永磁同步电机之换 向

直流电机的电枢旋转时，由于换向器的作用，电枢元件从一条支路进人另一条支路，元件内电流的方向发生了改变，元件电流改变方向的过程，称为换向。换向前后的电流大小相等、方向相反。在直流电机中，任何瞬间都有元件在换向。若直流电机换向不好，将在电刷和换向器之间引起火花，火花超过一定程度，将烧坏电刷和换向器。火花严重时，还可能与电位差火花汇合在一起，形成环火，烧毁电机。此外，火花还会产生电磁波，产生无线电干扰。

换向是直流电机的共同问题，对直流电机可靠性有很大影响。对于永磁直流电动机，由于永磁磁极径向尺寸很小，不能像用励磁直流电机那样安装换向极，使换向问题更加突出。

一、换向过程

图6一23表示一单叠绕组元件的换向过程。假设换向元件编号为1，电刷宽度b等于换向片宽度b ，片间绝缘厚度忽略不计，电枢绕组以线速度v向左移动。

为理想情况。通常情况下，艺若又。较大，将导致换向不良，在电刷下产生火花。

2．换向类型

根据换向电流变化规律的不同，将换向过程分为以下三种类型：

( 1）直线换向。当换向元件中的合成电动势艺e一。时，换向元件中的电流变化规律大体为一直线，这种换向称为直线换向，如图6一24 ( a）所示。图6一23 ( a）中，元件1属于电刷右边的支路，其中的电流为，电刷仅与换向片1接触；运动到图6一23 ( b）所示位置时，电刷同时与换向片1和2接触，元件1被短路，其中的电流发生变化，从i 。开始衰减，直至电刷与换向片2完全接触；在图6一23 ( C）所示位置，元件1已属于电刷左边的支路，流过的电流是一i 。 。所以从图6一23 ( a）到图6一23（。），元件1经历了换向过程，称为换向元件。元件1 、换向片1 、换向片2 、电刷所构成的回路，称为换向回路。换向回路内的电流，也就是换向元件内的电流称为换向电流。换向过程经历的时间称为换向周期，用Tc表示。换向周期很短，一般约几个毫秒。

可以看出，换向实际上是换向元件在被电刷一换向片短路过程中发生的电磁现象，在此期间，由换向元件的电阻、电感、电刷接触电阻组成一个电路，这个电路中电流的变化规律对换向有很大影响。理想情况下，换向元件位于两极之间的中心线上，所在位置的气隙磁密为零，电刷接触电阻为常数，此时换向电流线性变化，是理想的换向过程。在实际换向过程中，换向元件所在位置的气隙磁密不为零，换向回路中存在多种感应电动势，电刷接触电阻也是非线性的，这些因素对换向电流产生很大影响，导致实际换向过程与理想换向过程差别很大。

1．换向元件中的感应电动势

在换向过程中，换向元件内将产生两种感应电动势，下面分别讨论。

( 1）电抗电动势。换向元件本身有自感，还有与其他元件之间的互感。换向电流的变化将在换向元件内产生自感电动势和互感电动势，两者的合成电动势称为电抗电动势。由于所有元件（包括换向元件在内）所产生的合成气隙磁通为交轴电枢反应磁通，不在换向元件内产生感应电动势，故电抗电动势仅由换向元件的漏磁通所感应产生；在换向周期内，电抗电动势的平均值为。 r 。根据电磁感应定律，电抗电动势总是阻碍电流的变化，由于换向元件内电流不断减小，故。 r的方向与换向前的电流方向相同。

( 2）旋转电动势。

2．换向类型

根据换向电流变化规律的不同，将换向过程分为以下三种类型：

( 1）直线换向。当换向元件中的合成电动势艺e一。时，换向元件中的电流变化规律大体为一直线，这种换向称为直线换向，如图6一24 ( a）所示。

直线换向的特点是，换向电流产生的磁动势只有交轴分量、电刷接触面上的电流密度分布均匀、不易产生火花、换向良好。

( 2）延迟换向。以电抗电动势er作为正值，如果习e > o，则换向元件中的电流i由直线换向电流红和由合成电动势艺。产生的附加换向电流i 。叠加而成，如图6一24 ( b）所示。炭的出现，使换向元件中的电流改变方向的时刻向后推延，因此这种换向称为延迟换向。延迟换向结束时，被电刷短路的换向元件瞬时断开，后刷边容易出现火花，导致换向不良。后刷边的电流密度大于前刷边的电流密度。换向元件产生的磁动势除了交轴分量外，还有直轴分量，直轴磁动势使发电机去磁、电动机助磁。

( 3）超越换向。若换向极磁场较强，则换向元件中与电抗电动势反向的旋转电动势可能大于电抗电动势，此时习e < O，附加换向电流i 。将反向，因而换向元件中电流改变方向的时刻将比直线换向时提前，如图6一24 ( c）所示。这种换向称为超越换向，轻微的超越换向有一定好处，但过度的超越换向也是不利的。前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度。换向元件产生的磁动势除了交轴分量外，还有直轴分量，直轴磁动势使发电机助磁、电动机去磁。