3)换向电势e 上面所讨论的两个电势e,和en,是没有安装换向极的电机中换向元件所感 应的电势,它们都是阻碍电流换向的。为了改善换向,容量在1kw以上的直流电 机都安装有换向极,换向极安装在几何中性线上。换向极极性应正确,以使它的 磁势与交轴电枢反应磁势相反,如图4-6所示。这样,当换向元件切割换向极 磁场时,感应产生换向电势e,其方向与e和e相反,用来抵消e和e对换向 的不利影响。 N N e 图4-6有换向极时的磁场图 交轴电枢磁势:2-换向极磁势:3-合成磁势 因此,当电机换向时,换向元件回路内合成电势等于以上电势之和,即 ∑e=er+ea-ek (4-2) 当换向电势ε选择的合适,使e=e+e,恰好可以互相抵消时,换向元件 中的合成电势力Σ=0,此时电机能得到满意的换向。如果换向极磁场不合适, 则合成电势就不等于零,这时在换向元件中将产生附加电流。过大的附加电流
3）换向电势 k e 上面所讨论的两个电势 r e 和 a e ，是没有安装换向极的电机中换向元件所感 应的电势，它们都是阻碍电流换向的。为了改善换向，容量在 1kw 以上的直流电 机都安装有换向极，换向极安装在几何中性线上。换向极极性应正确，以使它的 磁势与交轴电枢反应磁势相反，如图 4－6 所示。这样，当换向元件切割换向极 磁场时，感应产生换向电势 k e ，其方向与 r e 和 a e 相反，用来抵消 r e 和 a e 对换向 的不利影响。 图 4－6 有换向极时的磁场图 1-交轴电枢磁势；2-换向极磁势；3-合成磁势。 因此，当电机换向时，换向元件回路内合成电势等于以上电势之和，即： r a k e = e + e − e （4 一 2） 当换向电势 k e 选择的合适，使 k r a e = e + e ，恰好可以互相抵消时，换向元件 中的合成电势力 e = 0 ，此时电机能得到满意的换向。如果换向极磁场不合适， 则合成电势就不等于零，这时在换向元件中将产生附加电流。过大的附加电流
会使电机换向恶化。 2.换向元件中的电阻 图4-3所示换向元件电路,若不计元件及引线电阻,换向回路的电阻即是 电刷与换向片间的接触电阻。接触电阻的大小可认为和电刷接触面积成反比,设 R为电刷总接触电阻,R、R2分别为电刷与换向片1、2的接触电阻,则: R=R R,=R (4-3) 3.换向元件中的电流 由图4-3所示的换向元件电路,可得换向元件回路的电势平衡方程式为 Gn+)R1-(n-l72 换向元件中电流的变化规律为 i=ia tk )r t-it+ix 式中i1——直线换向电流 ik--附加换向电流 在换向过程中,换向元件中电流的变化情况可根据1的不同,分为电阻换向、 延迟换向和超越换向3种基本类型,如图4-7所示。 ∑e>0 ∑e<0 图4—7换向元件中电流的变化规律 (a)电阻换向:(b)延迟换向:(c)超越换向
会使电机换向恶化。 2．换向元件中的电阻 图 4—3 所示换向元件电路，若不计元件及引线电阻，换向回路的电阻即是 电刷与换向片间的接触电阻。接触电阻的大小可认为和电刷接触面积成反比，设 R 为电刷总接触电阻，R1、R2分别为电刷与换向片 1、2 的接触电阻，则： T t T R R K K − 1 = t T R R K 2 = （4—3） 3.换向元件中的电流 由图 4—3 所示的换向元件电路，可得换向元件回路的电势平衡方程式为 (i i)R (i i)T e a + 1 − a − 2 = 换向元件中电流的变化规律为 L K K K K a i i T T t R e T t i i = + − + • = + 2 2 1 （4-4） 式中 L i ——直线换向电流； K i ——附加换向电流。 在换向过程中，换向元件中电流的变化情况可根据 1 的不同，分为电阻换向、 延迟换向和超越换向 3 种基本类型，如图 4—7 所示。 图 4—7 换向元件中电流的变化规律 （a）电阻换向；（b）延迟换向；（c）超越换向
