第3章+直流电机(习题与解答)_百度文库
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第3章+直流电机(习题与解答)
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& &&1．绕组节距
所谓节距，是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示，如图1.8所示。元件的上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
&&& （1）第一节距
一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离（即跨距）是
，用所跨虚槽数表示。选择
的依据是尽量让元件里感应为最大，即
应等于或接近于一个极距
（每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长）。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.7）
——电枢外径；
——主磁极对数。
若极距用虚槽数表示，则
&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.8）
不一定能被极数
又必须为整数，所以应使
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&（1.9）
——小于1的分数。
&&& 称为整距绕组；
&&& 称为长距绕组；
&&& 称为短距绕组。
图1.8& 单叠绕组的节距
（2）合成节距
和换向器节距
元件1和它相联的元件2对应边之间的跨距是
，用虚槽数表示。每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距是
，用换向片数表示。对单叠绕组
。当把每一个元件联成绕组时，联接的顺序是从左向右进行，称为右行绕组。图1.8所示就是这种绕组。
&&& （3）第二节距
是联至同一个换向片的两个元件边之间的距离，或者说，是元件1的下层元件边在换向器端经过换向片联到元件2的上层元件之间的跨距。对单叠绕组有
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.10）下面通过一个实例来说明。设一台直流发电机&&，&&联接成单叠右行绕组。（1）计算各节距第一节距&合成节距&&和换向器节距&第二节距&（2）绘制绕组展开图&&如图1.9所示。所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿（图1.9中为第16槽与第1槽间的1个齿）的中间切开，并展开成平面的联接图。作图步骤如下。第一步，先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。图1.9& 单叠绕组展开图第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7&&,4个磁极均匀放置在电枢槽之上，并标上&&、&&极性。假定&&极的磁力线进入纸面，&&极的磁力线从纸面穿出。第三步，画16个小方块代表换向片，并标上号码，为了作图方便，使换向片宽度等于槽与槽之间的距离。为了能联出形状对称的元件，换向片的编号应与槽的编号有一定对应关系（由第一节距&&来考虑）。第四步，联绕组。为了便于联接，将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相联接的换向片号码编得一样，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相联接。这样当1号元件的上层边放在1号槽（实线）并与1号换向片相联后，因为&&=4，则1号元件的下层边应放在第5号槽（&&）的下层（虚线）；因&&，所以1号元件的末端应联接在2号换向片上（&&）。一般应使元件左右对称，这样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。然后将2号元件的上层边放入2号槽的上层（&&），下层边放在6号槽的下层（&&），2号元件的上层边联在2号换向片上，下层边联在3号换向片上。按此规律排列与联接下去，一直把16个元件都联起来为止。校核第2节距：第1元件放在第5槽的下层边与放在第2槽第2元件的上层边，它们之间满足&&的关系。其他元件也如此。第五步，确定每个元件边里导体感应的方向。图2.9中，所考虑的是发电机，箭头表示电枢旋转方向，即自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，即在&&极下的导体电动势是向下，在&&极下是向上的。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该处气隙磁密为零，所以不感应电动势。第六步，放电刷。在直流电机里，电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数一样多。对本例来说，就是四组电刷&&、&&、&&、&&，它们均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度等于每一个换向片的宽度。放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小，这两个要求实际上是一致的。在图1.9里，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。图1.9中，被电刷所短路的元件正好是1、5、9、13，这几个元件中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是，被电刷所短路的元件，永远都是处于两个主磁极之间的地方，当然感应电动势为零。实际的电机并不要求在绕组展开图上画出电刷的位置，而是等电机制造好，用试验的办法来确定电刷在换向器表面上的位置。&&&&（3）绕组元件联接顺序图绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。根据图1.9的节距，可以直接看出绕组各元件之间是如何联接的。如第1虚槽上层元件边经&&接到第5虚槽的下层元件边，构成了第1个元件，它的首、末端分别接到第1、2两个换向片上。第5虚槽的下层元件边经&&接到第2虚槽的上层元件边，这样就把第1、2两个元件联接起来了。依次类推，如图1.10所示。图1.10& 单叠绕组元件联接顺序图图1.10中每根实线所连接的两个元件边构成一个元件，两元件之间的虚线则表示通过换向器上的一片换向片把两元件串联起来。从图1.10中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。