【摘 要】在單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)中，為了改善換向性能，采用將電刷逆轉(zhuǎn)向偏離其幾何中性線一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌�。文中首先介紹準(zhǔn)確確定換向器上的幾何中性線的方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)氣隙磁場(chǎng)作分解和波形簡(jiǎn)化處理，推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)電勢(shì)與偏移角的關(guān)系式，從而得出電刷偏移角的計(jì)算式。
單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的容量都較小(一般輸出功率不超過lkW)。由于結(jié)構(gòu)上的限制，不能設(shè)置換向極來改善電機(jī)的換向。此把電刷從換向器上的幾何中性線逆轉(zhuǎn)向偏移一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌嚷�，使換向區(qū)域也跟著從電樞上的幾何中性線逆轉(zhuǎn)向偏移同樣的角度而進(jìn)入主極之下，以主極磁場(chǎng)來代替換向極磁場(chǎng)的作用，達(dá)到改善換向之目的，如圖l所示。這里所謂適當(dāng)?shù)慕嵌仁侵福?/DIV>
①β必須大于氣隙磁場(chǎng)物理中性線的偏移角優(yōu)，這時(shí)換向元件切割氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ek的方向與其中電抗電勢(shì)P，的方向相反，當(dāng)ek= ex時(shí)，電機(jī)換向改善。
②β角不能過大，原因是電刷的逆向偏移使電樞繞組產(chǎn)生去磁的直軸電樞反應(yīng)，偏移角B過大，則去磁過大，為保持主磁通不變而應(yīng)增加的定子勵(lì)磁安匝也過大，電機(jī)的耗銅量大為增加；同時(shí)過大的偏移角p也使電樞繞組的有效安匝數(shù)明顯減小，兩者使電機(jī)的效率和功率因數(shù)明顯下降。
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要電刷可固定在任何位置上。電刷的逆轉(zhuǎn)向偏移是通過順轉(zhuǎn)向偏移電樞元件與換向器的焊接位置，使電樞繞組在換向器上的幾何中性線順轉(zhuǎn)向偏離電刷中心線一個(gè)適的角度β來等效的，如圖2所示。因此準(zhǔn)確確定換向器上的幾何中性線是計(jì)算電刷偏移角β的前提。
換向元件中除存在旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ek和電抗電勢(shì)ex外，還存在因主磁通交變感應(yīng)產(chǎn)生的變壓器電勢(shì)el由于et在時(shí)間相位上滯后電流90度，其方向時(shí)而對(duì)換向起超前作用，時(shí)而起滯后作用。故不能通過增大電刷偏移角β，從而增大在時(shí)間上與電流同相位的ek來抵消el。在計(jì)算偏移角β時(shí)，只需考慮ek 、ex及兩者的關(guān)系。
1換向器上的幾何中性線
《電機(jī)學(xué)》中闡述的確定電樞繞組在換向器上的幾何中性線的方法只適用于每槽內(nèi)只有一個(gè)元件的電機(jī)，實(shí)際上很多電機(jī)每槽內(nèi)有2個(gè)或3個(gè)以上的元件。普遍適用的確定換向器上的幾何中性線的方法是：無論電樞繞組每槽內(nèi)有幾個(gè)元件，應(yīng)將同槽內(nèi)的所有元件視作一個(gè)“元件”，當(dāng)這個(gè)“元件”的軸線（即同槽內(nèi)所有元件的公共軸線）與主極軸線重合時(shí)，該槽內(nèi)所有元件所接換向片的中心線為換向器上的幾何中性線。
圖2所示為每槽內(nèi)有2個(gè)元件的電樞繞組，實(shí)槽節(jié)距為5，當(dāng)槽1和槽6處于主極軸線對(duì)稱位置時(shí)，同在兩槽內(nèi)的2個(gè)元件的公共軸線與主極軸線重合，故這兩槽內(nèi)的元件所接的3片換向片的中心線即為換向器上的幾何中性線。為改善換向，此幾何中性線順轉(zhuǎn)向偏離電刷中心線3／2片換向片。
2旋轉(zhuǎn)電努ek
換向元件切割氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ek。由于氣隙磁密分布復(fù)雜，難以用算式表示。為使ek算式的推導(dǎo)簡(jiǎn)化，對(duì)氣隙磁場(chǎng)作近似簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是由下述兩個(gè)磁場(chǎng)疊加而成，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ek就是換向元件切割下述兩磁場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)之和，再引入修正系數(shù)來考慮近似簡(jiǎn)化的影響。
2.1偏移電勢(shì)eβ
由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁磁勢(shì)、電樞繞組的直軸去磁磁勢(shì)和交軸等效直軸去磁磁勢(shì)共同建立的對(duì)稱于主極軸線的磁場(chǎng)，及換向元件切割該磁場(chǎng)產(chǎn)生的偏移電勢(shì)eβ。
該磁場(chǎng)就是計(jì)算總勵(lì)磁磁勢(shì)時(shí)的等效磁場(chǎng)，它的氣隙磁密分布為平頂波，在保持每極磁通不變的條件下，可將氣隙磁磁分布波形簡(jiǎn)化為梯形波，如圖所示。圖中的Bδ就是磁路計(jì)算時(shí)的氣隙磁密，是電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)交變磁密的****值，單位G。在簡(jiǎn)化時(shí)磁密波的面積保持不變。對(duì)偏心氣隙，為使簡(jiǎn)化的梯形波合理，圖3中的
