电刷与换向片离开的瞬间，换向元素中的附加电流可能不为零，当这个附加电流足够大时将在电刷下产生电火花。

图3-22换向电流变化曲线换向的电磁理论2

直流电机因换向不良引起电刷下产生火花，除了上述的电磁原因外还有机械以及化学方面的因素。机械因素包括：换向器偏心；换向片之间的绝缘凸出；电刷与换向器表面接触的不好；电刷上的压力大小不合适；电刷在刷盒里因装的太紧而卡住，或者太松而跳动；各电刷杆之间不等距；各个换向极下的气隙不均匀；换向器表面不清洁等等。化学方面的因素包括；电刷压力过大，或者高空缺氧、缺水气以及某些电机所处环境为化工厂，这些都有可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜，从而产生火花。换向的电磁理论2超越换向

如果换向极的磁场较强，ek抵消er后有剩余，剩余电势产生的ik改变了方向（ik<0）。当i=0时，t

TK/2，电流改变方向的时刻比直线换向时提前，故称为超越换向，又叫过补偿换向。此时前刷边电流密度增大，后刷边电流密度减小，这种情况同样对换向是不利的。改善换向的方法3

改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。由于电磁原因是产生火花的主要因素所以下面主要分析如何消除或削弱由此引起的电磁性火花。

产生电磁火花的直接原因是附加换向电流

。为改善换向，必许限制附加换向电流ik。由式（3-18）知，减小ik的方法有两种：一是增加接触电阻Rb1和Rb2；二是减小换向元件中的合成电动势

为此改善换向一般采用以下两种方法。改善换向的方法3（1）选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻

电机用电刷的型号规格很多，其中炭—石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜—石墨电刷的接触电阻最小。

直流电机如果选用接触电阻大的电刷，有利于换向，但接触压降较大，电能损耗大，发热大。同时由于这种电刷允许电流密度较小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大。设计制造电机时综合考虑两方面的因素，选择了恰当的电刷牌号。为此，在使用维修中，欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷，如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相近的电刷，并全部更换。（2）装设换向极

目前改善直流电机换向最有效的办法，是安装换向极，换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图3-23所示。加装换向极的目的，主要是让它在换向元件处产生一个磁动势，首先把电枢反应磁动势抵消掉，使得切割电动势

；其次还得产生一个气隙磁通密度，换向元件切割磁磁场产生感应电动势去抵消电抗电动势。为达到此目的，换向极绕组应与电枢绕组相串联，使换向极磁场也随电枢磁场的强弱而变化，换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反。当换向极安装正确可使合成电动势大为减小，甚至使

，换向为直线换向。1kW以上的直流电机，几乎都安装换向极。图3-23用换向极改善换向改善换向的方法3改善换向的方法3

由于电枢反应的影响使主磁极下气隙磁通密度曲线发生畸变，这样就增大了某几个换向片之间的电压。在负载变化剧烈的大型直流电机内，有可能出现环火现象，即正负电刷间出现电弧。电机出现环火，可以很短的时间内损坏电机。防止环火出现的办