換向時(shí)的電流行為

  恒定的轉(zhuǎn)矩要求時(shí)不變的恒定電樞磁動勢(電樞電流)垂直于勵磁磁場。而換向器會把線圈電流以電樞頻率對正相位地?fù)Q極，它還會快速閉合那些在無場極缺口的導(dǎo)體回路到電刷上。

  如下圖所示，以υ_K速度運(yùn)動的電刷從換向片1經(jīng)過時(shí)，支路電流I_ZW先沿順時(shí)針方向進(jìn)入線圈，此時(shí)導(dǎo)體電流 i_L > 0；

  緊接著電刷移動到換向片1和2中間，正好同時(shí)接通，那么相當(dāng)于此時(shí)換向片1和2上地線圈環(huán)被斷路了，i_L =0；

  電刷繼續(xù)移動，完全覆蓋換向片2，支路電流流入導(dǎo)體線圈，i_L < 0；

  整個過程中線圈電流由正過零再轉(zhuǎn)負(fù)，實(shí)現(xiàn)了換向。而其實(shí)各個線圈環(huán)都串聯(lián)著，所以一開始流入換向片1地電流會從另一側(cè)另一個接觸電刷流出，而之后從換向片2流入的電流也是從另一個此時(shí)恰好接觸的電刷流出，在換向時(shí)間以外的電樞線圈電流會受外部電路影響，而流經(jīng)電刷的電流在換向時(shí)是不改變方向大小的。

  可知電樞線圈中電流在換向前  ，換向之后為  ，所以換向時(shí)電流變化量為  ，而換向過程的線圈電流變化只跟電刷電阻和線圈電感有關(guān)。

  所以有電刷寬度b_B，電樞換向器直徑 D_K ，電刷數(shù)量K

  換向器圓柱外圍的線速度υ_K，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)數(shù) n

  υ_K=πD_K·n

  換向時(shí)間T_K

  在很高的轉(zhuǎn)數(shù)下，T_K 甚至可以小于等1ms。

  考慮換向過程中的電阻切換，電刷相對換向器有運(yùn)動速度υ_K ，和換向器的接觸寬度是時(shí)變的。把原來換向片1部分接觸寬度記作b₁，有電阻R_B1，后來接觸換向片2的寬度記作b₂有電阻R_B2，那么

  此時(shí)在電刷上電流I_B有兩部分

  此時(shí)電阻和寬度有關(guān)，有以下關(guān)系

  代入i_L得

  可見在T_K內(nèi)，換向時(shí)電流行為符合一次函數(shù)。

  然而在極短的換向時(shí)間內(nèi)，電流的劇烈突變令線圈的自感現(xiàn)象無法忽視。電流變化會產(chǎn)生電流換向電壓

  線性電流變化會得出  ，其中I_a和內(nèi)生轉(zhuǎn)矩大小有關(guān)，可見，當(dāng)負(fù)載變大，轉(zhuǎn)數(shù)變大的時(shí)候，電流換向電壓也隨之增大。因?yàn)槔愦味ɡ?，電流換向電壓會反抗自己的產(chǎn)生，這意味著換向的過程會被延遲，這會導(dǎo)致在換向終點(diǎn)更陡峭的電流曲線。

  換向終點(diǎn)的極高電流換向電壓積蓄了電磁能，會在電刷邊沿處擊穿空氣，產(chǎn)生電火花，電弧，即所謂的電刷打火，這會對換向器和電刷帶來更多的磨損。所以我們的目標(biāo)應(yīng)該是盡量獲得線性的換向電流曲線。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，可以通過對電流換向電壓補(bǔ)償，比如在更大的電機(jī)里會裝入所謂的換向極。換向極會被裝在換向區(qū)（中性區(qū)），換向繞組回合電樞繞組串聯(lián)起來。

  換向極

  換向極在橫軸產(chǎn)生了換向磁場，正好電樞電流會在極缺口產(chǎn)生電樞橫向磁動勢Θ_A(電樞反應(yīng))，但正好與換向場反向。這些電樞反向的磁場可以通過補(bǔ)償極的補(bǔ)償磁動勢部分抵消。對于未飽和的換向極使用安倍環(huán)路定理，H_ω是換向極磁場強(qiáng)度，δ_ω是換向極氣隙寬度，換向極磁動勢Θ_ω，換向極匝數(shù)N_ω，則有

  H_ω·2δ_ω=Θ_ω-Θ'_a=2N_ωI_a-Θ'_a

  電樞反磁動勢Θ'_a=Θ_a-Θ_K=Θ_a(1-a_i)~I_a=(1-a_i)c·I_a ，c比例系數(shù)，那么換向極下的氣隙磁場有

  一個N_S匝線圈上換極磁場的感應(yīng)電壓為

  u_i,ω=N_S·2πD_a·n·l_Fe·B_ω

  代入式則有

  顯然換向極感應(yīng)電壓也和電樞電流大小以及轉(zhuǎn)數(shù)成正比。通過合理布置換向極線圈就可以產(chǎn)生這樣的感應(yīng)電壓，來補(bǔ)償電流換向電壓并且把極缺口處的電樞反向磁動勢抵消。理想情況下u_i,ω-u_Sω=0那么就會達(dá)到平衡。整個換向電路上消去感性部分，只剩下純阻性的換向。

  現(xiàn)實(shí)中這個換向極補(bǔ)償電壓可能不僅抵消了換向電壓，還會多出來額外電壓，u_i,ω-u_Sω>0，導(dǎo)致"過換向"，表現(xiàn)為換向過快，電流變化過于平緩；抑或是補(bǔ)償不夠，u_i,ω-u_Sω <0，出現(xiàn)所謂的"欠換向"，表現(xiàn)為換向過慢，電流變化過于劇烈。

  綜上所述，換向過程中線圈電流方向大小會周期性交替變化，變化過程中會感應(yīng)出阻礙并催生延時(shí)的電流換向電壓，換向電壓大小和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)以及電樞電流強(qiáng)度有關(guān)，如果換向電壓過大，積蓄電磁能致使擊穿放電傷害換向器。引入換向極繞組，反向補(bǔ)償換向電壓，還可以遏制電樞反應(yīng)，合適的換向補(bǔ)償可以控制電樞線圈換向過程保持純阻性，而非感性或是容性。

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