1.5 直流电机的换向及改善换向的方法

直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程称为换向。

电机每个支路里所含元件的总数是相等的，但是，就某一个元件来说，它有时在这个支路里，有时又在另一个支路里。一个元件从一个支路换到另一个支路时，要经过电刷。当电机带负载后，电枢元件中有电流流过，同一支路里各元件的电流大小与方向都是一样的，相邻支路里电流大小虽然一样，但方向却是相反的。可见，某一元件经过电刷，从一个支路换到另一个支路时，元件里的电流方向必然改变。

元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花，当火花大到一定程度时，有可能损坏电刷和换向器表面，从而使电机不能正常工作。产生火花的原因是多方面的，除电磁原因外，还有机械原因，此外换向过程中还伴随着有电化学和电热学等现象，所以相当复杂。

改善换向的目的在于消除或削弱电火花。由于电磁原因是产生火花的主要因素，所以下面主要分析如何消除或削弱由此引起的电火花。

1. 选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻

电机用电刷的型号规格很多，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，发热多，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。设计制造电机时要综合考虑这两方面的因素，选择恰当的电刷牌号。在电机使用维修中，更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷。

2. 装设换向极

目前改善直流电机换向最有效的办法是装设换向极，换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中心线上，如图1-24所示。加装换向极的目的主要是使换向极在换向元件处产生一个磁动势，首先把产生电枢反应的电枢磁动势抵消掉，使得几何中性线处的磁场强度为零，换向元件经过电刷换向时，不切割磁力线，不产生切割电动势；其次是产生一个气隙磁通密度，换向元件切割此磁场产生感应电动势去抵消换向元件中电流变化引起的电抗电动势。

图1-24 加装换向极改善换向

为此，换向极绕组应与电枢绕组相串联，使换向极磁场也随电枢磁场的强弱而变化，换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反。1kW以上的直流电机，几乎都要安装换向极。

3. 安装补偿绕组

由于电枢反应的影响把主磁极下气隙磁通密度曲线扭歪了，这样就增大了某几个换向片之间的电压。在负载变化剧烈的大型直流电机内，有可能出现环火现象，即正负电刷间出现电弧。电机出现环火，可以在很短的时间内损坏电机。防止环火出现的办法是在主磁极上安装补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响。

补偿绕组与电枢绕组串联，它产生的磁动势恰恰能抵消电枢反应磁动势。这样，当电机带负载后，电枢反应磁动势被抵消，不会再把气隙磁通密度曲线扭歪了，从而可以避免出现环火现象。补偿绕组装在主磁极极靴里，有了补偿绕组，换向极的负担减轻了，有利于改善换向。