【正文】 元件中的感應電動勢和回路的電阻。假設換向元件中沒有任何電動勢，且將換向元件、引線與換向片的電阻均忽略不計，回路中只有電刷與換向片 1的接觸電阻 r1和電刷與換向片 2的接觸電阻 r2，則換向元件中的電流只決定于回路申的電阻 r1和 r2的大小，這種換向情況稱為電阻換向。 第一章 直 流 電 機 根據基爾霍夫電壓定律，可得換向元件回路的電壓方程式為 02211 ?? riri1221rrii ?() 式中： i i2為流過換向片 2的電流。 第一章 直 流 電 機 電刷與換向片之間的接觸電阻與接觸面積成反比，即 2112AArr? () 式中： A A2為電刷與換向片 2的接觸面積。 由式 ()和式 ()可得 211221AArrii??() 第一章 直 流 電 機 設換向元件中的電流為 i，則根據基爾霍夫電流定律可以列出下面的電流關系： iiiiiiaa????21 () 由式 ()和（ ）分析可知： t＝ 0時， A2＝ 0， i2＝ 0， i＝ +i。 ，換向開始； 0＜ t＜ Tk／ 2時， A1＞ A2， i1＞ i2， i＞ 0與原方向相同； t = Tk / 2時， A l ＝ A 2， i 1 ＝ I 2， i ＝ 0； T k／ 2＜ t＜T k時， A 1 ＜ A 2 ， i l ＜ i 2， i ＜ 0，開始反向； t = Tk時， A 1＝ 0，i l＝ 0， i ＝ i ，換向結束。換向過程中，換向元件的電流 i均勻地由 +i a ，變?yōu)?i a ，變化過程為一條直線，如圖 1所示 ,這種換向稱為直線換向。直線換向時不產生火花，故又稱為理想換向。 第一章 直 流 電 機 圖 換向過程中電流的變化 第一章 直 流 電 機 2． 延遲投向和電磁性火花 1) 電抗電動勢 換向元件中的電流在換向周期 T k內，由 +i變化 i a ，必將在換向元件中產生自感電動勢 eL ；另外，實際電機的電刷寬度通常為 2—3片換向片寬，因而相鄰幾個元件同時進行換向，由于互感作用，換向元件中還會產生由于相鄰元件電流變化時在本元件中引起的互感電動勢，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 tiLtiMLeeeMLr dddd)(r?????? () 第一章 直 流 電 機 式中： Lr為換向元件的電感系數； L為換向元件的自感系數；M 為換向元件的互感系數 。 根據楞茨定律，電抗電動勢 er的作用總是阻礙電流變化的，因此， er的方向與元件換向前的電流 +ia的方向相同。 第一章 直 流 電 機 2)旋轉電動勢 由于電樞反應使磁場發(fā)生畸變，使幾何中性線附近存在電樞磁動勢產生的磁場 (馬鞍形分布的凹部 )，換向元件旋轉時切割此電樞磁場所感應的電動勢稱為旋轉電動勢，也稱電樞反應電動勢，用 ea表示： lvBe aa ? () 式中： B a換向元件邊所在處的氣隙磁密； l為元件邊導體的有效長度； v電樞表面線速度。 第一章 直 流 電 機 用右手定則可以確定 ， 無論是在電動機還是發(fā)電機運行狀態(tài) ， 換向元件切割電樞磁場所產生的旋轉電動勢 e a總與元件換向前的電流 +i的方向相同 。 電抗電動勢 e r和旋轉電動勢 e a的方向相同，都企圖阻礙換向元件中電流的變化，使換向電流的變化延遲，如圖 線 2所示，這種情況稱為延遲換向。顯然，曲線 2與曲線 1的電流之差就是電動勢 e r + e a 在換向元件中產生的電流，稱為附加換向電流，用 i k表示 : 2121 rreerrei ark ?????? () 第一章 直 流 電 機 當 足夠大時 ， 該元件換向結束瞬間 ， 即 t＝ Tk時 ， 附加換向電流 ik≠ 0而為 ikT ， 所以 ， 換向元件中還貯存一部分磁場能量 L r i 2k T／ 2， 由于能量不能突變 ， L r I 2k T／ 2就會以弧光放電的形式釋放出來 ， 因而在電刷與換向片之間產生火花 ， 這種由電磁原因產生的火花稱為電磁性火花 。 