《電機控制技術(shù)》課件-3.3.6直流電動機的換向 修復(fù)的

直流電動機換向的概念1

目錄1換向的電磁理論234改善換向的方法3直流電動機的換向

直流電機電樞繞組中一個元件經(jīng)過電刷從一個支路轉(zhuǎn)換到另一個支路時，電流方向改變的過程為換向。當(dāng)電動機帶負載后，元件中的電流經(jīng)過電刷時，電流方向會發(fā)生變化。換向不良會產(chǎn)生電火花或環(huán)火，嚴重時將燒毀電刷，導(dǎo)致電機不能正常運行，甚至引起事故。直流電動機換向的概念1

直流電機每個支路里所含元件的總數(shù)是相等的，但是，就某一個元件來說它一會兒在這個支路里，一會兒又在另一個支路里。一個元件從一個支路換到另一個支路時要經(jīng)過電刷。當(dāng)電機帶有負載后，電樞元件中有電流流過，同一支路里各元件的電流大小與方向都是一樣的，相鄰支路里電流大小雖然一樣，但方向卻是相反的?？梢?，某一元件經(jīng)過電刷，從一個支路換到另一個支路時，元件里的電流必然改變方向?，F(xiàn)以圖3-20所示單疊繞組為例來看某個元件里電流換向的過程。為了分析簡單，忽略換向片之間的絕緣并假設(shè)電刷寬度等于換向片寬度。在圖3-20中，圖3-20直流電機的換向過程直流電動機換向的概念1

電樞繞組以線速度νa從右向左移動，電刷固定不動，觀察圖中元件1的換向過程。當(dāng)電刷完全與換向片1接觸時，元件1里流過的電流為圖中所標(biāo)方向，電流大小為i=ia;當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到使電刷與換向片2相接觸時，元件1被電刷短路。由于換向片2接觸了電刷，該元件里的電流被分流了一部分。當(dāng)電刷僅與換向片2接觸時，換向元件1已進入另一支路，其中電流也從換向前的方向變?yōu)閾Q向后的反方向，完成了換向過程元件1中流過的電流為i=-ia。元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為換向周期(Tk)

，換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行時電樞繞組每個元件在經(jīng)歷過電刷時，都要經(jīng)歷上述的換向過程。

換向問題很復(fù)雜，換向不良會在電刷和換向片之間產(chǎn)生火花，當(dāng)火花到一定程度時有可能損壞電刷和換向器表面，從而使電機不能正常工作，但也不是說，直流電機運行時，一點火花也不許出現(xiàn)。詳細情況可以參閱有關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，除電磁原因外，還有機械的原因，此外換向過程中還伴隨著有電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象，所以相當(dāng)復(fù)雜。下面僅對電磁方面的原因做一簡略地分析。

換向的電磁理論22.換向的電磁理論換向的電磁理論指的是換向元件在換向過程中電流變化的情況，從而判斷什么情況下會產(chǎn)生火花，什么情況下不產(chǎn)生火花。設(shè)兩相鄰的換向片與電刷間的接觸電阻分別為Rb1和Rb2，元件自身電阻為R，流過的電流為i，元件與換向片間的連線電阻為Rk，與兩個換向片連接的元件電流為i1和i2，Σe是換向元件的合成電動勢，則根據(jù)基爾霍夫電壓定律可列寫換向元件在換向過程中的回路方程：

(3-9)根據(jù)合成電動勢Σe的取值情況，換向可分為直線換向(Σe=0)

、延遲換向(Σe>0)

或超越換向(Σe<0)

。換向的電磁理論2（1）直線換向(Σe=0)

如果元件里的合成電動勢Σe為零，并忽略元件電阻過程R和元件與換向片或超越換向片間的連線電阻Rk，則上式可簡化為

(3-10)式中接觸電阻Rb1和Rb2是變化的，其值與電刷和換向片之間的接觸面積成反比，即

(3-11)

(3-12)式中,S1、S2是電刷與換向片1、2的接觸面積，Rb是換向片與電刷完全接觸時的接觸電阻，Lb是電刷軸向長度，νk為換向器線速度，Tk是換向周期。根據(jù)結(jié)點電流定律

(3-13)

(3-14)

換向的電磁理論2

將式（3-9）至式（3-14）代入式（3-10）可得(3-15)從式（3-15）可看出，換向元件里的電流隨時間線性變化，這種換向稱為直線換向。直線換向時不產(chǎn)生火花，故又稱為理想換向，直線換向時元件電流i的變化曲線如圖3-21所示。圖3-21換向電流變化曲線換向的電磁理論2

（2）延遲換向由于換向元件為線圈，且換向過程中線圈中的電流是變化的，因此線圈中存在自感電動勢eL；為了保證換向可靠，實際的電刷的寬度比換向片的寬度要大得多，在換向過程中有多個元件同時換向，因此線圈中存在互感電動勢，用eM表示。通常將自感電動勢eL和互感電動勢eM合起來，稱為電抗電動勢，用eR

