1、第三章第三章 直流电机直流电机第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场第五节第五节 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩第三章第三章 直流电机直流电机第六节第六节 直流发电机工作原理直流发电机工作原理第七节第七节 直流电动机工作原理直流电动机工作原理第八节第八节 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性第九节第九节 串励和复励直流电动机串励和复励直流电动机第十节第十节 直流电机的换向直流电机的换向第一节第一节 直流电机的基本
2、工作原理直流电机的基本工作原理一一直流电机的特点直流电机的特点 把直流电能转换为机械能的电机是直流把直流电能转换为机械能的电机是直流电动机电动机；将机械能转换为直流电能的电机是直流将机械能转换为直流电能的电机是直流发电机发电机。直流电动机具有以下突出的直流电动机具有以下突出的优点优点：v 速度调节方便，调速范围宽广，易于平滑调速；速度调节方便，调速范围宽广，易于平滑调速；v 起动、制动和过载转矩大；起动、制动和过载转矩大；v 系统简单，易于控制，可靠性较高。系统简单，易于控制，可靠性较高。直流电机的主要直流电机的主要缺点缺点是电刷与换向器的接触式换向，是电刷与换向器的接触式换向，它影响了电机的
3、可靠性，需要定期维护，也限制了直流电它影响了电机的可靠性，需要定期维护，也限制了直流电机的极限容量。机的极限容量。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理二基本工作原理二基本工作原理下图是一台直流发电机的模型。下图是一台直流发电机的模型。线圈的两端分别接线圈的两端分别接到两个相对放置的导电到两个相对放置的导电片片(称称换向片换向片)，换向片，换向片之间用绝缘材料隔开。之间用绝缘材料隔开。电电 刷刷电电 刷刷主磁极主磁极 线线 圈圈第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理当原动机拖动电枢以恒定转速逆时针方向旋转时，在当原动机拖动电枢以恒定转速逆时针方向旋转时，
4、在 线圈线圈 abcd 中有感应电动势。感应电动势的大小为：中有感应电动势。感应电动势的大小为：eBlv相对线速度相对线速度磁磁 密密 导体导体ab或或cd的长度的长度第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 感应电动势的方感应电动势的方向，用向，用右手定则右手定则确定。确定。在右图所示瞬间，导在右图所示瞬间，导体体 ab、cd 的感应电的感应电动势方向分别由动势方向分别由 b 指指向向 a 和由和由 d 指向指向 c。这时电刷这时电刷 A 呈呈高电位，电刷高电位，电刷 B 呈呈低电位。低电位。当电枢逆时针方向当电枢逆时针方向转过转过180 0时，导体时，导体 ab与与 cd
5、 互换了位置。此互换了位置。此时，导体时，导体 ab、cd 的感的感应电动势方向都与刚才应电动势方向都与刚才的相反，即分别由的相反，即分别由 a 指指向向 b 和由和由 c 指向指向 d。但由于换向片随着但由于换向片随着线圈一道旋转，本来与线圈一道旋转，本来与电刷电刷 B 相接触的那个换相接触的那个换向片，现在却与电刷向片，现在却与电刷 A接触了；与电刷接触了；与电刷 A 相接相接触的换向片与电刷触的换向片与电刷 B 接接触了。显然这时触了。显然这时电刷电刷 A仍呈正极性仍呈正极性，电刷电刷 B 呈呈负极性负极性。从右图看出，和从右图看出，和电刷电刷 A 接触的导体永接触的导体永远位于远位于
6、N 极下，同样，极下，同样，和电刷和电刷 B 接触的导体接触的导体永远位于永远位于 S 极下。可极下。可见，见，A 电刷总是呈正电刷总是呈正极性极性，B 电刷总是呈电刷总是呈负极性负极性。如果电枢继续逆如果电枢继续逆时针方向旋转时针方向旋转180 0，导体导体 ab、cd 又回到又回到左图所示位置，显然左图所示位置，显然电刷电刷A呈高电位；电呈高电位；电刷刷B呈低电位。呈低电位。由此可见，尽管由此可见，尽管线圈线圈 abcd 中的中的感应感应电势方向电势方向是是交变的交变的，但由于换向器的作用，但由于换向器的作用，电刷电刷A、B的极性始终的极性始终不变不变，即电刷，即电刷A、B两两端端输出直流
7、电能输出直流电能。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 右图所示为直流电右图所示为直流电动机的物理模型，电刷动机的物理模型，电刷A、B 接到直流电源上。接到直流电源上。电流的方向如图所示。电流的方向如图所示。导体受力的方向用导体受力的方向用左手定则确定。左手定则确定。导体导体 ab 和和 cd 的的受力方向如右图所示。受力方向如右图所示。这个力乘以转子的这个力乘以转子的半径，就是转矩，称为半径，就是转矩，称为电磁转矩电磁转矩。此时电磁转。此时电磁转矩的作用方向是逆时针矩的作用方向是逆时针方向。方向。当电枢旋转了当电枢旋转了180 0后，导体后，导体 cd 转到转到 N 极
