直流电机的换向综述

第三章直流电机的换向

引言§3.1直流电机的换向过程

§3.2经典换向理论

§3.3产生火花的原因

§3.4改善换向的措施

§3.5环火及补偿绕组

小结

2023/2/6第1页引言换向是一切装有换向器的电机的一个专门问题，它对电机的正常运行有重大影响，是直流电机的关键问题之一。本章首先介绍换向的电磁理论，并简要地介绍点接触，离子导电、氧化膜等理论作为补充，进而分析火花发生的原因和改善换向的方法。最后扼要地介绍环火、补偿绕组。2023/2/6第2页§3.1直流电机的换向过程

直流电机电枢绕组中的电动势和电流是交变的，只是借助于旋转着的换向器和静止的电刷配合工作，才在电刷间获得直流电压和电流。当旋转的电枢绕组元件从一条支路经过电刷底下而进入另一条支路时，该元件中的电流从一方向变换为另一方向，这种元件电流方向的变换称为换向。2023/2/6第3页图示一单叠绕组元件的换向过程。设换向元件编号为1，电刷宽为bs，换向片宽为bk，bs＝bk，电刷固定，换向器以线速度vk按图示方向运动（从右向左移动）。当电刷仅与换向片1相接触时（图a）元件1属于电刷右边的一条支路，元件1中的电流为ia。2023/2/6第4页当电刷与换向片1和2相接触时（图b），元件1被电刷短路。当电刷仅与换向片2相接触时（图c），元件1属于电刷左边的一条支路，电流也为ia但方向与原来相反。当电刷从换向片1过渡到换向片2时，元件1中的电流从＋ia变到－ia，元件电流方向的这种变化过程称为换向过程。2023/2/6第5页图d表示了元件1从换向到经过一对极距时电流变化的理想化曲线。从换向开始（图a所示的瞬间，对应于图d的ta点）到换向结束（图c所示瞬间，对应于图d的tc点）所需的时间称为换向周期，以Tk表示，即相当于元件被电刷短路的整个时间。通常Tk只有千分之几秒。2023/2/6第6页正在进行换向的元件称为换向元件，换向元件中的电流称为换向电流，在换向过程中，换向元件的元件边在电枢表面上所移过的距离称为换向区域。良好的换向是一切装有换向器的电机持久运行的必要条件。2023/2/6第7页§3.2经典换向理论

一、换向元件中的电动势

二、电动势平衡方程式及电流变化规律

三、换向理论的补充

2023/2/6第8页一、换向元件中的电动势1．旋转电动势ek

设换向区域内磁场的磁通密度为Bk，电枢表面线速度为va，换向元件匝数为Ny，元件边长度为l，则换向元件中的旋转电动势大小为2023/2/6第9页2．电抗电动势er

换向元件在换向周期内电流从＋ia变为－ia，故与换向元件交链的磁通要发生变化，并在元件中感应电动势，称为电抗电动势。同时存在自感电动势eL和互感电动势eM两种成分。eL为换向元件自身电流变化对漏磁场的影响。eM为其它换向元件电流变化对漏磁场的影响。总括起来写成漏感压降的形式就是2023/2/6第10页i为换向电流，Lr为换向元件的等效漏电感，且λ称为等效比漏磁导，其定义为所有单匝式换向元件通入单位电流所产生的漏磁场与所研究元件交链的磁链对元件长度2l之比，其大小与漏磁路的结构和绕组电流的分布有关，一般取值在4μH/m～8／μH/m范围内。2023/2/6第11页由于换向电流i的实际变化规律很复杂，电抗电动势er的瞬时值很难计算，工程中采用平均值，定义为2023/2/6第12页因为bs＝bk时，有

Da和Dk分别为电枢和换向器的直径。Ny＝Na/2K，Kbk＝πDk，且线负荷代入式有对已制成的电机来说，Ny、l、λ为常数，erav∝Ava，故负载A愈大，转速va愈高，则erav愈大。2023/2/6第13页综上可知，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

∑e=ek+er对于换向良好的电机，在理想情况下，ek和er大小相当，方向相反，∑e≈0；反之，∑e不为零，导致换向不良，就有可能在电刷下发生火花。2023/2/6第14页二、电动势平衡方程式及电流变化规律

