3 直流电机的换向解析

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• 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。
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• （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。 2018/10/10 第21页
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
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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。
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• 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。
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§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
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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
• （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。
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• 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
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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。
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er e L e M di Lr dt
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er e L e M
di Lr dt
• i为换向电流，Lr为换向元件的等效漏电感， 2 且 Lr 2N y l • 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。
• 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
Bk 1 Fk Faq Fk A k 2 0
• 式中，δ´k为换向极下的等效气隙长度。
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• 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。
§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
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• 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。
• 因为bs＝bk时，有 T
k
bs bk bk Da vk vk va Dk
• Da和Dk分别为电枢和换向器的直径。 N i • Ny＝Na/2K，Kbk＝πDk，且线负荷 A D 代 入式有
a a a
erav 2N y lAva
• 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。
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• 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。
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• 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。
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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。
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ek 2N y Bk lva
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• 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
• 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。 2018/10/10 第5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
iRy i1 Rb1 i1 R1 i2 Rb2 i2 R2 e
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• 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。 2018/10/10 第4页
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• 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
erav
1 Tk
ia

Tk
0
1 er dt Tk

Tk
0
di ( Lr )dt dt
Lr Tk
2 Lr ia ia di Tk
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• 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
Rb1 Rb Rb 2 Rb Tk Tk t Tk t
• 图 (b)中的相关节点有
i1 ia i i2 ia i
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• 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
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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。