8、极下，下，ab 转到转到 S 极下。极下。此时，电磁转矩的此时，电磁转矩的方向方向仍为逆时针方向仍为逆时针方向。由此可见，虽然直由此可见，虽然直流电动机电枢线圈里的流电动机电枢线圈里的电流方向电流方向是是交变交变的，但的，但由于电刷和换向器的缘由于电刷和换向器的缘故，故，电磁转矩的方向电磁转矩的方向是是不变不变的。的。根据根据电磁力定律可电磁力定律可知，载流导体知，载流导体 ab、cd上受到的电磁力为：上受到的电磁力为：FBli第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理三主要结构三主要结构下图是一台常用的小型直流电机的结构图下图是一台常用的小型直流电机的结构图 第一节第一节 直
9、流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理三主要结构三主要结构下图是一台两极直流电机的剖面图：下图是一台两极直流电机的剖面图：第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理直流电机主要是由直流电机主要是由定子定子和和转子转子两大部分构成，定子和两大部分构成，定子和转子由前后两个转子由前后两个端盖端盖联接和支撑。联接和支撑。v 定子部分主要包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。定子部分主要包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。v 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇和转轴转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇和转轴 等。等。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的
10、基本工作原理v 定子部分定子部分机座机座 机座有两方面的作用：一是导磁，二是机械支撑。机座有两方面的作用：一是导磁，二是机械支撑。机座导磁部分称为机座导磁部分称为定子磁轭定子磁轭，是主磁路的一部分，一般，是主磁路的一部分，一般多用导磁的铸钢或厚钢板制成。多用导磁的铸钢或厚钢板制成。v 定子部分定子部分主磁极主磁极 主磁极又称主极，它在气隙中产生按照一定波形分布的主磁极又称主极，它在气隙中产生按照一定波形分布的气隙磁密。主磁极上还装有励磁线圈或永久磁铁。气隙磁密。主磁极上还装有励磁线圈或永久磁铁。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 下图是下图是主磁极主磁极的示意图。主极铁
11、心是用的示意图。主极铁心是用 0.51.0mm 厚的厚的硅钢片冲制而成，然后叠装在一起。绕制好的励磁线圈套在主硅钢片冲制而成，然后叠装在一起。绕制好的励磁线圈套在主极铁心上，用螺钉把整个主磁极紧固在机座的内表面上。极铁心上，用螺钉把整个主磁极紧固在机座的内表面上。为了让气隙磁密沿电枢的圆周方向分布得更加合理，主磁为了让气隙磁密沿电枢的圆周方向分布得更加合理，主磁极的铁心做成下图所示形状，其中较窄的部分叫极的铁心做成下图所示形状，其中较窄的部分叫极身极身，较宽的，较宽的部分叫部分叫极靴极靴。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理v 定子部分定子部分换向极换向极 换向极又称附加
12、极，容量较大的直流电机，在相邻两主换向极又称附加极，容量较大的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极以改善直流电机的换向。磁极之间要装上换向极以改善直流电机的换向。v 定子部分定子部分电刷电刷 电刷通过换向片把电机转动部分的电流引出或引入。电电刷通过换向片把电机转动部分的电流引出或引入。电刷与换向器需要配合使用。刷与换向器需要配合使用。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理v 转子部分转子部分电枢铁心电枢铁心 电枢铁心是直流电机主磁路的一部分。电枢旋转时，铁心电枢铁心是直流电机主磁路的一部分。电枢旋转时，铁心中磁通方向的变化将在铁心中引起涡流损耗与磁滞损耗。中磁通方向的变
13、化将在铁心中引起涡流损耗与磁滞损耗。v 转子部分转子部分电枢绕组电枢绕组 电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，线圈的出线端与换向器电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，线圈的出线端与换向器的换向片按照一定的规律相连，构成电枢绕组。的换向片按照一定的规律相连，构成电枢绕组。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理下图为直流电机下图为直流电机电枢示意图电枢示意图：转轴转轴 换向器换向器 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 风扇风扇 第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理v 转子部分转子部分换向器换向器 换向器由一系列换向器由一系列换向片换向片组成，每两个相邻的换向片用绝组成
