东北电力大学电机学讲义

1、27-1换向过程的物理现象?直流电机的电枢旋转时，由于换向器的作用，电枢元件从一条支路进入另一条支路，元件内电流的方向发生了改 变，元件电流改变方向的过程，称为换向。换向前后的电 流大小相等、方向相反。在直流电机中，任何瞬间都有元 件在换向。?换向是直流电机的共同问题，也是制约直流电机进一步发展的最主要问题。直流电机换向不好，将在电刷和换向器之间弓I起火花，火花超过一定程度，将烧坏电刷和换向 器。火花严重时，还可能 与电位差火花汇合在一起，形成 环火，烧毁电机。此外，火花还 会产生电磁波，产生无线 电干扰。?换向过程非常复杂，涉及到机械、电磁和电化学等多方 面的因素，目 前对换向的理论分析，都

2、是建立在一定简 化基础上的，尚不能完全解 决实际问题。下面仅介绍影 响换向的电磁因素和改善换向的方法。?图27-1表示一单叠绕组元件的换向过程。假设换向元件编号为1,电刷宽度b等于换向片宽度，片间绝缘厚度忽略不计，电枢绕组以线速度E向左移动。图4）中，元件1属于电刷右边的支 路，其中的电流为i（，电刷仅 与换向片1接触；运动到图（b）所示 位置时，电刷同时与 换向片1和2接触，元件1被短路，其中 的电流发生变化?,从仃开始衰减，直至电刷与换向片 2完全接触；在图（c）所示位置，元件1已属于电刷左边的支路，流过的电流是“，所以从图（Q）到图（C），元件1经历了换向过程，称为换向元件。元件1、换向

3、片1、换向片2、电刷所构成的回 路，称为换向回路。换向回路内的电流，也就是换向元件内的电流称为换向电流。换向过程经历的时间称为换向期，用J表示。换向周期很短，一般约几个毫秒。21aa）换向开始1221ab）正在换向21aC）换向结束图27? 1单叠绕组元件中电流的换向过程（a）换向开始；（b）正在换向；（c）换向结束27-2换向火花及其产生的原因、换向元件中的感应电动势?在换向过程中，换向元件内将产生两种感应电动势，下面分别讨论。?1电抗电动势?换向元件本身有自感，还有与其它元件之间的互感。换向电流的变化将在换向元件内产生自感电动势和互感电动势，二者的合成电动势称为电抗电动势。由于所有元件所产

4、生的合成气隙磁通为交轴电枢反应磁通，不在换向元件内产生感应电动势，故电抗电动势仅由换向元件的漏磁通所感应产生；在换向周期内，电抗电动势的平均值为5。根 据电磁感应定律，电抗电动势总是阻碍电流的变化，由于换向元件内电流不断减小，故5的方向与换向前的电流方向相同。2旋转电动势裁理想情况下，换向元件的两个边位于几何中性线位置上。由于电枢反应磁场的影响，几何中性线位置的气隙磁密不为零，换向元件切割磁场，产生感应电动势 S,称为旋转 电动势或运动电 动势。无论是电动机还是发电机，旋转电 动势的方向总与换向前 的电流方向一致。即一与山的方向相同。?在大多数直流电机中，为改善换向，在几何中性线位置安装换向极

5、，换向极产生的磁场比电枢反应磁场略强而方向相反，此时几何中性线位置的磁场方向与无换向极时的方向相反，因而一和5的方向相反。换向元件中总的电动 势应是旋转电动势和电抗电动 势的代数和，即忌=冬+乡? Ye = O为理想情况。通常情况下忌工 0o若决 较大，将导致 换向不良，在电刷下产生火花。?二、换向元件中电流的变化规律?直线换向?当换向元件中的合成电动势习 e=O时，换向元件中的电 流变化规律大体为一直线，这种换向称 为直线换向，如图 27-30）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、换向良好。延迟换向以电抗电动势5 作为正值，如果则换向元件中的电 流 I 由直线换向电流血

