直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
直流電機(jī)的換向
旋轉(zhuǎn)著的電樞某元件從一個(gè)支路轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)支路時(shí)，元件中的電流變化的過渡過程稱為換向過程。
換向過程分析
電刷是支路的分界線；我們研究電刷與1、2片換向片分別和同時(shí)接觸時(shí)的情況。
換向剛開始時(shí)，元件仍屬于右邊支路，其電流為+ia（右→左）；
處于換向過程中時(shí)，元件被電刷短路，電流大小和方向處于變化的過程中；
換向結(jié)束時(shí)，元件進(jìn)入左邊支路，其電流已經(jīng)由+ia變?yōu)?ia（左→右）。
一個(gè)元件的電流換向過程所需的時(shí)間就稱為換向周期Th，即一個(gè)換向片通過電刷所用的時(shí)間。換向元件的電流從+ia變到-ia所用的時(shí)間即為一個(gè)換向周期。Th=0.5～2ms
換向問題十分復(fù)雜，換向不良會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度時(shí)可能損壞換向器表面，從而使電機(jī)不能正常工作。
產(chǎn)生火花的原因除電磁原因外，還有電化學(xué)、工藝、電熱等因素，至今尚無很成熟的理論。
換向元件中的電勢
1．電抗電勢 ex
一般， 換向周期非常短暫，電流的變化會(huì)在繞組元件中產(chǎn)生自感和互感電勢，兩者的合成電勢稱為電抗電勢，用ex表示。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
根據(jù)楞次定理，電抗電勢的性質(zhì)總是阻礙線圈中電流的變化，亦即ex的方向企圖與換向前的電流方向相同?；蛘哒f電抗電勢是阻礙換向的。
電抗電勢大小反比于換向周期。
2．電樞反應(yīng)電勢 ea
換向元件切割電樞反應(yīng)磁場，從而產(chǎn)生了電樞反應(yīng)電勢。其方向與ex相同，即其性質(zhì)也是阻礙換向的。其大小為： Ea=2Wy Ba l va3．換向極電勢 eK
換向極電勢是由于換向元件切割換向磁極感應(yīng)的電勢，換向磁極是為改善換向而設(shè)置的。其方向企圖與換向后的電流方向相同，或者說換向極電勢是幫助換向的。
影響換向的因素
電磁因素：電抗電勢和切割電勢阻礙換向。機(jī)械、化學(xué)、材料等原因
機(jī)械方面的原因如：換向器偏心、片間絕緣凸出、某個(gè)換向片凸出、電刷與換向器表面接觸不好等等；化學(xué)方面：高空缺氧、缺水、某些化工廠的電機(jī)，都可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜而產(chǎn)生火花。
改善換向的方法
1.裝換向極：在換向元件處產(chǎn)生一個(gè)磁勢以抵消該處的電樞反應(yīng)磁勢。再產(chǎn)生一個(gè)磁密，換向元件切割該磁密時(shí)產(chǎn)生一個(gè)能抵消電抗電勢的電勢。換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。
換向磁極的極性判斷原則： 對直流發(fā)電機(jī)是：順轉(zhuǎn)向看與主極極性相同； 對直流電動(dòng)機(jī)是：逆轉(zhuǎn)向看與主極極性相同。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
2.裝補(bǔ)償繞組：裝置在磁極表面的槽內(nèi)，產(chǎn)生抵消電樞反應(yīng)的磁勢，與電樞繞組串聯(lián)。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
3.移動(dòng)電刷位置：對于未裝換向極的小型串勵(lì)直流電機(jī)，把電刷從幾何中性線（與處于幾何中性線處的導(dǎo)體接觸）移動(dòng)一個(gè)適當(dāng)?shù)男〗嵌?，使得換向元件產(chǎn)生的感應(yīng)電勢與換向后的電流方向相同。但是電刷移動(dòng)后，會(huì)產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)，導(dǎo)致電壓有些降低、轉(zhuǎn)速稍有升高，可能引起運(yùn)行不穩(wěn)定，故此方法旨在小容量電機(jī)中采用。
判斷電刷移動(dòng)的方向： 對直流發(fā)電機(jī)是順轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)小角度；
對直流電動(dòng)機(jī)是逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)小角度。
空載時(shí)直流電機(jī)的磁場
直流電機(jī)的磁通路徑
磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛--主磁極1。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
空載磁通密度波形
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
空載時(shí)電樞電流為0，氣隙磁場是由勵(lì)磁電流單獨(dú)決定。
磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強(qiáng)且均勻。
極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何中性線處磁密為0。
空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)B0（x）表示；分析可知它是平頂波。
氣隙磁場
空載磁場是在無載情況下（即電樞電流為零），勵(lì)磁繞組中通入電流后由勵(lì)磁磁動(dòng)勢單獨(dú)建立的磁場。
空載時(shí)主磁場分布情況及計(jì)算方法已在第一節(jié)至第三節(jié)中介紹。
空載時(shí)主磁場的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。
由于磁極極靴寬度總是小于極距，在極靴下氣隙較小，所以極靴下沿電樞表面主磁場較強(qiáng)，極靴以外，氣隙加大，主磁場明顯削弱，在兩極間的幾何中性線處磁密為零。氣隙磁場磁密分布波形為一禮帽形