從 和 可以看出，兩者均和電樞電流與轉速成正比，所以大電流、高轉速電機的電磁性火花大、換向更為困難。 e?tiLe r d/dr?? lvBe aa ?第一章 直 流 電 機 產生換向火花的機械原因有很多 ， 主要有換向器偏心 ， 換向片間云母絕緣凸出 ， 轉子平衡不良 ， 電刷在刷握中松動 ， 電刷壓力過大或過小 ， 電刷與換向器的接觸面研磨得不好因而接觸不良 ， 等等 。 為使電機能正常工作 ， 應經常對電機進行檢查 、 維護和保養(yǎng) 。 第一章 直 流 電 機 電機運行時 ， 由于空氣中氧氣 、 水蒸氣以及電流通過時熱和電化學的綜合作用 ， 在換向器表面會形成一層氧化亞銅薄膜 ， 這層薄膜有較高的電阻值 ， 能有效地限制換向元件中的附加換向電流 ik， 有利于換向 。 同時薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤滑作用 ， 使電刷與換向器之間保持良好而穩(wěn)定的接觸 。 電機運行時 ， 由于電刷的摩擦作用 ， 氧化亞銅薄膜經常遭到破壞 ， 但在正常使用環(huán)境中 ， 新的氧化亞銅薄膜又能不斷形成 ， 因而對換向不會有影響 。 如果周圍環(huán)境氧氣稀薄 、 空氣干燥或者電刷壓力過大 ， 則氧化亞銅薄膜難以生成 ， 或者周圍環(huán)境中存在化學腐蝕性氣體能破壞氧化亞銅薄膜 ， 這些都將使換向困難 ， 火花變大 。 第一章 直 流 電 機 改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花 。 產生火花的原因是多方面的 ， 其中最主要的是電磁原因 。 為此 ， 下面分析如何消除或削弱電磁原因引起的電磁性火花 。 產生電磁性火花的直接原因是附加換向電流 ik。 為改善換向 ， 必須限制附加換向電流 ik。 欲限制 ik， 應設法增大電刷與換向器之間的接觸電阻 r1和 r2， 或者減小換向元件中的感應電動勢 er+ea。 改善換向的方法一般有以下兩種 。 第一章 直 流 電 機 (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 ， 其中碳－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 。 直流電機如果選用接觸電阻大的電刷 ， 則有利于換向 ， 但接觸壓降較大 ， 電能損耗大 ， 發(fā)熱厲害 ， 同時由于這種電刷允許的電流密度較小 ， 電刷接觸面積和換向器尺寸以及電刷的摩擦都將增大 ， 因而設計制造電機時必須綜合考慮兩方面的因素 ， 選擇恰當的電刷 。 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接近的電刷并全部更換 。 第一章 直 流 電 機 （ 2） 裝設換向極 。 換向極裝設在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上 ， 如圖 。 幾何中性線附近一個不大的區(qū)域稱為換向區(qū) ， 是換向元件的元件邊在換向過程中所轉過的區(qū)域 。 換向極的作用是在換向區(qū)產生換向極磁動勢 ， 首先抵消換向區(qū)內電樞磁動勢的作用 ， 從而消除換向元件中電樞反應電動勢 (旋轉電動勢 )ea的影響 ， 同時在換向區(qū)建立一個換向極磁場 ， 其方向與電樞反應磁場方向相反 ， 使換向元件切割該磁場時產生一個與電抗電動勢 er大小相等或近似相等 、 方向相反的附加電動勢 ek， 以抵消或明顯削弱電抗電動勢 ， 從而使換向元件回路中的合成電動勢 ∑e為零或接近于零 ， 換向過程為直線換向或接近于直線換向 ， 火花小 ， 換向良好 。 第一章 直 流 電 機 圖 裝設換向極改善換向 第一章 直 流 電 機 為使附加電動勢 ek的方向與電抗電動勢 er的方向相反 ， 亦即使 ek的方向與旋轉電動勢 ea的方向相反 ， 就必須使換向極磁動勢的方向與電樞磁動勢 Fa的方向相反 。 