1、第四章第四章 直流电机直流电机 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。但直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，在起动和调速要求较高的生产机械中，如龙门刨床、轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中，仍得到广泛的应用。由于电力电子技术的迅速发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所取代，但仍在电镀、电解行业中继续应用。本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性。第一节第一节直流电机的基本工作原理与结构直流电机
2、的基本工作原理与结构一、直流电机的基本工作原理一、直流电机的基本工作原理1.直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理是基于电磁感应原理，在磁感应强度为Bx的磁场中，一根长度为l的导体以匀速v作垂直切割磁力线的运动时，导体中将产生感应电动势，其值的大小按法拉第定律来计算：图4-1所示为直流发电机的工作原理模型。图中N、S是一对在空间固定不动的磁极(可以是永久磁铁，也可以是电磁铁)，abcd是安装在可以转动的圆柱体(导磁材料制成的)上的一个线圈，(整个转动部分称为转子或电枢)，线圈两端分别接到两个相互绝缘的半圆形铜环(称为换向片，这两个换向片就构成了最简单的换向器)1和2上，换向片分别与固定
3、不动的电刷A和B保持滑动接触，这样，旋转着的线圈可以通过换向片、电刷与外电路接通。当原动机拖着电枢以一定的转速n在磁场中逆时针旋转时，根据电磁感应原理，线圈边ab和cd以线速度v切割磁力线产生感应电动势，其方向用右手定则确定。在图中所示的位置，线圈的ab边处于N极下，产生的感应电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势从d指向c。从整个线圈来看，电动势的方向为dcba；反之，当ab边转到S极下，cd边转到N极下时，每个边的感应电动势方向都要随之改变，于是，整个线圈的感应电动势方向变为abcd。所以线圈中的感应电动势是交变的。那么如何在电刷上得到直流电动势呢?这就要靠换向器的作用
4、了。在图4-1所示瞬间：线圈的ab边处于N极下，电动势的方向从b向a引到电刷A，所以电刷A的极性为正。当线圈转过180，线圈ab边与cd边互换位置，使cd边处于N极下时，于是cd边与电刷A接触，其电动势的方向是从c向d引到电刷A，电刷A的极性仍为正。同理可分析出电刷B的极性为负。进一步观察可以发现：电刷A总是与旋转到N极下的导体接触，所以电刷A总是正极性；而电刷B总是与旋转到S极下的导体接触，所以电刷B总是负极性，故在电刷A、B之间得到的是脉动直流电动势。当电枢上分布的线圈足够多时，就可使脉动程度大为降低，得到平滑的直流电动势。2.直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理是基于电磁力定律
5、的。若磁场Bx与导体互相垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上的电磁力f为 图4-2是直流电动机的工作原理模型。电刷A、B两端加直流电压U，在图示的位置，电流从电源的正极流出，经过电刷A与换向片1而流入电动机线圈，电流方向为abcd，然后再经过换向片2与电刷B流回电源的负极。根据电磁力定律，线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定，如图中所示。此电磁力形成的电磁转矩，使电动机逆时针方向旋转。当线圈边ab转到S极面下、cd转到N极面下时，流经线圈的电流方向必须改变，这样导体所受的电磁力方向才能不变，从而保持电动机沿着一个固定的方向旋转。如何才能使导体中的电流方向
6、改变呢?这个任务将由换向器来完成。从图中可以看出，原来电刷A通过换向片1与经过N极面下的导体ab相连，现在电刷A通过换向片2与经过N极面下的导体cd相连；原来电刷B通过换向片2与经过S极面下的导体cd相连，现在电刷B通过换向片1与经过S极面下的导体ab相连。线圈中的电流方向改为dcba，用左手定则判断电磁力和电磁矩的方向未变，电枢仍逆时针方向旋转。综上所述可知，不论是直流发电机还是直流电动机，换向器可以使正电刷A始终与经过N极面下的导体相连，负电刷B始终与经过S极面下的导体相连，故电刷之间的电压是直流电，而线圈内部的电流则是交变的，所以换向器是直流电机中换向的关键部件。通过换向器和电刷的作用，