旋轉(zhuǎn)著的電樞某元件從一個(gè)支路轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)支路時(shí)，元件中的電流變化的過渡過程稱為換向過程。
換向過程分析
電刷是支路的分界線；我們研究電刷與1、2片換向片分別和同時(shí)接觸時(shí)的情況。
換向剛開始時(shí)，元件仍屬于右邊支路，其電流為+ia（右→左）；
處于換向過程中時(shí)，元件被電刷短路，電流大小和方向處于變化的過程中；
換向結(jié)束時(shí)，元件進(jìn)入左邊支路，其電流已經(jīng)由+ia變?yōu)?ia（左→右）。
一個(gè)元件的電流換向過程所需的時(shí)間就稱為換向周期Th，即一個(gè)換向片通過電刷所用的時(shí)間。換向元件的電流從+ia變到-ia所用的時(shí)間即為一個(gè)換向周期。Th=0.5～2ms
換向問題十分復(fù)雜，換向不良會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度時(shí)可能損壞換向器表面，從而使電機(jī)不能正常工作。
產(chǎn)生火花的原因除電磁原因外，還有電化學(xué)、工藝、電熱等因素，至今尚無很成熟的理論。
換向元件中的電勢
1．電抗電勢 ex
一般， 換向周期非常短暫，電流的變化會(huì)在繞組元件中產(chǎn)生自感和互感電勢，兩者的合成電勢稱為電抗電勢，用ex表示。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
根據(jù)楞次定理，電抗電勢的性質(zhì)總是阻礙線圈中電流的變化，亦即ex的方向企圖與換向前的電流方向相同?；蛘哒f電抗電勢是阻礙換向的。
電抗電勢大小反比于換向周期。
2．電樞反應(yīng)電勢 ea
換向元件切割電樞反應(yīng)磁場，從而產(chǎn)生了電樞反應(yīng)電勢。其方向與ex相同，即其性質(zhì)也是阻礙換向的。其大小為： Ea=2Wy Ba l va3．換向極電勢 eK
換向極電勢是由于換向元件切割換向磁極感應(yīng)的電勢，換向磁極是為改善換向而設(shè)置的。其方向企圖與換向后的電流方向相同，或者說換向極電勢是幫助換向的。
影響換向的因素
電磁因素：電抗電勢和切割電勢阻礙換向。機(jī)械、化學(xué)、材料等原因
機(jī)械方面的原因如：換向器偏心、片間絕緣凸出、某個(gè)換向片凸出、電刷與換向器表面接觸不好等等；化學(xué)方面：高空缺氧、缺水、某些化工廠的電機(jī)，都可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜而產(chǎn)生火花。
改善換向的方法
1.裝換向極：在換向元件處產(chǎn)生一個(gè)磁勢以抵消該處的電樞反應(yīng)磁勢。再產(chǎn)生一個(gè)磁密，換向元件切割該磁密時(shí)產(chǎn)生一個(gè)能抵消電抗電勢的電勢。換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。
換向磁極的極性判斷原則： 對直流發(fā)電機(jī)是：順轉(zhuǎn)向看與主極極性相同； 對直流電動(dòng)機(jī)是：逆轉(zhuǎn)向看與主極極性相同。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
2.裝補(bǔ)償繞組：裝置在磁極表面的槽內(nèi)，產(chǎn)生抵消電樞反應(yīng)的磁勢，與電樞繞組串聯(lián)。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
3.移動(dòng)電刷位置：對于未裝換向極的小型串勵(lì)直流電機(jī)，把電刷從幾何中性線（與處于幾何中性線處的導(dǎo)體接觸）移動(dòng)一個(gè)適當(dāng)?shù)男〗嵌?，使得換向元件產(chǎn)生的感應(yīng)電勢與換向后的電流方向相同。但是電刷移動(dòng)后，會(huì)產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)，導(dǎo)致電壓有些降低、轉(zhuǎn)速稍有升高，可能引起運(yùn)行不穩(wěn)定，故此方法旨在小容量電機(jī)中采用。
判斷電刷移動(dòng)的方向： 對直流發(fā)電機(jī)是順轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)小角度；
對直流電動(dòng)機(jī)是逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)小角度。
空載時(shí)直流電機(jī)的磁場
直流電機(jī)的磁通路徑
磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛--主磁極1。
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
空載磁通密度波形
直流電機(jī)的換向分析與空載磁場解析
空載時(shí)電樞電流為0，氣隙磁場是由勵(lì)磁電流單獨(dú)決定。
磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強(qiáng)且均勻。
極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何中性線處磁密為0。
空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)B0（x）表示；分析可知它是平頂波。
氣隙磁場
空載磁場是在無載情況下（即電樞電流為零），勵(lì)磁繞組中通入電流后由勵(lì)磁磁動(dòng)勢單獨(dú)建立的磁場。
空載時(shí)主磁場分布情況及計(jì)算方法已在第一節(jié)至第三節(jié)中介紹。
空載時(shí)主磁場的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。
由于磁極極靴寬度總是小于極距，在極靴下氣隙較小，所以極靴下沿電樞表面主磁場較強(qiáng)，極靴以外，氣隙加大，主磁場明顯削弱，在兩極間的幾何中性線處磁密為零。氣隙磁場磁密分布波形為一禮帽形
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