第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第四章
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
就一个具体的电枢元件 (线圈 )来说，其电流总
是不断变化的。或者说电枢旋转时，每个具体的
电枢元件总是不断地从一个支路转进另外一个支
路。
元件中电流的方
向改变的过渡过
程称为 换向过程
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
电刷是支路的分界线；我们研究跨接在换向片 1/2上的电枢元件。
换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为 +ia（右 → 左）；
处于换向中时，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 由变为 -ia（左 → 右）。
一个元件换向过程所需的时间就是称为换向周期 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=0.0005～ 0.02秒）。
换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大
到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。
产生火花的原因十分复杂，除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至
今尚无完整的理论
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向元件中的电势
1.电抗电势
一般,换向周期非常短暂,
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 er表示。
dt
diLeee a
rMLr ????
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
电枢反应电势
当电枢旋转时，处于几何中性线
上的换向元件，将切割交轴电枢
磁场而产生电枢反应电势。根据
右手定则可以判断的方向也是与
换向前的电流方向相同，即和方
向一致，都是阻碍电流换向的。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向电势
为了改善换向，容量在 1kw以上的
直流电机都安装有换向极，换向极
安装在几何中性线上。换向极极性
应正确，以使它的磁势与交轴电枢
反应磁势相反，如图所示。这样，
当换向元件切割换向极磁场时，感
应产生换向电势，其方向与和相反，
用来抵消和对换向的不利影响。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向元件中的电阻
换向元件中的电流
tT
T
RR
K
K
?
?1
t
T
RR K?2
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KL
K
K
K
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2
21
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向过程
电阻换向
ark eee ?? 理想换向情况，元件中的合成电势 0?? e
延迟换向
ark eee ?? 合成电势 0??e
电流改变方向的时刻比直线换向
时推迟，故称为延迟换向超越换向
ark eee ?? 0??e
电流改变方向的时刻比直线换向时提前，
故称为超越换向
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
产生火花的原因
电磁原因
1,当电机处于直线换向时，尽管电流密度可能很大，
但电刷下不会产生火花。
2,附加换向电流过大是产生火花的电磁原因。
3,当电机工作在严重超越换向时,前刷边电流密度增
大,导致电刷局部过热而在前刷边出现火花或电弧。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
产生火花的原因
1.换向器及电机旋转部分的缺陷
机械原因
（ 1）个别换向片或云母片凸出；
（ 2）换向器偏心、转子动平衡不好；
（ 3）换向器工作表面污染、有毛刺、斑痕或拉伤沟纹等；
（ 4）换向器工作表面变形，如呈椭圆形、腰形或锥形等。
2.电刷装置的缺陷
（ 1）电刷接触面研磨的不光滑，接触不良或只是局部接触；
（ 2）电刷在刷盒中间隙不合适，造成跳动、倾斜或卡死现象；
（ 3）电刷上压力不适当；
（ 4）刷握装置不稳固，造成刷握位置偏离几何中心线；
（ 5）刷架圈的定位不准确或安装不牢固等。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
产生火花的原因
化学原因
在正常情况下，当电机长期运行之后，换向器滑动
面会覆盖一层很薄的薄膜，电刷在与换向器接触时，并
不是直接与换向器钢片本身接触，而是通过这层薄膜与
换向器铜片接触。要获得良好的换向，除保持电磁和机
械方面的良好条件外，还必须在换向器表面形成均匀而
光亮的薄膜层，不正常薄膜的出现将预示着电机换向的
恶化。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善直流牵引电动机换向的方法
一、设置换向极
换向极应满足以下要求：
1.极性正确
2.换问极绕组必须与电枢绕组串联
3.换向极磁路处于低饱和状态
二、减小电抗电势
re
希望电抗电势的数值尽可能小些，这样抵消电抗电势
的所需要的换向电势也就小些。当这两个电势的绝对
值都减小以后，它们的剩余电势也相应减小，这样就
改善了电机的换向条件。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善直流牵引电动机换向的方法
三、增加换向回路的电阻
换向回路电阻主要是决定于电刷与换向片之间的接
触电阻，增加接触电阻可以减小附加换向电流的数
值，从而改善电机换向。
脉流牵引电动机由于换向条件困难，广泛采
用高接触电阻的电化石墨电刷
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
一台换向正常的直流牵引电动机，若工作在脉动电
源下，这台电机换向将显著恶化，这是因为在脉动电源
条件下，牵引电动机的换向元件中，除已经介绍过的直
流电势外，由于脉动电源中交流分量的作用，还将引起
另外 3种交流电势，即：
(1)由电枢电流交流分量 Ia～引起的交流电抗电势 er～；
(2)由换向区磁通交变分量由 φK～引起的交流换向电势
ek～；
(3)由主极磁通交变分量 φf～引起的变压器电势 et，
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
交流电抗电势 er~
er~ =Ki er
在一定的电流脉动系
数下，交流电抗电势
er~的幅值正比于直流
电抗电势 er=其交变频
率和相位与电枢电流
交流分量相同。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
变压器电势 et
变压器电势是由于主极磁通交变分量由 f～ 的作用，在
换向元件中感应的电势，其表达式为：
dt
dWae ~f
t
???