7、把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷间方向不变的直流电动势；把直流电动机电刷间的直流电流变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿恒定方向旋转。二、直流电机的基本结构二、直流电机的基本结构由上述直流电机的工作原理可以知道，直流电机由两个主要部分组成：静止部分(称为定子)，主要用来产生磁通；转动部分(称为转子，通常称为电枢)，是机械能变为电能(发电机)或电能变为机械能(电动机)的枢纽。在定转子之间，有一定的间隙称为气隙。图4-3所示为直流电机的主要部件图，图4-4所示为直流电机剖面图。下面简要介绍直流电机主要部件结构及其作用。1.定子部分(1)主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。当励磁绕组中通入
8、直流电流后，铁心中即产生励磁磁通，并在气隙中建立励磁磁场。励磁绕组通 常用圆形或矩形的绝缘导线制成一个集中的线圈，套在磁极铁心外面。磁极铁心一般用11.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成，主磁极铁心柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴与极身交界处形成一个突出的肩部，用以支撑住励磁绕组。极靴沿气隙表面处做成弧形，使极下气隙磁通密度分布更合理。整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极总是N、S两极成对出现。我们用p表示电机的极对数，图4-4中的p=2，即有2对主磁极，常称为4极电机。各主磁极的励磁绕组通常是相互串联连接，连接时要能保证相邻磁极的极性按N、S交替排列。(2)换向极换向极
9、也是由铁心和换向极绕组组成，当换向极绕组通过直流电流后，它所产生的磁场对电枢磁场产生影响，目的是为了改善换向，使电刷与换向片之间火花减小(详见本章第四节)。换向极绕组总是与电枢绕组串联，它的匝数少、导线粗。换向极铁心通常都用厚钢板叠制而成，用螺杆安装在相邻两主磁极之间的机座上。直流电机功率很小时，换向极可以减少为主磁极数的一半，甚至不装设换向极。(3)机座机座的作用之一是把主磁极、换向极、端盖等零部件固定起来，所以要求它有一定的机械强度。它的另一个作用是让励磁磁通经过，是主磁路的一部分(机座中磁通通过的称为磁轭)，因此，又要求它有较好的导磁性能，机座一般为铸钢件或由钢板焊接而成。对于某些在运行
10、中有较高要求的微型直流电机，主磁极、换向极和磁轭用硅钢片一次冲制叠压而成，此时，机座只起固定零部件的作用。(4)电刷装置电刷的作用是将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出。因此，它与换向片既要有紧密的接触，又要有良好的相对滑动。电机中常用一套电刷装置来保证它的作用。电刷装置由电刷及刷盒、弹簧、刷握、刷杆、刷杆座等组成。电刷是用石墨等做成的导电块，放置在刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上。刷握固定在刷杆上，容量大的电机，同一刷杆上可并接一组刷握和电刷。一般刷杆数与主磁极数相等。由于电刷有正、负极之分，因此刷杆必须与刷杆座绝缘。电刷组在换向器表面应对称分布，刷杆座可与端盖
11、或机座相连接。整个电刷装置可以移动，用以调整电刷在换向器上的位置。图4-5为电刷装置结构图。2.转子部分(1)电枢铁心电枢铁心是主磁路的一部分，同时也用来安放电枢绕组。由于电机运行时，电枢与气隙磁场间有相对运动，铁心中也会产生感应电动势而出现涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，电枢铁心通常用厚度为0.5mm、表面涂绝缘的圆形硅钢冲片叠压而成。冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内可安放电枢绕组，有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔。(2)电枢绕组电枢绕组是直流电机电路的主要部分，它的作用是产生感应电动势和流过电流而产生电磁转矩实现机电能量转换，是电机中的重要部件。电枢绕组由许多个线圈