14、，每两个相邻的换向片用绝缘薄片隔开。通常换向片数与线圈元件数相同。缘薄片隔开。通常换向片数与线圈元件数相同。v 端盖端盖 端盖把定、转子联成一个整体，前后两个端盖分别固定端盖把定、转子联成一个整体，前后两个端盖分别固定在定子机座的两端，端盖还对电机起着防护作用。在定子机座的两端，端盖还对电机起着防护作用。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 四直流电机的额定值四直流电机的额定值v 额定功率额定功率(容量容量)，单位为，单位为 W 或或 kW；v 额定电压额定电压 ，单位为，单位为 V；v 额定电流额定电流 ，单位为，单位为 A；v 额定转速额定转速 ，单位为，单位为 r/
15、min；v 额定励磁电压额定励磁电压 ，单位为，单位为 V；v 额定励磁电流额定励磁电流 ，单位为，单位为 A。v 额定转矩额定转矩 ，单位为，单位为 ；v 额定效率额定效率 。NPNUNINnfNUfNI2NTNN m第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理v 直流直流电动机电动机的额定功率，定义为转轴上输出的机械功率：的额定功率，定义为转轴上输出的机械功率：v 直流直流发电机发电机的额定容量，定义为电刷端的输出电功率：的额定容量，定义为电刷端的输出电功率：NNNNPU INNNPU Iv 电动机轴上输出的电动机轴上输出的额定转矩额定转矩为额定功率除以额定角速度，为额定功率
16、除以额定角速度，即：即：29.55260NNNNNNNPPPTnn第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 直流电机运行时，若各个物理量都达到额定值，就称为直流电机运行时，若各个物理量都达到额定值，就称为额定运行状态额定运行状态。如果电机电流小于额定电流，称为如果电机电流小于额定电流，称为欠载欠载或或轻载轻载运行；超运行；超过额定电流，称为过额定电流，称为过载过载运行。运行。v 过载会造成电机过热而烧毁；过载会造成电机过热而烧毁；v 欠载运行效率不高，浪费资源。欠载运行效率不高，浪费资源。第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理例例3.1 一台直流发电机，额
17、定功率一台直流发电机，额定功率=160kW，额定电压，额定电压=230V，额定效率额定效率=90%，计算该发电机的输入功率及额定电流。，计算该发电机的输入功率及额定电流。解解:额定输入功率额定输入功率 额定电流额定电流1160177.80.9NNPPKW 3160 10695.7230NNNPIAU第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组一绕组的基本特点一绕组的基本特点 电枢绕组在电机的磁场中旋转，会感应出电枢绕组在电机的磁场中旋转，会感应出电动势电动势；当电枢；当电枢绕组中有电流流过时，会产生绕组中有电流流过时，会产生电枢磁势电枢磁势，它与气隙磁场相互作，它与气隙磁场相互作用产生了
18、用产生了电磁转矩电磁转矩。有了电动势与电流便可产生。有了电动势与电流便可产生电磁功率电磁功率。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 对直流电机电枢绕组的基本要求如下：对直流电机电枢绕组的基本要求如下：v 产生尽可能大的电动势，且波形良好；产生尽可能大的电动势，且波形良好；v 能通过足够大的电流；能通过足够大的电流；v 结构简单，工艺性好，可靠性高；结构简单，工艺性好，可靠性高；v 换向良好。换向良好。同一个元件的首端和尾端同一个元件的首端和尾端接到不同的换向片上，各个元接到不同的换向片上，各个元件通过换向片彼此联接起来的。件通过换向片彼此联接起来的。可见，电枢绕组总的可见，电枢绕
19、组总的元件数元件数 S等于换向片数等于换向片数 K，即，即 S=K。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢绕组是由许多个形状相同的线圈按照一定规律联接起电枢绕组是由许多个形状相同的线圈按照一定规律联接起来的。每个来的。每个线圈线圈都称为都称为元件元件，元件的个数用，元件的个数用 S 表示。表示。左图是一个左图是一个多多匝元件匝元件，用，用 Ny 代代表元件的表元件的匝数匝数，图，图中中 Ny=2。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 元件嵌放在电枢铁心的槽里，如下图所示。元件嵌放在电枢铁心的槽里，如下图所示。同一个元件的一个元件边占了某个槽的上半槽（该元件边同一
