3电路分析基础-.3.6直流电动机的换向 [修复的]

3 改善换向的方法
直流电机如果选用接触电阻大的电刷，有利于换向， 但接触压降较大，电能损耗大，发热大。同时由于这种电 刷允许电流密度较小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电 刷的摩擦都将增大。设计制造电机时综合考虑两方面的因 素，选择了恰当的电刷牌号。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
速度。
l
切割电动势存在ik 同R b1样eR使b2 换Reb1r 向eRab2电流变化延缓。因此线圈中合 成电动势(电抗电动势和切割电动势之和)的存在使换向电流
变化不再是线性的，出现了电流延迟现象的换向称为延迟换
向。 延迟换向时电刷下的各点电流密度不再为常数。er+ea 在换向元件中产生的电流称为附加换向电流，用ik表示
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Rb
S S1
Rb
S Lb (Tk t)k
(3-10)
式中接触电阻RbR1b和2 RRb bSS22 是 Rb变LbSt化k 的，其值与电刷和换向片之间的接
触面积成反比，即
i i1 ia i ia i2
(3-11)
2
换向的电磁理论
将式（3-9）至 式（3i- 1ia (41）T2tk )代入式（310）可得
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换向的电磁理论
直流电机因换向不良引起电刷下产生火花，除了 上述的电磁原因外还有机械以及化学方面的因素。机械因素 包括：换向器偏心；换向片之间的绝缘凸出；电刷与换向器 表面接触的不好；电刷上的压力大小不合适；电刷在刷盒里 因装的太紧而卡住，或者太松而跳动；各电刷杆之间不等距； 各个换向极下的气隙不均匀；换向器表面不清洁等等。化学 方面的因素包括；电刷压力过大，或者高空缺氧、缺水气以 及某些电机所处环境为化工厂，这些都有可能破坏换向器表
1 直流电动机换向的概念
直流电机每个支 路里所含元件的总数是相 等的，但是，就某一个元 件来说它一会儿在这个支 路里，一会儿又在另一个 支路里。一个元件从一个 支路换到另一个支路时要 经过电刷。当电机带有负
图3-20 直流电机的 换向过程
1 直流电动机换向的概念
电枢绕组以线速度νa从右向左移动，电刷 固定不动，观察图中元件1的换向过程。当电刷完全 与换向片1接触时，元件1里流过的电流为图中所标方 向，电流大小为i=ia ;当电枢转到使电刷与换向片2相 接触时，元件1被电刷短路。由于换向片2接触了电刷， 该元件里的电流被分流了一部分。当电刷仅与换向片 2接触时，换向元件1已进入另一支路，其中电流也从 换向前的方向变为换向后的反方向，完成了换向过程
ia
多个L元r 件L M同时换向，因此线圈中存在互感电动势，用 eM 表示。
通常将自感电动势 eL 和互感电动势 eM 合起来，称为电抗电
动势，用 eR 表示。故有
ea 2N c Ba a
(3-16)
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换向的电磁理论
式中，Nc 为元件的匝数；Ba 为换向元件边所在处的气
隙磁通密度 为元件边导体的有效长度；νa为电枢表面线
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换向的电磁理论
2.换向的电磁理论
换向的电磁理论指的是换向元件在换向过程中电
流变化的情况，从而判断什么情况下会产生火花，什么情
况下不产生火花。
R i (R k R b1 )i1 （R k R b2）i 2 e
设两相邻的换向片与电刷间的接触电阻分别为Rb1和Rb2，
元件自身电阻为R，流过的电流为i，元件与换向片间的连
(3-15) 从式（3-15）可看出，
换向元件里的电流随时 间线性变化，这种换向
图3-21 换向电流变 化曲线
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换向的电磁理论
（2）延（迟e换 0）向
由于换向元件为线圈，且换向过程中线圈中的电e流L 是
变化的，因此线圈中存在自感电动势 eL；为了保证换向可靠，
di
di
实际的电刷的宽度e比r e换L e向M 片(L的 M)宽dt 度Lr要dt 大得多，在换向过程中有
3 改善换向的方法
改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。由于电磁
原因是产生火花的主要因素所以下面主要分析如何消除或削弱由
此引起的电磁性火花。
e er ea
产生电磁火花的直接原因是附加换向电流 ik。为改善换向，
必许限制附加换向电流ik。由式（3-18）知，减小ik的方法有两
种：一是增加接触电阻Rb1和Rb2；二是减小换向元件中的合成电动
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改善换向的方法
（2）装设换向极
目前改善直流电机换向最有效的办法，是
安装换向极，换向极装设在相邻两主磁极之间
的几何中性线上，如图3-22所示。加装换向极
的目的，主要是让它在换向元件处产生一个磁 动势，首先把电枢反应磁动势抵消掉，使得切
图3-22 用换 向极改善换向
3 改善换向的方法
由于电枢反应的影响使主磁极下气隙磁通 密度曲线发生畸变，这样就增大了某几个换向 片之间的电压。在负载变化剧烈的大型直流电 机内，有可能出现环火现象，即正负电刷间出 现电弧。电机出现环火，可以很短的时间内损 坏电机。防止环火出现的办法是在主磁极上安 装补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响。补偿 绕组与电枢绕组串联，它产生的磁动势恰恰能
直流电动机的换向
主讲教师：冯泽 虎
目录
1 直流电动机换向的概念
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换向的电磁理论
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改善换向的方法
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直流电动机的换向
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为换向。当电动 机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变 化。换向不良会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷，导 致电机不能正常运行，甚至引起事故。
线电阻为Rk，与两个换向片连接的元件电流为i1和i2，Σe
是换向元件的合成电动势，则根据基尔霍夫电压定律可列
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换向的电磁理论
（1）直线换向(Σe=0)
如果元件里的合成电动势Σe为零，并忽略元件电阻过程R和元
R b1i1 R b2i 2 0
件与换向片或超越换向片间的连线电阻Rk，则上式可简化为
R b1