直流電機的換向綜述

第三章直流電機的換向

引言§3.1直流電機的換向過程

§3.2經(jīng)典換向理論

§3.3產(chǎn)生火花的原因

§3.4改善換向的措施

§3.5環(huán)火及補償繞組

小結(jié)

2023/2/6第1頁引言換向是一切裝有換向器的電機的一個專門問題，它對電機的正常運行有重大影響，是直流電機的關(guān)鍵問題之一。本章首先介紹換向的電磁理論，并簡要地介紹點接觸，離子導(dǎo)電、氧化膜等理論作為補充，進而分析火花發(fā)生的原因和改善換向的方法。最后扼要地介紹環(huán)火、補償繞組。2023/2/6第2頁§3.1直流電機的換向過程

直流電機電樞繞組中的電動勢和電流是交變的，只是借助于旋轉(zhuǎn)著的換向器和靜止的電刷配合工作，才在電刷間獲得直流電壓和電流。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷底下而進入另一條支路時，該元件中的電流從一方向變換為另一方向，這種元件電流方向的變換稱為換向。2023/2/6第3頁圖示一單疊繞組元件的換向過程。設(shè)換向元件編號為1，電刷寬為bs，換向片寬為bk，bs＝bk，電刷固定，換向器以線速度vk按圖示方向運動（從右向左移動）。當(dāng)電刷僅與換向片1相接觸時（圖a）元件1屬于電刷右邊的一條支路，元件1中的電流為ia。2023/2/6第4頁當(dāng)電刷與換向片1和2相接觸時（圖b），元件1被電刷短路。當(dāng)電刷僅與換向片2相接觸時（圖c），元件1屬于電刷左邊的一條支路，電流也為ia但方向與原來相反。當(dāng)電刷從換向片1過渡到換向片2時，元件1中的電流從＋ia變到－ia，元件電流方向的這種變化過程稱為換向過程。2023/2/6第5頁圖d表示了元件1從換向到經(jīng)過一對極距時電流變化的理想化曲線。從換向開始（圖a所示的瞬間，對應(yīng)于圖d的ta點）到換向結(jié)束（圖c所示瞬間，對應(yīng)于圖d的tc點）所需的時間稱為換向周期，以Tk表示，即相當(dāng)于元件被電刷短路的整個時間。通常Tk只有千分之幾秒。2023/2/6第6頁正在進行換向的元件稱為換向元件，換向元件中的電流稱為換向電流，在換向過程中，換向元件的元件邊在電樞表面上所移過的距離稱為換向區(qū)域。良好的換向是一切裝有換向器的電機持久運行的必要條件。2023/2/6第7頁§3.2經(jīng)典換向理論

一、換向元件中的電動勢

二、電動勢平衡方程式及電流變化規(guī)律

三、換向理論的補充

2023/2/6第8頁一、換向元件中的電動勢1．旋轉(zhuǎn)電動勢ek

設(shè)換向區(qū)域內(nèi)磁場的磁通密度為Bk，電樞表面線速度為va，換向元件匝數(shù)為Ny，元件邊長度為l，則換向元件中的旋轉(zhuǎn)電動勢大小為2023/2/6第9頁2．電抗電動勢er

換向元件在換向周期內(nèi)電流從＋ia變?yōu)椋璱a，故與換向元件交鏈的磁通要發(fā)生變化，并在元件中感應(yīng)電動勢，稱為電抗電動勢。同時存在自感電動勢eL和互感電動勢eM兩種成分。eL為換向元件自身電流變化對漏磁場的影響。eM為其它換向元件電流變化對漏磁場的影響?？偫ㄆ饋韺懗陕└袎航档男问骄褪?023/2/6第10頁i為換向電流，Lr為換向元件的等效漏電感，且λ稱為等效比漏磁導(dǎo)，其定義為所有單匝式換向元件通入單位電流所產(chǎn)生的漏磁場與所研究元件交鏈的磁鏈對元件長度2l之比，其大小與漏磁路的結(jié)構(gòu)和繞組電流的分布有關(guān)，一般取值在4μH/m～8／μH/m范圍內(nèi)。2023/2/6第11頁由于換向電流i的實際變化規(guī)律很復(fù)雜，電抗電動勢er的瞬時值很難計算，工程中采用平均值，定義為2023/2/6第12頁因為bs＝bk時，有