&&&&（4）绕组图在绕组展开图（图1.9）所示瞬间，根据电刷之间元件联接顺序，可以得到如图1.11所示的电枢绕组电路图。图1.11& 单叠绕组电路图从图1.11可清楚地看到，从电刷外面看绕组时，电枢绕组由4条并联支路组成。上层边处在同一极下的元件中感应电动势方向相同，串联起来通过电刷构成一条支路；被电刷短路的元件中电动势等于零，此时这些元件不参加组成支路，所以单叠绕组的支路数就等于电机的主磁极数。若以a表示支路对数，则&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.11）可见，增加电机的主极数便可增加支路数，从而可使电枢通过较大的。同时由图2.11看出，这种单叠绕组的支路由电刷引出，所以电刷杆数必须等于支路数，也就是等于极数。综上所述，对电枢绕组中的单叠绕组，有以下特点：&&&&（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数，&&。（2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电刷杆数等于极数。电刷在换向器表面上的位置，虽然对准主磁极的中心线，但被电刷所短路的元件，它的两个元件边仍然位于几何中性线处。为了简单起见，今后所谓电刷放在几何中性线上，就是指被电刷所短路的元件，它的元件边位于几何中性线处，也就是指图2.9所示这种情况。初学者要特别注意。&1．绕组节距&& &单波绕组的绕组节距也分为第一节距、合成节距、换向器节距和第二节距等。它们的定义和单叠绕组的节距定义相同。&&&&（1）第一节距&因为&&与元件联接方式无关，所以单波绕组的第一节距&&的计算方法与单叠绕组的完全相同。（2）合成节距&&与换向器节距&选择&&时，应使相串联的元件感应同方向。为此，须把两个相串联的元件放在同极性磁极的下面，让它们在空间位置上相距约两个极距。其次，当沿圆周向一个方向绕了一周，经过&&个串联的元件后，其末尾所联的换向片&&，必须落在与起始的换向片相邻的位置，才能使第二周继续往下联，即&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.12）因此，单波绕组元件的换向器节距为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.13）式中正负号的选择，首先要满足&&是一个整数。在满足&&为整数时，一般都取负号。这种绕组当把每一个元件联成绕组时，联接的顺序是从右向左进行，称为左行绕组。图1.12所示就是这种绕组。合成节距&&。（3）第二节距&单波绕组各节距如图1.12所示，联接后的形状犹如波浪一样向前延伸，由此而得名。图1.12& 单波绕组的节距2．绕组展开图下面也用一个例子来说明单波绕组的联接。设一台直流电动机&&，&&，联接成单波左行绕组。计算绕组节距得&&&为一短距绕组。和单叠绕组一样，画出绕组展开图，如图1.13所示。绕组元件联接顺序，也可用元件联接顺序图表示，如图1.14所示。图1.13& 单波绕组展开图图1.14&&单波绕组元件联接顺序图3．绕组图把图1.13所示瞬间的各元件联接情况与电刷的关系整理、排列，可画出图1.15所示的绕组电路图。图1.15& 单波绕组电路图由图可见，单波绕组是把所有上层边在&&极下的元件串联起来构成一条支路，把所有上层边在&&极下的元件串联起来构成另一条支路。由于主磁极只有&&、&&之分，所以单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总是等于1，即&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.14）单波绕组有以下特点：&&&&（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数&&，与磁级对数&&无关。（2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，正、负电刷间感应电动势最大。（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。直流电机的电枢绕组除单叠、单波两种基本型式外，还有复叠、复波以及混合绕组等，这里就不一一介绍，读者可参阅电机学方面的书籍。直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。&&&&1.4.1&&直流电机的空载磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为&&极和&&极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。图1.16是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。从图中看出，由&&极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入&&极，再经过定子磁轭回到原来出发的&&极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用φ0表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用φ&&表示。由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右。图1.16& 直流电机空载时的磁场分布示意图1—&极靴；2—极身；3—元子磁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.17所示。图1.17& 直流电机空载磁场的磁密分布在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通φ0，也就是需要有一定的励磁磁通势&&，或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流&&。把空载时主磁通φ0与空载励磁磁通势&或空载励磁电流&&的关系，即φ0=&&或φ0=&&，称为直流电机的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到。直流电机磁路计算内容是：已知气隙每极磁通为φ0，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁压降的总和便是励磁磁通势&&。对于给定的不同大小的φ0用同一方法计算，得到与φ0相应的不同&&，经多次计算，便得到了空载磁化曲线φ0&&。直流电机主磁通的磁回路从图1.16中可看出主要包括这样几段：两段主磁极、两段气隙、两段电枢齿部、电枢磁轭、定子磁轭。