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
交流换向电势
~ke
交流换向电势势是换向元件切割换向区合成交变磁通
而产生的，其大小取决于换向区合成交变磁通的数值，
相位与同相。因此，研究 的大小和相位，实际上是
研究 的大小和相位。 ~ke
~K
??
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
换向元件中的交流合成电势
过大的 Δer~是引起脉流牵引电
动机换向困难的根本原因。因
此，要改善脉流牵引电动机的
换向，就要尽可能地减小交流
剩余电势 Δer~。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善脉流牵引电动机换向的方法
脉流牵引电动机的换向比直流牵引电动机困难，为
了保证脉流牵引电动机可靠运行，必须针对它在换
向方面存在的问题采取一定的措施。
一、减小交流电势的数值
1．减小交流电抗电势 er~
2．减小变压器电势 et
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善脉流牵引电动机换向的方法
二、改善交流换向电势 ek~的相位
1.换向极铁心采用电工钢片叠制
2.机座内壁敷设磁桥
3.减小换向极漏磁通
4.采用全叠片或半叠片机座
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善脉流牵引电动机换向的方法
三、选择合适的变压器电势补偿不平衡电势
由换向元件各交流电势的相位关系可见，变压器电
势与交流电抗电势的相位几乎是相反的，因此可利
用来抵消。实践证明，这是积极有效的办法。为了
使在数值上和相位上都能补偿，必须选择合适的固
定磁场削弱系数。
te?
四、采用感应分路
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
直流和脉流牵引电动机
在某些恶劣条件下运行
时，正、负电刷之间可
能形成一股强烈的环形
电弧；同时伴有闪光与
巨响，这种现象称为环
火（俗称, 放炮, ）环
火是直流和脉流牵引电
动机最严重的故障之一
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
一、产生环火的原因
换向器片间电压
分布曲线和电位
特性
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
电刷下火花的扩展 当原始
火花较大时，随着换向器的转动，
原始火花将被机械地拉长，从而
在电刷与换向片形成电弧，该电
弧能否维持甚至发展，决定于电
弧本身的能量及换向器上的电位。
图中 1,2表示电机的电位特性，
3表示电弧特性,a是电弧继续燃
烧的临界点。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
牵引电动机运行时，电刷磨损而产生碳粉或电刷碎片，换向器磨损的铜粉
以及其他导电灰尘会积聚在换向片间的沟槽中，这些可导电物质在换向片
间形成了所谓的导电桥。当片间电压过高时，此导电桥中的导电尘粒因燃
烧形成火花。若片间电压足够大，会在这些导电尘粒燃烧后，出现片间电
弧，当电弧向前扩展时，它遗留下来的离化气体是导电的，因而，电弧不
断伸长，以至形成环火。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
防止环火的措施
1.限制换向器圆周上的电
位梯度和最大片间电压值
2.采用适当的主极极靴形状
3.选择适当的极弧系数
4.设置补偿绕组
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
一、电机的损耗和温升
直流牵引电动机在实现能量转换过程中，电机内部将
产生机械损耗、铁耗、铜耗和附加损耗等 4类损耗，
这些损耗一方面使电机的输出功率减小、效率降低；
另一方面，损耗最终都变为热能,使电机各部分温度
升高,引起电机发热。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
均质固体的发热曲线，曲线表明物体发热时，其温
升随时间按指数函数规律变化。开始发热时，物体
与周围介质的温差较小，散发出的热量较少，产生
的热量大部分用以升高物体本身的温度，温度上升
得较快。随着电机温度的升高，温差的增大，散发
的热量逐渐增加，用以升高物体本身的热量逐渐减
少，温度上升速度减慢。当发热体经过较长时间，
温度升高到一定数值后，产生的热量等于散发热量，
物体的温度不再升高，达到热稳定状态。此时，物
体的温升称为稳定温升，用 表示。
??
