【正文】 減小電抗 。但是，如果單純增大換向極和電樞表面間的氣隙，將使漏磁通增加，而換向極漏磁通也是造成換向極磁路飽和的重要因素。 （ 3）換向極磁路處 于不飽和狀態(tài) 換向電動勢 Ke 是換向元件切割換向區(qū)磁密 KB 產(chǎn)生的，只有磁路不飽和時，才能保證 KB 與電樞電流 Ia 成比例變化，滿足 Ke 正比于 Ia 的要求。為了讓保證 Ke 在整個負載范圍內(nèi)隨時抵消 re ，則要求 Ke 也必須隨著負載電流變化而變化。 （ 1） 極性正確 換向極性要保證其磁場方向與交軸電樞反應(yīng)磁場方向相反。因此，在電機運行時，應(yīng)當經(jīng)常注意和檢查換向器的表面狀態(tài)，觀察薄膜的變化情況，許多牽引電動機的故障在尚未造成破壞前，往往可以根據(jù)換向器表面的異常狀態(tài)來進行早期診斷，找出故障發(fā)生的原因和部位，及時進行處理，以保證電機正常運行。從運用觀點來看，只要薄膜是 均勻的、光亮的、穩(wěn)定的和呈棕褐色的，則標志著電機的換向是正常的。 薄膜的形成及其顏色，還與電刷的材質(zhì)、電刷的的壓力、電流密度，運行時間長短及周圍環(huán)境等許多因素有關(guān)。 化學(xué)原因 —— 換向器滑動面 的薄膜 在正常情況下，當電機長期運行之后，換向器滑動面會覆蓋一層很薄的薄膜，電刷在與換向器接觸時，并不是直接與換向器銅片本身接觸，而是通過這層薄膜與換向器片接觸。機械火花呈紅色或是黃色，連續(xù)而較粗，沿切線方向飛出，且在換向器表面產(chǎn)生沒規(guī)律的黑痕。因此在電機零部件產(chǎn)生和組裝時，必須精心制造和嚴格工藝要求。 電刷裝置的缺陷 （ 1）電刷接觸面研磨的不光滑，接觸不良或只是局部接觸； （ 2）電刷在刷盒中間隙不合適，造成跳動，傾斜或卡死現(xiàn)象； （ 3）電刷上壓力不適當； （ 4）刷握裝 置不穩(wěn)固，造成刷握位置偏離幾何中心線； （ 5）刷架圈的定位不準確或安裝不牢固等。 (2)個別換向片凸出或云母片凸出。 機械原因 由于機械原因，如牽引電動機運行中 的強烈振動或電刷與換向器裝配工藝不符合燒定要求，使電刷和換向器接觸不良而產(chǎn)生的火花，稱為機械火花。只有過分延遲換向時，當 t=T K ， Ki 還未降到零，在換向元件和電刷斷開的瞬間，換向元件中的 Ki 以電磁能量 221KriL的形式釋放出來，當這部分能量足夠大時，后刷邊就會產(chǎn)生火花。 產(chǎn)生火花的原因 電磁原因 經(jīng)過不斷實踐和長期研究，現(xiàn)在對電磁原因有一下幾種看： （ 1）當電機處于直線換向時，盡管電流密度可能很大，但電刷下不會產(chǎn)生火花。當 i=0 時，電流改變方向的時刻比直線換向時推遲，故稱為延遲換向。 （ 1）電阻換向 當 arK eee ?? 時為理想換向情況，此時，元件中的合成電動勢 e? =0，換向元件中的電流的變化取決于換向元件回路電阻，故成為電阻換向。接觸電阻的大小可以認為和電刷接觸面積成反比，設(shè) R為電刷總接觸電阻， R1 、 R2 分別為電刷與換向片 2 的接觸電阻，則 R1 =RtkkTT? R2 =RtTk 換向元件中的電流 如圖的換向元件電路，可得換向元件回路的電動勢平衡方程。過大的附加電流，會使電機換向惡化。因此，當電機換向時，換向元件回路內(nèi)合成電動勢等于以上電動勢之和，即 e? =er +ea eK 當換向電動勢 eK 選擇的合適，使 eK =er +ea ，恰好可以互相抵消時，換向元件中合成電動勢 e? =0，此時電動機能得到滿意 的換向。換向極極性正確，以使它的磁勢與交軸電樞反 應(yīng)磁勢相反。當電樞磁場旋轉(zhuǎn)時，處于幾何中性線上的換向元件，將切割交軸電樞磁場而產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動勢 ea ，根據(jù)右手定則可以判斷 ea 的方向也是與換向電流方向相同，即 ea 和 er 方向一致，都是阻礙電流換向的。