电机的换向

在一些电机上我们可看到其转子里装有一个由许多铜片组合起来的导电环，这个通过一对电刷与外电源连接，对于电动机来说我们称其为换向器，对于发电机来说我们称其为整流子。

    在直流电动机中（如录像机、录音机、自动化控制等方面的电机）和一些交流电动机（如电钻、吸尘器）都使用了换向器。为了了解换向器的工作过程，我们就以最简单（三块换向片）的录音机常用的直流电动机为例加以讨论。图2是这种直流电动机转子电器原理图，当在电刷上接入如图所示的直流电源后，线圈A的电流方向如图2所示，当电动机旋转到电刷位置如图3所示的时候，线圈A的电流方向发生了变化。所以，换向器的实质是使转子绕组在一个支路进入另一个支路时使得绕组的电流从+Ia变为-Ia的过程，这就是所谓换向的实质。根据电磁理论，在换向时，绕组线圈将产生下列电势：

1、自感应电势el：由于换向器使得线圈的电流从+到-的变化，那么与换向片相连的绕组磁通也从+φ变到-φ，因而产生自感电动势el。

2、互感电动势em：它是当电刷宽度大于一个换向片宽度时，发生多个绕组同时换向而产生的。

3、外磁场电动势ek：我们知道，直流电动机的定子都是由固定的磁场构成，当转子旋转时，转子绕组就切割磁力线而产生电动势，这个电动势就是外磁场电动势ek。但当电刷处在某一个几何位置时，电刷所对应的绕组并没有切割磁力线，此时ek为零，我们称这个位置为电器中性线。当电刷偏离中性线的某一端时设产生+ek，那么偏离另一端时将产生-ek。

    转子绕组换向时，流过绕组的电流从+Ia突变到本世纪末-Ia，绕组磁通也同时迅速变化产生较高的ek，从而使绕组产生很大的电流iL，当电刷离开某一换向片时，可视为断开了一个储藏电磁能量很大的电路，如果此能量超过一定限度，则会在电刷边产生强烈的火花。这些火花将会严重烧蚀换向片，使电动机的寿命大大下降，为此我们要消除电机换向时所产生的火花。

    那么如何消除这些火花呢？按分析要消除这些火花只要减弱el就可以了。上面我们说到，转子绕组还会感应另一种电势ek，那么我们可以利用ek来制约el，从而达到消除电刷火花的目的。要达到此目的我们只要使ek的大小与el相等，方向与el相反即可（电机工作在这种状态称为直线换向状态）。为此，只要我们在电动机转动的时候，一边观察电刷上的火花情况，一边调整电刷的位置使火花达到最小甚至消失即可。

    另外，在有些电动机中，当电刷较宽的时候（覆盖几片换向片），将会出现二种情况：,

1、延迟换向：此时电刷的前刷边在直线换向状态，而后刷边ek和el方向相同，所以形成后刷边的电流密度大于前刷边，所以在发生换向时会在后刷边产生强烈的火花。

2、越前换向：在这种状态下后刷边的ek大于el，且方向相反，前刷边电流密度大，后刷边电流密度小。当换向完毕，即电刷与换向片脱离接触时，后刷边电流密度为零，此时换向最好。但若ek继续增大，则不仅在后刷边换向情况变坏，前刷边的情况更加严重，此时前刷边产生严重的火花。

    改善换向的方法除了改变电刷位置外还有加装换向磁极法和补偿线圈法。

1、加装换向磁极：这种方法是在电刷所在的几何中性线处加装换向磁极，其极性：在发电机，加装磁极的极性和转子旋转方向前边的主磁极相同；在电动机则和转子旋转方向后边的主磁极相同。这样换向磁极在换向时将产生需要的ek，从而消除电刷的火花。由于转子磁势和el都随负载不同而变化，所以换向磁极的绕组应与转子绕组串联且其铁芯不应饱和。

2、补偿线圈：换向区域的电枢反应可由换向磁极补偿，但在主磁极掌下的电枢反应仍继续使主磁场畸变。这种情况使得某些相邻的换向片之间的电位差增大，因其两有效边在最大的磁感应电势，所以相邻两换显赫片承受的电位差也达到最大值。一般地，在大型电动机中相邻两换向片承受的电位差≤25–28V；中型电动机电位差≤30–35V；小型电动机电位差≤50–60V，才能有良好的换向。如超出此值，在各换向片间会产生电弧，电弧随换向器旋转，结果换向器整个表面都布满火花，这种现象称环火，补偿绕组是消灭环火的有效方法之一。补偿绕组为一分布绕组，按螺旋法绕入主磁极面上的槽中，补偿绕组与电枢绕组串联，电流流过绕组时产生和电枢磁势大小相等，方向相反的磁势而达到补偿的目的。

    最后说一下引起换向不良的其他因素。电刷下发生火花的原因除了上述的电磁因素外，还有机械及其他的各种因素，例如换向器不清洁；表面不平整（如部分换向片突出）从而引起电刷震动；电刷位置不对；电刷压力不适当或各电刷的压力不平衡；电刷牌号不对等等。这些因素均能引起换向不良的后果。

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电机的换向

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