直流电机的换向问题和换向极绕组

通过对直流电机电枢绕组的分析知道，当电枢旋转时，组成电枢绕组的每条支路里所含元件数目是不变的，但组成每条支路的元件都在依次循环地更换。一条支路中的某个元件在经过电刷后就成为另一条支路的元件，并且在电刷的两侧，元件中的电流方向是相反的，因此直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路。在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。

换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对附近无线电通讯有干扰。国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定。读者可参阅我国有关国家技术标准。

产生火花的原因是多方面的，除电磁原因外，还有机械的原因，换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们互相交织在一起，所以相当复杂，至今还没有完全掌握其各种现象的物理实质，尚无完整的理论分析。

就电磁理论方面看，换向元件在换向过程中，电流的变化必然会在换向元件中产生自感电动势。此外，因电刷宽度通常为2~3片换向片宽，同时换向的元件就不止一个，换向元件与换向元件之间会有互感电动势产生。自感电动势和互感电动势的合成称为电抗电动势。根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。另外电枢磁场的存在，使得处在几何中性线上的换向元件中产生一种切割电动势，称为电枢反应电动势。根据右手定则，电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用。因此，换向元件中出现延迟换向的现象，造成换向元件离开一个支路最后瞬间尚有较大的电磁能量，这部分能量以弧光放电的方式转化为热能，散失在空气中，因而在电刷与换向片之间出现火花。

从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。由于换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势均与电枢电流成正比，所以换向极绕组中应通以电枢电流，即换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组一般用截面较大的矩形导线绕成，而且匝数较少。

换向极绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反，大小比电枢磁通势大。这样换向极磁通势除抵削电枢磁通势在几何中性线处的作用外，剩余的磁通势在换向元件里产生感应电动势，这个电动势抵消换向元件中的电抗电动势。只要换向极设计和调整得合适，就能保证换向元件中总电动势接近于零，电机的换向就比较顺利了，使负载运行时电刷与换向器之间基本上没有火花。图1表示了一台直流电机换向极绕组的联接与换向极的极性布置。在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边刚离开的那个主磁极极性一样，其排列顺序为 、 、 、 （ 、 为换向极极性），而在直流发电机中，应与将进入的那个主磁极极性相同，其排列顺序为 、 、 、 。

图1 换向极绕组联接与极性