(1)电阻换向 当e=e,+en时为理想换向情况,此时,元件中的合成电势∑e=0,换向 元件中电流的变化仅取决于换向元件回路的电阻,故称为电阻换向。因为此时换 向电流i对时间t按直线关系变化,所以电阻换向又称为直线换向,如图4-7 (a)所示 直线换向的特点是电刷接触面上电流密度的分布始终是均匀的,它是一种理 想的换向情无,在电刷与换向器之间不产生火花 (2)延迟换向 在一般情况下,换向电势e并不可能恰好抵消电抗电势en和电枢反应电势 en,若换向极磁场较弱,则e<en+en,合成电势∑e≠0,则换向元件中产生 附加电流讠们根据楞次定律可知,i是阻止换向电流i变化的。当i=0时,电 流改变方向的时刻比直线换向时推迟,故称为延迟换向,如图4-7(b)所示。延 迟换向说明换向极磁势较弱,故又称为欠补偿换向 由图4-8(a)可见,由于ix与1;同方向而与i2反方向,相应地使后刷边(即 滑出换向器的一边)的电流密度增大,前刷边(即滑入换向器的一边)的电流密 度减小,破坏了电刷下电流密度分布的均匀性,这对换向是不利的,可能产生火 花 后 刷 2ia 图4-8∑e≠0时的换向电流图 (a)延迟换向:(b)超越换向 (3)超越换向
(1)电阻换向 当 k r a e = e + e 时为理想换向情况，此时，元件中的合成电势 e = 0 ，换向 元件中电流的变化仅取决于换向元件回路的电阻，故称为电阻换向。因为此时换 向电流 i 对时间 t 按直线关系变化，所以电阻换向又称为直线换向，如图 4—7 （a）所示。 直线换向的特点是电刷接触面上电流密度的分布始终是均匀的，它是一种理 想的换向情无，在电刷与换向器之间不产生火花。 （2）延迟换向 在一般情况下，换向电势 k e 并不可能恰好抵消电抗电势 r e 和电枢反应电势 a e ，若换向极磁场较弱，则 k r a e e + e ，合成电势 e 0 ，则换向元件中产生 附加电流 K i 们根据楞次定律可知， K i 是阻止换向电流 i 变化的。当 i=0 时，电 流改变方向的时刻比直线换向时推迟，故称为延迟换向，如图 4—7(b)所示。延 迟换向说明换向极磁势较弱，故又称为欠补偿换向。 由图 4－8(a)可见，由于 K i 与 1 i ；同方向而与 2 i 反方向，相应地使后刷边（即 滑出换向器的一边）的电流密度增大，前刷边（即滑入换向器的一边）的电流密 度减小，破坏了电刷下电流密度分布的均匀性，这对换向是不利的，可能产生火 花。 图 4—8 e 0 时的换向电流图 （a）延迟换向；（b）超越换向。 （3）超越换向
