直流电机换向问题及其防火措施

（一）直流电机的换向问题和换向极绕组

通过对直流电机电枢绕组的分析可知，当电枢旋转时，组成电枢绕组的每条支路里所含元件数目是不变的，但组成每条支路的元件都在依次循环地更换。由于一条支路中的某个元件在经过电刷后就成为另一条支路的元件，并且在电刷的两侧，元件中的电流方向是相反的，因此直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路。在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。

换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷和换向片之间产生有害的火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对附近无线电通信有干扰。国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定。

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。换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们互相交织在一起，相当复杂，至今还没有完全掌握其各种现象的物理实质，尚无完整的理论分析。

就电磁理论方面看，换向元件在换向过程中，电流的变化必然会在换向元件中产生自感电动势。此外，因电刷宽度通常为2~3片换向片宽，同时换向的元件不止一个，换向元件与换向元件之间会有互感电动势产生。自感电动势和互感电动势的合成称为电抗电动势。根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。另外，电枢磁场的存在，使得处在几何中性线上的换向元件中产生一种切割电动势，称为电枢反应电动势。根据右手定则，电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用。换向元件中出现延迟换向的现象，造成换向元件离开一个支路最后瞬间尚有较大的电磁能量，这部分能量以弧光放电的方式转化为热能，散失在空气中，在电刷与换向片之间出现火花。

从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵消换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。由于换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势均与电枢电流成正比，因此，换向极绕组中应通以电枢电流，即换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组一般用截面较大的矩形导线绕成，而且匝数较少。

换向极绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反，大小比电枢磁通势大。这样换向极磁通势除抵消电枢磁通势在几何中性线处的作用外，剩余的磁通势在换向元件里产生感应电动势，这个电动势抵消换向元件中的电抗电动势。只要换向极设计和调整得合适，就能保证换向元件中总电动势接近于零，电机的换向就比较顺利了，使负载运行时电刷与换向器之间基本上没有火花。如图3-11所示为一台直流电机换向极绕组的联结与换向极的极性布置。在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边刚离开的那个主磁极极性一样，其排列顺序为S、SK、N、NK（SK、NK为换向极极性），而在直流发电机中，应与将进入的那个主磁极极性相同，其排列顺序为S、NK、N、SK。

图3-11　换向极绕组联结与极性(www.xing528.com)

（二）直流电机的补偿绕组

在直流电机中，除了上述电磁性火花外，有时还因某些换向片的片间电压过高而产生电位差火花。在换向不利的条件下，电磁性火花与电位差火花连成一片，在换向器上形成一条长电弧，将正负电刷连通，如图3-12所示。这种现象称为“环火”，是一种十分危险的现象，它不仅会烧坏电刷和换向器，而且会使电枢绕组受到严重损害。

图3-12　环火

为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放补偿绕组，如图3-13所示。补偿绕组与电枢绕组串联，并使补偿绕组磁通势与电枢磁通势相反，以保证在任何负载下电枢磁通势都能被抵消，从而减少了因电枢反应而引起气隙磁场的畸变，也就减少了产生电位差火花和环火的可能性。装置补偿绕组使电机的结构变得复杂，成本较高，一般直流电机不采用，仅在负载变动大的大、中型电机中才用。

环火的发生除了上述电气原因外，因换向器外圆不圆，表面不干净也可能形成环火。加强对电机的维护工作，对防止环火的发生有着重要作用。

图3-13　补偿绕组