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
散热
电机的损耗引起发热而使电机温度升高，当电机的
温度高于周围介质温度时，热量开始向周围介质中
散发，称为电机的散热。
绝缘层的热传导作用
表面层的热散发作用
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
牵引电动机的通风冷却
1.牵引电动机的通风方式
自通风 独立通风
2.牵引电动机的通风结构和通风参数
强迫通风 诱导通风
轴向通风 径向通风
采用强迫式独立通风
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
本章小结
换向是指电枢绕组元件从一条支路进入另一条支路时，元件中
电流改变方向的过程。换向不良时，将在直流和脉流牵引电动
机的换向器与电刷之间产生有害火花。产生火花有电磁、
机械和化学等方面的原因，其中，电磁原因起着决定性的作用。
而附加换向电流过大是产生火花的电磁原因。
改善换向的目的在于消除电刷下的火花。机械方面的原因可以
通过改进制造工艺和加强日常维护保养来消除。消除电磁火花
的实质，是设法限制附加换向电流。主要方法有：（ 1）设置
换向极一换向元件切割其磁场产生换向电势以抵消电抗电势，
使； (2）减小电抗电势 —— 合理选择电机的参数；（ 2）增大
换向回路的电阻 —— 采用双分裂式电刷。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
? 脉流牵引电动机的电压。电流和磁通中除存在直流分量
外，还存在着以两倍电源频率按正弦规律变化的交流分
量，使其换向更为复杂。在换向元件中，除直流电势外，
还存交流电抗电势变压器电势；和交流换向电势。
? 改善脉流牵引电动机的换向，除采取使直侃下换向良好
的一系列措施外，还必须针对交流电势采取相应的措施。
（ 1）减小变压器电势或利用变压器电势抵消交流电抗电
势。方法是在励磁绕组上并联固定分路电阻；（ 2）减小
交流电抗电势。其实感是降低直流电抗电势； (3)改善交
流换向电势的相位。为此，从电机结构方面采取了一系
列可行的措施。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
? 环火是指正负电刷之间被强烈的电弧所短路,是直
流和脉流牵引电动机最严重的故障。
? 电视运行时，换向器表面上可能产生原始火花和
电位火花，火花较大时形成电弧,该电弧能否维持
甚至发展为环火，取定于电弧本身的能量、换向
器上的电位和片间电压等。原始电弧电流越大、
电位特性越陡、片间电压越高、产生环火的可能
性就越大。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
? 为了防止环火的发生，牵引电动机在参数和结构
上必须采取必要的措施，最有效的措施是设置补
偿绕组。利用补偿绕组消除由于电枢反应引起的
气隙磁场畸变，减小片间电压的最大值，同时使
得电位特性曲线较为平坦。
? 牵引电动机的功率大，尺寸又受到空间的限制，
因而电机发热比较严重。温升过高，不仅直接关
系到电机的使用寿命和安全运行，还决定了电机
的额定容量，因此，温升是评价牵引电动机性能
的重要指标。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
电机内部的热量，是靠传导、对流、辐射作
用散发出去的。为了增强电机内部的传热
能力，牵引电动机在材料和工艺上采取了
许多措施，并采用通风冷却增大散热系数，
提高电机的散热能力。电力机车用脉流牵
引电动机，根据其结构特点和运行特点，
通常采用强迫式独立通风，风道沿轴向布
置。
直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第四章
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
就一个具体的电枢元件 (线圈 )来说，其电流总
是不断变化的。或者说电枢旋转时，每个具体的
电枢元件总是不断地从一个支路转进另外一个支
路。
元件中电流的方
向改变的过渡过
程称为 换向过程
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
电刷是支路的分界线；我们研究跨接在换向片 1/2上的电枢元件。
换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为 +ia（右 → 左）；
处于换向中时，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 由变为 -ia（左 → 右）。
一个元件换向过程所需的时间就是称为换向周期 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=0.0005～ 0.02秒）。
换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大
到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。
产生火花的原因十分复杂，除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至
今尚无完整的理论
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向元件中的电势
1.电抗电势
一般,换向周期非常短暂,
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 er表示。
dt
diLeee a
rMLr ????
