3电路分析基础-.3.6直流电动机的换向 [修复的]
直流电机的换向原理
直流电机的换向原理
直流电机的换向原理是通过改变电流的流动方向来改变电机的转动方向。
直流电机通常由一个电枢和一个永磁体组成。
当给电机加上一个正向电流时，电流从电源进入电枢，并产生一个磁场。
这个磁场与永磁体的磁场相互作用，通过电枢产生的力矩将电机转动起来。
在一定的角度后，为了继续保持电机的转动，电枢中的电流需要改变方向。
为了实现这一点，换向器被用来改变电流的方向。
换向器通常由一个组织电流进入电机的一个刷子和一个从电机中带走电流的另一个刷子组成。
这两个刷子一般固定在电机的定子上。
当电流流经电机时，它经过电枢中的一个刷子。
在这个刷子和电枢之间有一个特殊的结构，通常是一个可旋转的环状物，称为换向环。
换向环被连接到电枢的外部电路上。
当电流通过电枢时，它会经过换向环，并进入另一个刷子。
当电流从一个刷子传输到另一个刷子时，它同时也改变了流动方向。
通过转动换向环的位置，可以改变电流在电枢中的流动方向。
这个新的电流方向所产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，将电机继续推动。
通过不断地交替改变电流的流动方向，换向器使电机能够持续转动。
因此，直流电机的换向原理实际上是通过改变电流方向来改变磁场方向，进而改变电机的转动方向。
直流电动机的换向
为了控制电动机的转速，电流的大小可以进行调节。通过改变输入电压或串入 电阻，可以调整电流的大小，从而控制电动机的转矩和转速。
电动机的磁场变化
磁场方向的改变
在直流电动机的换向过程中，磁 场的方向会发生周期性的变化。 定子磁场和电枢电流相互作用产 生旋转力矩，推动电动机旋转。
磁场强度的调节
提高换向器的制造精度
总结词
提高制造精度
详细描述
提高换向器的制造精度是改善直流电动机换向的另一个关键措施。通过采用高精度的制造工艺和设备 ，可以减小换向器各部件的误差，提高其配合精度。这有助于减少换向过程中的不均匀磨损和机械振 动，进一步改善电动机的性能。
加强电动机的维护保养
总结词：维护保养
详细描述：加强直流电动机的维护保养是保持其良好换向性能的重要措施。定期对电动机进行清洁、润滑和检查，及时更换 磨损的零部件，可以确保电动机的正常运行和延长其使用寿命。此外，合理的维护计划和规范的操作流程也有助于减少换向 故障的发生。
直流电动机的换向
目录
• 直流电动机换向概述 • 直流电动机换向过程 • 直流电动机换向器的作用 • 直流电动机换向不良的影响 • 直流电动机换向的改进措施 • 直流电动机换向的发展趋势
01 直流电动机换向概述
换向的定义
• 换向：在直流电动机中，换向是指通过改变电枢绕组的电流方向或磁场方向的顺序，以实现电动机连续旋转的过程。
电刷通过与铜片的接触，将电流引入或引出转子 绕组。
换向器的内缘通常与转子轴固定在一起，随转子 一起旋转。
换向器的维护与保养
01
定期检查换向器的表面 状况，确保没有磨损或 烧蚀现象。
02
检查电刷的磨损情况， 及时更换磨损严重的电 刷，以保证电流的稳定 传输。
直流电机的换向
直流电机的换向和换向极
直流电机的换向和换向极换向时的电流行为恒定的转矩要求时不变的恒定电枢磁动势(电枢电流)垂直于励磁磁场。
而换向器会把线圈电流以电枢频率对正相位地换极，它还会快速闭合那些在无场极缺口的导体回路到电刷上。
如下图所示，以υK速度运动的电刷从换向片1经过时，支路电流I ZW先沿顺时针方向进入线圈，此时导体电流 i L > 0；紧接着电刷移动到换向片1和2中间，正好同时接通，那么相当于此时换向片1和2上地线圈环被断路了，i L =0；电刷继续移动，完全覆盖换向片2，支路电流流入导体线圈，i L < 0；整个过程中线圈电流由正过零再转负，实现了换向。
而其实各个线圈环都串联着，所以一开始流入换向片1地电流会从另一侧另一个接触电刷流出，而之后从换向片2流入的电流也是从另一个此时恰好接触的电刷流出，在换向时间以外的电枢线圈电流会受外部电路影响，而流经电刷的电流在换向时是不改变方向大小的。
可知电枢线圈中电流在换向前，换向之后为，所以换向时电流变化量为，而换向过程的线圈电流变化只跟电刷电阻和线圈电感有关。
所以有电刷宽度b B，电枢换向器直径D K，电刷数量K换向器圆柱外围的线速度υK，转子转速，即转数nυK=πD K·n换向时间T K在很高的转数下，T K甚至可以小于等1ms。
考虑换向过程中的电阻切换，电刷相对换向器有运动速度υK，和换向器的接触宽度是时变的。
把原来换向片1部分接触宽度记作b1，有电阻R B1，后来接触换向片2的宽度记作b2有电阻R B2，那么此时在电刷上电流I B有两部分此时电阻和宽度有关，有以下关系代入i L得可见在T K内，换向时电流行为符合一次函数。
然而在极短的换向时间内，电流的剧烈突变令线圈的自感现象无法忽视。
