直流電機(jī)的換向綜述

第三章直流電機(jī)的換向

引言§3.1直流電機(jī)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(bǔ)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(jī)的一個(gè)專門問題，它對(duì)電機(jī)的正常運(yùn)行有重大影響，是直流電機(jī)的關(guān)鍵問題之一。本章首先介紹換向的電磁理論，并簡(jiǎn)要地介紹點(diǎn)接觸，離子導(dǎo)電、氧化膜等理論作為補(bǔ)充，進(jìn)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(bǔ)償繞組。2023/2/6第2頁§3.1直流電機(jī)的換向過程

直流電機(jī)電樞繞組中的電動(dòng)勢(shì)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(jìn)入另一條支路時(shí)，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(hào)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(yùn)動(dòng)（從右向左移動(dòng)）。當(dāng)電刷僅與換向片1相接觸時(shí)（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(shí)（圖b），元件1被電刷短路。當(dāng)電刷僅與換向片2相接觸時(shí)（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(shí)，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(duì)極距時(shí)電流變化的理想化曲線。從換向開始（圖a所示的瞬間，對(duì)應(yīng)于圖d的ta點(diǎn)）到換向結(jié)束（圖c所示瞬間，對(duì)應(yīng)于圖d的tc點(diǎn)）所需的時(shí)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(gè)時(shí)間。通常Tk只有千分之幾秒。2023/2/6第6頁正在進(jìn)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(jī)持久運(yùn)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(dòng)勢(shì)

二、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

三、換向理論的補(bǔ)充

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

設(shè)換向區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)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(zhǎng)度為l，則換向元件中的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)大小為2023/2/6第9頁2．電抗電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)，稱為電抗電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)存在自感電動(dòng)勢(shì)eL和互感電動(dòng)勢(shì)eM兩種成分。eL為換向元件自身電流變化對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。eM為其它換向元件電流變化對(duì)漏磁場(chǎng)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(chǎng)與所研究元件交鏈的磁鏈對(duì)元件長(zhǎng)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(shí)際變化規(guī)律很復(fù)雜，電抗電動(dòng)勢(shì)er的瞬時(shí)值很難計(jì)算，工程中采用平均值，定義為2023/2/6第12頁因?yàn)閎s＝bk時(shí)，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(duì)已制成的電機(jī)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(dòng)勢(shì)應(yīng)是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電抗電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即

∑e=ek+er對(duì)于換向良好的電機(jī)，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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(shí)的接觸電阻，并取換向開始瞬間作為時(shí)間起點(diǎn)，可得圖(b)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)有2023/2/6第17頁將上兩式代入式電動(dòng)勢(shì)平衡方程式，進(jìn)而忽略R1、R2和Ry（對(duì)普通電刷，它們的數(shù)值遠(yuǎn)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(duì)∑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(shí)間線性變化，從＋ia均勻地變化到－ia?？梢宰C明，此時(shí)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(shí)，換向電流同時(shí)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(shí)間滯后于直線換向，“延遲換向”由此而得名。延遲換向時(shí)，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(huì)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(shí)，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(shí)ik≤0，換向電流曲線落于直線換向下方(圖(d))，過零時(shí)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(bǔ)充

1.物理角度對(duì)經(jīng)典電磁換向理論進(jìn)行補(bǔ)充：接觸面的點(diǎn)接觸與離子導(dǎo)電理論2023/2/6第23頁2.化學(xué)方面對(duì)經(jīng)典電磁換向理論進(jìn)行補(bǔ)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(shí)際中也用它來進(jìn)行定量分析，并作為直流電機(jī)的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。但大多還要結(jié)合電機(jī)的換向試驗(yàn)(無火花區(qū)域試驗(yàn)法)對(duì)電刷位置進(jìn)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(jī)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(yùn)行時(shí)，電刷下面的火花不應(yīng)超過一定的等級(jí)，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB755—87將火花分為五個(gè)等級(jí)。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(chǎng)能量很大，或由ik引起的接觸點(diǎn)上熱能損耗很大，火花便可能發(fā)生。2023/2/6第27頁二、機(jī)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(dòng)，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(dòng)而產(chǎn)生火花。也有由于各個(gè)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(chǎng)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(duì)電機(jī)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(huì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)勢(shì)∑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(dòng)勢(shì)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(duì)于有電樞鐵心并通過電樞繞組實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)來說，實(shí)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(gè)適當(dāng)?shù)耐獯艌?chǎng)，使它能在換向元件內(nèi)產(chǎn)生適當(dāng)大小的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)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(shí)際中得到了比較多的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)方法亦包括設(shè)置換向極和移動(dòng)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(chǎng)的磁中性線或稱交軸上)，作用是產(chǎn)生一個(gè)換向磁場(chǎng)Bk。圖示是按發(fā)電機(jī)狀態(tài)畫出的一臺(tái)兩極直流電機(jī)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(chǎng)，顯然首先必須抵消掉交軸電樞反應(yīng)的作用。因此，運(yùn)用疊加原理，可將換向極繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fk分解成兩部分，一部分用以平衡交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Faq，另一部Fδk。則用于建立換向區(qū)氣隙磁場(chǎng)Bk，即式中，δ′k為換向極下的等效氣隙長(zhǎng)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(shí)際上難以做到。因?yàn)閑k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(jì)電機(jī)時(shí)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(dòng)勢(shì)和所建立的磁場(chǎng)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(duì)于發(fā)電機(jī)，換向極極性與換向元件即將進(jìn)入的主磁極極性相同。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，則與即將進(jìn)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(jī)是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，換向極極性都是保持不變的。2023/2/6第35頁二、移動(dòng)電刷位置