20、个元件的一个元件边占了某个槽的上半槽（该元件边称为称为上层边上层边），另一元件边占了另一槽的下半槽（该元件边称），另一元件边占了另一槽的下半槽（该元件边称为为下层边下层边）。）。同一个槽里能嵌放两个元件边，一个元件有两个元件边，同一个槽里能嵌放两个元件边，一个元件有两个元件边，所以所以电枢槽数等于元件数电枢槽数等于元件数。元件嵌放在槽内的部分能切割气隙磁通，产生感应电动势，元件嵌放在槽内的部分能切割气隙磁通，产生感应电动势，称为有效部分。称为有效部分。有效部分有效部分 槽外的部分是端接部分，简称端部，端部不产生感应电动槽外的部分是端接部分，简称端部，端部不产生感应电动势。势。端接部分端接部分
21、在直流电机中，往往在一个槽里上、下层并列嵌放了几在直流电机中，往往在一个槽里上、下层并列嵌放了几个元件的元件边。个元件的元件边。用用 代表电机的总虚槽数，代表电机的总虚槽数，Z 代表总实槽数，则有：代表总实槽数，则有：eZuZSKeZ 用用 N 代表电枢绕组总的导体数，则有代表电枢绕组总的导体数，则有 式中式中 是每个元件的匝数。是每个元件的匝数。22yyeNuN ZN ZyN第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 把一个上层元件边与一个下层元件边视为一个虚槽。把一个上层元件边与一个下层元件边视为一个虚槽。一个实槽中的虚槽数等于该实槽里上层或下层并列的元件一个实槽中的虚槽数等于该实
22、槽里上层或下层并列的元件边数，用边数，用 u 表示。下图中，虚槽数表示。下图中，虚槽数 u=3。虚虚 槽槽第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 直流电机电枢绕组分为以下三种类型：直流电机电枢绕组分为以下三种类型：v 叠绕组：又分为单叠绕组和复叠绕组。叠绕组：又分为单叠绕组和复叠绕组。v 波绕组：又分为单波绕组和复波绕组。波绕组：又分为单波绕组和复波绕组。v 蛙绕组：由叠绕组和波绕组混合绕制。蛙绕组：由叠绕组和波绕组混合绕制。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组二单叠绕组二单叠绕组 电枢绕组中任何两个串联元件都是后一个叠在前一个电枢绕组中任何两个串联元件都是后一个叠在
23、前一个上面的称为叠绕组。上面的称为叠绕组。1.节距节距 节距是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距节距是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，用所跨过的离，用所跨过的虚槽数虚槽数或或换向片数换向片数来度量。来度量。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组12eZyp 整数(2)合成节距合成节距 y 相邻串联的两个元件相邻串联的两个元件对应边之间的跨距称为合对应边之间的跨距称为合成节距。对单叠绕组有成节距。对单叠绕组有:y=1 连接元件时，联接连接元件时，联接的顺序是从左向右进行，的顺序是从左向右进行，称为右行绕组。左图就称为右行绕组。左图就是右行绕组。是右行绕组。(1)第一
24、节距第一节距 第一节距是同一个元第一节距是同一个元件的两个元件边之间的跨件的两个元件边之间的跨距。距。1y 确定确定 的原则是使元件的原则是使元件中感应电动势最大，即中感应电动势最大，即 等等于或接近一个极距。于或接近一个极距。1y1y(3)换向器节距换向器节距 每个元件首、末端所每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距联两个换向片之间的跨距称为换向器节距，用换向称为换向器节距，用换向片数目表示。对单叠绕组片数目表示。对单叠绕组有有 。=1Ky(4)第二节距第二节距 与同一个换向片相联与同一个换向片相联的两个元件中元件的两个元件中元件 1 的下的下层元件边到元件层元件边到元件 2 的上层的上层
25、元件边之间的跨距称为第元件边之间的跨距称为第二节距。对单叠绕组有二节距。对单叠绕组有2y21yyyKy第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图 绕组展开图就是将电枢表面沿圆周方向展成平面。绕组展开图就是将电枢表面沿圆周方向展成平面。在画绕组展开图之前，首先要根据电机的参数计算出元在画绕组展开图之前，首先要根据电机的参数计算出元件的各种节距。件的各种节距。下面通过一个具体的例子加以说明。下面通过一个具体的例子加以说明。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组例例3.3 一台直流电机的极数一台直流电机的极数 ，画出右行，画出右行单叠绕组的展开
26、图。单叠绕组的展开图。24p 16eZSK第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组（1）节距计算：节距计算：第一节距第一节距 合成节距合成节距 换向器节距换向器节距 第二节距第二节距 116424eZyp1yy1y KyK1y 2y214 13yyy 第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组（2）画出虚槽画出虚槽 画出画出16根等长等距离的实线，在实线旁边，再画根等长等距离的实线，在实线旁边，再画16根等根等长等距的虚线，分别代表各槽上层和下层元件边。一根实线长等距的虚线，分别代表各槽上层和下层元件边。一根实线和一根虚线代表一个和一根虚线代表一个虚槽虚槽，依次把槽编上号码，