當(dāng)電刷置于換向器的幾何中性線上時(shí)，換向元件的元件邊位于主極的對(duì)稱位置，其切割該磁場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)相互抵消，換向元件中電勢(shì)為零；
當(dāng)電刷逆轉(zhuǎn)向偏角后，換向元件邊產(chǎn)生的電勢(shì)相互不能抵消，換向元件中就產(chǎn)生偏移電勢(shì)ep。根據(jù)右手定則可知e的方向與元件換向前的電流方向相反。因偏移角
故換向元件邊都處于磁密梯形波上升和下降部分之下，如圖4所示。梯形波上升和下降的斜率均
電刷逆轉(zhuǎn)向偏移角后，換向元件的兩元件邊處的磁密較偏移前分別增加和減少值，換向元件中的偏移電勢(shì)ep自然是其元件邊電勢(shì)變化值的2倍，eβ的計(jì)算公式
所以一條元件邊電勢(shì)的增大值等于另一條元件邊電勢(shì)的減小。
2 2交軸電樞反應(yīng)電勢(shì)ea
由電樞繞組的交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)建立的對(duì)稱于主極間中心線的磁場(chǎng)，及換向元件切割該磁場(chǎng)產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)電勢(shì)ea
該磁場(chǎng)的氣隙磁密分布如圖5所示，圖中畫出了電刷放在換向器幾何中性線上和電刷逆轉(zhuǎn)向偏移盧角的情況。計(jì)算ea首先要求出換向元件邊處的磁密Baq 換向元仵邊處的磁密Baci基本不變。電刷放在換向器幾何中性線上，所以電刷偏移前后換向元件切割該磁場(chǎng)產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)電勢(shì)ea的計(jì)算式均為
根據(jù)右手定則可以判定e的方向與元件換向前電流的方向相同。
換向元件切割氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ek為其切割上述兩磁場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)之和。若設(shè)ek的方向與元件換向前的電流方向相反，則ek與偏移電勢(shì)ep同向，與交軸電樞反應(yīng)電勢(shì)ea反向，再引入修正系數(shù)趕（考慮推導(dǎo)過程近似簡(jiǎn)化的影響），ek的計(jì)算式為
顯然，當(dāng)電刷逆轉(zhuǎn)向偏移角β大于氣隙磁場(chǎng)物理中性線的偏移角。引入修正系數(shù)趕的原因主要是磁路飽和使電樞繞組的交軸電樞反應(yīng)造成的實(shí)際的氣隙磁密分布與上述兩磁場(chǎng)的疊加結(jié)果有差異，在極靴的電樞轉(zhuǎn)入處磁密的增大值小于極靴的電樞轉(zhuǎn)出處磁密的減少值。圖6中的曲線a為實(shí)際的氣隙磁密分布，曲線為疊加獲得的氣隙磁密分布，由此可知電刷逆轉(zhuǎn)向偏移β角，換向元件切割實(shí)際氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)較切割疊加獲得的氣隙磁場(chǎng)為小，這就是k小于1的理由。對(duì)氣隙小，磁路飽和程度高的電機(jī)，ks取小值；反之取大值。
3電抗電勢(shì)ex
ex是漏磁場(chǎng)在換向元件中感應(yīng)出的電勢(shì)，包括換向元件本身的自感電勢(shì)和同槽內(nèi)同時(shí)換向的其他元件對(duì)它產(chǎn)生的互感電勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電抗電勢(shì)ex的方問與元件換向前的電流方向相同。ex計(jì)算式為
單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)多采用圖7所示的梨形轉(zhuǎn)子槽。故
4電刷偏移角β
電刷逆轉(zhuǎn)向偏移角盧適當(dāng)，則換向元件中的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ek的方向與其中電抗電勢(shì)ex的方向相反，在電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，ek與ex應(yīng)有如下關(guān)系
上式中引入超前系數(shù)kx的原因是，當(dāng)電機(jī)過載使電流增大時(shí)，因產(chǎn)生 ex的磁路中空氣隙占的比例較產(chǎn)生eβ的磁路大得多，故前者磁路的飽和程度較后者低得多，隨電流增加的速度較快。若在額定運(yùn)行過載時(shí)因隨電流增加值較大，使ek< ex對(duì)換向不利。所以必須在電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)使ek略大于電機(jī)的換向略為超前。對(duì)于經(jīng)常過載運(yùn)行的電機(jī)，k取大值，反之取小值。
將偏移電勢(shì)ep的計(jì)算式代入ek與ex的關(guān)系式，經(jīng)整理得電刷逆轉(zhuǎn)向偏移角盧的計(jì)算式。
均勻氣隙
偏心氣隙
由于電刷逆轉(zhuǎn)向偏移使電樞繞組產(chǎn)生去磁直軸電樞反應(yīng)，它的去磁磁勢(shì)Fβ為
為使主磁通保持不變，定子勵(lì)磁安匝必須增加略這使得電機(jī)耗銅量增加，效率和功率因數(shù)降低。從產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的角度看，要求主極靴下的電樞導(dǎo)體電流方向一致。
從限制直軸去磁電樞反應(yīng)角度看，電刷偏移角為宜，此時(shí)R約占定子總勵(lì)磁安匝的百分之10—20。