i是元件l中的换向电流，i1和i2分别表示引线1和2经换向片1和2流过电刷的电流。设Ry、R1和R2分别为元件l、引线1和引线2的电阻，Rb1和Rb2分别为换向片1和2与电刷间的接触电阻，则按电路定律，可列写换向回路的电动势平衡方程为2023/2/6第15页∑e中的er与换向电流i的变化规律有关，Rbl和Rb2也取决于诸多因素，因此。要直接由此解出i很困难。为此，假定（1）换向片与电刷呈面接触，电流分布均匀。（2）电刷与换向器单位接触面积上的电阻为常数，即接触电阻与接触面积成反比。（3）换向元件中的合成电动势L在换向周期内保持不变，并取定为周期内的平均值。2023/2/6第16页设Rb为单片换向片与电刷完整接触时的接触电阻，并取换向开始瞬间作为时间起点，可得图(b)中的相关节点有2023/2/6第17页将上两式代入式电动势平衡方程式，进而忽略R1、R2和Ry（对普通电刷，它们的数值远小于接触电阻），可解得式中，iL为直线换向电流分量；ik为附加换向电流分量，R'b相当于回路串联总电阻2023/2/6第18页(a)、(b)、(c)、(d)分别给出了iL、R´b、ik和i的变化曲线，而ik和i还分别针对∑e=0、∑e>0、∑e<0三种情况。2023/2/6第19页三种不同的换向过程，分述如下。（1）∑e＝0，直线换向。这是最理想的换向情况。换向电流只有iL分量，随时间线性变化，从＋ia均匀地变化到－ia。可以证明，此时电刷下的电流密度也是均匀分布的。2023/2/6第20页（2）∑e>0，延迟换向。此时，换向电流同时包含iL和ik分量，且ik≥0，其结果是曲线轨迹处于直线换向上方(图(d))，致使过零时间滞后于直线换向，“延迟换向”由此而得名。延迟换向时，左刷边(参见前图，电刷与换向片l接触的部分，通称后刷边)的电流密度会大于右刷边(与换向片2接触部分，亦称前刷边)的值。当电刷滑离换向片1时，很大的电流突然突然断路，换向回路中贮存的电磁能量通过空气释放，便导致火花在后刷边产生。2023/2/6第21页（3）∑e<0，超越换向。此时ik≤0，换向电流曲线落于直线换向下方(图(d))，过零时间提前，故称为‘超越换向”。与延迟迟换向相反，超越换向致使右刷边电流密度大于左刷边，在前刷边产生火花。2023/2/6第22页三、换向理论的补充

1.物理角度对经典电磁换向理论进行补充：接触面的点接触与离子导电理论2023/2/6第23页2.化学方面对经典电磁换向理论进行补充:接触面的氧化膜理论。2023/2/6第24页从以上新理论可以看出，经典电磁换向理论还只是建立在很不严密的基础之上，因而所得结论严格讲只适用于定性分析．虽然工程实际中也用它来进行定量分析，并作为直流电机的主要设计依据。但大多还要结合电机的换向试验(无火花区域试验法)对电刷位置进行调整，才挺较好地解决换向问题。2023/2/6第25页§3.3产生火花的原因

一、电磁性原因

二、机械原因

三、化学原因

2023/2/6第26页一、电磁性原因实际运行时，电刷下面的火花不应超过一定的等级，我国国家标准GB755—87将火花分为五个等级。产生火花的电磁性原因是由于附加换向电流ik的出现，只要换向回路中由ik建立的磁场能量很大，或由ik引起的接触点上热能损耗很大，火花便可能发生。2023/2/6第27页二、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，使换向元件受到主极磁场的作用而引起火花。2023/2/6第28页三、化学原因

前面已经指出，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)的环境中工作，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。2023/2/6第29页§3.4改善换向的措施

一、装置换向极

二、移动电刷位置

三、选用合适电刷

2023/2/6第30页经典电磁换向理论表明，附加换向电流ik是导致延迟或超越换向，进而产生火花的根本原因。因此，改善换向亦必须从减小ik入手，具体途径亦不外乎减小换向回路合成电动势∑e和增加换向回路电阻两大类，并且前者显然是更主要的，也是最根本的。要使∑e减小，办法之一是减小电抗电动势er，具体是减少元件匝数Ny和降低等效比漏磁导λ。这对于有电枢铁心并通过电枢绕组实现能量转换的电机来说，实现难度较大，收效也比较有限。办法之二是在换向区域内建立一个适当的外磁场，使它能在换向元件内产生适当大小的旋转电动势ek，借以抵消er，使∑e≈0。这是一种更积极也更有效的方法，在工程实际中得到了比较多的应用，其实现方法亦包括设置换向极和移动电刷两种。2023/2/6第31页一、装置换向极

装置换向极是改善换向的最有效方法。换向极(Nk，Sk)装在相邻主磁极(N，S)间的几何中性线上(亦即主磁场的磁中性线或称交轴上)，作用是产生一个换向磁场Bk。图示是按发电机状态画出的一台两极直流电机安装换向极的示意图。2023/2/6第32页换向极要在换向区域内产生所希望的换向磁场，显然首先必须抵消掉交轴电枢反应的作用。因此，运用叠加原理，可将换向极绕组产生的磁动势Fk分解成两部分，一部分用以平衡交轴电枢反应磁动势Faq，另一部Fδk。则用于建立换向区气隙磁场Bk，即式中，δ´k为换向极下的等效气隙长度。2023/2/6第33页Bk的大小当然要根据所要求的ek来决定。在理想情况下，ek和er在任意瞬间都能完全抵消，但实际上难以做到。因为ek取决于Bk的波形，而er则取决于换向电流的变化规律。因此，折衷的解决办法是要求它们的平均值能相等，即

ek＝erav

由于ek∝Bk；erav∝Ia亦即要使Bk∝Ia故最终要求Fk∝Ia这就是说，换向极绕组必须与电枢绕组串联，并要求在设计电机时尽量使换向极磁路不饱和，从而保证换向极绕组产生的磁动势和所建立的磁场能满足要求。2023/2/6第34页换向极的极性可由右手定则确定．由于要求ek和er的方向相反，而er的作用总是企图阻止电流的变化，即与换向前的电流方向相同，则ek的方向也就是换向后的电流方向。对于发电机，换向极极性与换向元件即将进入的主磁极极性相同。对于电动机，则与即将进入的主磁板极性相反(或者说与刚离开的主磁极极性相同)。无论电机是作发电机运行还是作电动机运行，换向极极性都是保持不变的。2023/2/6第35页二、移动电刷位置