对于每一段磁路，都是根据已知的φ0，算出磁密B，再找出相应的磁场强度H，分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降。气隙部分的磁导率是常数，不随φ0而变，或者说气隙磁压降与φ0成正比。但其它各段磁路，都是铁磁材料构成，它们的B与H之间是非线性关系，具有磁饱和的特点，也就是说它们的磁压降与φ0不成正比，也具有饱和现象，当φ0大到一定程度后，出现饱和，φ0再增大，H或磁压降就急剧增大。因此，造成了直流电机φ0大到一定程度后，磁路总磁压降即励磁磁通势&&急剧增大，电机的磁化曲线具有饱和现象，如图2.18所示。图1.18& 电机的磁化曲线考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方（称为膝部），如图1.18中的a点（称为膝点），对应的φN系指在空载额定时的每极磁通，对应的励磁磁通势为FfN。1.4.2&&直流电机负载时的磁场和电枢反应当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小。通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢？下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性，然后把两种磁场合成起来，再考虑到饱和问题，就可以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了。&&& 1．电枢磁通势和电枢磁场电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线。在电枢磁通势的作用下，电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图1.19所示。图1.19& 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况。首先讨论一个元件所产生的电枢磁通势。设电枢槽内仅嵌放一个元件，该元件轴线（即元件的中心线）与磁极轴线垂直，即元件边位于磁极轴线上，如图1.20（a）所示。元件有&&匝，元件中的电流为&&，则元件边所产生的磁通势为&&安培导线数。由该元件所建立的磁场的磁力线的路径如图1.20（a）所示。设想将电机从&&处切开，展平如图1.20（b）所示。根据全电流定律可知，每个磁回路的磁通势均为&&。每根磁力线通过两次气隙，若不计铁磁材料中的磁压降，则磁通势全部消耗在气隙中。在直流电机中，与磁极轴线等距离处的气隙大小相等，所以磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电流的一半，即1/2&&。若以几何中性线为纵轴，电枢周长为横轴，但规定磁通势方向与磁力线方向一致，即正磁通势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极，负磁通势则为从主磁极到电枢。作这些规定后，一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.15）将式（1.15）用曲线形式表示，如图1.20（b）中所示。从图中看出，一个宽度为一个极距&&的元件所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以2&&为，幅值为1/2&&的矩形波。图1.20& 一个元件所产生的电枢磁通势a)磁力线分布&&& b）磁通势分布若电枢表面均匀分布四个元件，如图1.21所示。根据上面分析，每个元件的磁通势空间分布均为一个高为1/2&、宽度为&&的矩形波。把这样的四个矩形波叠加起来，可得一个每级高度为&&、阶梯级数为2的阶梯形波。图1.21& 四个元件所产生的电枢磁通势如果电枢表面均匀分布的元件数目较多，那么总的电枢磁通势波形会接近图1.21中所表示的三角形波。由于实际电机中，电枢上元件很多，可近似地认为电枢磁通势分布波形为一三角形波，其轴线即位于三角形的顶点上。设&&为电枢绕组的总导线数，&&为元件数，&&为极对数，&&为极距，&&为电枢直径，则阶梯级数为&&，且阶梯形波或三角形波的幅值为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.16）把&&和&&代入式（2.16）得&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.17）式中&&——电枢表面单位长度上的安培导体数，称为线负荷（A/m）。知道了电枢磁通势分布曲线，在忽略铁心中的情况下，即可求出电枢磁场的磁密沿电枢表面的分布曲线。这条曲线表示为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（1.18）式中&&&——气隙长度（m）；&&&&&&&——真空中的磁导率，&&。如果气隙是均匀的，即&&为常数，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。但在两极极靴之间的空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形，如图1.22中所示。图1.22& 磁场分布和电枢反应2．负载时的合成磁场和电枢反应以直流电动机为例，把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，便可看出电枢反应的作用。在图2.22中，表明了磁极极性和极下元件边中的电流方向。根据左手定则，决定转动方向为由右向左。再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则，分别画出主磁场分布曲线&&及电枢磁场分布曲线&&。若磁路不饱和，可用迭加原理，将&&沿电枢表面逐点相加，便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线&&（如图2.22中实线所表示）。将&&和&&比较，得出：&&&&（1）使气隙磁场发生畸变。每一磁极下，因为电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强，并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度&&。称通过电枢表面磁密为零的这条直线为物理中性线。故在空载时，物理中性线与几何中性线重合；负载时，由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变，物理中性线与几何中性线不再重合，而且磁场的分布曲线也与空载时不同。（2）对主磁场起去磁作用。在磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量（图2.22中表示出面积&&），因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同。