1、v下图表示1个元件的换向过程。设电刷的宽度等于一个换向片的宽度，电刷不动，元件和换向器以v的速度自右向左运动。电刷只与换向片1接触，如图（a）所示，此时元件1处于电刷右边的支路，元件中的电流等于支路电流+i，电流方向如图，1号元件即将开始换向。元件移动，电刷同时与换向片l和2接触，如图（b）所示，此时1号元件被电刷短接，表明该元件正在换向，其电流从+i逐渐减小到零。元件继续移动，电刷只与换向片2接触，如 图（c）所示，此时元件1属于电刷左边的支路，元件中的电流方向改变且从零逐渐增大到-i，则1号元件结束换向。换向过程所需的时间称为换向周期TK，通常只有千分之几秒。v换向问题很复杂，换向不良会在
2、电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。微弱的火花，对直流电机的正常运行没有影响，如果火花超过一定限度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能正常工作。国家标准将火花的大小划分为五个等级。如果没有特殊说明，对正常工作的直流电机，火花等级不超过1上级，在短时过载情况下，火花不得超过2级。v直线换向 换向元件中的电流决定于该元件中的感应电动势和回路的电阻。假设换向元件申没有任何电动势，且将换向元件、引线与换向片的电阻均忽略不计，回路中只有电刷与换向片1的接触电阻r1和电刷与换向片2的接触电阻r2，则换向元件中的电流只决定于回路中的电阻r1和r2的大小，
3、这种换向情况称为电阻换向。v根据基尔霍夫电压定律，可得换向元件回路的电压方程式为122122110rriiriri式中：i1，i2为流过换向片1，2的电流。v 电刷与换向片之间的接触电阻与接触面积成反比，即1221AArr式中：A1，A2为电刷与换向片1，2的接触面积。由上两式结合可得211221AArriiv设换向元件中的电流为i，则根据基尔霍夫电流定律，可以列出下面的电流关系：iiiiiiaa21v 对照右图，由上式分析可知：t0时，A2=0，i20，iia，换向开始；0 t A2，i1i2，i0与原方向相同；t=Tk/2时，A1=A2，i1i2，i0；Tk/2tTk时，A1A2，i1i2
4、，i0，开始反向；t=Tk时，A10，i10，iia，换向结束。换向过程中，换向元件的电流i均匀地由ia变为ia，变化过程为一条直线。v如右图所示，这种换向称为直线换向。直线换向时不产生火花，故又称为理想换向。v延迟换向和电磁性火花实际上，换向元件回路中会有电抗电动势和旋转电动势存在，对换向产生不利影响。电抗电动势er在换向过程中，由于换向元件中电流从+ia到-ia的变化，在换向元件中产生自感电动势eL，其方向由楞次定律可知它总是阻碍原电流的变化，即方向应与换向前电流+ia方向相同。v另外，实际电机的电刷宽度通常为23片换向片宽，因而相邻几个元件同时进行换向，由于互感作用，换向元件中还会产生由
5、于相邻元件电流变化时在本元件申引起的互感电动势，用eM表示。通常将自感电动势eL和互感电动势eM合起来，称为电抗电动势，用er表示，故有dtdiLdtdiMLeeerMLr)(v式中：Lr为换向元件的电感系数；L为换向元件的自感系数；M为换向元件的互感系数。根据楞茨定律，电抗电动势er的作用总是阻碍电流变化的，因此，er的方向与元件换向前的电流ia的方向相同。v旋转电动势由于电枢反应使磁场发生畸变，使几何中性线附近存在电枢磁动势产生的磁场(马鞍形分布的凹部)，换向元件旋砖时切割此电枢磁场所感应的电动势称为旋转电动势，也称电枢反应电动势，用ea表示：2acaaeW B lvv式中：Wc为元件的匝
6、数；Ba为换向元件边所在处的气隙磁密；l为元件边导体的有效长度；va为电枢表面线速度。无论是在电动机还是发电机运行状态，换向元件切割电枢磁场所产生的旋转电动势ea总与元件换向前的电流+ia的方向相同。v电抗电动势er和旋转电动势ea的方向相同，都企图阻碍换向元件中电流的变化，使换向电流的变化延迟，如图中曲线2所示，这种情况称为延迟换向。显然，曲线2与曲线l的电流之差就是电动势erea在换向元件中产生的电流，称为附加换向电流，用ik表示。21121rreerreiakv附加换向器电流ik的方向与换向前电流ia的方向相同。如图中的曲线3所示。当e足够大时，该元件换向结束瞬间，即tTk时，附加换向电
7、流ik0而为ikT，所以，换向元件中还贮存一部分磁场能量LrikT2/2，由 于 能 量 不 能 突 变，LrikT2/2就会以弧光放电的形式释放出来，因而在电刷与换向片之间产生火花，这种由电磁原因产生的火花称为电磁性火花。v从erLrdi/dt和ea2WcBalva可以看出，两者均和电枢电流与转速成正比，所以大电流、高转速电机的电磁性火花大，换向更为困难。产生换向火花的原因是复杂的，除上面分析过的电磁原因以外，还有机械方面和化学方的原因。机械原因 主要是由于换向器偏心、换向片间云母绝缘凸出、转子平衡不良、电刷在刷握中松动、电刷压力过大或过小、电刷与换向器的接触面研磨得不好因而接触不良等等。化
8、学原因 电机运行时，如果周围环境氧气稀薄、空气干燥或者电刷压力过大时，氧化亚铜膜难以生成，或者周围环境中存在化学腐蚀性气体坏氧化亚铜薄膜，都将使换向困难，火花变大。如果换向不理想，在电刷处会产生火花。产生火花的原因除了电磁原因外，还可能因为换向器表面不平整、不清洁、换向片间有绝缘突出，电刷与换向器接触压力不适当等，这里主要从电磁原因入手，介绍一些改善换向的方法。要减小火花就要减小附加电流，即要减小换向元件的合成电势e，或增大电刷接触电阻。常用以下的两种方法。v选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻电机用电刷，型号规格很多，其中炭石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜石墨
9、电刷的接触电阻最小。直流电机如果选用接触电阻大的电刷。有利于换向，但接触压降较大，电能损耗大。发热厉害。同时由于这种电刷允许电流密度较小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大。设计制造电机时须综合考虑两方面的因素，选择恰当的电刷牌号。为此。在使用维修中，欲更换电刷时。必须选用与原来同一牌号的电刷，如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相接近的电刷，并全部更换。v装设换向极v换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图所示。几何中性线附近一个不大的区域称为换向区，是换向元件的元件边在换向过程中所转过的区城。v换向极磁场，其方向与电枢反应磁场方向相反，使换向元件切割该磁
10、场时产生一个与电抗电动势er大小相等或近似相等、方向相反的附加电动势ek，以抵消或明显削弱电抗电动势。从而使换向元件回路中的合成电动势e为零或接近于零，换向过程为直线换向或接近于直线换向，火花小，换向良好。换向极的作用是在换向区产生换向极磁动势，首先抵消换向区内电枢磁动势的作用，从而消除换向元件电枢反应电动势(旋转电动势)幻的影响，同时在换向区建立一个v产生原因v电枢反应使磁场发生畸变，负载较大时，气隙磁密分布严重畸变，元件边处于磁密最大位置的元件感应电动势很大，会使换向片之间的空气电离击穿，产生所谓电位差火花。在换向不利的情况下，这种电位差火花会和电刷与换向器之间的换向火花连成一片，形成跨越正、负电刷之间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围。这种现象称为环火。环火发生时，轻则烧坏电刷和换向器，严重时会烧坏电枢绕组。使电机无法运行。