在无换向极电机中，把电刷从换向器上的几何中性线移开一个适当的角度，使换向区域也跟着从电枢上的几何中性线移开一相应角度而进入主极之下，利用主磁场来代替换向极所产生的换向磁场，也可获得必要的旋转电动势以抵消电抗电动势。与设置换向极极性的原理一致，对发电机，电刷应顺转向偏移。对电动机，则为逆转向偏移；如图所示(仅例示了发电机状态)。2023/2/6第36页可见，电刷移动的角度β应大于物理中性线移动的角度，以确保换向元件能够置于极性相符的磁场之下。β的大小以产生适当的ek，能抵消er而良好换向为准，通常由试验调整。2023/2/6第37页移动电刷位置改善换向有两大缺点：其一是移刷后的直轴电枢反应起去磁作用，会降低发电机端电压或使电动机转速上升；其二是电抗电动势er随负载变化，电刷位置需要根据负载变化情况作相应调整，这是很难做到的。因此，这种方法实际上已很少采用。2023/2/6第38页三、选用合适电刷

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，常采用碳一石墨电刷。对于低压大电流电机，则常采用接触电压降较小的青铜一石墨电刷或紫铜一石墨电刷。对于换向问题严重的大型直流电机，电刷的选择应以电机制造厂的长期试验和运行经验为依据。2023/2/6第39页§3.5环火及补偿绕组

一、环火的形成

二、防止环火的方法

2023/2/6第40页一、环火的形成当电机承受冲击负最或突然短路时，电枢电流急剧增加，换向元件中的电抗电动势er也随之立即变大。相应之下，由于换向极铁心中的涡流屏蔽作用，Bk以及ek的变化会滞后，以致er会在短时间内远大于ek，造成过度延迟换向，从后刷边产生强烈的电弧，并随换向器运动而拉长，加上电动力的作用，拉长速度有可能会超过换向器线速度vk，如图所示。2023/2/6第41页此外，由于电枢电流激增导致电枢反应加强，磁场畸变更严重，从而使得换向器上某些换向片间的电压显著上升而产生电位整火花，并使换向器周围空气电离。这样，电磁性火花和电位整火花汇合在一起，严重时形成跨越正、负电刷之间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围，称之为环火。发生环火就相当于电枢绕组经电刷短路，损坏的就不仅仅是换向器和电刷，电枢绕组亦会受到严重损坏。2023/2/6第42页二、防止环火的方法

可采取的措施很多：如装置快速自动开关，当电流达到设定值时自动断开电源；设计电机时，在运行速度范围和气隙磁场强度两方面确保相邻两换向片间的最高电压不超过允许值；加强换向极磁动势使得正常运行时的换向过程稍带一定程度的超越性质，沿电弧路径安装绝缘隔板等等。最有效的措施仍是安装补偿绕组。2023/2/6第43页安装补偿绕组的目的在于尽可能消除电枢反应引起的磁场畸变，以减少产生电位差火花的可能性。为此，把补偿绕组嵌放在主磁极极靴上的专门冲制的槽内。为对极弧下的电枢反应磁场实行完全补偿，要求补偿绕组的线负荷与电枢线负荷相等，但方向相反，因此，绕组中应通入电枢电流，即与电枢绕组串联。通常，绕组设计为轴向同心式，跨极靴嵌放(即两个元件边对称地安放在两相邻磁极极靴下的对应槽内)，见图。2023/2/6第44页安装补偿绕组后，由于交轴电枢反应磁动势Faq被抵消，因此换向极工作所需的磁动势还可以大为减小，这对换向是有利的，但更主要的还是可从根本上防止电位差火花的产生，从而能有效地防止环火现象的出现。不过，补偿绕组亦使电机结构更为复杂，故不是负载频繁变化(如轧钢机)的电机一般不会采用。2023/2/6第45页小结换向是直流电机的关键问题之一。所谓换向是指绕组元件从一条支路经过电刷而进入另一条支路时，元件内电流方向改变的整个过程。直流电机电枢绕组元件内的电流实际上是一个平顶的交流波，通过换向器和电刷的配合工作，才在电刷上引出直流电位。换向不良的后果是电刷下面发生危害性的火花。但换向质量的好坏，除了火花的大小外，还要看电刷与换向器表面的接触情况和磨损程度。实际上，电机运行时，即便刷下有小范围而亮度(浅蓝)微瞬时火花，如果换向器表面氧化膜良好，电刷与换向器表面磨损正常，则换向情况仍被认为是正常的。2023/2/6第46页根据