電抗電動勢 er 的大小取決于電樞電流和轉(zhuǎn)速，電流越大，轉(zhuǎn)速越高，則電抗電動勢 er 越大，電機換向就越困難。 換向元件中的電動勢及換向電流 換向元件中的電動勢 （ 1）電抗電動勢 er 根據(jù)電磁感應(yīng)定理，當閉合回路中磁鏈變化時，將產(chǎn)生反電動勢，力圖阻止磁鏈的變化，即阻止電流的變化，這種反電動勢電抗電動勢。 換向元件從換向開始到換向結(jié)束所經(jīng)歷的時間稱為換向周期，以 Tk表示，如圖所示， Tk也就是換向過程中換向器在空間移動距離 bb 所需的時間。 如上所述，當旋轉(zhuǎn)的電樞元件從電樞繞組一條支路經(jīng)過電刷進入電樞繞組另一條支路時，該元件中電流從一個方向變換到另一個方向。當 i 減小到零之后，再反向增加；當電樞轉(zhuǎn)到電刷只與換芯片接觸，如圖（ c）所示，換向元件屬于電刷左邊的一條電樞繞組支路，這時元件中的電流仍等于電樞繞組支路電流 ia ，但其方向與原來相反，即為 ia 。為了簡便起見，假設(shè)電刷寬度 bb 等于一個換向片片距 βK ，電刷固定不動，換向器一線速度 VK 向左移動，如圖所示 開始換向瞬間，電樞轉(zhuǎn)到電刷與換向片相接觸的位置，如（ a)所示。 直流和脈流牽引電動機在運行過程中的火花情況，除使用專門的儀器側(cè)量外，是很難直接觀察到的。對于脈流牽引電動機，其換向條件更為困難，允許在 2級火花下持續(xù)運行。 直流和脈流牽引電動機由于工作條件惡劣，如負載急劇變化、電網(wǎng)電壓波動、強烈的機械振動和沖擊，在脈動電壓下工作等，都使電機的換向更加困難。在 2 級火花作用下，換向器上會出現(xiàn)灰渣和黑色的痕跡，隨著運行時間的延長，黑色痕跡將逐漸擴展，電刷和換向器磨損也顯著增加，因此 2 級火花只允許短時出現(xiàn)。因此，火花的大小直接反映了直流電機換向性能的好壞。如果火花在電刷上的范圍很小，亮度微弱，呈淺藍色，它對電機運行并無危害，不必要求絕對沒有火花。 換向的基本概念 火花的現(xiàn)象和火花的等級 人們從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，直流牽引電動機運行時，其電刷與換向器之間常常伴有火花。增磁 作用將引起電機換向情況惡化。若凡與主極班勢方向相反，起去磁作用。交軸電樞反應(yīng)的影響如上所述。交軸電樞磁場對主極磁場起去磁的作用這種去磁作用是通過磁路飽和作用而產(chǎn)生的。在磁路不飽和時，因主磁場被消弱的數(shù)量等于被加強的數(shù) .所以氣隙磁通 和平均氣隙磁密沒有變化。如圖 142 所示，在極尖處的磁密大大增加，線圈處在這個部位時，感應(yīng)電勢很大使所接兩個換向片間電壓很大，可能超過換向片間的安全電壓，產(chǎn)生火花或電弧 .使電機損壞。每個主極下的磁場，一半被削弱，另一半被加強，便氣隙的徽密分布曲線由平頂形變成尖頂形。相加得負載后合成破場沿電樞表面的分布曲線 Ba}如圖 141(c)中實線。當電機磁路不飽和時，磁路的磁阻為常值，可把 B。 圖 141(b)中 由主極磁勢單獨建立的主磁場沿電樞表面的分布曲線 (梯 形 )。交軸電樞磁勢對主極磁場的影響稱為交軸電樞反應(yīng) 。 (3)電樞磁場磁密 B。的分布曲線為馬鞍形 .如 139(b)所示 綜上所述，當電刷在幾何中心線上時，電樞磁場有如下特點 : (1)在空間靜止不動 。但在極間區(qū)域，由 于空氣隙變得很大，雖然凡繼續(xù)增加，但磁密 B。 Fo0s (122 式中 s39。 三角形分布的電樞磁勢將產(chǎn)生怎樣的磁密分布呢 ?從圖 139(e)可以看到，每一電樞磁通都經(jīng)過電樞鐵心、氣隙和主極鐵心形成閉合回路，由于鐵磁物質(zhì)的磁阻相對空氣磁阻數(shù)值很 小，可以認為，上述閉合磁路中的盛勢全部降在兩個氣晾上。而通過電刷軸線的回路磁勢最大。