直流电机的换向

直流电机换向直流电机换向引言•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。第2页直流电机的换向由电机绕组连接分析可知，直流电机的电枢绕组是一闭合绕组，电刷把这一闭合电路分成几个支路，每个支路的元件数相等。一个电刷两边所连接的两条支路中电流方向相反，电枢旋转时，绕组元件从一个支路经电刷，进入另一个支路时，电流方向改变。绕组元件中电流改变方向的过程称为换向。换向是直流电机中十分重要的问题，换向会使电刷和换向器之间产生火花，严重时会烧坏换向器与电刷，使电机不能正常工作和寿命缩短。我国对电机换向时产生的火花等级与允许的运行状态有相应的规定。§6.1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。2019年12月21日第4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。2019年12月21日第5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。2019年12月21日第6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。2019年12月21日第7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。2019年12月21日第8页1.5.2换向元件中的感应电动势和电流变化的特点1．换向元件中的电动势（1）电抗电动势ex在换向过程中，由于换向元件中电流从+i到-i的变化，在换向元件中产生自感电动势，其方向由楞次定律可知它总是阻碍原电流的变化，即方向应与换向前电流+i方向相同。（2）旋转电动势er由于电枢反应使几何中性线上电刷处的磁场并不为零，换向元件旋转移动到此处时切割磁场产生的感应电动势，其方向可用右手定则判断，也是与绕组元件中原来电流方向相同。总的感应电动势为rxeee1.5.3改善换向的方法如果换向不理想，在电刷处会产生火花。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，这里主要从电磁原因入手，介绍一些改善换向的方法。要减小火花就要减小附加电流，即要减小换向元件的合成电势e，或增大电刷接触电阻。常用以下的方法。1．装配换向极由换向元件的感应电动势可知，当电刷放在几何中心线上时，换向元件只切割电枢磁场，如果在该处用换向磁极产生一个与电枢磁场反方向的换向磁场，使换向元件切割换向极磁场产生的旋转电动势，正好可以抵消换向元件切割电枢磁场产生的旋转电动势er和换向元件的电抗电动势，则。电枢磁场与电枢电流成正比，所以换向磁极绕组与电枢绕组串联，换向极的极性必须正确，发电机的换向极极性与旋转的方向前方的主极性相同，电动机的换向极极性与旋转方向的后方的主极性相同。0exe2．正确选用电刷增加电刷接触电阻可以减少附加电流。电刷的接触电阻主要与电刷材料有关，目前常用的电刷有石墨电刷、电化石墨电刷和金属石墨电刷等。石墨电刷的接触电阻较大，金属石墨电刷的接触电阻最小。从改善换向的角度来看似乎应该采用接触电阻大的电刷，但接触电阻大，则接触压降也增大，使能量损耗和换向器发热加剧，对换向也不利，所以合理选用电刷是一个重要的问题。根据长期运行经验，对于换向并不困难，负载均匀，电压在80V～120V的中小型电机通常采用石墨电刷，一般正常使用的中小型电机和电压在220V以上或换向较困难的电机采用电化石墨电刷，而对于低压大电流的电机则采用金属石墨电刷。3．装配补偿绕组补偿绕组嵌放在主磁极极靴上专门冲出的槽内或励磁绕组外面，该绕组与电枢绕组串联，产生的磁场方向与电枢反应的磁通方向相反，用以抵消电枢反应的磁通。装配补偿绕组使电机结构复杂，成本增加。因此，只有在负载变化很大的大、中型直流电机中使用。注:直流电机的换向过程是一个复杂而又抽象的问题，要求学生做一般的了解，关键是掌握改善换向的方法。