电流变化会产生电流换向电压线性电流变化会得出，其中I a和内生转矩大小有关，可见，当负载变大，转数变大的时候，电流换向电压也随之增大。
因为楞次定理，电流换向电压会反抗自己的产生，这意味着换向的过程会被延迟，这会导致在换向终点更陡峭的电流曲线。
直流电机如何调转向-直流电机正反转原理图解
直流电机如何调转向?直流电机正反转原理
图解
1、他励直流电机
通常，可采纳下面两种方法来使直流电动机反转：
（1）将电枢两端电压反接，转变电枢电流的方向。
（2）转变励磁绕组的极性，即转变主磁场的方向。
在实际运行中，由于直流电动机的励磁绕组匝数较多，电感很大，把励磁绕组从电源上断开将产生较大的自感电动势，使开关产生很大的火花，并且还可能击穿励磁绕组的绝缘。
因此，要求频繁反向的直流电动机，应采纳转变电枢电流方向这一方法来实现反转。
此外，还必需指出，仅采纳上述方法之一即可实现电动机的反转，假如同时使用这两种方法，则反反为正，反而不能达到电动机反转的目的。
2、永磁直流电机
永磁式直流电动机，只要将电源正、负极连接方向调换，就可以实现电机反转。
3、无刷电机
用的是无霍尔掌握器，只要调换任何两条电机线就可以了。
用的是有霍尔掌握器，先调霍尔ac相线，再调线包AB相线就可以了。
4、串激式直流电动机
则需要转变定子线圈与碳刷（转子）串联的方向：假定原电机内部接线为：
电源进线——定子线圈1端——定子线圈2端——左边碳刷——电枢（转子）——右边碳刷——电源；
要转变转向，就需要改为：
电源进线——定子线圈1端——定子线圈2端——右边碳刷——电枢（转子）——左边碳刷——电源；
即将碳刷（或定子线圈）的两端接线对调即可。
串激式直流电机的转向与电源正、负极连接方向无关，实际上可以使用在沟通电路上。
直流电机的换向
直流电机的换向旋转着的电枢某元件从一个支路转换到另外一个支路时，元件中的电流变化的过渡过程称为换向过程。
一、换向过程分析电刷是支路的分界线；我们讨论电刷与1、2片换向片分别和同时接触时的状况。
换向刚开头时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；处于换向过程中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由+ia变为-ia（左→右）。
一个元件的电流换向过程所需的时间就称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。
换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期。
Th=0.5～2ms换向问题非常简单，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。
当火花大到肯定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。
产生火花的缘由除电磁缘由外，还有电化学、工艺、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。
二、换向元件中的电势1．电抗电势ex一般, 换向周期特别短暂,电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势,两者的合成电势称为电抗电势,用ex表示。
依据楞次定理，电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化,亦即ex 的方向企图与换向前的电流方向相同。
或者说电抗电势是阻碍换向的。
电抗电势大小反比于换向周期。
2．电枢反应电势ea换向元件切割电枢反应磁场，从而产生了电枢反应电势。
其方向与ex相同，即其性质也是阻碍换向的。
其大小为: Ea=2Wy Ba l va3．换向极电势eK换向极电势是由于换向元件切割换向磁极感应的电势，换向磁极是为改善换向而设置的。
其方向企图与换向后的电流方向相同，或者说换向极电势是关心换向的。
三、影响换向的因素电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向.机械、化学、材料等缘由机械方面的缘由如：换向器偏心、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器表面接触不好等等；化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。
直流电机正反转切换方法
直流电机正反转切换方法宝子！今天咱来唠唠直流电机正反转切换这事儿。
直流电机要实现正反转切换呢，有一种常见的方法就是改变电枢电流的方向。
你可以想象这个电枢电流就像是小电机的“指挥棒”，电流方向一变，电机转动的方向也就跟着变啦。
