第四章直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却 换向”是装有换向器电机运行时的薄弱环节,对电机正常运行有很大的影 响,也是评定电机质量优劣的标准之一。由于牵引电动机特殊的工作条件,使换 向更为困难,尤其是由脉动电源供电的脉流牵引电动机,其换向性能更加恶化。 牵引电动机功率大,结构尺寸又受到安装空间的限制,发热极为严重。为降 低电机的温度,牵引电动机在结构、材料、工艺上采取了许多措施,大功率牵引 电动机,还采用专门的通风系统进行冷却。 本章依据换向的经典理论讨论换向问题,并注重研究直流和脉流牵引电动机 换向的特殊问题,寻求改善换向的方法。还介绍了牵引电动机常用的通风冷却方 第一节换向的基本概念 火花现象和火花等级 人们从生产实践中发现,直流电机运行时,其电刷与换向器之间常常伴有火 花。火花通常出现在电刷的后刷边,发生火花是直流电机换向不良的直接表现 如果火花在电刷上范围很小,亮度微弱,呈浅蓝色,它对电机运行并无危害,不 必要求绝对没有火花。但当火花在电刷上范围较大,比较明亮,呈白色或红色, 就会灼伤换向器及电刷,影响电机的正常运行。因此,火花的大小直接反映了直 流电机换向性能的好坏。 我国国家标准“电机基本技术要求”(GB755-2000)中,对直流电机换向 器上的火花等级作了规定,见表4-1 表4-1火花等级 火花级别 电刷下火花的特点 换向器及电刷的状态 无火花 电刷边缘仅小部分有微弱的点状火花,或有非放电换向器上没有黑痕,电刷上没有灼痕 性的红色小火花 换向器上有黑痕,但用汽油能擦去同时在电刷上 电刷边缘大部分或全部有轻微的火花 有轻微的灼痕 换向器上有黑痕,用汽油不能擦去,同时电刷上有 电刷边缘全部或大部分有强烈的火花 灼痕。如短时出现这一级火花换向器上不出现灼 痕,电刷不被烧焦或损坏 换向器上黑痕相当严重用汽油不能擦除,电刷上 电副的整个边缘有强烈的火花同时有大火花飞出有灼痕。如在这一级火花下艇时运行则在换向器上 将出现灼痕,同时电刷将被烧焦或损坏
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却 “换向”是装有换向器电机运行时的薄弱环节，对电机正常运行有很大的影 响，也是评定电机质量优劣的标准之一。由于牵引电动机特殊的工作条件，使换 向更为困难，尤其是由脉动电源供电的脉流牵引电动机，其换向性能更加恶化。 牵引电动机功率大，结构尺寸又受到安装空间的限制，发热极为严重。为降 低电机的温度，牵引电动机在结构、材料、工艺上采取了许多措施，大功率牵引 电动机，还采用专门的通风系统进行冷却。 本章依据换向的经典理论讨论换向问题，并注重研究直流和脉流牵引电动机 换向的特殊问题，寻求改善换向的方法。还介绍了牵引电动机常用的通风冷却方 法。 第一节 换向的基本概念 一、火花现象和火花等级 人们从生产实践中发现，直流电机运行时，其电刷与换向器之间常常伴有火 花。火花通常出现在电刷的后刷边，发生火花是直流电机换向不良的直接表现。 如果火花在电刷上范围很小，亮度微弱，呈浅蓝色，它对电机运行并无危害，不 必要求绝对没有火花。但当火花在电刷上范围较大，比较明亮，呈白色或红色， 就会灼伤换向器及电刷，影响电机的正常运行。因此，火花的大小直接反映了直 流电机换向性能的好坏。 我国国家标准“电机基本技术要求”（GB755—2000）中，对直流电机换向 器上的火花等级作了规定，见表 4—1。 表 4-1 火花等级
表中1级、1级均为无害火花,允许电机在这些火花等级下长期运行。在 2级火花作用下,换向器上会出现灰渣和黑色的痕迹。随着运行时间的延长,黑 色痕迹将逐渐扩展,电刷和换向器磨损也显著增加,因此,2级火花只允许短时 出现。电机运行时绝不允许出现3级火花。 直流和脉流牵引电动机由于工作条件恶劣,如负载急剧变化、电网电压波动 强烈的机械振动和冲击、在脉动电压下工作等,都使电机换向更加困难。为了保 证牵引电动机运行可靠,直流牵引电动机在运行时的火花等级应限制在下述范围 内:在额定磁场和各削弱磁场级位上正常运行时,火花不应超过1级;在其他 情况下(如短时冲击负载)运行时,火花不应超过2级。对于脉流牵引电动机, 其换向条件更为困难,允许在2级火花下持续运行。此时,换向器表面将发黑, 但只要不损坏换向器工作表面,这种火花是允许的。 直流和脉流牵引电动机在运行过程中的火花情况,除使用专门伩器测量外, 很难直接观察。因此,通常以换向器及电刷表面状态作为确定火花等级的主要依 据 二、换向的物理过程 为了解每个电枢元件中电流换向的过程,以一个单叠绕组元件为例来进行分 析。为了简便起见,假设电刷宽度b等于一个换向片片距Bk,电刷固定不动, 换向器以线速度v向左移动。所讨论的换向元件用粗线表示,它和换向片1及2 相接,如图4-1所示。 场 图4—1换向元件中电流的换向过程 (a)换向开始:(b)换向期间:(c)换向结束
