东北电力大学电机学讲义第27章课件

第27章直流电机的换向

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引起火花，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。27-1换向过程的物理现象换向过程非常复杂，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。一、换向过程图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，电枢绕组以线速度向左移动。图(a)中，元件1属于电刷右边的支路，其中的电流为，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(a)到图(c)，元件1经历了换向过程，称为换向元件。元件1、换向片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周期，用表示。换向周期很短，一般约几个毫秒。

图27-2所示为理想换向过程中换向元件中电流随时间变化的波形，其中Tc是元件从一种极性电刷转到另一种极性电刷下所经历的时间，一般为几十毫秒。这里认为换向电流线性变化，是理想的换向过程。在实际换向过程中，换向回路中存在多种感应电动势，对换向电流产生很大影响，导致实际换向过程与理想换向过程差别很大。图27-2理想换向过程中换向元件中的电流一、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。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，故的方向与换向前的电流方向相同。27-2换向火花及其产生的原因2旋转电动势理想情况下，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,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。即与

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，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，因而和的方向相反。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，即延迟换向以电抗电动势作为正值，如果，则换向元件中的电流由直线换向电流和由合成电动势产生的附加换向电流叠加而成，如图27-3(b)所示。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，这种换向称为超越换向，轻微的超越换向有一定好处，但过度的超越换向也是不利的图27-3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、级、级2级和3级。1级表示无火花。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。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。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ic，就可以改善换向。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