27、如下图所示。，依次把槽编上号码，如下图所示。（3）放置磁极放置磁极 每个磁极的宽度大约等于每个磁极的宽度大约等于 0.7 倍极距，图中用倍极距，图中用 表示极表示极距，距，4 个磁极均匀分布在各槽之上，并标上个磁极均匀分布在各槽之上，并标上 N，S 极性。极性。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组（4）画换向器）画换向器 在槽的下方，画在槽的下方，画16个小方块代表换向片，换向片的编号应个小方块代表换向片，换向片的编号应与槽的编号有一定对应关系。与槽的编号有一定对应关系。如下图所示。如下图所示。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流
28、电机的电枢绕组（5）联接绕组联接绕组 元件元件 1 由换向片由换向片 1 经第经第 1 槽上层，跨过节距槽上层，跨过节距 ，联到，联到第第 5 槽的下层，然后回到换向片槽的下层，然后回到换向片 2。14y 这四个元件把回路分成四段，每段串联三个电动势方向相这四个元件把回路分成四段，每段串联三个电动势方向相同的元件。同的元件。由于对称关系，这四段电路中的电动势大小相等，方向两由于对称关系，这四段电路中的电动势大小相等，方向两两相反。两相反。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 在下图中，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的在下图中，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线
29、对准主极的中心线，就能满足上述要求。中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。被电刷所短路的元件正好是被电刷所短路的元件正好是 1、5、9、13，这，这 4 个元件个元件中的电动势为零。中的电动势为零。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 元件元件 2 由换向片由换向片 2 经第经第 2 槽上层和第槽上层和第 6 槽下层相联，然后槽下层相联，然后回到换向片回到换向片3。按此规律依次联接，如下图所示。按此规律依次联接，如下图所示。(6)(6)确定导体感应电动势方向确定导体感应电动势方向 N 极的磁场在气隙里的方向是进纸面的，极的磁场在气隙里的方向是进纸面的，S 极是出纸面的。极是出
30、纸面的。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1、5、9、13 四个元件正好位于两个主磁极的中间，该四个元件正好位于两个主磁极的中间，该处气隙磁密为零，所以不感应电动势。处气隙磁密为零，所以不感应电动势。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组（7）放置电刷）放置电刷 在直流电机里，电刷组数与主极的个数一样多。它们在直流电机里，电刷组数与主极的个数一样多。它们均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度大于等于每一个换向片的宽度。大于等于每一个换向片的宽度。放置电刷的原则是，要放置电刷的原则是，要求正、负电刷之间求
31、正、负电刷之间得到得到最大的最大的 感应电动势感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小。，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小。第第 2 虚槽上层元件边经虚槽上层元件边经 联接到第联接到第 6 虚槽的下层元件虚槽的下层元件边，构成了第边，构成了第 2 个元件。个元件。14y 第第 5 虚槽的下层元件边经虚槽的下层元件边经 联接到第联接到第 2 虚槽的上层元虚槽的上层元件边，这样就把第件边，这样就把第 1、2 两个元件联接起来了。两个元件联接起来了。23y 3.单叠绕组元件联接次序单叠绕组元件联接次序依此类推，如下图所示：依此类推，如下图所示：从下图中看出，从第从下图中看出，从第 1 元
32、件开始，相邻元件依次串联，绕元件开始，相邻元件依次串联，绕电枢一周后又回到第电枢一周后又回到第 1 元件的起始点。可见，整个绕组构成一元件的起始点。可见，整个绕组构成一个闭合回路。个闭合回路。第第 1 虚槽上层元件边经虚槽上层元件边经 联接到第联接到第 5 虚槽的下层元件虚槽的下层元件边，构成了第边，构成了第 1 个元件。个元件。14y 第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组4.单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图 按照之前各元件联接的顺序，可以得到如下图所示的并联按照之前各元件联接的顺序，可以得到如下图所示的并联支路图：支路图
