3-直流电机的换向解析
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2020/6/15 第6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。
2020/6/15 第7页
§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
且 Lr 2N y2l
• 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。
2020/6/15 第11页
• 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
i1 ia i i2 ia i
2020/6/15 第17页
• 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
零，导致换向不良，就有可能在电刷下发生
火花。
2020/6/15 第14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
到－ia，元件电流方向的这种变化过程称为换向过程。
2020/6/15 第5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。
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。
1
erav Tk
Tk 0
er dt
1 Tk
Tk 0
(Lr
di )dt dt
Lr ia di 2Lria
Tk ia
Tk
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•
因为bs＝bk时，有
Tk
bs vk
bk vk
bk Da va Dk
• Da和Dk分别为电枢和换向器的直径。
•
N入y式＝有Na/2K，Kbk＝πDk，且线负荷
代 A Naia
Da
erav 2N ylAva
• 对 era已v∝制A成va，的故电负机载来A说愈，大N，y、转l、速λv为a愈常高数，，则 erav愈大。
2020/6/15 第13页
• 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
iRy i1Rb1 i1R1 i2 Rb2 i2 R2 e
2020/6/15 第15页
iRy i1Rb1 i1R1 i2 Rb2 i2 R2 e
• ∑e中的er与换向电流i的变化规律有关，Rbl和Rb2 也取决于诸多因素，因此。要直接由此解出i很 困难。为此，假定
• （1）换向片与电刷呈面接触，电流分布均匀。 • （2）电刷与换向器单位接触面积上的电阻为常
• 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。
2020/6/15 第2页
§3.1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。
• 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
er
eL
eM
Lr
di dt
2020/6/15 第10页
er
eL
eM
Lr
di dt
• i为换向电流，Lr为换向元件的等效漏电感，
• 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。
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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 宽度为vk按bs图，示换方向向片运宽动为（bk从，右bs向＝左bk，移电动刷）固。定，换向器以线速
• 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。
2020/6/15 第4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
数，即接触电阻与接触面积成反比。 • （3）换向元件中的合成电动势L在换向周期内保
持不变，并取定为周期内的平均值。
2020/6/15 第16页
• 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
Tk Tk
t
Rb2
Rb
Tk t
• 图 (b)中的相关节点有
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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
ek 2N y Bk lva
2020/6/15 第9页
Leabharlann Baidu
• 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。
• 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。
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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
且 Lr 2N y2l
• 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。
2020/6/15 第11页
• 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
i1 ia i i2 ia i
2020/6/15 第17页
• 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
零，导致换向不良，就有可能在电刷下发生
火花。
2020/6/15 第14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
到－ia，元件电流方向的这种变化过程称为换向过程。
2020/6/15 第5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。
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。
1
erav Tk
Tk 0
er dt
1 Tk
Tk 0
(Lr
di )dt dt
Lr ia di 2Lria
Tk ia
Tk
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•
因为bs＝bk时，有
Tk
bs vk
bk vk
bk Da va Dk
• Da和Dk分别为电枢和换向器的直径。
•
N入y式＝有Na/2K，Kbk＝πDk，且线负荷
代 A Naia
Da
erav 2N ylAva
• 对 era已v∝制A成va，的故电负机载来A说愈，大N，y、转l、速λv为a愈常高数，，则 erav愈大。
2020/6/15 第13页
• 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
iRy i1Rb1 i1R1 i2 Rb2 i2 R2 e
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iRy i1Rb1 i1R1 i2 Rb2 i2 R2 e
• ∑e中的er与换向电流i的变化规律有关，Rbl和Rb2 也取决于诸多因素，因此。要直接由此解出i很 困难。为此，假定
• （1）换向片与电刷呈面接触，电流分布均匀。 • （2）电刷与换向器单位接触面积上的电阻为常
• 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。
2020/6/15 第2页
§3.1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。
• 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
er
eL
eM
Lr
di dt
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er
eL
eM
Lr
di dt
• i为换向电流，Lr为换向元件的等效漏电感，
• 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。
2020/6/15 第3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 宽度为vk按bs图，示换方向向片运宽动为（bk从，右bs向＝左bk，移电动刷）固。定，换向器以线速
• 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。
2020/6/15 第4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
数，即接触电阻与接触面积成反比。 • （3）换向元件中的合成电动势L在换向周期内保
持不变，并取定为周期内的平均值。
2020/6/15 第16页
• 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
Tk Tk
t
Rb2
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• 图 (b)中的相关节点有
2020/6/15 第8页
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
ek 2N y Bk lva
2020/6/15 第9页
Leabharlann Baidu
• 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。