表中 1 级、1 4 1 级均为无害火花，允许电机在这些火花等级下长期运行。在 2 级火花作用下，换向器上会出现灰渣和黑色的痕迹。随着运行时间的延长，黑 色痕迹将逐渐扩展，电刷和换向器磨损也显著增加，因此，2 级火花只允许短时 出现。电机运行时绝不允许出现 3 级火花。 直流和脉流牵引电动机由于工作条件恶劣，如负载急剧变化、电网电压波动、 强烈的机械振动和冲击、在脉动电压下工作等，都使电机换向更加困难。为了保 证牵引电动机运行可靠，直流牵引电动机在运行时的火花等级应限制在下述范围 内：在额定磁场和各削弱磁场级位上正常运行时，火花不应超过 1 2 1 级；在其他 情况下（如短时冲击负载）运行时，火花不应超过 2 级。对于脉流牵引电动机， 其换向条件更为困难，允许在 2 级火花下持续运行。此时，换向器表面将发黑， 但只要不损坏换向器工作表面，这种火花是允许的。 直流和脉流牵引电动机在运行过程中的火花情况，除使用专门仪器测量外， 很难直接观察。因此，通常以换向器及电刷表面状态作为确定火花等级的主要依 据。 二、换向的物理过程 为了解每个电枢元件中电流换向的过程，以一个单叠绕组元件为例来进行分 析。为了简便起见，假设电刷宽度 b b 等于一个换向片片距 k ，电刷固定不动， 换向器以线速度 K v 向左移动。所讨论的换向元件用粗线表示，它和换向片 1 及 2 相接，如图 4－1 所示。 图 4－1 换向元件中电流的换向过程 （a）换向开始；（b）换向期间；（c）换向结束
开始换向瞬间,电枢转到电刷与换向片1相接触的位置,如图4-1(a)所 示。这时换向元件属于电刷右边的一条电枢绕组支路,元件中流过的电流i等于 电枢绕组支路电流n,设此电流的方向为正;当电枢转到电刷与换向片1及2都 接触的位置时,如图4-1(b)所示,换向元件被电刷短路,这时随着换向器的 继续移动,换向元件中的电流i开始减小。当i减小到零之后,再反向增加;当 电枢转到电刷只与换向片2接触时,如图4-1(c)所示,换向元件属于电刷左 边的一条电枢绕组支路,这时元件中的电流仍等于电枢绕组支路电流,但其方 向与原来相反,即为一i。至此,该元件换向结束 如上所述,当旋转的电枢元件从电枢绕组一条支路经过电刷进人电枢绕组另 一条支路时,该元件中电流从一个方向变换到另一个方向。电枢绕组元件中电流 方向的改变称为换向 换向元件从换向开始到换向结束所经历的时间称为换向周期,以T表示, 如图4-2所示,T也就是换向过程中换向器在空间移动距离b所需的时间。换 向周期T是很短的,通常只有千分之几秒。应该指出,换向周期T虽然很短, 但换向过程却很复杂,不仅仅是单一的电磁变化过程,同时还出现了机械、电化 学与电热等现象,而且它们之间又相互影响,这样,给研究换向问题带来极大的 困难 T 图4-2电枢绕组元件中电流的变化 三、换向元件中的电势及换向电流 换向过程也就是电枢绕组元件被电刷短路的过程,被电刷短路的元件中电流 (即换向电流)的变化规律,取定于闭合回路中的电势和电阻。图4-3所示为换
开始换向瞬间，电枢转到电刷与换向片 1 相接触的位置，如图 4-1（a）所 示。这时换向元件属于电刷右边的一条电枢绕组支路，元件中流过的电流 i 等于 电枢绕组支路电流 a i ，设此电流的方向为正；当电枢转到电刷与换向片 1 及 2 都 接触的位置时，如图 4-1（b）所示，换向元件被电刷短路，这时随着换向器的 继续移动，换向元件中的电流 i 开始减小。当 i 减小到零之后，再反向增加；当 电枢转到电刷只与换向片 2 接触时，如图 4-1（c）所示，换向元件属于电刷左 边的一条电枢绕组支路，这时元件中的电流仍等于电枢绕组支路电流 a i ，但其方 向与原来相反，即为－ a i 。至此，该元件换向结束。 如上所述，当旋转的电枢元件从电枢绕组一条支路经过电刷进人电枢绕组另 一条支路时，该元件中电流从一个方向变换到另一个方向。电枢绕组元件中电流 方向的改变称为换向。 