若换向极磁场较强,则e>en+e,∑e≠0。在这种情况下,换向元件中 的附加电流改变了方向,即与换向电势e的方向相同,是帮助换向的。当i 0时,电流改变方向的时刻比直线换向时提前,故称为超越换向,如图4-7(c) 所示。超越换向说明换向极磁势较强,故又称为过补偿换向 由图4-8(b)可见,由于ik与i2同方向而与i1反方向,相应地使前刷边电流 密度增大;后刷边电流密度减小,从而也破坏了电刷下电流密度分布的均匀性 同样对电机换向不利。 第二节产生火花的原因 直流电机的换向问题十分复杂,产生火花的原因也是多种多样的。通过不断 实践和分析研究,到目前为止,对产生火花通常归纳为电磁、机械和化学等3个 方面的原因。 、电磁原因 早期认为,产生火花的原因是由于电刷接触面电流密度太大所至。但实践证 明,产生火花的原因并不是电流密度大。因为在近乎直线换向时,即使平均电流 密度达到200A/cm2以上,后刚过电流密度达到350~400A/cm2时,也没有发生 火花。而电机正常运用时,当电刷平均电流密度仅为8~20A/cm2。可见,这种 认识并不符合实际 经过不断实践和长期研究,目前对电磁原因有以下几种看法: (1)当电机处于直线换向时,尽管电流密度可能很大,但电刷下不会产生 火花。 (2)当延迟换向不太严重时,在换向开始和结束瞬间,附加换向电流i都 等于零,这时,后即边电流密度虽然很大,但井不产生火花。只有过分延迟换向 时,当t=Tx,。还未降到零,在换向元件和电刷断开瞬间,换向元件中的;以 电磁能量L1的形式释放出来,当这部分能量足够大时,后刷边就会产生火花 因此,可以认为,附加换向电流;过大是产生火花的电磁原因。 (3)当电机工作在严重超越换向时、前刷边电流密度增大,同时电刷与换 向片刚开始接触,仅有少数点接触。使这个增大的电流集中在电刷与换向片开始
若换向极磁场较强，则 k r a e e + e ，e 0 。在这种情况下，换向元件中 的附加电流 K i 改变了方向，即与换向电势 k e 的方向相同，是帮助换向的。当 i ＝0 时，电流改变方向的时刻比直线换向时提前，故称为超越换向，如图 4—7(c） 所示。超越换向说明换向极磁势较强，故又称为过补偿换向。 由图 4－8(b)可见，由于 K i 与 2 i 同方向而与 1 i 反方向，相应地使前刷边电流 密度增大；后刷边电流密度减小，从而也破坏了电刷下电流密度分布的均匀性， 同样对电机换向不利。 第二节 产生火花的原因 直流电机的换向问题十分复杂，产生火花的原因也是多种多样的。通过不断 实践和分析研究，到目前为止，对产生火花通常归纳为电磁、机械和化学等 3 个 方面的原因。 一、电磁原因 早期认为，产生火花的原因是由于电刷接触面电流密度太大所至。但实践证 明，产生火花的原因并不是电流密度大。因为在近乎直线换向时，即使平均电流 密度达到 200A／cm 2以上，后刚过电流密度达到 350～400A／cm 2时，也没有发生 火花。而电机正常运用时，当电刷平均电流密度仅为 8～20A／cm 2。可见，这种 认识并不符合实际。 经过不断实践和长期研究，目前对电磁原因有以下几种看法： （1）当电机处于直线换向时，尽管电流密度可能很大，但电刷下不会产生 火花。 （2）当延迟换向不太严重时，在换向开始和结束瞬间，附加换向电流 K i 都 等于零，这时，后即边电流密度虽然很大，但井不产生火花。只有过分延迟换向 时，当 K K t = T ,i 。还未降到零，在换向元件和电刷断开瞬间，换向元件中的 K i 以 电磁能量 2 2 1 r K L i 的形式释放出来，当这部分能量足够大时，后刷边就会产生火花。 因此，可以认为，附加换向电流 K i 过大是产生火花的电磁原因。 （3）当电机工作在严重超越换向时、前刷边电流密度增大，同时电刷与换 向片刚开始接触，仅有少数点接触。使这个增大的电流集中在电刷与换向片开始