Da和Dk分別為電樞和換向器的直徑。Ny＝Na/2K，Kbk＝πDk，且線負(fù)荷代入式有對已制成的電機來說，Ny、l、λ為常數(shù)，erav∝Ava，故負(fù)載A愈大，轉(zhuǎn)速va愈高，則erav愈大。2023/2/6第13頁綜上可知，換向元件中總的電動勢應(yīng)是旋轉(zhuǎn)電動勢和電抗電動勢的代數(shù)和，即

∑e=ek+er對于換向良好的電機，在理想情況下，ek和er大小相當(dāng)，方向相反，∑e≈0；反之，∑e不為零，導(dǎo)致?lián)Q向不良，就有可能在電刷下發(fā)生火花。2023/2/6第14頁二、電動勢平衡方程式及電流變化規(guī)律

i是元件l中的換向電流，i1和i2分別表示引線1和2經(jīng)換向片1和2流過電刷的電流。設(shè)Ry、R1和R2分別為元件l、引線1和引線2的電阻，Rb1和Rb2分別為換向片1和2與電刷間的接觸電阻，則按電路定律，可列寫換向回路的電動勢平衡方程為2023/2/6第15頁∑e中的er與換向電流i的變化規(guī)律有關(guān)，Rbl和Rb2也取決于諸多因素，因此。要直接由此解出i很困難。為此，假定（1）換向片與電刷呈面接觸，電流分布均勻。（2）電刷與換向器單位接觸面積上的電阻為常數(shù)，即接觸電阻與接觸面積成反比。（3）換向元件中的合成電動勢L在換向周期內(nèi)保持不變，并取定為周期內(nèi)的平均值。2023/2/6第16頁設(shè)Rb為單片換向片與電刷完整接觸時的接觸電阻，并取換向開始瞬間作為時間起點，可得圖(b)中的相關(guān)節(jié)點有2023/2/6第17頁將上兩式代入式電動勢平衡方程式，進而忽略R1、R2和Ry（對普通電刷，它們的數(shù)值遠小于接觸電阻），可解得式中，iL為直線換向電流分量；ik為附加換向電流分量，R'b相當(dāng)于回路串聯(lián)總電阻2023/2/6第18頁(a)、(b)、(c)、(d)分別給出了iL、R′b、ik和i的變化曲線，而ik和i還分別針對∑e=0、∑e>0、∑e<0三種情況。2023/2/6第19頁三種不同的換向過程，分述如下。（1）∑e＝0，直線換向。這是最理想的換向情況。換向電流只有iL分量，隨時間線性變化，從＋ia均勻地變化到－ia?？梢宰C明，此時電刷下的電流密度也是均勻分布的。2023/2/6第20頁（2）∑e>0，延遲換向。此時，換向電流同時包含iL和ik分量，且ik≥0，其結(jié)果是曲線軌跡處于直線換向上方(圖(d))，致使過零時間滯后于直線換向，“延遲換向”由此而得名。延遲換向時，左刷邊(參見前圖，電刷與換向片l接觸的部分，通稱后刷邊)的電流密度會大于右刷邊(與換向片2接觸部分，亦稱前刷邊)的值。當(dāng)電刷滑離換向片1時，很大的電流突然突然斷路，換向回路中貯存的電磁能量通過空氣釋放，便導(dǎo)致火花在后刷邊產(chǎn)生。2023/2/6第21頁（3）∑e<0，超越換向。此時ik≤0，換向電流曲線落于直線換向下方(圖(d))，過零時間提前，故稱為‘超越換向”。與延遲遲換向相反，超越換向致使右刷邊電流密度大于左刷邊，在前刷邊產(chǎn)生火花。2023/2/6第22頁三、換向理論的補充