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
电枢反应电势
当电枢旋转时，处于几何中性线
上的换向元件，将切割交轴电枢
磁场而产生电枢反应电势。根据
右手定则可以判断的方向也是与
换向前的电流方向相同，即和方
向一致，都是阻碍电流换向的。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向电势
为了改善换向，容量在 1kw以上的
直流电机都安装有换向极，换向极
安装在几何中性线上。换向极极性
应正确，以使它的磁势与交轴电枢
反应磁势相反，如图所示。这样，
当换向元件切割换向极磁场时，感
应产生换向电势，其方向与和相反，
用来抵消和对换向的不利影响。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向元件中的电阻
换向元件中的电流
tT
T
RR
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K
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第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
第一节 换向的基本概念
换向过程
电阻换向
ark eee ?? 理想换向情况，元件中的合成电势 0?? e
延迟换向
ark eee ?? 合成电势 0??e
电流改变方向的时刻比直线换向
时推迟，故称为延迟换向超越换向
ark eee ?? 0??e
电流改变方向的时刻比直线换向时提前，
故称为超越换向
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
产生火花的原因
电磁原因
1,当电机处于直线换向时，尽管电流密度可能很大，
但电刷下不会产生火花。
2,附加换向电流过大是产生火花的电磁原因。
3,当电机工作在严重超越换向时,前刷边电流密度增
大,导致电刷局部过热而在前刷边出现火花或电弧。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
产生火花的原因
1.换向器及电机旋转部分的缺陷
机械原因
（ 1）个别换向片或云母片凸出；
（ 2）换向器偏心、转子动平衡不好；
（ 3）换向器工作表面污染、有毛刺、斑痕或拉伤沟纹等；
（ 4）换向器工作表面变形，如呈椭圆形、腰形或锥形等。
2.电刷装置的缺陷
（ 1）电刷接触面研磨的不光滑，接触不良或只是局部接触；
（ 2）电刷在刷盒中间隙不合适，造成跳动、倾斜或卡死现象；
（ 3）电刷上压力不适当；
（ 4）刷握装置不稳固，造成刷握位置偏离几何中心线；
（ 5）刷架圈的定位不准确或安装不牢固等。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
产生火花的原因
化学原因
在正常情况下，当电机长期运行之后，换向器滑动
面会覆盖一层很薄的薄膜，电刷在与换向器接触时，并
不是直接与换向器钢片本身接触，而是通过这层薄膜与
换向器铜片接触。要获得良好的换向，除保持电磁和机
械方面的良好条件外，还必须在换向器表面形成均匀而
光亮的薄膜层，不正常薄膜的出现将预示着电机换向的
恶化。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善直流牵引电动机换向的方法
一、设置换向极
换向极应满足以下要求：
1.极性正确
2.换问极绕组必须与电枢绕组串联
3.换向极磁路处于低饱和状态
二、减小电抗电势
re
希望电抗电势的数值尽可能小些，这样抵消电抗电势
的所需要的换向电势也就小些。当这两个电势的绝对
值都减小以后，它们的剩余电势也相应减小，这样就
改善了电机的换向条件。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善直流牵引电动机换向的方法
三、增加换向回路的电阻
换向回路电阻主要是决定于电刷与换向片之间的接
触电阻，增加接触电阻可以减小附加换向电流的数
值，从而改善电机换向。
脉流牵引电动机由于换向条件困难，广泛采
用高接触电阻的电化石墨电刷
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
一台换向正常的直流牵引电动机，若工作在脉动电
源下，这台电机换向将显著恶化，这是因为在脉动电源
条件下，牵引电动机的换向元件中，除已经介绍过的直
流电势外，由于脉动电源中交流分量的作用，还将引起
另外 3种交流电势，即：
(1)由电枢电流交流分量 Ia～引起的交流电抗电势 er～；
(2)由换向区磁通交变分量由 φK～引起的交流换向电势
ek～；
(3)由主极磁通交变分量 φf～引起的变压器电势 et，
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
交流电抗电势 er~
er~ =Ki er
在一定的电流脉动系
数下，交流电抗电势
er~的幅值正比于直流
电抗电势 er=其交变频
率和相位与电枢电流
交流分量相同。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
变压器电势 et
变压器电势是由于主极磁通交变分量由 f～ 的作用，在
换向元件中感应的电势，其表达式为：
dt
dWae ~f
t
???