12、(又称绕组元件)按一定的规律连接而成。这种线圈通常用高强度聚酯漆包线绕制而成，它的一条有效边(线圈的直导线部分，因切割磁场而感应电动势的有效部分)嵌入某个槽中的上层，另一有效边则嵌入另一槽中的下层，如图4-6所示。每个线圈两有效边的引出端都分别按一定的规律焊接到换向器的换向片上。电枢绕组线圈间的连接方法有叠绕组、波绕组、混合绕组等。其中单叠绕组、单波绕组的连接示意图如图4-7所示。从参考文献2可知，不同连接规律的电枢绕组有不同的并联支路对数a。如单叠绕组是每个主磁极下的线圈串联成一条支路，电机共有2p个极，就有2p条支路，即p对支路；单波绕组是所有相同极性下的线圈串联成一条支路，电机共有N、S
13、两种极性，故有2条支路，即一对支路。用公式表示为单叠绕组a=p单波绕组a=1 单叠绕组一般适用于较大电流的直流电机，单波绕组一般适用于较高电压的直流电机。注意线圈与铁心槽之间及上、下层有效边之间均应绝缘，槽口处沿轴向打入绝缘材料制成的槽楔将线圈压紧并防止它在旋转时飞出。(3)换向器换向器的作用是与电刷一起将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片(换向片)间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体，每片换向片的一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用。3.气隙 气隙是电机磁路的重要部分。
14、它的路径虽然很短，但由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，(一般小型电机的气隙为0.75mm，大型电机为510mm)，对电机性能有很大的影响，在拆装直流电机时应予以重视。三、直流电机的铭牌数据三、直流电机的铭牌数据 每一台电机上都有一块铭牌，上面列出一些具体的数据，称为额定值。这是电机制造厂家按照国家标准和该电机的特定情况规定的电机额定运行状态时的各种运行数据，也是对用户提出的使用要求。如果用户使用时处于轻载即负载远小于额定值，则电机能持续正常运行，但效率降低，不经济。如果电机运行超出了额定值，则称为过载，将缩短电机的使用寿命甚至可能损坏。所以根据负载条件合理选用电机，使其接近额定值才既经济合理，又可以
15、保证电机可靠地工作，并且具有优良的性能。表4-1是一台直流电动机的铭牌。现对其中几项主要数据说明如下：1.电机型号 型号表明该电机所属的系列及主要特点。掌握了型号，就可以从有关的手册及资料中查出该电机的许多技术数据。2.额定值(1)额定功率PNPN(kW)是指在规定的工作条件下，长期运行时的允许输出功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机来说，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压UNUN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指在按规定正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。(3)额定电流ININ(A)是直流电机正常工作时输出或输
16、入的最大电流值。对于发电机，三个额定值之间的关系为PN=UNIN(4-3)对于电动机，三个额定值之间的关系为PN=UNINN(4-4)额定效率(4)额定转速nNnN(r/min)是指电机在上述各项均为额定值时的运行转速。(5)额定温升是指电机允许的温升限度，温升高低与电机使用的绝缘材料的绝缘等级有关，电机的允许温升与所用绝缘材料绝缘等级的关系见表4-2。3.励磁方式 直流电机在进行能量转换时，不论是将机械能转换为电能的发电机，还是将电能转换为机械能的电动机，都以气隙中的磁场作为媒介。除了采用磁钢制成主磁极的永磁式直流电机以外，直流电机都是在励磁绕组中通以励磁电流If产生磁场的。励磁绕组获得电流