33、：单叠绕组并联支路对数等于极对数。即单叠绕组并联支路对数等于极对数。即 ap第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组综上所述，单叠绕组具有以下特点：综上所述，单叠绕组具有以下特点：v 位于同一个磁极下的各元件串联起来组成一个支路，有几位于同一个磁极下的各元件串联起来组成一个支路，有几 个磁极就有几条支路，即个磁极就有几条支路，即 。v 对于对称元件，电刷的位置与主磁极中心线位置一致时，对于对称元件，电刷的位置与主磁极中心线位置一致时，正、负电刷间感应电动势最大。正、负电刷间感应电动势最大。v 电刷组数等于极数。电刷组数等于极数。ap第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电
34、刷的位置，虽然对准主磁极的中心线，但被电刷所短电刷的位置，虽然对准主磁极的中心线，但被电刷所短路元件的两个边位于路元件的两个边位于几何中性线几何中性线处。处。所以，电刷放在几何中性线上，是指被电刷所短路的所以，电刷放在几何中性线上，是指被电刷所短路的元件的元件边位于几何中性线处。元件的元件边位于几何中性线处。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组三单波绕组三单波绕组1.节距节距(1)第一节距第一节距 与单叠绕组一样，与单叠绕组一样，等于或接近一个极距。等于或接近一个极距。1y1y第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组(2)换向器节距换向器节距 单波绕组需把两个相串联的元
35、件放在同极性磁极的下面，单波绕组需把两个相串联的元件放在同极性磁极的下面，使相串联的元件感应电动势同方向。使相串联的元件感应电动势同方向。Ky 当沿着圆周向一个方向绕了一周，其末尾所联的换向片必当沿着圆周向一个方向绕了一周，其末尾所联的换向片必须与起始的换向片须与起始的换向片 1 相邻，才能使第二周继续联结下去，即相邻，才能使第二周继续联结下去，即 因此因此1KpyK1KKyp第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 在满足为整数时，上式一般都取负号。这种绕组联接的顺在满足为整数时，上式一般都取负号。这种绕组联接的顺序是从右向左进行，称左行绕组，如下图所示。序是从右向左进行，称左行绕
36、组，如下图所示。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组(3)合成节距合成节距 合成节距合成节距 与换向器节距与换向器节距 相等。即：相等。即：yyKyKyy第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组(4)第二节距第二节距 2y21yyy第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.单波绕组的展开单波绕组的展开图图 下面通过一个具体的例子加以说明。下面通过一个具体的例子加以说明。例例3.4 一台直流电机，一台直流电机，试联成，试联成 单波绕组。单波绕组。24p 15eZSK第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组（1）节距计算：节距计算：11514244eZ
37、yp115 172KKyp7Kyy21743yyy第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 其余步骤同例其余步骤同例 3.3，不再赘述。下图是它的绕组展开图。，不再赘述。下图是它的绕组展开图。第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组3.单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图 从上图可以看出，单波绕组把所有从上图可以看出，单波绕组把所有 N 极下的全部元件串极下的全部元件串联起来构成一条支路，联起来构成一条支路，所有所有 S 极下的全部元件串联起来构成极下的全部元件串联起来构成另一支路。所以单波绕组的支路对数恒等于另一支路。所以单波绕组的支路对数恒等于 1，即，即1a 第二
38、节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组单波绕组具有以下特点：单波绕组具有以下特点：v 同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数 。v 对于对称元件，电刷位置与主磁极中心线位置一致时，支对于对称元件，电刷位置与主磁极中心线位置一致时，支 路电动势最大。路电动势最大。v 电刷组数也应等于极数。电刷组数也应等于极数。1a 第二节第二节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 单叠绕组并联支路数多，支路元件数少，适合单叠绕组并联支路数多，支路元件数少，适合电压较低、电压较低、电流较大电流较大的电机。的电机。单波绕组支路对数单波绕组支路对数恒等于恒等
