一、直流电机的换向过程
1.1 换向的概念
什么是换向？
直流电机相邻支路中的电流方向对闭合的绕组回路来说是相反的。直流电机为了维持电枢电流的分布，利用电刷和换向器机械整流（逆变）能力，当电枢绕组的各元件在旋转过程中依次从一条支路经过电刷进入另一条支路时，使该元件中的电流被迫改变方向，这个过程称为换向。
1.2 换向过程的三个阶段
假设电刷宽度等于换向片宽度，换向元件中的电流变化过程：
换向开始： （右支路）
换向中： （变化中）
中间被短路的时候并不是没有电流！（涡旋电场）
有一个电流从正向逐步变化到反向的过程
换向结束： （左支路）
1.3 换向的重要性
关键事实：
- 直流电机运行过程中任何瞬间都有元件在经历换向
- 换向良好时：被电刷短路的换向元件中感应电动势为零，换向元件中无环流，电刷下无火花（理想情况）
- 实际情况：换向元件中感应电动势不为零，阻碍了电流换向，使电流不能在换向周期内均匀变化，而是在换向结束的极短时间内强制换向，迫使电磁能量以火花形式释放
- 火花超过一定程度会使电刷、换向器表面损坏，缩短电机寿命
换向问题是限制直流电机进一步发展的主要问题。
二、换向元件中的感应电动势
换向元件中存在两种感应电动势，它们都阻碍换向，方向与换向前元件中的电流方向相同。
2.1 电抗电动势 （电流改变必然产生）
产生原因： 换向元件中电流交变，引起的自感及互感电动势（当电刷宽度大于换向片宽度时，换向元件不止一个，还会产生互感）
大小：
其中， 为换向元件的总电感， 为电枢电流， 为转速。
方向： 企图阻止电流的变化，与换向前元件中的电流方向相同。
2.2 旋转电动势 （由电枢反应导致）
产生原因：
换向元件切割电枢反应磁场 产生的切割电动势
值得说明的是，换向的元件理论上位于几何中性线上，不会切割主极磁场。但是电枢反应会让物理中性线偏离几何中性线，导致换向恶化。
大小：
其中， 为换向元件匝数， 为导体有效长度， 为线速度。
方向： 企图阻碍换向，与换向前元件中的电流方向相同（对于电动机）。
重要结论：
电机负载越重、转速越高，电抗电动势及旋转电动势越大，换向越困难。
三、换向元件中的电流
3.1 直线换向（理想情况）
条件： 换向元件中的合成电动势 ，也就是没有电动势阻碍电流的变化
解释：
假设流过电刷表面的电流面密度是恒定的（因为接触电阻反比于面积，忽略电枢绕组的电阻，这是自然的并联分流）
看下图的例子就不难理解【电流随面积分布】的观点了⬇️
换向元件中的电流：
其中，换向周期：
为换向片宽度， 为换向片数。
特点： 电刷接触面上电流密度分布均匀，换向良好。
3.2 延迟换向（实际情况）
条件： 换向元件中的合成电动势 ，这些电动势阻碍电流的变化，导致电流的变化延迟
换向元件中的电流：
附加电流（环流）：
其中， 为电刷与换向片总接触电阻。
附加电流方向与换向前相同。
现象： 后刷边出现火花。
原因： 电磁能量 以火花形式释放。
火花等级： 、、、、
等级越高，火花越严重，换向越差。
四、改善换向的方法
4.1 装换向极（最主要方法）
目的： 抵消换向元件中的感应电动势，使
换向极的作用
换向极在换向区域产生 ，方向与 相反，实现两个作用：
- 抵消 ，使 ，解决了旋转电势
- 建立 ，使 ，对抗电抗电动势
从而使 ，实现直线换向。
换向极的设计要点
换向极的三个关键设计原则：
- 位置：换向极装在几何中心线处
- 接线：换向极绕组与电枢绕组反串联
- 串联：使得换向极绕组和电枢绕组电流相同（补偿磁场自动随负载调节）
- 反串联：换向极极性使 与 相反
- 磁路：换向极磁路不饱和（增大换向极极面下的气隙），使 ，，从而
在负载增大时，电枢反应产生的磁动势增大，换向极产生的与之对抗的 也会对应增大（因为换向极的励磁电流也是 ）
思考题
问题1： 装有换向极的直流电动机改成发电机运行，换向极绕组是否需要改接？