1.物理角度對經(jīng)典電磁換向理論進行補充：接觸面的點接觸與離子導(dǎo)電理論2023/2/6第23頁2.化學(xué)方面對經(jīng)典電磁換向理論進行補充:接觸面的氧化膜理論。2023/2/6第24頁從以上新理論可以看出，經(jīng)典電磁換向理論還只是建立在很不嚴(yán)密的基礎(chǔ)之上，因而所得結(jié)論嚴(yán)格講只適用于定性分析．雖然工程實際中也用它來進行定量分析，并作為直流電機的主要設(shè)計依據(jù)。但大多還要結(jié)合電機的換向試驗(無火花區(qū)域試驗法)對電刷位置進行調(diào)整，才挺較好地解決換向問題。2023/2/6第25頁§3.3產(chǎn)生火花的原因

一、電磁性原因

二、機械原因

三、化學(xué)原因

2023/2/6第26頁一、電磁性原因?qū)嶋H運行時，電刷下面的火花不應(yīng)超過一定的等級，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB755—87將火花分為五個等級。產(chǎn)生火花的電磁性原因是由于附加換向電流ik的出現(xiàn)，只要換向回路中由ik建立的磁場能量很大，或由ik引起的接觸點上熱能損耗很大，火花便可能發(fā)生。2023/2/6第27頁二、機械原因

主要是換向器，轉(zhuǎn)子和電刷裝置等方面的缺陷，如換向器偏心，換向片間的云母絕緣突出，轉(zhuǎn)子平衡不良，電刷在刷握盒中松動，電刷壓力不適當(dāng)以及電刷表面粗糙等，都可能導(dǎo)致電刷與換向器接觸不良或發(fā)生振動而產(chǎn)生火花。也有由于各個刷桿之間，或磁極之間距離不相等，使換向元件受到主極磁場的作用而引起火花。2023/2/6第28頁三、化學(xué)原因

前面已經(jīng)指出，換向器表面的氧化亞銅薄膜的形成，對電機的良好換向有重大作用。如果電刷壓力過大，或在高空缺氧與缺乏水汽，或在具有破壞氧化膜的氣體(如酸性氣體等)的環(huán)境中工作，都會使換向器表面的氧化膜遭到破壞，于是就容易引起火花。2023/2/6第29頁§3.4改善換向的措施

一、裝置換向極

二、移動電刷位置

三、選用合適電刷

2023/2/6第30頁經(jīng)典電磁換向理論表明，附加換向電流ik是導(dǎo)致延遲或超越換向，進而產(chǎn)生火花的根本原因。因此，改善換向亦必須從減小ik入手，具體途徑亦不外乎減小換向回路合成電動勢∑e和增加換向回路電阻兩大類，并且前者顯然是更主要的，也是最根本的。要使∑e減小，辦法之一是減小電抗電動勢er，具體是減少元件匝數(shù)Ny和降低等效比漏磁導(dǎo)λ。這對于有電樞鐵心并通過電樞繞組實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的電機來說，實現(xiàn)難度較大，收效也比較有限。辦法之二是在換向區(qū)域內(nèi)建立一個適當(dāng)?shù)耐獯艌?，使它能在換向元件內(nèi)產(chǎn)生適當(dāng)大小的旋轉(zhuǎn)電動勢ek，借以抵消er，使∑e≈0。這是一種更積極也更有效的方法，在工程實際中得到了比較多的應(yīng)用，其實現(xiàn)方法亦包括設(shè)置換向極和移動電刷兩種。2023/2/6第31頁一、裝置換向極