17、的方式称作励磁方式。直流电机的运行性能与它的励磁方式有密切的关系。励磁方式分为：(1)他励励磁绕组的电流由单独的电源供给，如图4-8a所示。(永磁式也是他励的一种形式)(2)并励励磁绕组与电枢绕组并联，如图4-8b所示。(3)串励励磁绕组与电枢绕组串联，如图4-8c所示。(4)复励励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，是主要部分；另一部分与电枢绕组串联，如图4-8d所示。两部分励磁绕组的磁通势方向相同时称为积复励；方向相反则称为差复励。对于直流发电机，由于电枢绕组为输出直流电的电源部分，因此，并励、复励式励磁绕组的电流都由自己的电枢电动势所提供，统称为自励发电机。4.直流电机出线端子的标志
18、 电机每个绕组的出线端子都有明确的标志，用字母标注在接线柱旁或引出导线的金属牌上，标志见表4-3。四、直流电机的主要系列简介四、直流电机的主要系列简介所谓系列电机，就是在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺等方面有共同性，功率按某一系数递增的成批生产的电机。搞系列化的目的是为了产品的标准化和通用化。我国电机主要系列有：(1)Z2系列一般用途的中小型直流电机。(2)Z和ZF系列一般用途的中小型直流电机，其中“Z”为直流电动机系列，“ZF”为直流发电机系列。(3)ZT系列用于恒功率且调速范围较宽的宽调速直流电动机。(4)ZZJ系列冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机，它具有快速起动和承受较大过
19、载能力的特性。(5)ZQ系列电力机车、工矿电机车和蓄电池供电的电车用的直流牵引电动机。(6)Z-H系列船舶上各种辅机用的船用直流电动机。还有许多系列，请参阅电机手册。第二节第二节电磁转矩和电枢电动势电磁转矩和电枢电动势一、电磁转矩一、电磁转矩T T 在直流电机中，电磁转矩是由电枢电流与合成磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。按电磁力定律，作用在电枢绕组每一根导体(线圈的有效边)上的平均电磁力为：f=Bxlia，对于给定的电机，磁感应强度B与每极的磁通成正比；每根导体中的电流ia与从电刷流入(或流出)的电枢电流Ia成正比；导线长度l在电机制成后是个常量。因此电磁转矩T与电磁力f成正比，即电磁转矩
20、与每极磁通和电枢电流Ia的乘积成正比。因此，电磁转矩可表示为式中CT转矩常数，CT=pN/(2a)取决于电机的结构，在已制成的电机中，p、N(电枢绕组总导体根数)、a均为定值；每极磁通(Wb)。当电枢电流Ia的单位为A时，电磁转矩的单位为Nm。式(4-6)表明：对已制成的电机，电磁转矩T正比于每极磁通及电枢电流Ia。当每极磁通恒定时，电枢电流越大，电磁转矩也越大。当电枢电流一定时，每极磁通越大。电磁转矩也越大。二、电枢电动势二、电枢电动势E Ea a 在直流电机中，感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动，即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律，电枢绕组中每根导体的感应电动势为e=Bx
21、lv。对于给定的电机，电枢绕组的电动势即每一并联支路的电动势，等于并联支路每根导体电动势之总和，线速度v与转子的转速n成正比。因此，电枢电动势为式中Ce电动势常数，Ce=pN/(60a)，取决于电机的结构。当每极磁通的单位为Wb，转速n的单位为r/min时，电枢电动势的单位为V。由式(4-7)可知：对已制成的电机，电枢电动势Ea正比于每极磁通和转速。转矩常数CT与电动势常数Ce之间有固定的比值关系：第三节第三节直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理一、直流电动机的基本方程式一、直流电动机的基本方程式 直流电动机的基本方程式是指直流电动机稳定运行时电路系统的电动势平衡方程式，机械系统的转矩平衡
22、方程式以及能量转换过程中的功率平衡方程式。这些方程式反映了直流电动机内部的电磁过程，又表达了电动机内外的机电能量转换，说明了直流电动机的运行原理，必须予以掌握。下面以他励直流电动机为例进行分析。图4-10是一台他励直流电动机结构示意图和电路图，将各物理量的正方向按惯例标注在图上。电枢电动势Ea是反电动势，与电枢电流方向相反，电磁转矩T是拖动转矩，T与转速n的方向一致，负载转矩TL与转速方向相反1.电动势平衡方程式根据电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式U=Ea+IaRa(4-11)式中Ia电枢电流，Ia=I(I为负载电流或称为输入电流，若是并励电动机，则有Ia=I-If)；Ra