答： 不需要，因为换向极绕组与电枢绕组反串联，其中的电流同时反向，故其中产生的磁动势一定和电枢反应产生的相反。原先极性正确，反向后仍正确。
问题2： 两极的小型直流电机，若只装一个换向极，是否会导致一个电刷下换向良好，而另一个电刷下换向恶化？
答： 不会。必有一个元件边位于换向极面下，切割产生 抵消整个元件中的 。从直观的空间的角度思考肯定是不正确的
4.2 装换向极 + 补偿绕组
对于大型、高速或要求苛刻的直流电机，除了换向极，还需要补偿绕组：
- 换向极：抵消换向区域内交轴电枢反应的影响，减小电磁火花
- 补偿绕组：抵消换向区域外交轴电枢反应的影响，减小电位差火花，减小去磁效应
特性 | 电磁火花 | 电位差火花 |
根本原因 | 线圈的电感导致电流变化滞后 | 电枢反应导致磁场畸变、片间电压过高 |
发生区域 | 换向区域（电刷正下方及边缘） | 换向区域外（主磁极下方的换向片间） |
物理本质 | 磁场能量的释放（$Li$ 的释放） | 绝缘被击穿（ 过大） |
最严重后果 | 烧损电刷和局部换向片 | 环火（飞弧），烧毁整个电机 |
解决方案 | 换向极 (Interpole) | 补偿绕组 (Compensation Winding) |
4.3 移动电刷位置
原理： 使电刷轴线移过物理中性线
如果恰好移动到物理中性线上，则在 处换向，只解决了旋转电动势；
如果移过物理中性线， ,则还可以补偿部分电抗电动势
对于小电机而言，安装换向极都显得麻烦。所以通过这种牺牲效率的手段来改善换向
同时，这种电机肯定也没有补偿绕组，所以我们讨论的是物理中性线而非几何中性线
电动机的移刷
- 移刷方向：电动机电刷须逆转向移动
- 效果：产生去磁作用的直轴电枢反应 ，使空载转速升高
- 移刷角度：须大于物理中性线偏移的角度
发电机的移刷
- 移刷方向：发电机电刷须顺转向移动
- 效果：产生去磁作用的直轴电枢反应 ，使端电压降低
- 移刷角度：须大于物理中性线偏移的角度
移刷的局限性
本质上，移动电刷的方向可以通过主极磁场和电枢反应磁场的合成磁动势的方向来判断。物理中性线在合成磁动势垂直的方向
从电动机切换到发电机工作实际的旋转方向不会变，移刷方向改变的本质原因是电枢电流的分布完全颠倒了
移刷方法的三个主要问题：
- 电动机电刷须逆转向移动，发电机须顺转向移动；移刷角度须大于物理中性线偏移的角度
- 产生去磁作用的直轴电枢反应，使电动机转速升高，使发电机端电压降低
- 当为了改善换向偏转电刷时，假设电刷正好在物理中性线上。但是直轴电枢反应有去磁效应，本质上影响了上面公式中的参数，导致 减小
- 移刷角度不能随负载的变化而变化，不适用于负载变化及正反转的情况
思考题
问题1： 移刷后，若移动方向反了，换向情况会如何？
答： 换向会恶化，因为电刷不在物理中性线上，且去磁变成了助磁。
问题2： 作发电机运行时移刷后换向良好，改作电动机运行，若电刷位置不变，转向需如何？
答： 转向需要反向，因为发电机顺转向移刷 = 电动机逆转向移刷的效果。此外，对于直流电机而言，要想让电机方向旋转，只需要改变电枢绕组、励磁绕组任一的极性即可
4.4 选用合适的电刷*
电刷材料影响接触电阻，从而影响环流（也就是旋转电动势和电抗电动势引起的延迟换向的电流）大小：
电刷类型 | 接触电阻 | 环流（附加电流） | 压降 | 损耗 | 适用场合 |
碳-石墨 | 大 | 小 | 大 | 大 | 小型、低速电机 |
铜-石墨 | 小 | 大 | 小 | 小 | 大型、高速电机 |
总结
改善换向的方法比较：
- 装换向极：最有效、最常用的方法，适用于各种工况
- 装补偿绕组：配合换向极，用于大型、高速电机
- 移动电刷位置：简单但局限性大，不适用于负载变化和正反转
- 选用合适的电刷：辅助措施，根据电机类型选择
现代直流电机普遍采用换向极，大型电机还配备补偿绕组。