第八节 直流电机的换向2021/6/161v一、直流电机的换向过程v二、换向回路中的电势v三、改善换向的方法2021/6/162一、直流电机的换向过程一个线圈的换向过程一个线圈的换向过程图中电刷是固定不动的，电枢绕组和换向器以固定的速度从右向左移动。 2021/6/163v图（a）：电刷只与换向片1接触，线圈K属于电刷右边的支路，线圈中电流为ia，线圈K开始换向。v图（b）：电刷同时与换向片1和2接触，线圈K被电刷短路，线圈中为变化的电流i，表明该线圈正在换向。v图（c）：电刷只与换向片2接触时，线圈K已属于电刷左边支路，电流反向为-ia。线圈K换向结束。v可见：当电枢线圈从一条支路经过电刷进入另一支路时，线圈中电流从一个方向变换为另一方向，这种电流方向的变换称为换向换向。2021/6/164v线圈K就称之为换向线圈换向线圈。换向过程所经历的时间称为换向周期换向周期TK，换向周期是极短的，它一般只有千分之几秒，但线圈电流要从ia变换到-ia。v如果换向线圈中电势等于零，则变化规律如图曲线1所示。但实际上情况并不如此，因为换向过程中换向线圈会出现下列两种电势，这两种电势会影响电流的变化。2021/6/165直流电机的换向过程 为了分析方便假定换向片的宽度等于为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时支路时, ,元件里的电流方向改变，即元件里的电流方向改变，即换向换向。 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元接触时，元件件1 1的被短路，电流被分流。的被短路，电流被分流。 电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为元件11 22021/6/166 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周换向周期期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。2021/6/167二、换向回路中的电势1电抗电势ex（1）电抗电势的形成 由图（b）可知，换向时换向线圈中的电流i的大小、方向发生急剧变化，因而会产生自感电势。同时进行换向的线圈不止一个，电流的变化，除了各自产生自感电势外，各线圈之间还会产生互感电势。自感电势和互感电势的总和称为电抗电势。2021/6/168（2）电抗电势的作用 根据电磁感应原理，电抗电势总是阻碍换向线圈中电流的变化即阻碍换向，故电抗电势的方向与换向线圈换向前的电流方向一致。2021/6/169（3）电抗电势的大小 因为 所以 即电抗电势ex正比于电枢电流Ia。2021/6/16102电枢反应电势ea （1）电枢反应电势的形成 由于电刷放置在主极轴线下的换向片上，换向线圈的有效边一般处在几何中心线上。虽然该处主极磁场等于零，但存在电枢磁场，换向线圈切割电枢磁场产生感应电势，称为电枢反应电势。2021/6/1611（2）电枢反应电势的作用 对于直流电动机，图中表示出电枢电流和电枢磁场的分布。根据左手定则可判定电枢自右向左运动。由电枢磁场的分布和电枢的运动方向，根据右手定则判 定处于几何中心线处导体（换向线圈边）的感应电势方向为+，与换向前线圈中的电流方向一致。因而电枢反应电势也总是阻碍换向线圈电流的变化即阻碍换向。在发电机中情况也如此。 2021/6/1612（3）电枢反应电势的大小 根据电磁感应定律 而 所以 换向线圈中出现的电抗电势和电枢反应电势均阻碍电流的变化即阻碍换向。这种阻碍作用就表现为使电流换向延迟。 2021/6/1613换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为： 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。是阻碍换向的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。的电动势。换向电动势是帮助换向的换向电动势是帮助换向的。2021/6/1614#直线换向当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。是线性变化，出现电流延迟现象。