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
交流换向电势
~ke
交流换向电势势是换向元件切割换向区合成交变磁通
而产生的，其大小取决于换向区合成交变磁通的数值，
相位与同相。因此，研究 的大小和相位，实际上是
研究 的大小和相位。 ~ke
~K
??
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
脉流牵引电动机的换向特点
换向元件中的交流合成电势
过大的 Δer~是引起脉流牵引电
动机换向困难的根本原因。因
此，要改善脉流牵引电动机的
换向，就要尽可能地减小交流
剩余电势 Δer~。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善脉流牵引电动机换向的方法
脉流牵引电动机的换向比直流牵引电动机困难，为
了保证脉流牵引电动机可靠运行，必须针对它在换
向方面存在的问题采取一定的措施。
一、减小交流电势的数值
1．减小交流电抗电势 er~
2．减小变压器电势 et
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善脉流牵引电动机换向的方法
二、改善交流换向电势 ek~的相位
1.换向极铁心采用电工钢片叠制
2.机座内壁敷设磁桥
3.减小换向极漏磁通
4.采用全叠片或半叠片机座
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
改善脉流牵引电动机换向的方法
三、选择合适的变压器电势补偿不平衡电势
由换向元件各交流电势的相位关系可见，变压器电
势与交流电抗电势的相位几乎是相反的，因此可利
用来抵消。实践证明，这是积极有效的办法。为了
使在数值上和相位上都能补偿，必须选择合适的固
定磁场削弱系数。
te?
四、采用感应分路
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
直流和脉流牵引电动机
在某些恶劣条件下运行
时，正、负电刷之间可
能形成一股强烈的环形
电弧；同时伴有闪光与
巨响，这种现象称为环
火（俗称, 放炮, ）环
火是直流和脉流牵引电
动机最严重的故障之一
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
一、产生环火的原因
换向器片间电压
分布曲线和电位
特性
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
电刷下火花的扩展 当原始
火花较大时，随着换向器的转动，
原始火花将被机械地拉长，从而
在电刷与换向片形成电弧，该电
弧能否维持甚至发展，决定于电
弧本身的能量及换向器上的电位。
图中 1,2表示电机的电位特性，
3表示电弧特性,a是电弧继续燃
烧的临界点。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
牵引电动机运行时，电刷磨损而产生碳粉或电刷碎片，换向器磨损的铜粉
以及其他导电灰尘会积聚在换向片间的沟槽中，这些可导电物质在换向片
间形成了所谓的导电桥。当片间电压过高时，此导电桥中的导电尘粒因燃
烧形成火花。若片间电压足够大，会在这些导电尘粒燃烧后，出现片间电
弧，当电弧向前扩展时，它遗留下来的离化气体是导电的，因而，电弧不
断伸长，以至形成环火。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
换向器上的环火
防止环火的措施
1.限制换向器圆周上的电
位梯度和最大片间电压值
2.采用适当的主极极靴形状
3.选择适当的极弧系数
4.设置补偿绕组
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
一、电机的损耗和温升
直流牵引电动机在实现能量转换过程中，电机内部将
产生机械损耗、铁耗、铜耗和附加损耗等 4类损耗，
这些损耗一方面使电机的输出功率减小、效率降低；
另一方面，损耗最终都变为热能,使电机各部分温度
升高,引起电机发热。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
均质固体的发热曲线，曲线表明物体发热时，其温
升随时间按指数函数规律变化。开始发热时，物体
与周围介质的温差较小，散发出的热量较少，产生
的热量大部分用以升高物体本身的温度，温度上升
得较快。随着电机温度的升高，温差的增大，散发
的热量逐渐增加，用以升高物体本身的热量逐渐减
少，温度上升速度减慢。当发热体经过较长时间，
温度升高到一定数值后，产生的热量等于散发热量，
物体的温度不再升高，达到热稳定状态。此时，物
体的温升称为稳定温升，用 表示。
??