39、于 1 ，支路元件数较多，适合，支路元件数较多，适合电电压较高、电流较小压较高、电流较小的电机。的电机。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场一直流电机的励磁方式一直流电机的励磁方式 励磁方式是指励磁绕组的供电方式。直流电机可分为以励磁方式是指励磁绕组的供电方式。直流电机可分为以下几种类型：下几种类型：v 他励直流电机他励直流电机v 并励直流电机并励直流电机 v 串励直流电机串励直流电机 v 复励直流电机复励直流电机 第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.他励直流电机他励直流电机 他励直流电机励磁电流由其他直流电源单独供电。他励直流电机励磁电流由其他直流电源单独供电
40、。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场2.并励直流电机并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电机电枢的两端并联，电枢并励直流电机的励磁绕组与电机电枢的两端并联，电枢电压等于励磁电压。电压等于励磁电压。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场3.串励直流电机串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢回路串联，电枢电流等串励直流电机的励磁绕组与电枢回路串联，电枢电流等于励磁电流。于励磁电流。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场4.复励直流电机复励直流电机 复励直流电机的励磁绕组分为两部分，一部分与电枢回复励直流电机的励磁绕组分为两部分，一部分与电枢回路串联，一
41、部分与电枢回路并联。路串联，一部分与电枢回路并联。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场二直流电机的磁场二直流电机的磁场 直流电机在负载运行时，其磁场是由电机直流电机在负载运行时，其磁场是由电机励磁绕组电流励磁绕组电流和和电枢绕组电流电枢绕组电流共同产生的，其中励磁绕组起着主要作用。共同产生的，其中励磁绕组起着主要作用。首先研究励磁绕组里有励磁电流，电枢绕组无电流时的首先研究励磁绕组里有励磁电流，电枢绕组无电流时的磁场情况。我们把这种情况称为电机的磁场情况。我们把这种情况称为电机的空载运行空载运行，又称，又称无载无载运行运行。另一小部分磁通经主极间的空气或定子磁轭闭合，不另一小部分
42、磁通经主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，称为参与机电能量转换，称为漏磁通漏磁通。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.磁通与磁动势磁通与磁动势 磁通分为两部分，绝大部分磁通闭合路径如下图所示，磁通分为两部分，绝大部分磁通闭合路径如下图所示，称为称为主磁通主磁通。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 设每极主磁通为设每极主磁通为 0 ，漏磁通为，漏磁通为 S，则通过每个主极铁，则通过每个主极铁心中的总磁通为心中的总磁通为0000(1)SmSSk 为为主极漏磁系数主极漏磁系数，其，其大小与磁路结构有关，通常大小与磁路结构有关，通常kS=1.151.250
43、(1)SSk 设产生主磁通设产生主磁通 0 的每对极励磁磁动势为的每对极励磁磁动势为 F0 ，则由全电，则由全电流定律有流定律有:02ffFH dlI N Nf 为每个主极为每个主极上的励磁绕组上的励磁绕组匝数匝数第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 针对直流电机的特点，为便于求解，将主磁路分为五部针对直流电机的特点，为便于求解，将主磁路分为五部分：分：v 定、转子之间的气隙定、转子之间的气隙v 电枢齿电枢齿v 电枢磁轭电枢磁轭v 主磁极主磁极v 定子磁轭定子磁轭v 两个两个电枢齿电枢齿，磁路长度为，磁路长度为 2hz，磁场强度为，磁场强度为 Hz。v 两个两个主磁极主磁极，磁路
44、长度为，磁路长度为 2hm，磁场强度为，磁场强度为 Hm。v 一个一个定子磁轭定子磁轭，平均磁路长度为，平均磁路长度为 Lj，磁场强度为，磁场强度为 Hj。v 一个一个转子转子(电枢电枢)轭轭，平均磁路长度为，平均磁路长度为 La，磁场强度为，磁场强度为 Ha。v 两个两个气隙气隙，磁路长度为，磁路长度为 2 ，磁场强度为，磁场强度为 H 。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场2.主磁场分布主磁场分布 设电枢表面光滑无齿，气隙磁动势为设电枢表面光滑无齿，气隙磁动势为 ，x 处的处的气隙长度气隙长度和和气隙磁密气隙磁密分别为分别为
