永磁同步電機(jī)之換 向

直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進(jìn)人另一條支路，元件內(nèi)電流的方向發(fā)生了改變，元件電流改變方向的過程，稱為換向。換向前后的電流大小相等、方向相反。在直流電機(jī)中，任何瞬間都有元件在換向。若直流電機(jī)換向不好，將在電刷和換向器之間引起火花，火花超過一定程度，將燒壞電刷和換向器?；鸹▏?yán)重時(shí)，還可能與電位差火花匯合在一起，形成環(huán)火，燒毀電機(jī)。此外，火花還會(huì)產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生無線電干擾。

換向是直流電機(jī)的共同問題，對(duì)直流電機(jī)可靠性有很大影響。對(duì)于永磁直流電動(dòng)機(jī)，由于永磁磁極徑向尺寸很小，不能像用勵(lì)磁直流電機(jī)那樣安裝換向極，使換向問題更加突出。

一、換向過程

圖6一23表示一單疊繞組元件的換向過程。假設(shè)換向元件編號(hào)為1，電刷寬度b等于換向片寬度b ，片間絕緣厚度忽略不計(jì)，電樞繞組以線速度v向左移動(dòng)。

為理想情況。通常情況下，藝若又。較大，將導(dǎo)致?lián)Q向不良，在電刷下產(chǎn)生火花。

2．換向類型

根據(jù)換向電流變化規(guī)律的不同，將換向過程分為以下三種類型：

( 1）直線換向。當(dāng)換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)藝e一。時(shí)，換向元件中的電流變化規(guī)律大體為一直線，這種換向稱為直線換向，如圖6一24 ( a）所示。圖6一23 ( a）中，元件1屬于電刷右邊的支路，其中的電流為，電刷僅與換向片1接觸；運(yùn)動(dòng)到圖6一23 ( b）所示位置時(shí)，電刷同時(shí)與換向片1和2接觸，元件1被短路，其中的電流發(fā)生變化，從i 。開始衰減，直至電刷與換向片2完全接觸；在圖6一23 ( C）所示位置，元件1已屬于電刷左邊的支路，流過的電流是一i 。 。所以從圖6一23 ( a）到圖6一23（。），元件1經(jīng)歷了換向過程，稱為換向元件。元件1 、換向片1 、換向片2 、電刷所構(gòu)成的回路，稱為換向回路。換向回路內(nèi)的電流，也就是換向元件內(nèi)的電流稱為換向電流。換向過程經(jīng)歷的時(shí)間稱為換向周期，用Tc表示。換向周期很短，一般約幾個(gè)毫秒。

可以看出，換向?qū)嶋H上是換向元件在被電刷一換向片短路過程中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，在此期間，由換向元件的電阻、電感、電刷接觸電阻組成一個(gè)電路，這個(gè)電路中電流的變化規(guī)律對(duì)換向有很大影響。理想情況下，換向元件位于兩極之間的中心線上，所在位置的氣隙磁密為零，電刷接觸電阻為常數(shù)，此時(shí)換向電流線性變化，是理想的換向過程。在實(shí)際換向過程中，換向元件所在位置的氣隙磁密不為零，換向回路中存在多種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電刷接觸電阻也是非線性的，這些因素對(duì)換向電流產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致實(shí)際換向過程與理想換向過程差別很大。

1．換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

在換向過程中，換向元件內(nèi)將產(chǎn)生兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，下面分別討論。

( 1）電抗電動(dòng)勢(shì)。換向元件本身有自感，還有與其他元件之間的互感。換向電流的變化將在換向元件內(nèi)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)，兩者的合成電動(dòng)勢(shì)稱為電抗電動(dòng)勢(shì)。由于所有元件（包括換向元件在內(nèi)）所產(chǎn)生的合成氣隙磁通為交軸電樞反應(yīng)磁通，不在換向元件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故電抗電動(dòng)勢(shì)僅由換向元件的漏磁通所感應(yīng)產(chǎn)生；在換向周期內(nèi)，電抗電動(dòng)勢(shì)的平均值為。 r 。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電抗電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的變化，由于換向元件內(nèi)電流不斷減小，故。 r的方向與換向前的電流方向相同。

( 2）旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。

2．換向類型

根據(jù)換向電流變化規(guī)律的不同，將換向過程分為以下三種類型：

( 1）直線換向。當(dāng)換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)藝e一。時(shí)，換向元件中的電流變化規(guī)律大體為一直線，這種換向稱為直線換向，如圖6一24 ( a）所示。

直線換向的特點(diǎn)是，換向電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)只有交軸分量、電刷接觸面上的電流密度分布均勻、不易產(chǎn)生火花、換向良好。

( 2）延遲換向。以電抗電動(dòng)勢(shì)er作為正值，如果習(xí)e > o，則換向元件中的電流i由直線換向電流紅和由合成電動(dòng)勢(shì)藝。產(chǎn)生的附加換向電流i 。疊加而成，如圖6一24 ( b）所示。炭的出現(xiàn)，使換向元件中的電流改變方向的時(shí)刻向后推延，因此這種換向稱為延遲換向。延遲換向結(jié)束時(shí)，被電刷短路的換向元件瞬時(shí)斷開，后刷邊容易出現(xiàn)火花，導(dǎo)致?lián)Q向不良。后刷邊的電流密度大于前刷邊的電流密度。換向元件產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)除了交軸分量外，還有直軸分量，直軸磁動(dòng)勢(shì)使發(fā)電機(jī)去磁、電動(dòng)機(jī)助磁。

( 3）超越換向。若換向極磁場較強(qiáng)，則換向元件中與電抗電動(dòng)勢(shì)反向的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)可能大于電抗電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)習(xí)e < O，附加換向電流i 。將反向，因而換向元件中電流改變方向的時(shí)刻將比直線換向時(shí)提前，如圖6一24 ( c）所示。這種換向稱為超越換向，輕微的超越換向有一定好處，但過度的超越換向也是不利的。前刷邊的電流密度大于后刷邊的電流密度。換向元件產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)除了交軸分量外，還有直軸分量，直軸磁動(dòng)勢(shì)使發(fā)電機(jī)助磁、電動(dòng)機(jī)去磁。