23、电枢回路中总电阻。2.功率平衡方程式 电动机在机电能量转换中，是不可能将输入的电功率全部转换成机械功率的，在转换过程中总有一部分能量不能被利用，这部分能量称为损耗。直流电机的损耗可分为：由各类摩擦引起的机械损耗pm、电枢铁心磁滞、涡流损耗之和的铁耗pFe、电枢回路铜耗pCua(=I2aRa)、励磁回路铜耗pf(=UIf=RfI2f)、附加损耗ps。上面机械损耗pm和铁耗pFe空载时就存在，两者之和称空载损耗p0(=pm+pFe)，空载损耗又叫不变损耗；电枢回路铜耗pCua与励磁回路铜耗pf之和称之为铜耗pCu。但pCua相比pf要大得多，且电枢电流随负载变化而变化，因而电机中的电枢铜耗pCua
24、又叫可变损耗。式(4-12)说明：输入的电功率很小部分被电枢绕组消耗(电枢铜耗)，大部分作为电磁功率转换成了机械功率。但这还不是输出的机械功率，扣除机械损耗pm、铁耗pFe以及附加损耗ps后的大部分机械功率，才是从电动机轴上输出的机械功率P2，即 因此，功率平衡方程式，就是扣除损耗的过程。当他励直流电动机接上电源时，电枢绕组中流过电流Ia，电网向电动机输入的电功率为由式(4-12)和式(4-13)可得到P1到P2时的功率平衡方程式：上述的功率平衡关系可由他直流电动机功率流程图形象地表示，如图4-11所示。图中可看到他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。但要注意并励电动机的励磁铜耗由同一电源提
25、供，所以并励电动机的功率平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf。直流电动机的效率为 一般中小型直流电动机的效率在75%85%之间，大型直流电动机的效率约在85%94%之间。3.转矩平衡方程式将式(4-13)的ps忽略，等号两边同除以电动机的机械角速度，可得转矩平衡方程式式中T2电动机轴上输出的机械转矩；T0空载转矩，恒与转子转向相反，是制动性质的。由于空载转矩T0的数值仅为电动机额定转矩的2%5%，所以在重载或额定负载下常忽略不计；而机械转矩T2与电动机轴上所带的负载转矩TL相平衡，即T2=TL，则由式(4-16)可得电动机输出转矩的常用计算公式二、直流电动机的工作特性二、直流电动机的工作特性 直流
26、电动机的工作特性是指U=UN=常数，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩T和效率与输出功率P2之间的关系，即n=f(P2)、T=f(P2)、=f(P2)。下面以他励电动机为例进行讨论。并励电动机的励磁绕组与电枢绕组虽然都并接在同一直流电源上，但因为直流电源电压恒定不变，这就与励磁绕组单独接在另一电源上的效果完全一样，因此并励电动机与他励电动机的运行性能基本相同。当电动机轴上的机械负载增大时，输出的机械功率P2随之增大，输入功率P1和电枢电流Ia也随之增加，电枢电阻压降增大，使转速n降低。但随着电枢电流的图4-12他励电动机工作特性1转速特性2转矩特性3效率特
27、性增加，电枢反应的去磁作用使气隙磁通减小，又使转速n上升。一般情况，电枢电阻压降的影响较大，所以，转速特性是一条略微向下倾斜的曲线，如图4-12曲线1所示。2.转矩特性T=f(P2)根据转矩平衡方程式T=T2+T0=9.55P2/n+T0，如果n不变，则输出转矩T2与P2成正比关系。T2=f(P2)特性曲线是一条过坐标原点的直线。考虑到P2增大时，n略有下降，故T2=f(P2)曲线呈略为上翘趋势，如图4-12曲线2所示。空载转矩T0在转速变化不大的情况下，可认为是一恒定值，因此T=f(P2)特性曲线与T2=f(P2)曲线平行，并比T2=f(P2)曲线高一个数值T0，即曲线在纵坐标上的截距为T0
28、，如图4-12曲线2所示。3.效率特性=f(P2)根据效率公式 由前面的分析可知，直流电机的损耗分为不变损耗p0和可变损耗pCua两部分。当P2从零逐渐增大时，Ia值很小，可变损耗I2aRa很小，可略而不计，电机损耗以不变损耗为主。这样输出功率P2增大，而电机损耗极微，效率上升很快。随后因为可变损耗随电流按平方关系增大，使总损耗的增加很快，效率下降，由此可知，效率曲线是一条先上升，后下降的曲线，如图4-12曲线3所示。曲线中出现了效率最大值max。令d/dIa=0，可得他励电动机获得最大效率的条件为第四节第四节 直流电机的换向直流电机的换向 直流电机运行时，电枢绕组的线圈由一条支路经电刷短路进