#延迟换向当当 时换向元件电流随时间再时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。#超越换向直线换向直线换向延迟换向延迟换向超越换向超越换向2021/6/1615三、改善换向的方法v如果换向不理想，在电刷下会产生火花，严重时会造成直流电机运行困难。产生火花的原因，除了电磁原因外，还可能因为换向器表面不平整，不清洁、换向片间有绝缘突出，电刷与换向器接触压力不适当等。v要改善换向，就是从减小甚至消除换向回路中合成电势，或增大电刷接触电阻着手。v常用的方法有以下三种。 2021/6/16161装置换向极v换向极的作用： 是产生一个适当的外磁场，该磁场除了抵消交轴电枢磁场外，还要建立一个磁密为BK的磁场，换向线圈切割该磁场产生换向电势eK去抵消电抗电势eX，使换向线圈中的合成电势尽可能近似为零，达到改善换向的目的。v 换向极的位置： 在主磁极之间的几何中性线处。 2021/6/1617换向极的位置及极性换向极的位置及极性 2021/6/1618装置换向极必须注意的问题：（1）换向极的极性要正确 根据换向极的作用是产生一个适当的外磁场去抵消交轴电枢磁场，所以由交轴电枢磁场的方向（根据电枢电流的分布，用右手定则可确定）可确定换向极产生的磁场方向，从而确定换向极的极性。v对换向极的极性可得出如下结论： 电动机中换向极的极性应与沿旋转方向前面的主磁极极性相反；发电机中换向极的极性应与沿旋转方向前面的主磁极极性相同。2021/6/1619（2）换向极绕组应与电枢绕组串联 在电机运行时，由于电抗电势、电枢反应电势的大小都正比于电枢电流，这样产生换向电势的换向极磁场也应正比电枢电流，因此换向极绕组应与电枢绕组串联，使换向极绕组中通过电枢电流后产生的换向极磁场与电枢电流成正比。这样才可保证换向极磁场除了抵消交轴电枢磁场外，并产生一个始终削弱或抵消电抗电势eX的换向极电势eK。（电枢绕组与换向极绕组在电机内部已串联）2021/6/1620（3）换向极磁路应处于低饱和状态v在换向极磁路中，磁密BH和电枢电流Ia的关系由磁路的饱和程度决定。只有在磁路不饱和时，才能保证BH和Ia成正比，即满足eH与Ia成正比的需要。2021/6/1621v为了使换向极磁路不饱和，在设计电机时，通常将换向极气隙取得较大，但是如果单纯增大换向极和电枢间的气隙，将使漏磁通增加。为此，常将气隙分为两部分即电枢与换向极极靴之间的第一气隙和极根与极座间的第二气隙，如图所示。第二气隙以垫非磁性垫片（铜片或塑料片）。采用第二气隙可使漏磁通减少，在得到同样大的BH情况下，使换向极磁路的饱和程度降低，从而使BH能随Ia正比地变化。2021/6/16222增加换向回路的电阻 如前所述，假若换向回路中电势为零，可得直线换向，直线换向是最理想的换向形式。但由于换向线圈有电感存在，使得换向延迟，过分的延迟是产生火花的一个重要因素。延迟的程度由回路中电阻和电感的比值决定，如果增大换向回路的电阻，相对地便削弱了电感的影响。增加电阻的最有效的方法是增加电刷的接触电阻，影响接触电阻的因素主要是电刷材料和换向器表面的化学状态。2021/6/1623v国产电刷分为三类： 石墨电刷接触电阻最大，电化墨电刷次之，金属石墨电刷最小。v正常工作的电机，换向器表面会形成一层氧化膜，不但会提高换向器表面的硬度，使其耐磨；并可增加接触电阻以改善换向。正常的氧化膜应该是均匀、稳定、呈现为有光泽的棕褐色。2021/6/16243装置补偿绕组 补偿绕组嵌放在主磁极极靴处的槽中，如图所示。2021/6/1625v 补偿绕组的作用是： 当补偿绕组中流过电流时产生磁场，使其和电枢磁场大小相等方向相反，用以抵消电枢反应磁场。v为保证补偿绕组的磁场随时都能抵消电枢磁场，补偿绕组应与电枢绕组串联。v装置补偿绕组使电机结构复杂，成本增加，因此，只在负载变化很大的大、中型直流电机中使用。2021/6/1626改善换向的方法改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。产生火花。 改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势2021/6/1627 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！