比如说，在电机的控制电路里，通过一些开关元件，像继电器或者晶体管之类的。
要是用继电器呢，就好像是一个小开关员在那里，根据你的指令把电路连接的方式换一换，让电流从不同的路径走，这样就改变了电枢电流方向，电机就欢快地朝着另一个方向转起来咯。
还有哦，改变励磁电流的方向也能让直流电机正反转。
不过这个方法相对来说可能会复杂一丢丢。
励磁电流就像是给电机注入一种特殊的“能量引导”，当你把这个引导的方向改变了，电机也会响应这种变化而反转。
这就好比你给一个小宠物指了不同的方向，它就会朝着新的方向跑去一样有趣。
在实际操作的时候呢，你得特别小心哦。
因为电机这个小家伙可有点小脾气呢。
如果切换的时机或者方法不对，可能会对电机造成损害，就像你突然让一个正在跑步的人紧急转向，要是处理不好可能就会摔倒受伤呢。
所以在设计电路的时候，一定要确保各个元件都能协调工作，就像一个小团队一样，大家齐心协力才能让电机顺利地正反转切换。
另外呀，现在还有一些专门的电机驱动器，这些小玩意儿可厉害啦。
它们可以很方便地控制直流电机的正反转，你只要按照说明书简单设置一下参数，就像给它讲个小秘密一样，它就能按照你的要求让电机正转、反转或者停下来。
这就大大简化了我们的操作，不用自己费劲去捣鼓那些复杂的电路啦。
总之呢，直流电机正反转切换虽然有几种方法，但不管用哪种，都要小心谨慎地对待这个小电机，这样它才能好好地为我们工作，是不是很有趣呢？。
直流电机的换向
直流电机的换向旋转着的电枢某元件从一个支路改换到别的一个支路时，元件中的电流改动的过渡进程称为换向进程。
一、换向进程剖析电刷是支路的分界线；咱们研讨电刷与1、2片换向片别离和一同触摸时的状况。
换向刚初步时，元件仍归于右边支路，其电流为+ia（右→左）；处于换向进程中时，元件被电刷短路，电流巨细和方向处于改动的进程中；换向完毕时，元件进入左面支路，其电流现已由+ia变为-ia（左→右）。
一个元件的电流换向进程所需的时刻就称为换向周期Th，即一个换向片经过电刷所用的时刻。
换向元件的电流从+ia 变到-ia所用的时刻即为一个换向周期。
Th=0.5～2ms换向疑问十分杂乱，换向不良会在电刷与换向片之间发作火花。
当火花大到必定程度时或许损坏换向器外表，然后使电机不能正常作业。
发作火花的要素除电磁要素外，还有电化学、技能、电热等要素，至今尚无很老到的理论。
二、换向元件中的电势1．电抗电势ex通常,换向周期十分时刻短,电流的改动会在绕组元件中发作自感和互感电势,两者的构成电势称为电抗电势,用ex标明。
依据楞次定理，电抗电势的性质老是阻遏线圈中电流的改动,亦即ex的方向试图与换向前的电流方向一样。
或许说电抗电势是阻遏换向的。
电抗电势巨细反比于换向周期。
2．电枢反响电势ea换向元件切开电枢反响磁场，然后发作了电枢反响电势。
其方向与ex一样，即其性质也是阻遏换向的。
其巨细为:Ea=2WyBalva3．换向极电势eK换向极电势是因为换向元件切开换向磁极感应的电势，换向磁极是为改进换向而设置的。
其方向试图与换向后的电流方向一样，或许说换向极电势是帮忙换向的。
三、影响换向的要素电磁要素：电抗电势和切开电势阻遏换向.机械、化学、资料等要素机械方面的要素如：换向器偏疼、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器外表触摸欠好等等；化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都或许损坏换向器外表的氧化亚铜薄膜而发作火花。
四、改进换向的办法1.装换向极：在换向元件处发作一个磁势以抵消该处的电枢反响磁势。
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速度。
l
切割电动势存在ik 同R b1样eR使b2 换Reb1r 向eRab2电流变化延缓。因此线圈中合 成电动势(电抗电动势和切割电动势之和)的存在使换向电流
变化不再是线性的，出现了电流延迟现象的换向称为延迟换
向。 延迟换向时电刷下的各点电流密度不再为常数。er+ea 在换向元件中产生的电流称为附加换向电流，用ik表示
Rb
S S1
Rb
S Lb (Tk t)k
(3-10)
式中接触电阻RbR1b和2 RRb bSS22 是 Rb变LbSt化k 的，其值与电刷和换向片之间的接
触面积成反比，即
i i1 ia i ia i2
(3-11)
2
换向的电磁理论
将式（3-9）至 式（3i- 1ia (41）T2tk )代入式（310）可得
(3-15) 从式（3-15）可看出，
换向元件里的电流随时 间线性变化，这种换向
图3-21 换向电流变 化曲线
2
换向的电磁理论
（2）延（迟e换 0）向
由于换向元件为线圈，且换向过程中线圈中的电e流L 是
变化的，因此线圈中存在自感电动势 eL；为了保证换向可靠，
