直流电机的换向分析与空载磁场解析

　　直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

　　

　　直流电机的换向

　　旋转着的电枢某元件从一个支路转换到另外一个支路时，元件中的电流变化的过渡过程称为换向过程。

　　换向过程分析

　　电刷是支路的分界线；我们研究电刷与1、2片换向片分别和同时接触时的情况。

　　换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；

　　处于换向过程中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；

　　换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由+ia变为-ia（左→右）。

　　一个元件的电流换向过程所需的时间就称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期。Th=0.5～2ms

　　换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。

　　产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、工艺、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。

　　换向元件中的电势

　　1．电抗电势 ex

　　一般， 换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势，两者的合成电势称为电抗电势，用ex表示。

　　

　　根据楞次定理，电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化，亦即ex的方向企图与换向前的电流方向相同。或者说电抗电势是阻碍换向的。

　　电抗电势大小反比于换向周期。

　　2．电枢反应电势 ea

　　换向元件切割电枢反应磁场，从而产生了电枢反应电势。其方向与ex相同，即其性质也是阻碍换向的。其大小为： Ea=2Wy Ba l va3．换向极电势 eK

　　换向极电势是由于换向元件切割换向磁极感应的电势，换向磁极是为改善换向而设置的。其方向企图与换向后的电流方向相同，或者说换向极电势是帮助换向的。

　　影响换向的因素

　　电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向。机械、化学、材料等原因

　　机械方面的原因如：换向器偏心、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器表面接触不好等等；化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。

　　改善换向的方法

　　1.装换向极：在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势。再产生一个磁密，换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势。换向极绕组应与电枢绕组串联。

　　换向磁极的极性判断原则： 对直流发电机是：顺转向看与主极极性相同； 对直流电动机是：逆转向看与主极极性相同。

　　

　　2.装补偿绕组：装置在磁极表面的槽内，产生抵消电枢反应的磁势，与电枢绕组串联。

　　

　　3.移动电刷位置：对于未装换向极的小型串励直流电机，把电刷从几何中性线（与处于几何中性线处的导体接触）移动一个适当的小角度，使得换向元件产生的感应电势与换向后的电流方向相同。但是电刷移动后，会产生直轴去磁电枢反应，导致电压有些降低、转速稍有升高，可能引起运行不稳定，故此方法旨在小容量电机中采用。

　　判断电刷移动的方向： 对直流发电机是顺转向移动一个小角度；

　　对直流电动机是逆转向移动一个小角度。

　　空载时直流电机的磁场

　　直流电机的磁通路径

　　磁路从主磁极1出发经气隙1－电枢齿1－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭--主磁极1。

　　

　　空载磁通密度波形

　　

　　空载时电枢电流为0，气隙磁场是由励磁电流单独决定。

　　磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。

　　极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处磁密为0。

　　空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数B0（x）表示；分析可知它是平顶波。

　　气隙磁场

　　空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零），励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。

　　空载时主磁场分布情况及计算方法已在第一节至第三节中介绍。

　　空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。

　　由于磁极极靴宽度总是小于极距，在极靴下气隙较小，所以极靴下沿电枢表面主磁场较强，极靴以外，气隙加大，主磁场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。气隙磁场磁密分布波形为一礼帽形，如下图：