但在实际电机中，磁路总是饱和的。因为在主磁极两边磁场变化情况不同，一边是增磁的，另一边是去磁的。主极的增磁作用会使饱和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时要低些，与不饱和时相比，增加的磁通要少些；主极的去磁作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，结果使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时略高些，与不饱和时相比，减少的磁通要少些。由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通（图2.22中表示出面积&&＜&&)，因此负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。总的来说，电枢反应的作用不仅使电机内气隙磁场发生畸变，而且还会呈去磁作用。&&&&1.4.3&&直流电机的励磁方式&&&&直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。1．他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图1.23（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。2．并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图1.23（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3．串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图1.23（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。4．复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图1.23（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。图1.23& 直流电机的励磁方式a)他励； b)并励； c)串励； d）复励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。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，使运行时电刷与换向器之间基本上没有火花。图2.24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1.24& 换向极绕组联接与极性1.5.2&直流电机的补偿绕组在直流电机中，除了上述的电磁性火花外，有时还因某些换向片的片间过高而产生的所谓电位差火花。在换向不利的条件下，电磁性火花与电位差火花连成一片，在换向器上形成一条长电弧，将正、负电刷连通，如图2.25所示。这种现象称为“环火”，是一种十分危险的现象，它不仅会烧坏电刷和换向器，而且将使电枢绕组受到严重损害。图1.25& 环火为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放补偿绕组，如图1.26所示。补偿绕组与电枢绕组串联，并使补偿绕组磁通势与电枢磁通势相反，以保证在任何负载下电枢磁通势都能被抵削，从而减少了因电枢反应而引起气隙磁场的畸变，也就减少了产生电位差火花和环火的可能性。但是装置补偿绕组使电机的结构变得复杂，成本较高，所以一般直流电机不采用，仅在负载变动大的大、中型电机中才用。&&&&还应指出的是环火的发生除了上述的电气原因外，因换向器外圆不圆，表面不干净也可能形成环火，因此加强对电机的维护工作，对防止环火的发生有着重要作用。图1.26& 补偿绕组小&&结直流电机的工作原理是建立在电和磁相互作用的基础上。直流电机以及其他旋转电机都是实现机电能量转换的装置。为此必须熟练地应用所学过的基本电磁定律，结合电刷和换向器的作用去理解，并且充分注意到直流电机中外的电压（电动势）和电流都是直流电性质的，而每个元件的电压（电动势）和电流都是交变性质的。任何类型的旋转电机都由定子部分和转子部分组成，在这两部分之间存在着一定大小的气隙，使电机中磁场和电路能发生相对运动。直流电机的主要结构部件除定子部分的主磁极和转子部分的电枢外，还有一些其他主要的部件，如换向器。这些主要的结构部件有其结构形式和作用。额定值是保证电机可靠地工作并具有良好性能的依据。尤其对应用人员，要充分理解额定值的涵义，以便合理地选择和使用电机。直流电机的额定值有、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流等。电枢绕组是直流电机的主要电路部分，是实现机电能量转换的枢纽。直流电机的电枢绕组是由许多完全相同的元件按一定的规律排列和联接起来的一种闭合绕组。单叠绕组和单波绕组是两种基本型式。从构成电枢电路的支路来看，单叠绕组中上层边处于同一磁极下的元件串联构成一条支路，而单波绕组则是将上层边处于相同极性磁极下的所有元件串联构成一条支路，虽然电枢在转动，每个瞬时构成支路的元件在更换，但电枢绕组通过电刷并联的支路数总是不变的。因此，单叠绕组的支路对数始终等于极对数，即&&，而单波绕组的支路对数与极对数无关，永远等于1，即&&。电机的磁场是机电能量转换的媒介，不仅需要理解电机的磁场是怎样产生的，而且更重要的是理解其性质。直流电机的磁场由励磁磁通势和电枢磁通势共同产生，属于双边励磁的电机。因此存在电枢磁通势对气隙磁场的影响，即所谓电枢反应。电枢反应的作用不仅使气隙磁场发生畸变，而且还会呈一定的去磁作用。电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。换向是直流电机在制造和运行中必须予以重视的问题。特别是在运行中需经常观察直流电机的换向是否良好。不良换向将会使电机遭到损坏。换向过程是相当复杂的，至今还未完全掌握其各种现象的物理实质，主要的电磁现象在于换向元件中存在两种电动势（即电抗电动势和电枢反应电动势）阻碍电流变化，导致换向延迟。当换向元件离开一条支路最后的瞬间具有一定的电磁能量释放出来，可能产生火花。改善换向的主要方法是装设换向极。换向极绕组通以电枢电流，使换向极磁通势不仅抵削在几何中性线处作用的电枢磁通势，而且产生换向极电动势去抵削电抗电动势。为了防止电位差火花与环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上嵌放补偿绕组。
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