裝置換向極是改善換向的最有效方法。換向極(Nk，Sk)裝在相鄰主磁極(N，S)間的幾何中性線上(亦即主磁場的磁中性線或稱交軸上)，作用是產(chǎn)生一個換向磁場Bk。圖示是按發(fā)電機狀態(tài)畫出的一臺兩極直流電機安裝換向極的示意圖。2023/2/6第32頁換向極要在換向區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生所希望的換向磁場，顯然首先必須抵消掉交軸電樞反應(yīng)的作用。因此，運用疊加原理，可將換向極繞組產(chǎn)生的磁動勢Fk分解成兩部分，一部分用以平衡交軸電樞反應(yīng)磁動勢Faq，另一部Fδk。則用于建立換向區(qū)氣隙磁場Bk，即式中，δ′k為換向極下的等效氣隙長度。2023/2/6第33頁Bk的大小當(dāng)然要根據(jù)所要求的ek來決定。在理想情況下，ek和er在任意瞬間都能完全抵消，但實際上難以做到。因為ek取決于Bk的波形，而er則取決于換向電流的變化規(guī)律。因此，折衷的解決辦法是要求它們的平均值能相等，即

ek＝erav

由于ek∝Bk；erav∝Ia亦即要使Bk∝Ia故最終要求Fk∝Ia這就是說，換向極繞組必須與電樞繞組串聯(lián)，并要求在設(shè)計電機時盡量使換向極磁路不飽和，從而保證換向極繞組產(chǎn)生的磁動勢和所建立的磁場能滿足要求。2023/2/6第34頁換向極的極性可由右手定則確定．由于要求ek和er的方向相反，而er的作用總是企圖阻止電流的變化，即與換向前的電流方向相同，則ek的方向也就是換向后的電流方向。對于發(fā)電機，換向極極性與換向元件即將進入的主磁極極性相同。對于電動機，則與即將進入的主磁板極性相反(或者說與剛離開的主磁極極性相同)。無論電機是作發(fā)電機運行還是作電動機運行，換向極極性都是保持不變的。2023/2/6第35頁二、移動電刷位置

在無換向極電機中，把電刷從換向器上的幾何中性線移開一個適當(dāng)?shù)慕嵌?，使換向區(qū)域也跟著從電樞上的幾何中性線移開一相應(yīng)角度而進入主極之下，利用主磁場來代替換向極所產(chǎn)生的換向磁場，也可獲得必要的旋轉(zhuǎn)電動勢以抵消電抗電動勢。與設(shè)置換向極極性的原理一致，對發(fā)電機，電刷應(yīng)順轉(zhuǎn)向偏移。對電動機，則為逆轉(zhuǎn)向偏移；如圖所示(僅例示了發(fā)電機狀態(tài))。2023/2/6第36頁可見，電刷移動的角度β應(yīng)大于物理中性線移動的角度，以確保換向元件能夠置于極性相符的磁場之下。β的大小以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膃k，能抵消er而良好換向為準(zhǔn)，通常由試驗調(diào)整。2023/2/6第37頁移動電刷位置改善換向有兩大缺點：其一是移刷后的直軸電樞反應(yīng)起去磁作用，會降低發(fā)電機端電壓或使電動機轉(zhuǎn)速上升；其二是電抗電動勢er隨負(fù)載變化，電刷位置需要根據(jù)負(fù)載變化情況作相應(yīng)調(diào)整，這是很難做到的。因此，這種方法實際上已很少采用。2023/2/6第38頁三、選用合適電刷

對于換向并不太困難的中、小型電機，通常采用石墨電刷。對于換向比較困難的電機，常采用碳一石墨電刷。對于低壓大電流電機，則常采用接觸電壓降較小的青銅一石墨電刷或紫銅一石墨電刷。對于換向問題嚴(yán)重的大型直流電機，電刷的選擇應(yīng)以電機制造廠的長期試驗和運行經(jīng)驗為依據(jù)。2023/2/6第39頁§3.5環(huán)火及補償繞組