表示。故有

(3-16)式中，為換向元件的電感系數(shù)；L為換向元件的自感系數(shù)；M為換向元件的互感系數(shù)。根據(jù)楞次定律，電抗電動勢er的作用總是阻礙電流變化的，因此er的方向與元件的換向前電流ia的方向相同。此外，雖然電刷安裝在幾何中性線處，主磁極磁密為零，但由于電樞反應(yīng)的存在，電樞反應(yīng)磁密卻不為零，因此在換向元件中還有切割電動勢的ea存在。 (3-17)

換向的電磁理論2

式中，Nc為元件的匝數(shù)；Ba為換向元件邊所在處的氣隙磁通密度為元件邊導(dǎo)體的有效長度；νa為電樞表面線速度。切割電動勢存在同樣使換向電流變化延緩。因此線圈中合成電動勢(電抗電動勢和切割電動勢之和)的存在使換向電流變化不再是線性的，出現(xiàn)了電流延遲現(xiàn)象的換向稱為延遲換向。延遲換向時電刷下的各點電流密度不再為常數(shù)。er+ea在換向元件中產(chǎn)生的電流稱為附加換向電流，用ik表示

(3-18)如果換向元件里的電流按照圖3-21中的延遲換向曲線變化，電機運行時不會產(chǎn)生火花，但是當(dāng)合成電動勢較大時，換向元件里的電流并不按圖中所繪制的延遲換向曲線變化，在電刷與換向片離開的瞬間，換向元素中的附加電流可能不為零，當(dāng)這個附加電流足夠大時將在電刷下產(chǎn)生電火花。換向的電磁理論2

直流電機因換向不良引起電刷下產(chǎn)生火花，除了上述的電磁原因外還有機械以及化學(xué)方面的因素。機械因素包括：換向器偏心；換向片之間的絕緣凸出；電刷與換向器表面接觸的不好；電刷上的壓力大小不合適；電刷在刷盒里因裝的太緊而卡住，或者太松而跳動；各電刷桿之間不等距；各個換向極下的氣隙不均勻；換向器表面不清潔等等?；瘜W(xué)方面的因素包括；電刷壓力過大，或者高空缺氧、缺水氣以及某些電機所處環(huán)境為化工廠，這些都有可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜，從而產(chǎn)生火花。（3）超越換向(Σe<0)

如果換向極的磁場較強，ek抵消er后有剩余，剩余電勢產(chǎn)生的ik改變了方向（ik<0）。當(dāng)i=0時，t

TK/2，電流改變方向的時刻比直線換向時提前，故稱為超越換向，又叫過補償換向。此時前刷邊電流密度增大，后刷邊電流密度減小，這種情況同樣對換向是不利的。改善換向的方法

3

改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。由于電磁原因是產(chǎn)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電磁性火花。產(chǎn)生電磁火花的直接原因是附加換向電流ik。為改善換向，必許限制附加換向電流ik。由式（3-18）知，減小ik的方法有兩種：一是增加接觸電阻Rb1和Rb2；二是減小換向元件中的合成電動勢。為此改善換向一般采用以下兩種方法：（1）選用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻電機用電刷的型號規(guī)格很多，其中炭—石墨電刷的接觸電阻最大，石墨電刷和電化石墨電刷次之，銅—石墨電刷的接觸電阻最小。改善換向的方法3

直流電機如果選用接觸電阻大的電刷，有利于換向，但接觸壓降較大，電能損耗大，發(fā)熱大。同時由于這種電刷允許電流密度較小，電刷接觸面積和換向器尺寸以及電刷的摩擦都將增大。設(shè)計制造電機時綜合考慮兩方面的因素，選擇了恰當(dāng)?shù)碾娝⑴铺?。為此，在使用維修中，欲更換電刷時，必須選用與原來同一牌號的電刷，如果實在配不到相同牌號的電刷，那就盡量選擇特性與原來相近的電刷，并全部更換。改善換向的方法2（2）裝設(shè)換向極目前改善直流電機換向最有效的辦法，是安裝換向極，換向極裝設(shè)在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上，如圖3-22所示。加裝換向極的目的，主要是讓它在換向元件處產(chǎn)生一個磁動勢，首先把電樞反應(yīng)磁動勢抵消掉，使得切割電動勢ea=0；其次還得產(chǎn)生一個氣隙磁通密度，換向元件切割磁磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢去抵消電抗電動勢。為達到此目的，換向極繞組應(yīng)與電樞繞組相串聯(lián)，使換向極磁場也隨電樞磁場的強弱而變化，換向極極性的確定原則是使換向極磁場方向與電樞磁場方向相反。當(dāng)換向極安裝正確可使合成電動勢大為減小，甚至使Σe=0，換向為直線換向。1kW以上的直流電機，幾乎都安裝換向極。圖3-22用換向極改善換向改善換向的方法3

由于電樞反應(yīng)的影響使主磁極下氣隙磁通密度曲線發(fā)生畸變，這樣就增大了某幾個換向片之間的電壓。在負載變化劇烈