直流電機的換向和換向極

  換向時(shí)的電流行為

  恒定的轉矩要求時(shí)不變的恒定電樞磁動(dòng)勢(電樞電流)垂直于勵磁磁場(chǎng)。而換向器會(huì )把線(xiàn)圈電流以電樞頻率對正相位地換極，它還會(huì )快速閉合那些在無(wú)場(chǎng)極缺口的導體回路到電刷上。

  如下圖所示，以υ_K速度運動(dòng)的電刷從換向片1經(jīng)過(guò)時(shí)，支路電流I_ZW先沿順時(shí)針?lè )较蜻M(jìn)入線(xiàn)圈，此時(shí)導體電流 i_L > 0；

  緊接著(zhù)電刷移動(dòng)到換向片1和2中間，正好同時(shí)接通，那么相當于此時(shí)換向片1和2上地線(xiàn)圈環(huán)被斷路了，i_L =0；

  電刷繼續移動(dòng)，完全覆蓋換向片2，支路電流流入導體線(xiàn)圈，i_L < 0；

  整個(gè)過(guò)程中線(xiàn)圈電流由正過(guò)零再轉負，實(shí)現了換向。而其實(shí)各個(gè)線(xiàn)圈環(huán)都串聯(lián)著(zhù)，所以一開(kāi)始流入換向片1地電流會(huì )從另一側另一個(gè)接觸電刷流出，而之后從換向片2流入的電流也是從另一個(gè)此時(shí)恰好接觸的電刷流出，在換向時(shí)間以外的電樞線(xiàn)圈電流會(huì )受外部電路影響，而流經(jīng)電刷的電流在換向時(shí)是不改變方向大小的。

  可知電樞線(xiàn)圈中電流在換向前  ，換向之后為  ，所以換向時(shí)電流變化量為  ，而換向過(guò)程的線(xiàn)圈電流變化只跟電刷電阻和線(xiàn)圈電感有關(guān)。

  所以有電刷寬度b_B，電樞換向器直徑 D_K ，電刷數量K

  換向器圓柱外圍的線(xiàn)速度υ_K，轉子轉速，即轉數 n

  υ_K=πD_K·n

  換向時(shí)間T_K

  在很高的轉數下，T_K 甚至可以小于等1ms。

  考慮換向過(guò)程中的電阻切換，電刷相對換向器有運動(dòng)速度υ_K ，和換向器的接觸寬度是時(shí)變的。把原來(lái)?yè)Q向片1部分接觸寬度記作b₁，有電阻R_B1，后來(lái)接觸換向片2的寬度記作b₂有電阻R_B2，那么

  此時(shí)在電刷上電流I_B有兩部分

  此時(shí)電阻和寬度有關(guān)，有以下關(guān)系

  代入i_L得

  可見(jiàn)在T_K內，換向時(shí)電流行為符合一次函數。

  然而在極短的換向時(shí)間內，電流的劇烈突變令線(xiàn)圈的自感現象無(wú)法忽視。電流變化會(huì )產(chǎn)生電流換向電壓

  線(xiàn)性電流變化會(huì )得出  ，其中I_a和內生轉矩大小有關(guān)，可見(jiàn)，當負載變大，轉數變大的時(shí)候，電流換向電壓也隨之增大。因為楞次定理，電流換向電壓會(huì )反抗自己的產(chǎn)生，這意味著(zhù)換向的過(guò)程會(huì )被延遲，這會(huì )導致在換向終點(diǎn)更陡峭的電流曲線(xiàn)。

  換向終點(diǎn)的極高電流換向電壓積蓄了電磁能，會(huì )在電刷邊沿處擊穿空氣，產(chǎn)生電火花，電弧，即所謂的電刷打火，這會(huì )對換向器和電刷帶來(lái)更多的磨損。所以我們的目標應該是盡量獲得線(xiàn)性的換向電流曲線(xiàn)。為了實(shí)現這個(gè)目標，可以通過(guò)對電流換向電壓補償，比如在更大的電機里會(huì )裝入所謂的換向極。換向極會(huì )被裝在換向區（中性區），換向繞組回合電樞繞組串聯(lián)起來(lái)。

  換向極

  換向極在橫軸產(chǎn)生了換向磁場(chǎng)，正好電樞電流會(huì )在極缺口產(chǎn)生電樞橫向磁動(dòng)勢Θ_A(電樞反應)，但正好與換向場(chǎng)反向。這些電樞反向的磁場(chǎng)可以通過(guò)補償極的補償磁動(dòng)勢部分抵消。對于未飽和的換向極使用安倍環(huán)路定理，H_ω是換向極磁場(chǎng)強度，δ_ω是換向極氣隙寬度，換向極磁動(dòng)勢Θ_ω，換向極匝數N_ω，則有

  H_ω·2δ_ω=Θ_ω-Θ'_a=2N_ωI_a-Θ'_a

  電樞反磁動(dòng)勢Θ'_a=Θ_a-Θ_K=Θ_a(1-a_i)~I_a=(1-a_i)c·I_a ，c比例系數，那么換向極下的氣隙磁場(chǎng)有

  一個(gè)N_S匝線(xiàn)圈上換極磁場(chǎng)的感應電壓為

  u_i,ω=N_S·2πD_a·n·l_Fe·B_ω

  代入式則有

  顯然換向極感應電壓也和電樞電流大小以及轉數成正比。通過(guò)合理布置換向極線(xiàn)圈就可以產(chǎn)生這樣的感應電壓，來(lái)補償電流換向電壓并且把極缺口處的電樞反向磁動(dòng)勢抵消。理想情況下u_i,ω-u_Sω=0那么就會(huì )達到平衡。整個(gè)換向電路上消去感性部分，只剩下純阻性的換向。

  現實(shí)中這個(gè)換向極補償電壓可能不僅抵消了換向電壓，還會(huì )多出來(lái)額外電壓，u_i,ω-u_Sω>0，導致"過(guò)換向"，表現為換向過(guò)快，電流變化過(guò)于平緩；抑或是補償不夠，u_i,ω-u_Sω <0，出現所謂的"欠換向"，表現為換向過(guò)慢，電流變化過(guò)于劇烈。

  綜上所述，換向過(guò)程中線(xiàn)圈電流方向大小會(huì )周期性交替變化，變化過(guò)程中會(huì )感應出阻礙并催生延時(shí)的電流換向電壓，換向電壓大小和轉子轉數以及電樞電流強度有關(guān)，如果換向電壓過(guò)大，積蓄電磁能致使擊穿放電傷害換向器。引入換向極繞組，反向補償換向電壓，還可以遏制電樞反應，合適的換向補償可以控制電樞線(xiàn)圈換向過(guò)程保持純阻性，而非感性或是容性。

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