為此 ， 對發(fā)電機 ， 換向極的極性應與順電樞旋轉方向下一個主磁極的極性相同； 對電動機 ， 換向極的極性應與順電樞旋轉方向下一個主磁極的極性相反 。 第一章 直 流 電 機 電樞磁動勢和電抗電動勢 er均與電樞電流成正比 ， 為使換向極磁動勢在電樞電流隨負載大小變化時能抵消電樞磁動勢的影響并產生與 er相等或近似相等的附加電動勢 ek， 換向極繞組應與電樞繞組串聯 ， 并使換向極磁路處于不飽和狀態(tài) ， 從而保證負載變化時換向元件回路中的總電動勢總接近于零 ， 都有良好的換向 。 裝設換向極是改善換向最有效的方法 ， 容量在 1kW以上的直流電機幾乎都裝有與主磁極數目相等的換向極 。 第一章 直 流 電 機 電樞反應使磁場發(fā)生畸變 ， 負載較大時 ， 氣隙磁通密度分布嚴重畸變 ， 元件邊處于磁通密度最大位置的元件感應電動勢很大 ， 會使換向片之間的空氣電離擊穿 ， 產生所謂的電位差火花 。 在換向不利的情況下 ， 這種電位差火花會和電刷與換向器之間的換向火花連成一片 ， 形成跨越正 、 負電刷之間的電弧 ， 使整個換向器被一圈火環(huán)所包圍 ， 這種現象稱為環(huán)火 。 環(huán)火發(fā)生時 ， 輕則燒壞電刷和換向器 ， 嚴重時會燒壞電樞繞組 ， 使電機無法運行 。 第一章 直 流 電 機 由以上分析可知 ， 產生環(huán)火的主要原因是電樞磁動勢使氣隙磁場發(fā)生畸變 。 為防止環(huán)火 ， 必須設法克服電樞磁動勢對氣隙磁場的影響 ， 有效的辦法是在主磁極上裝置補償繞組 。 在主磁極極靴上開有均勻分布的槽 ， 槽內嵌放補償繞組 ， 使補償繞組電流的方向與所對應的主磁極下電樞繞組的電流方向相反 ， 確保補償繞組磁動勢和電樞反應磁動勢的方向相反 ， 從而補償電樞反應磁動勢的影響 。 為了使補償作用在任何負載下都能抵消或明顯削弱電樞反應磁動勢的影響 ， 補償繞組應與電樞繞組串聯 。 裝置補償繞組可以提高電機運行的可靠性 ， 但使電機結構復雜 ， 成本提高 ， 一般僅用于負載變化劇烈 、 換向比較困難的大中型電機 。 第一章 直 流 電 機 思考題與習題 描述直流電機工作原理 ， 并說明換向器和電刷起什么作用 ？ 試判斷在下列情況下 ， 電刷兩端的電壓是交流還是直流 。 （ 1） 磁極固定 ， 電刷與電樞同時旋轉； （ 2） 電樞固定 ， 電刷與磁極同時旋轉 。 什么是電機的可逆性？為什么說發(fā)電機作用和電動機作用同時存在于一臺電機中？ 第一章 直 流 電 機 直流電機有哪些主要部件 ？ 試說明它們的作用和結構 。 直流電機電樞鐵心為什么必須用薄電工鋼沖片疊成 ？磁極鐵心何以不同 ？ 試述直流發(fā)電機和直流電動機主要額定參數的異同點 。 某直流電機 ， PN=4kW， UN=110 V， nN=1000r/min ， ηN=。 若此直流電機是直流電動機 ， 試計算額定電流 IN； 如果是直流發(fā)電機 ， 再計算 IN 。 單疊繞組和單波繞組各有什么特點 ？ 其連接規(guī)律有何不同 ？ 第一章 直 流 電 機 有一臺四極單疊繞組的直流電機 ， 試問： （ 1） 若分別取下一只電刷 、 相鄰的兩只電刷或相對的兩只電刷 ， 對電機的運行各有什么影響 ？ （ 2） 如有一元件斷線 ， 電刷間的電壓有何變化 ？ 電流有何變化 ？ （ 3） 若有一主極失磁 ， 將產生什么后果 ？ 什么叫電樞反應？電樞反應對氣隙磁場有什么影響？ 第一章 直 流 電 機 一臺直流電機 ， p=3， 單疊繞組 ， 電樞繞組總導體數N=398， 一極下磁通 Φ= 102Wb。 當轉速 n=1500 r/min和轉速 n=500r/min時 ， 分別求電樞繞組的感應電動勢 Ea。 換向元件在換向過程中可能產生哪些電動勢 ？ 各是什么原因引起的 ？ 它們對換向器各有什么影響 ？ 換向極的作用是什么？裝在什么位置？繞組如何連接？