di
di
实际的电刷的宽度e比r e换L e向M 片(L的 M)宽dt 度Lr要dt 大得多，在换向过程中有
1 直流电动机换向的概念
直流电机每个支 路里所含元件的总数是相 等的，但是，就某一个元 件来说它一会儿在这个支 路里，一会儿又在另一个 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。当电机带有负
图3-20 直流电机的 换向过程
1 直流电动机换向的概念
电枢绕组以线速度νa从右向左移动，电刷 固定不动，观察图中元件1的换向过程。当电刷完全 与换向片1接触时，元件1里流过的电流为图中所标方 向，电流大小为i=ia ;当电枢转到使电刷与换向片2相 接触时，元件1被电刷短路。由于换向片2接触了电刷， 该元件里的电流被分流了一部分。当电刷仅与换向片 2接触时，换向元件1已进入另一支路，其中电流也从 换向前的方向变为换向后的反方向，完成了换向过程
直流电动机的换向
主讲教师：冯泽 虎
目录
1 直流电动机换向的概念
2
换向的电磁理论
33
改善换向的方法
4 2
直流电动机的换向
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为换向。当电动 机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变 化。换向不良会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷，导 致电机不能正常运行，甚至引起事故。
2
换向的电磁理论
2.换向的电磁理论
换向的电磁理论指的是换向元件在换向过程中电
流变化的情况，从而判断什么情况下会产生火花，什么情
况下不产生火花。
R i (R k R b1 )i1 （R k R b2）i 2 e
设两相邻的换向片与电刷间的接触电阻分别为Rb1和Rb2，
元件自身电阻为R，流过的电流为i，元件与换向片间的连
2
改善换向的方法
（2）装设换向极
目前改善直流电机换向最有效的办法，是
安装换向极，换向极装设在相邻两主磁极之间
的几何中性线上，如图3-22所示。加装换向极
的目的，主要是让它在换向元件处产生一个磁 动势，首先把电枢反应磁动势抵消掉，使得切
图3-22 用换 向极改善换向
3 改善换向的方法
由于电枢反应的影响使主磁极下气隙磁通 密度曲线发生畸变，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
3 改善换向的方法
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，发热大。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。设计制造电机时综合考虑两方面的因 素，选择了恰当的电刷牌号。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
3 改善换向的方法
改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。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
此引起的电磁性火花。
e er ea
产生电磁火花的直接原因是附加换向电流 ik。为改善换向，
必许限制附加换向电流ik。由式（3-18）知，减小ik的方法有两
种：一是增加接触电阻Rb1和Rb2；二是减小换向元件中的合成电动
2
换向的电磁理论
直流电机因换向不良引起电刷下产生火花，除了 上述的电磁原因外还有机械以及化学方面的因素。机械因素 包括：换向器偏心；换向片之间的绝缘凸出；电刷与换向器 表面接触的不好；电刷上的压力大小不合适；电刷在刷盒里 因装的太紧而卡住，或者太松而跳动；各电刷杆之间不等距； 各个换向极下的气隙不均匀；换向器表面不清洁等等。化学 方面的因素包括；电刷压力过大，或者高空缺氧、缺水气以 及某些电机所处环境为化工厂，这些都有可能破坏换向器表
线电阻为Rk，与两个换向片连接的元件电流为i1和i2，Σe
是换向元件的合成电动势，则根据基尔霍夫电压定律可列
2
换向的电磁理论
（1）直线换向(Σe=0)
如果元件里的合成电动势Σe为零，并忽略元件电阻过程R和元
R b1i1 R b2i 2 0
件与换向片或超越换向片间的连线电阻Rk，则上式可简化为
R b1
ia
多个L元r 件L M同时换向，源自此线圈中存在互感电动势，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
ea 2N c Ba a
(3-16)
2
换向的电磁理论
式中，Nc 为元件的匝数；Ba 为换向元件边所在处的气
隙磁通密度 为元件边导体的有效长度；νa为电枢表面线