6、和由合成电动势工? 产生的附加换向电 流 j 叠加而成，如图 27-3 (b) 所示。幺V0的出现，使换向元件中的电流改变方向的时刻向后推延，因此这种换向称为延迟换向。延迟换向结束时，被电刷短路的换向元件瞬时断开，后刷边容易出现火花，导致换向不良。?超越换向? 若换向极磁场较强，则换向元件中与电抗电动势反向的旋转电动势可能大于电抗电动势，此时, 附加换向电流将反向， 因而换向元件中电流改变方向的时刻将比直线换向时提前，如图 27-3 (c) 所示，这 * 申接向赫另瘟趣陵前 轻薇的祠舷换向有一定 好处，但过度的超越换向也是不利的i、a）直线换向c）超越换向11*o1+iaXT5）延迟换向?图2

7、7-3换向元件中电流的变化?四、火花等级? 虽然直流电机在运行时电刷下往往产生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不会危及电机的运行。火花严重时， 会影响电机运行甚至损坏电机。根据国家标准，电刷下的火 花可以分为五个等级，即 1 级、计级、 1*级 2 级和 3 级。? 1 级表示无火花。?片级 电刷边缘及小部分有微弱的火花点或者非放电性红色 小火花， 换向器上没有黑痕，电刷上没有灼痕。?片级电刷边缘大部分或全部有轻微的火花，换向器上有黑痕,但用汽油可擦除，同时在电刷上有轻微的灼痕。? 2 级 电刷边缘全部或大部分有强烈的火花，换向器上有黑 痕， 用汽油不能擦除，同时电刷上有灼痕。? 3 级

8、在电刷的整个边缘上都有强烈的火花，同时有大火 花飞出。换向器严重发黑，用汽油不能擦掉，而且电刷有 烧焦和损坏。? 1 级、片级和叶级火花均为持续运行中无害的火花。在 2 级火花作用下，换向器表面会出现炭渣和黑色痕迹，如运行时间过长，黑色痕迹也将扩展，同时电刷和换向器的磨 损也显著增加。所以2 级火花只允许在短时过载时出现。3 级火花是危险的，仅允许在直接起动或反转的瞬间出现 , 正常 运行时是不允许的。27-3改善换向的方法换向不良将使电刷下出现火花，使换向器表面受到损伤，电刷磨损加快。改善换向的目的在于消除电刷下的火花，虽然产生火花的原因比较复杂，但若能设法减少或消除附 加换向电流心，就可以

9、改 善换向。下面介绍常见的改善换 向方法。?移动电刷由于电枢反应的存在，几何中性线位置的磁密不再为零，换向元件内产生旋转电动势，使换向恶化。可以采用 移动电刷的方法， 使几何中性线位置的磁密为零，可以改善换向。对于直流发电机，应顺电机旋转方向移动电刷；?对于直流电动机，应逆电机旋转方向移动电刷。电刷的移动是在电机生产过程中实现的，电机制成之后，电刷无法 移动。? 该方法缺点比较明显，当负载变动时，电枢反应发生变化，电刷位置不一定合适，可能使换向恶化；此外，若电 机允许正反转，则该方法也不适合。这种方法只在运行情 况固定而负载变化又不大的单向旋转的直流电机中采用。?安装换向极? 几乎所有的直流电机都在两个主极之间的几何中性线处装有换向极，如图 27-4 所示。换向极的磁动势除抵消电枢磁动势以外，还在换向区内产生一个与电枢磁场相反的换 向磁场，使换向元件切割该磁场后产生的电动势与相抵消 , 这样就可以消除附加换向电流，改善换向。换向极的极性可以由换向极磁场与电枢磁场相反的原 则来确定。对于图 27-4 所示主极极性，电机作发电机逆时 针旋转时，电枢磁场的方向为自左至右，故换向极磁场的 方向为自右至左。由此可见，在发电机中，换向极的极性 应与顺旋转方向的下一个主极的极性相同；在电动机中， 换向极的极性与发电机相反。由于 电抗电动势与电枢电流 成正比，所以换向磁场也应