换向元件从换向开始到换向结束所经历的时间称为换向周期，以 TK 表示， 如图 4－2 所示， TK 也就是换向过程中换向器在空间移动距离 b b 所需的时间。换 向周期 TK 是很短的，通常只有千分之几秒。应该指出，换向周期 TK 虽然很短， 但换向过程却很复杂，不仅仅是单一的电磁变化过程，同时还出现了机械、电化 学与电热等现象，而且它们之间又相互影响，这样，给研究换向问题带来极大的 困难。 图 4－2 电枢绕组元件中电流的变化 三、换向元件中的电势及换向电流 换向过程也就是电枢绕组元件被电刷短路的过程，被电刷短路的元件中电流 （即换向电流）的变化规律，取定于闭合回路中的电势和电阻。图 4-3 所示为换
向元件的电路图 图4-3换向元件电路图 1.换向元件中的电势 换向元件由于电流换向和受到外磁场的作用,将产生下列电势。 (1)电抗电势e 电枢绕组元件中通过电流时,在元件的槽部和端部将产生漏磁通。由于换向 元件中的电流在很短的换向周期T内由+变为-n,所产生的漏磁通也相应地 变化。根据电磁感应定律,当闭合回路中磁链变化时,将产生反电势,力图阻止 磁链的变化,即阻止电流的变化,这种反电势称为电抗电势。在换向元件中由于 元件本身的电感而产生自感电势e,;对整距元件,同槽中上、下层元件将同时 换向,因此上、下层元件产生的漏磁通也相交链,所以,在该元件中除了自感电 势e,外,还产生互感电势e灬。自感电势e和互感电势e,之和,称为电抗电势ε 即 e,=e +eM=-l (4-1) 式中L一一换向元件的合成电感系数,包括自感和互感 d i d电流变化率。 根据电磁感应定律可以判断,电抗电势e的方向与换向前的电流方向一致, 即换向元件中电抗电势e的作用是阻碍电流换向的。图4-4画出了电抗电势的 方向及所研究的换向元件和它所产生的漏磁通
向元件的电路图。 图 4-3 换向元件电路图 1.换向元件中的电势 换向元件由于电流换向和受到外磁场的作用，将产生下列电势。 （1）电抗电势 r e 电枢绕组元件中通过电流时，在元件的槽部和端部将产生漏磁通。由于换向 元件中的电流在很短的换向周期 TK 内由 a + i 变为 a − i ，所产生的漏磁通也相应地 变化。根据电磁感应定律，当闭合回路中磁链变化时，将产生反电势，力图阻止 磁链的变化，即阻止电流的变化，这种反电势称为电抗电势。在换向元件中由于 元件本身的电感而产生自感电势 L e ；对整距元件，同槽中上、下层元件将同时 换向，因此上、下层元件产生的漏磁通也相交链，所以，在该元件中除了自感电 势 L e 外，还产生互感电势 M e 。自感电势 eL和互感电势 M e 之和,称为电抗电势 r e , 即： dt di e e e L a r = L + M = − r （4-1） 式中 Lr——换向元件的合成电感系数，包括自感和互感； dt dia 一电流变化率。 根据电磁感应定律可以判断，电抗电势 r e 的方向与换向前的电流方向一致， 即换向元件中电抗电势 r e 的作用是阻碍电流换向的。图 4—4 画出了电抗电势的 方向及所研究的换向元件和它所产生的漏磁通
图4-4换向元件中的漏磁通及电抗电势的方向 电抗电势e的大小取定于电枢电流和转速,电流越大,转速越高,则电抗电 势e越大,电机换向就越困难。 (2)电枢反应电势e 电机负载运行时,除了主磁场外,还存在电枢磁场,如图4-5所示。在几 何中心线处,主磁场等于零,但存在着较强的电枢磁场。当电枢旋转时,处于几 何中性线上的换向元件,将切割交轴电枢磁场而产生电枢反应电势e。根据右手 定则可以判断en的方向也是与换向前的电流方向相同,即e和e方向一致,都 是阻碍电流换向的 图4-5电枢反应磁场图 1-交轴电枢磁势:2-交轴电枢反应磁密:3-换向元件
图 4—4 换向元件中的漏磁通及电抗电势的方向 电抗电势 r e 的大小取定于电枢电流和转速，电流越大，转速越高，则电抗电 势 r e 越大，电机换向就越困难。 （2）电枢反应电势 a e 电机负载运行时，除了主磁场外，还存在电枢磁场，如图 4－5 所示。在几 何中心线处，主磁场等于零，但存在着较强的电枢磁场。当电枢旋转时，处于几 何中性线上的换向元件，将切割交轴电枢磁场而产生电枢反应电势 a e 。根据右手 定则可以判断 a e 的方向也是与换向前的电流方向相同，即 a e 和 r e 方向一致，都 是阻碍电流换向的。 图 4－5 电枢反应磁场图 1-交轴电枢磁势；2-交轴电枢反应磁密；3-换向元件