直流电机换向的原理和方法

【学习任务】（1）正确说出直流电机换向的原因。

（2）正确说出直流电机换向的方法。

任务手册10：直流电机的运行管理

直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程称为换向。

1.换向的基本概念

直流电机每个支路里所含元件的总数是相等的，就某一个元件来说，它有时在这条支路里，有时又在另一条支路里。电枢元件从一条支路换到另一条支路时，要经过电刷。当电机带了负载后，电枢元件中有电流流过，同一条支路里元件的电流大小与方向都是一样的；相邻支路里电流大小虽然一样，但方向却是相反的。由此可见，某一元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时，元件的电流必然改变方向。

元件从换向开始到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向问题很复杂，若换向不良，则会在电刷与换向片之间产生火花，当火花大到一定程度时，有可能损坏电刷和换向器表面，从而使电机不能正常工作。但也不是说直流电机运行时一点火花也不许出现。产生火花的原因是多方面的，除电磁原因外，还有机械的原因。此外，换向过程中还伴随着电化学和电热学等现象，所以相当复杂。

2.影响换向的原因

1）电抗电动势er

在换向过程中，换向元件中的电流由＋ia变化到－ia，必然会在换向元件中产生自感电动势eL。因实际电刷宽度为2～3片换向片的宽度，即使几个元件同时进行换向，故被研究的换向元件中除了有自感电动势外，还有其他换向元件电流变化引起的互感电动势em，eL与em的总和称为电抗电动势er。

电流的变化所产生的电动势会影响电流的换向，根据楞次定律，er的作用是阻止换向元件中的电流变化，故er的方向总是与换向前的电流方向相同。

2）旋转电动势eK

当电枢旋转时，换向元件切割换向区域内的磁场而感应的电动势eK，称为旋转电动势。换向区域内可能存在两种磁动势，即交轴电枢反应磁动势和换向极磁动势。因换向元件一般处于几何中性线上或其附近，故该处的主极磁场为零。为改善换向，在两主极间的几何中心处装有换向极，它的磁动势方向总是与交轴电枢反应磁动势相反。eK则由换向元件切割二者的合成磁场BK所产生。

换向元件中的总电动势为(www.xing528.com)

如果换向极磁动势大于交轴电枢反应磁动势，则∑e＜0，否则∑e＞0。当换向极设计得合理时，可获得∑e≈0的良好换向情况。

3.改善换向的方法

改善换向的目的在于消除电刷下的火花，而产生火花的原因除上述的电磁原因外，还有机械方面和化学方面的原因。从电磁原因来看，如果减小附加换向电流，就能改善换向。常用的方法有以下几种：

1）选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻

电机用电刷的型号规格很多，其中碳－石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜－石墨电刷的接触电阻最小。

直流电机如果选用接触电阻大的电刷，则有利于换向，但接触压降较大，电能损耗大，发热严重，同时由于这种电刷允许的电流密度较小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大，因而设计制造电机时必须综合考虑这两方面的因素，选择恰当的电刷。为此，在使用维修中欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷，如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相接近的电刷并全部更换。

2）安装换向极

目前改善直流电机换向最有效的办法是安装换向极，使换向元件中的∑e≈0，换向为直线换向。为了达到这个目的，对换向极的极性有一定要求。在发电机运行时，换向极的极性应与顺电枢转向的相邻主极的极性相同；而在电动机运行时，换向电极的极性应该与逆电枢转向的相邻主极的极性相同。换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图10－1所示。

图10－1　装设换向极改善换向

为了随时抵消交轴电枢反应磁动势以及电抗电动势，换向极绕组应与电枢回路串联，并保证换向极磁路不饱和。

由前面分析可知，负载时的电枢反应使气隙磁场发生畸变，会增大某几个换向片之间的电压。由此引起的电位差火花与换向产生的电磁性火花连成一片而形成环火，即在正、负电刷之间出现电弧。环火可以在很短的时间内损坏电机。

为避免出现环火现象，在主极上装有补偿绕组，它嵌在主极板上专门冲出的槽内，并与电枢绕组串联，它产生的磁动势恰好抵消交轴电枢反应磁动势，有利于改善换向。