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
散热
电机的损耗引起发热而使电机温度升高，当电机的
温度高于周围介质温度时，热量开始向周围介质中
散发，称为电机的散热。
绝缘层的热传导作用
表面层的热散发作用
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
牵引电动机的发热和通风冷却
牵引电动机的通风冷却
1.牵引电动机的通风方式
自通风 独立通风
2.牵引电动机的通风结构和通风参数
强迫通风 诱导通风
轴向通风 径向通风
采用强迫式独立通风
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
本章小结
换向是指电枢绕组元件从一条支路进入另一条支路时，元件中
电流改变方向的过程。换向不良时，将在直流和脉流牵引电动
机的换向器与电刷之间产生有害火花。产生火花有电磁、
机械和化学等方面的原因，其中，电磁原因起着决定性的作用。
而附加换向电流过大是产生火花的电磁原因。
改善换向的目的在于消除电刷下的火花。机械方面的原因可以
通过改进制造工艺和加强日常维护保养来消除。消除电磁火花
的实质，是设法限制附加换向电流。主要方法有：（ 1）设置
换向极一换向元件切割其磁场产生换向电势以抵消电抗电势，
使； (2）减小电抗电势 —— 合理选择电机的参数；（ 2）增大
换向回路的电阻 —— 采用双分裂式电刷。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
? 脉流牵引电动机的电压。电流和磁通中除存在直流分量
外，还存在着以两倍电源频率按正弦规律变化的交流分
量，使其换向更为复杂。在换向元件中，除直流电势外，
还存交流电抗电势变压器电势；和交流换向电势。
? 改善脉流牵引电动机的换向，除采取使直侃下换向良好
的一系列措施外，还必须针对交流电势采取相应的措施。
（ 1）减小变压器电势或利用变压器电势抵消交流电抗电
势。方法是在励磁绕组上并联固定分路电阻；（ 2）减小
交流电抗电势。其实感是降低直流电抗电势； (3)改善交
流换向电势的相位。为此，从电机结构方面采取了一系
列可行的措施。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
? 环火是指正负电刷之间被强烈的电弧所短路,是直
流和脉流牵引电动机最严重的故障。
? 电视运行时，换向器表面上可能产生原始火花和
电位火花，火花较大时形成电弧,该电弧能否维持
甚至发展为环火，取定于电弧本身的能量、换向
器上的电位和片间电压等。原始电弧电流越大、
电位特性越陡、片间电压越高、产生环火的可能
性就越大。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
? 为了防止环火的发生，牵引电动机在参数和结构
上必须采取必要的措施，最有效的措施是设置补
偿绕组。利用补偿绕组消除由于电枢反应引起的
气隙磁场畸变，减小片间电压的最大值，同时使
得电位特性曲线较为平坦。
? 牵引电动机的功率大，尺寸又受到空间的限制，
因而电机发热比较严重。温升过高，不仅直接关
系到电机的使用寿命和安全运行，还决定了电机
的额定容量，因此，温升是评价牵引电动机性能
的重要指标。
第四章 直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却
电机内部的热量，是靠传导、对流、辐射作
用散发出去的。为了增强电机内部的传热
能力，牵引电动机在材料和工艺上采取了
许多措施，并采用通风冷却增大散热系数，
提高电机的散热能力。电力机车用脉流牵
引电动机，根据其结构特点和运行特点，
通常采用强迫式独立通风，风道沿轴向布
置。