以支路中點為基準，任取一磁通管 ，通過磁通管所形成的回路的磁勢 Fa 等于此回路中所包含的全電流。 電樞磁勢在空間的分布情況 .可應(yīng)用全電流定律進行分析。與主極磁場的軸線在空間垂直，稱為文軸電樞磁場。圖 1— 28 所示為兩極電機的電樞電流 的方向和電樞磁場分布情況。 此時，電樞電流以電刷為分界線，相鄰兩電刷間的電樞圓周上的導(dǎo)體電流方向都相同，而每一電刷的兩側(cè)的導(dǎo)體電流方向相反。 電刷的正常位里，應(yīng)在主極軸線下的換向片上，這時與電刷相連接的 電樞線圈單元位于幾何中心線上或附近。 圖 電機的磁化曲線 電樞磁場 直流電機帶有負載時 .電樞繞組中有電流通過電樞繞組的電流也會產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場 電樞磁場沿電樞表面的分布情況，與電樞電流的分布情況有關(guān)。 圖 直流電機空載磁場的磁密分布 在直流電機中，為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，氣隙里要有一定數(shù)量的主磁通φ 0，也就是需要有一定的勵磁磁通勢 ，或者當勵磁繞組匝數(shù)一定時，需要有一定的勵磁電流 。因此，在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。 圖 直流電機空載時的磁場分布示意圖 1— 極靴； 2— 極身； 3— 元子磁軛； 4— 勵磁繞組； 5— 氣隙； 6— 電樞齒； 7— 電樞磁軛 由于主磁極極靴寬度總是比一個極距要小，在極靴下的氣隙又往往是不均勻的，所以主磁通的每條磁力線所通過的磁回路不盡相同，在磁極軸線附近的磁回路中氣隙較??；接 近極尖處的磁回路中氣隙較大。此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合回路，這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈，稱為漏磁通，用φ 表示。從圖中看出，由 極出來的磁通，大部分經(jīng)過氣隙進入電樞齒部，再經(jīng)過電樞磁軛到另一部分的電樞齒，又通過氣隙進入 極，再經(jīng)過定子磁軛回到原來出發(fā)的 極，成為閉合回路。當勵磁繞組通入勵磁電流，各主磁極極性依次呈現(xiàn)為 極和 極，由于電機磁路結(jié)構(gòu)對稱，不論極數(shù)多少，每對極的磁路是相同的，因此只要分析一對極的磁路情況就可以了。且可以不計其影響的一種運行狀態(tài)，此時電機無負載，即無功率輸出。 418 419 第二章 直流牽引電動機的換向 直流電機磁場 主磁場 直流電機的空載是指電樞電流為零，只有勵磁繞組中存在電流。 （ 2）當電動機轉(zhuǎn)速降低至接近零時就應(yīng)立即切斷電源，否則電動機將反轉(zhuǎn)。 3．反接制動 反接制動利用改變加在電樞繞組上的電壓方向（使 Ia反向）或改變勵磁電流的方向（使 φ 反向），從而使電磁轉(zhuǎn)矩 T 反向成為制動轉(zhuǎn)矩。這種制動方法在運輸、起重設(shè)備上應(yīng)用較廣。 電阻制動與再生制動相比所需設(shè)備簡單，成本低。 2．電阻制動（又稱能耗制動） 將電機的電樞繞組從電源上切除（磁極繞組仍接在電源上），電機靠慣性將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，此時電機已處于發(fā)電機狀態(tài)運行，但并不是將電能反送回電網(wǎng)，而是消耗在專用電阻 R（稱制動電阻）的發(fā)熱上。對于串勵電動機而言，由于磁通隨 Ia 的變化而變化，不能保持不變。 怎樣才能使電機的反電動勢 Ea大于電源電壓 U呢？由式 Ea＝ Ceφ n可知，如果電機的磁通 φ 不變，則只要使電機的轉(zhuǎn)速 n高于理想空載轉(zhuǎn)速 n0即可使 Ea U。