直流电机运行中，电枢绕组元件经过电刷时，从一条支路进人另一条支路，该元件中的电流方向也发生了改变，这个过程称为换向，如图2-28所示。

1.换向过程

图2-28所示为-一个单叠绕组元件(由有效边1和4及端线组成)的换向过程。

图2-28(a)表示换向开始前该元件位于电刷左边的支路中，此时，元件中电流大小等于绕组支路电流i，电流的方向如图中箭头所示。

电机继续旋转，图2-28(b)表示电刷开始与换向片2接触，该元件经过换向片1、2被电刷短路，处于换向过程，电流的大小方向都在变化。

图2-28(e)则表示电机转到电刷已经与换向片1完全脱离，仅与换向片2接触，换向已结束。此时，该元件已进人电刷石边的支路，电流方向也发生了变化，如图中箭头所示，电流的大小又变为支路电流i。

换向过程的时间称为换向周期Tk,由于直流电机的转速一一般都很高，Tk通常只有千分之几秒，在很短的时间内电流要由+i变为-i，换向元件本身具有电感，因此，会产生自感电动势，这个电动势是阻止电流换向的，所以，自感电动势是电刷和换向器表面产生火花的原因之一。

2.换向器的打火

(1)火花现象

由于电枢反应和换向时的自感电动势及其他一些原因，直流电机在运行时，在电刷与换向器表面之间产生火花，火花通常出现在后刷边(换向器离开电刷的一侧)。如果火花在电刷上的范围很小，呈微弱的浅蓝色，对电机运行没有什么危害。但如果火花在电刷上范围较大，比较明亮，呈白色或红色，则将对电机的运行带来危害，会使电刷与换向器表面灼伤，最后导致电机不能正常工作。为了衡量火花大小程度，我国电机基本技术标准中规定了火花的等级，如表2-2所示。对于一一般的直流电机，在额定负载下运行时，火花不应大于11/2级。

(2)火花原因

使换向元件产生火花的电磁方面原因主要如下：

①自感电动势ei:在换向过程中，换向元件里电流的大小和方向迅速变化，必然会在绕组中产生自感电动势，其方向是阻止电流变化的，即与元件换向前的电流方向相同，是阻止换向的。

②换向电动势(电枢反应电势):由于电枢反应使物理中性线相对于几何中性线移动了一个角度，因而处在几何中性线上的换向元件仍要切割磁力线产生感生电动势，称为换向电动势，也称为电枢反应电势。它的方向也是与换向前的电流方向一致的，也是阻止换向的。

这两个方向相同的电动势在被电刷短路的换向元件中就会产生附加电流，且储存着一定大小的磁场能量。当被短路的换向片离开电刷时，短路回路断开，在换向元件中储存的能量释放出来，于是，在电刷与换向片之间便发生火花。

除了上而电磁方面的原因外，还有机械和化学的原因。电刷与换向器接触不良，换向器表面不平滑，换向器偏心，换向器表面的氧化亚铜薄膜受到破坏等，都会引起火花。另外，工作条件不好，电机振动较大，尘埃、化学气体较多的地方，电机过负载或负载剧烈变化等，也都会引起火花。因此，加强对直流电机的电刷和换向器的维护，改善工作环境是一项十分重要的工作。

3.改善换向的方法

要改善换向，首先必须设法消除换向元件中的感生电动势eL和ea。在一般直流电机中，常用的方法是在电刷所在的中性面上加装换向磁极，换向磁极的磁场在换向元件中切割产生的电动势ek,可以抵消(eL+ea),从而达到消除火花的目的。

换向磁极是比主磁极小的附加磁极，一般装在主磁极之间的几何中性线上。为了抵消电枢磁场的影响，应该使换向磁极磁场的方向和电枢磁场的方向相反。对电机而言，换向磁极的极性应该与顺着电枢转动方向下一个主磁极的极性相反；对发电机而言，则应相同。

由于电枢磁场和换向元件的自感电动势都与电枢电流成正比，所以，换向磁极绕组必须与电枢绕组串联，使换向极磁场也正比于电枢电流。当电枢电流增大、电枢反应增大、自感电动势增大时，换向极磁场也增强。这样，在各种不同的负载下，ek都可以抵消(eL+ea),换向磁极都能起到改善换向的作用。

为了能满足电枢电流的变化，换向磁极的磁通应不饱和。

另一种方法是合理选择电刷，增大换向元件回路中的电阻值，可以减少换向附加电流。为此，有的场合要求电刷与换问器表面的接触电阻尽量大些，同时，电刷的耐磨性要好。直流电机中一般都采用电化石墨电刷：低压大电流的电机般采用金属石墨电刷。对换向特别困难的电机可采用分裂式电刷(即一个电刷由儿块组成，以增加换向回路的电阻)。