接触的少数点上,导致电刷局部过热而在前刷边出现火花或电弧。 二、机械原因 牵引电动机在运行中受到强烈振动,换向器、转子和电刷装置不良也会引起 电机产生火花,这类火花称之为机械火花。 机械火花的产生可以归纳为两大类: 1.换向器及电机旋转部分的缺陷 (1)个别换向片或云母片凸出 (2)换向器偏心、转子动平衡不好 (3)换向器工作表面污染、有毛刺、斑痕或拉伤沟纹等 (4)换向器工作表面变形,如呈椭圆形、腰形或锥形等。 2.电刷装置的缺陷 (1)电刷接触面研磨的不光滑,接触不良或只是局部接触 (2)电刷在刷盒中间隙不合适,造成跳动、倾斜或卡死现象 (3)电刷上压力不适当; (4)刷握装置不稳固,造成刷握位置偏离几何中心线 (5)刷架圈的定位不准确或安装不牢固等。 产生机械火花的原因是多种多样的,有时可能是几种原因同时起作用。因此 在电机零部件生产和组装时,必须精心制造和严格工艺要求。电机运行时,一旦 出现火花,应仔细观察和具体分析。一般来说,机械火花和电磁火花是有区别的 机械火花呈红色或黄色,连续而较粗,沿切线方向飞出,且在换向器表面产生没 规律的黑痕。电磁原因引起的火花呈白色或蓝色,连续而细小,基本上都在后刷 边燃烧,换向器上留下有规律的黑色痕迹。 三、化学原因一换向器滑动面的薄膜 以前,主要是以电磁理论方面来研究换向,分析产生火花的原因。但实际上, 换向问题相当复杂,除电磁原因和机械原因会导致火花外,化学原因也将导致直 流和脉流牵引电动机在运行中产生火花。 在正常情况下,当电机长期运行之后,换向器滑动面会覆盖一层很薄的薄膜, 电刷在与换向器接触时,并不是直接与换向器钢片本身接触,而是通过这层薄膜 与换向器铜片接触。要获得良好的换向,除保持电磁和机械方面的良好条件外
接触的少数点上，导致电刷局部过热而在前刷边出现火花或电弧。 二、机械原因 牵引电动机在运行中受到强烈振动，换向器、转子和电刷装置不良也会引起 电机产生火花，这类火花称之为机械火花。 机械火花的产生可以归纳为两大类： 1.换向器及电机旋转部分的缺陷 （1）个别换向片或云母片凸出； （2）换向器偏心、转子动平衡不好； （3）换向器工作表面污染、有毛刺、斑痕或拉伤沟纹等； （4）换向器工作表面变形，如呈椭圆形、腰形或锥形等。 2.电刷装置的缺陷 （1）电刷接触面研磨的不光滑，接触不良或只是局部接触； （2）电刷在刷盒中间隙不合适，造成跳动、倾斜或卡死现象； （3）电刷上压力不适当； （4）刷握装置不稳固，造成刷握位置偏离几何中心线； （5）刷架圈的定位不准确或安装不牢固等。 产生机械火花的原因是多种多样的，有时可能是几种原因同时起作用。因此 在电机零部件生产和组装时，必须精心制造和严格工艺要求。电机运行时，一旦 出现火花，应仔细观察和具体分析。一般来说，机械火花和电磁火花是有区别的。 机械火花呈红色或黄色，连续而较粗，沿切线方向飞出，且在换向器表面产生没 规律的黑痕。电磁原因引起的火花呈白色或蓝色，连续而细小，基本上都在后刷 边燃烧，换向器上留下有规律的黑色痕迹。 三、化学原因一换向器滑动面的薄膜 以前，主要是以电磁理论方面来研究换向，分析产生火花的原因。但实际上， 换向问题相当复杂，除电磁原因和机械原因会导致火花外，化学原因也将导致直 流和脉流牵引电动机在运行中产生火花。 在正常情况下，当电机长期运行之后，换向器滑动面会覆盖一层很薄的薄膜， 电刷在与换向器接触时，并不是直接与换向器钢片本身接触，而是通过这层薄膜 与换向器铜片接触。要获得良好的换向，除保持电磁和机械方面的良好条件外