一、環(huán)火的形成

二、防止環(huán)火的方法

2023/2/6第40頁一、環(huán)火的形成當(dāng)電機承受沖擊負(fù)最或突然短路時，電樞電流急劇增加，換向元件中的電抗電動勢er也隨之立即變大。相應(yīng)之下，由于換向極鐵心中的渦流屏蔽作用，Bk以及ek的變化會滯后，以致er會在短時間內(nèi)遠大于ek，造成過度延遲換向，從后刷邊產(chǎn)生強烈的電弧，并隨換向器運動而拉長，加上電動力的作用，拉長速度有可能會超過換向器線速度vk，如圖所示。2023/2/6第41頁此外，由于電樞電流激增導(dǎo)致電樞反應(yīng)加強，磁場畸變更嚴(yán)重，從而使得換向器上某些換向片間的電壓顯著上升而產(chǎn)生電位整火花，并使換向器周圍空氣電離。這樣，電磁性火花和電位整火花匯合在一起，嚴(yán)重時形成跨越正、負(fù)電刷之間的電弧，使整個換向器被一圈火環(huán)所包圍，稱之為環(huán)火。發(fā)生環(huán)火就相當(dāng)于電樞繞組經(jīng)電刷短路，損壞的就不僅僅是換向器和電刷，電樞繞組亦會受到嚴(yán)重?fù)p壞。2023/2/6第42頁二、防止環(huán)火的方法

可采取的措施很多：如裝置快速自動開關(guān)，當(dāng)電流達到設(shè)定值時自動斷開電源；設(shè)計電機時，在運行速度范圍和氣隙磁場強度兩方面確保相鄰兩換向片間的最高電壓不超過允許值；加強換向極磁動勢使得正常運行時的換向過程稍帶一定程度的超越性質(zhì)，沿電弧路徑安裝絕緣隔板等等。最有效的措施仍是安裝補償繞組。2023/2/6第43頁安裝補償繞組的目的在于盡可能消除電樞反應(yīng)引起的磁場畸變，以減少產(chǎn)生電位差火花的可能性。為此，把補償繞組嵌放在主磁極極靴上的專門沖制的槽內(nèi)。為對極弧下的電樞反應(yīng)磁場實行完全補償，要求補償繞組的線負(fù)荷與電樞線負(fù)荷相等，但方向相反，因此，繞組中應(yīng)通入電樞電流，即與電樞繞組串聯(lián)。通常，繞組設(shè)計為軸向同心式，跨極靴嵌放(即兩個元件邊對稱地安放在兩相鄰磁極極靴下的對應(yīng)槽內(nèi))，見圖。2023/2/6第44頁安裝補償繞組后，由于交軸電樞反應(yīng)磁動勢Faq被抵消，因此換向極工作所需的磁動勢還可以大為減小，這對換向是有利的，但更主要的還是可從根本上防止電位差火花的產(chǎn)生，從而能有效地防止環(huán)火現(xiàn)象的出現(xiàn)。不過，補償繞組亦使電機結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，故不是負(fù)載頻繁變化(如軋鋼機)的電機一般不會采用。2023/2/6第45頁小結(jié)換向是直流電機的關(guān)鍵問題之一。所謂換向是指繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷而進入另一條支路時，元件內(nèi)電流方向改變的整個過程。直流電機電樞繞組元件內(nèi)的電流實際上是一個平頂?shù)慕涣鞑ǎㄟ^換向器和電刷的配合工作，才在電刷上引出直流電位。換向不良的后果是電刷下面發(fā)生危害性的火花。但換向質(zhì)量的好壞，除了火花的大小外，還要看電刷與換向器表面的接觸情況和磨損程度。實際上，電機運行時，即便刷下有小范圍而亮度(淺藍)微瞬時火花，如果換向器表面氧化膜良好，電刷與換向器表面磨損正常，則換向情況仍被認(rèn)為是正常的。2023/2/6第46頁根據(jù)