在無換向極電機(jī)中，把電刷從換向器上的幾何中性線移開一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌龋箵Q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(jìn)入主極之下，利用主磁場(chǎng)來代替換向極所產(chǎn)生的換向磁場(chǎng)，也可獲得必要的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)以抵消電抗電動(dòng)勢(shì)。與設(shè)置換向極極性的原理一致，對(duì)發(fā)電機(jī)，電刷應(yīng)順轉(zhuǎn)向偏移。對(duì)電動(dòng)機(jī)，則為逆轉(zhuǎn)向偏移；如圖所示(僅例示了發(fā)電機(jī)狀態(tài))。2023/2/6第36頁可見，電刷移動(dòng)的角度β應(yīng)大于物理中性線移動(dòng)的角度，以確保換向元件能夠置于極性相符的磁場(chǎng)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?yàn)闇?zhǔn)，通常由試驗(yàn)調(diào)整。2023/2/6第37頁移動(dòng)電刷位置改善換向有兩大缺點(diǎn)：其一是移刷后的直軸電樞反應(yīng)起去磁作用，會(huì)降低發(fā)電機(jī)端電壓或使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升；其二是電抗電動(dòng)勢(shì)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(shí)際上已很少采用。2023/2/6第38頁三、選用合適電刷

對(duì)于換向并不太困難的中、小型電機(jī)，通常采用石墨電刷。對(duì)于換向比較困難的電機(jī)，常采用碳一石墨電刷。對(duì)于低壓大電流電機(jī)，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(duì)于換向問題嚴(yán)重的大型直流電機(jī)，電刷的選擇應(yīng)以電機(jī)制造廠的長(zhǎng)期試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)。2023/2/6第39頁§3.5環(huán)火及補(bǔ)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(jī)承受沖擊負(fù)最或突然短路時(shí)，電樞電流急劇增加，換向元件中的電抗電動(dòng)勢(shì)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(huì)滯后，以致er會(huì)在短時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)大于ek，造成過度延遲換向，從后刷邊產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧，并隨換向器運(yùn)動(dòng)而拉長(zhǎng)，加上電動(dòng)力的作用，拉長(zhǎng)速度有可能會(huì)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(qiáng)，磁場(chǎng)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(shí)形成跨越正、負(fù)電刷之間的電弧，使整個(gè)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(huì)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(dòng)開關(guān)，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)斷開電源；設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，在運(yùn)行速度范圍和氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)換向極磁動(dòng)勢(shì)使得正常運(yùn)行時(shí)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(bǔ)償繞組。2023/2/6第43頁安裝補(bǔ)償繞組的目的在于盡可能消除電樞反應(yīng)引起的磁場(chǎng)畸變，以減少產(chǎn)生電位差火花的可能性。為此，把補(bǔ)償繞組嵌放在主磁極極靴上的專門沖制的槽內(nèi)。為對(duì)極弧下的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)實(shí)行完全補(bǔ)償，要求補(bǔ)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(jì)為軸向同心式，跨極靴嵌放(即兩個(gè)元件邊對(duì)稱地安放在兩相鄰磁極極靴下的對(duì)應(yīng)槽內(nèi))，見圖。2023/2/6第44頁安裝補(bǔ)償繞組后，由于交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Faq被抵消，因此換向極工作所需的磁動(dòng)勢(shì)還可以大為減小，這對(duì)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(bǔ)償繞組亦使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，故不是負(fù)載頻繁變化(如軋鋼機(jī))的電機(jī)一般不會(huì)采用。2023/2/6第45頁小結(jié)換向是直流電機(jī)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(jìn)入另一條支路時(shí)，元件內(nèi)電流方向改變的整個(gè)過程。直流電機(jī)電樞繞組元件內(nèi)的電流實(shí)際上是一個(gè)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(shí)際上，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，即便刷下有小范圍而亮度(淺藍(lán))微瞬時(shí)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)