29、入另一条支路，该线圈中的电流方向发生改变，这种电流方向的改变叫作换向。换向不良，将在电刷下出现火花。若火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能继续运行。然而换向问题又是十分复杂的，有电磁、机械和电化学等各方面因素交织在一起，以下我们仅就换向过程、影响换向的电磁原因及改善换向的方法作些简要介绍。一、直流电机的换向过程一、直流电机的换向过程 图4-13表示为一个单叠绕组线圈的换向过程。图中电刷是固定不动的，电枢绕组和换向器以va的速度从右向左移动。图4-13a中，电刷只与换向片1接触，线圈K属于电刷右边的支路，线圈中电流为+ia。当电刷同时与换向片1和2接触(见图4-13b)时，线圈K被
30、电刷短路，线圈中电流i=0。当电刷只与换向片2接触(见图4-13c)时，换向线圈K已属于电刷左边支路，电流反向为-ia。这样线圈K中的电流在被电刷的短路过程中，进行了电流换向。而线圈K就称之为换向线圈。从+ia变换到-ia所经历的换向时间称为换向周期Tc，换向周期是极短的，它一般只有千分之几秒。如换向线圈中的电动势等于零，则换向电流变化规律如图4-14的曲线1所示的直线(理想)换向。二、影响换向的电磁原因二、影响换向的电磁原因 在实际换向过程中，换向电流变化规律并不是图4-14中曲线1所示的理想情况。换向线圈中还存在着以下感应电动势而会影响电流的换向。(1)电抗电动势ex从图4-13中可知，换
31、向时换向线圈中换向电流i的大小、方向发生急剧变化，因而会产生自感电动势。同时进行换向的线圈不止一个，电流的变化，除了各自产生自感电动势外，各线圈之间还会产生互感电动势。自感电动势和互感电动势的总和称为电抗电动势ex。根据楞次定律，电抗电动势ex具有阻碍换向线圈中电流变化的趋势，故电抗电动势的方向与线圈换向前的电流方向一致，如图4-15所示。(2)电枢反应电动势ea直流电机负载运行时，电枢反应使主极磁场畸变，几何中性线处磁场不为零，这时处在几何中性线上的换向线圈，就要切割电枢磁场的磁力线而产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势ea。在图4-15中，用右手定则，可判断出直流电动机的电枢反应电动势e
32、a的方向也与线圈换向前的电流方向一致，阻碍电流的换向。由上分析，换向线圈中出现的ex和ea均阻碍电流的换向，它们共同产生一个附加换向电流ik，使换向电流的变化变慢，这表现在图4-14曲线2所示的延迟换向。当换向结束瞬间，被电刷短路的线圈瞬时脱离电刷(后刷边)时，ik不为零，因换向线圈属于电感线圈，所以其中存在一部分磁场能量Lik2/2，这部分能量达到一定数值后，以弧光放电的方式转化为热能，散失在空气中，因而在电刷与换向器之间出现火花。经推导，ex和ea的大小都与电枢电流成正比，又与电动机的转速成正比，所以大容量高转速电机会给换向带来更大的困难。至此，我们得出结论，影响换向的电磁原因是换向线圈中
33、存在由电抗电动势ex和电枢反应电动势ea引起的附加换向电流ik，造成延迟换向，使电刷的后刷边易出现火花。用同样的分析方法可以知道，直流发电机负载运行时，也将出现延迟换向。三、改善换向的方法三、改善换向的方法 不良换向会使直流电机运行造成困难，所以要改善换向。改善换向的方法是从减小、甚至消除附加换向电流ik着手。一般容量在1kW以上的直流电机均在主磁极之间的几何中性线处装置换向极，如图4-15所示。换向极的作用是要产生一个与电枢磁通势方向相反的换向极磁通势，它除了抵消处在几何中性线处的电枢磁通势外，还要产生一个换向极磁场，在几何中性线上的换向线圈切割该磁场，产生的旋转电动势换向极电动势ek与电抗电动势ex大小相等，方向相反，使ex+ek0，则附加换向电流ik近似为零，达到改善换向的目的。因电枢磁通势与电枢电流成正比，所以换向极绕组应与电枢绕组串联，使换向极产生的磁场也与电枢电流成正比，达到随时能抵消该处电枢磁通势的目的，从而使换向始终处于理想状态(注：电枢绕组与换向极绕组在电机内部已串联)。换向极的极性必须正确。对于电动机来说，应使换向极的极性与旋转方向后面的主磁极极性相同(见图4-15)；而对发电机来说，则相反，应使换向极的极性与旋转方向前方的主磁极极性相同。或者用右手螺旋定则确定电枢磁场的极性，换向极磁场的极性与之相反。