45、和和 ，则有：，则有：F()Bx0()()FBxx()x第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 由于极靴宽度小于极距，主极下的气隙是不均匀的，气由于极靴宽度小于极距，主极下的气隙是不均匀的，气隙磁密在一个极下的分布规律如下图所示。隙磁密在一个极下的分布规律如下图所示。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场3.磁化曲线磁化曲线 直流电机的直流电机的磁化曲线磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线关系曲线 0=f(F0)。磁化曲线的起始部分基本上是一条直线磁化曲线的起始部分基本上是一条直线 随着随着0 的增大，磁的增大，磁通密度不断增加，
46、铁磁材通密度不断增加，铁磁材料逐渐开始饱和，磁导率料逐渐开始饱和，磁导率开始下降，磁化曲线出现开始下降，磁化曲线出现弯曲，斜率逐渐趋近于零。弯曲，斜率逐渐趋近于零。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 为了充分利用导磁为了充分利用导磁材料，电机磁路的额定材料，电机磁路的额定工作点一般设计在磁化工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的拐点附曲线开始弯曲的拐点附近。近。第三节第三节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 F0 与与 If 之间只差一个励磁绕组匝数的倍数；当电机之间只差一个励磁绕组匝数的倍数；当电机转速恒定时，转速恒定时，U 与与 0 之间也只相差一个比例系数。之间也只相差一
47、个比例系数。因此，磁化曲线可表示为因此，磁化曲线可表示为 0=f(F0 )、U=f(If )、0=f(If )或或 U=f(F0 )等多种形式。等多种形式。第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场 当电枢绕组中有电流流过时，该电流也会在电机中产生磁当电枢绕组中有电流流过时，该电流也会在电机中产生磁场，称为场，称为电枢磁场电枢磁场。下面分别在电刷位于几何中性线和偏离几何中性线两种情下面分别在电刷位于几何中性线和偏离几何中性线两种情况下对该磁场进行分析。况下对该磁场进行分析。第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场一电刷位于几何中性线上一电刷位于几何中性线上 只考虑电枢磁场，同
48、槽上、只考虑电枢磁场，同槽上、下元件边的电流同方向。将电刷下元件边的电流同方向。将电刷直接画在电枢表面被电刷短路的直接画在电枢表面被电刷短路的元件边所在的位置，如后右图所元件边所在的位置，如后右图所示。示。图中，根据右手定则定图中，根据右手定则定性地给出了电枢电流所建立性地给出了电枢电流所建立的磁场的分布情况。的磁场的分布情况。第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场 将电枢沿左侧几何中性线处展开成直线，画出电刷和主将电枢沿左侧几何中性线处展开成直线，画出电刷和主极，以主极轴线与电枢表面的交点为原点极，以主极轴线与电枢表面的交点为原点 O。第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电
49、枢磁场 在一个极距范围内，取距原点为在一个极距范围内，取距原点为 +x 和和 x 的两点形成一的两点形成一矩形闭合回路，该回路包围的总电流数为矩形闭合回路，该回路包围的总电流数为 2axNiD第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场x 处的电枢磁动势为处的电枢磁动势为21()()()2aaaxNiNiF xxAxDD 为电机的线负荷，表示沿电枢表面单位长为电机的线负荷，表示沿电枢表面单位长度上安培导体数。度上安培导体数。A=aNiD第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场 电刷位于几何中性电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势的线上时，电枢磁动势的轴线也位于几何中性线轴线也位于
50、几何中性线上，与主极轴线正交，上，与主极轴线正交，故称为故称为交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势，其最大值用其最大值用 表示。表示。aqF 电枢磁动势沿空间电枢磁动势沿空间的分布为的分布为三角形奇函数三角形奇函数，在主极轴线处过零，在在主极轴线处过零，在几何中性线处有最大值几何中性线处有最大值2aAF第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场 由于主极下的气隙由于主极下的气隙不均匀，并且相邻两主不均匀，并且相邻两主极之间的气隙很大，因极之间的气隙很大，因此磁通密度的分布曲线此磁通密度的分布曲线 如左图所示的如左图所示的马鞍马鞍形形。()aB x第四节第四节 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁
