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第二章直流电机的电枢绕组 引言 2 1电枢绕组的一般知识 2 2单叠绕组 2 3单波绕组 2 4各种绕组的应用范围小结 1 引言 电枢绕组是直流电机的电路部分 亦是实现机电能量转换的枢纽 设计要求 电枢绕组的构成 应能产生足够的感应电动势 并允许通过一定的电枢电流 从而产生所需的电磁转矩和电磁功率 此外 还要节省有色金属和绝缘材料 结构简单 运行可靠 2 3 电枢绕组的一般知识 元件数S 换向片数K 槽数Z 虚槽Z 几个基本概念 3 第一节距y1 合成节距y和换向片节距yk 第二节距y2 y2为元件下层边与其相联结的元件上层边之间的距离 y为相串连的两元件对应边的距离 y1指一个元件两个边的距离 yk一个元件的首尾端在换向器上的距离 4 单波绕组 单叠绕组 复波绕组 复叠绕组 混合绕组等 电枢绕组的联结方法 绕组联结方法主要表述绕组联结规律的节距 绕组展开图 元件联结图 并联支路图 5 分类 直流电枢绕组有叠绕组 波绕组和混合绕组等三种类型 本节主要说明单叠和单波绕组的组成和连接规律 6 2 1电枢绕组的一般知识 一 直流电枢绕组的构成二 直流电枢绕组的节距 7 一 直流电枢绕组的构成 每一个元件有两个放在槽中切割磁力线 感应电动势的有效边 称为元件边 元件在槽外 电枢铁心两端 的部分一般只作为联接引线 称为端接 与换向片相联的一端为前端接 另一端叫后端接 8 引入 虚槽 概念 设槽内每层有u个元件边 则意味着一个实际的槽包含了u个 虚槽 而每个虚槽的上 下层依然只有一个元件边 图示为u 2 即一个实槽包含两个虚槽的情况 一般情况下 实际槽数Z与虚槽数Zi的关系为 9 电枢绕组的特点常用虚槽数 元件数 换向片数及各种节距来表征 因为每一个元件有两个元件边 而每一片换向片同时接有一个上元件边和一个下元件边 所以元件数S一定与换向片数K相等 又由于每一个虚槽亦包含上 下层两个元件边 即虚槽数也与元件数相等 故有 10 二 直流电枢绕组的节距 1 第一节距y1元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距 用y1表示 第一节距的大小通常用所跨的虚槽数来计算 因为元件边置放在槽内 所以y1必定是一个整数 为得到较大的感应电动势和电磁转矩 y1最好等于或者接近于一个极距 即 11 为使yl凑成整数的一个小数 通常 y1 称为整距元件 相应的 y1 为长距 y1 为短距 因为短距绕组有利于换向 对于叠绕组尚能节省部分端部用钢 故常被采用 12 2 第二节距y2在相串联的两个元件中 第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离 称为第二节距 第二节距用y2表示 也用虚槽数计算 13 3 合成节距y相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离 称为合成节距 合成节距用y表示 也用虚槽数计算 波绕和叠绕 单绕组和复绕组之间的差别 主要表现在合成节距上 所谓叠绕组是指 各磁极下的元件依次相连 后一个元件总是 叠 在前一个元件上 波绕组是指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来 像波浪一样向前延伸 叠挠和波绕这两种联法 都能保证相串联的元件其电动势方向相同而不互相抵消 对叠绕组y y1 y2对波绕组y y1 y2 14 4 换向器节距yk在换向器表面上 同一个元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离 称为换向器节距 换向器节距用yk表示 其大小用换向片数计算 由于元件数等于换向片数 每连接一个元件时 元件边在电枢表面前进的距离 应当等于其出线端在换向器表面所前进的距离 所以换向器节距应当等于合成节距 即yk y规定yk 0为右行绕组 yk 0为左行绕组 左行绕组每一个元件接到换向片上的两根端接线要相互交又 亦较长 用铜较多 故较少采用 15 2 2单叠绕组 一 节距计算二 绕组连接表三 绕组展开图四 电刷放置法五 绕组的并联支路数 16 电枢绕组中任何两个串联的元件都是后一个叠在前一个的上面的称为叠绕组 每绕一个元件便在电枢表面移过一个虚槽的叠绕组称为单叠绕组y yk 1 如果y yk 1 则绕组向右绕行 称右行绕组 见图a y yk 1 则绕组向左绕行 称左行绕组 见图b 17 一 节距计算 对于右行单叠绕组 有y yk 1整距 整数 可绕制 第二节距y2 y1 y 3虚槽数Z Zi u 1 18 二 绕组连接表 1 将槽和元件边编号2 绕组元件连接法表中每根实斜线所连接的两个元件边构成一个元件 如1 5 为第1元件等等 两元件之间的虚线则表示通过换向器上的一片换向片把两元件串联的连接线 从表可见 从第1元件出发 绕完Zi个元件后 又回到第1元件而形成闭合回路 直流电枢绕组总是自行闭合的 19 三 绕组展开图 绕组展开图如图所示 它是假设把电枢从某一齿中心沿轴向切开并展开成一带状平面 上元件边仍用实线段表示 下元件边用虚线段表示 图中画的磁极是在绕组的上面 因此N极的磁力线指向纸面 S极的磁力线从纸面穿出 左上方的箭头表示绕组的旋转方向 由此运用右手定则 可确定在图示瞬间各元件边内的感应电动势方向 并且可看出电刷电位的正负 20 图中相邻两主极间的中心线 空载时线上在电枢表面处的主极磁场径向磁通密度为零 称为电枢上的几何中性线 显然 在几何中性线上的元件边感应电动势为零 如元件边1 1 5 5 9 9 13和13 都无感应电动势 21 换向器和绕组元件之间的相对位置 对于常用的端接对称的绕组 应使每一元件所接的两个换向片的中心线恰好与元件的轴线 元件两边跨距的平分线 重合 图中元件1的轴线与槽3的中心线重合 而元件1所接的两换向片1和2的中心线也恰好在槽3的中心线上 换向器的大小的画得与电枢一样 换向片宽等于槽距 换向片的编号与它所连接的上元件边的编号相同 这样 元件1的上元件边接到换向片1 下元件边接到换向片1 yk 1 1 2 再经过元件2而接到换向片2 yk 2 1 3 如此继续依次连接便得绕组展开图 22 四 电刷放置法 确定电刷放在换向器上位置的原则是 空载时正 负电刷之间获得最大电动势 这时被电刷短路的元件电动势为零 23 无论整距 短距或长距元件 只要元件轴线与主极轴线重合 元件的电动势便为零 我们把这时元件所接两换向片的中心线称为换向器上的几何中性线 24 电刷应放在换向器上的几何中性线上 对端接对称的元件 换向器上的几何中性线与主极轴线重合 因此电刷必须放在主极轴线下的换向片上 主极和电刷的空间位置都是固定的 因此这一放置电刷的结论十分明确 见图a 如果元件是不对称端接的 以致换向器上的几何中性线不与主极轴线重合 而是偏离后者一个角度 则电刷位置应相应地移过同一角度 见图b 25 五 绕组的并联支路数 单叠绕组的并联支路数恒等于电机的主极数 这是单叠绕组的特点 即2a 2p或a p式中a 并联支路对数 单叠绕组的并联支路数等于主极数 增加电机的主极数便可增加支路数 要在主极数不变的情况下使支路数成倍增加 可把多个单叠绕组嵌在同一个电枢上 并借助电刷并联起来构成复叠绕组 若相串联的两元件对应边相距加个虚槽 相应地每一元件两端所接的换向片相距m片换向片 便得由m个单叠绕组构成的复叠绕组 称为m叠绕组 电刷宽应大于m个换向片宽 其并联支路数也为2a 2mp了 26 2020 1 9 27 2 3单波绕组 一 节距和绕组连接表二 绕组展开图三 绕组的并联支路数四 电刷位置和电刷组数五 关于直流电枢绕组的均压线 28 单叠绕组中一个磁极下的元件串联成一条支路 这时支路中相串联的元件电动势是同方向的 从这种观点出发 也可以把所有同样极性下的元件都串联成一条支路 这时两个相串联的元件的对应边相距 即合成节距y 约等于两个极距 2 形成如图所示的波浪形 这种绕组称为波绕组 29 单波绕组元件的第一节y1与叠绕组一样 要求接近于极距 即但合成节距y yk接近于2 而不能等于2 30 因为当y 2 时 由出发点串联p个元件而绕电枢一周之后 就会回到出发点而闭合 以致绕组无法继续绕下去 就换向片来说也是一样 如果绕组从某一换向片出发 经电枢圆周沿换向器绕一周后恰好回到原来出发的加个换向片相邻的一片上 则可继续绕第二周 第三周 最后把全部元件串联完毕并与最初的出发点相接而构成一闭合绕组 故要求yk值满足下列关系 31 式中如取负号 则绕行一周后比出发时的换向片后退一片 称为左行绕组 见图a 如取正号 则前进一片 称为右行绕组 见图b 右行绕组的端接线交叉 比左行绕组长 故不常用 现举例说明单波绕组的绕法 支路电动势和支路数等问题 例 已知电机极数2p 4 槽数和换向片数均等于15 此时u 1 Z Zi S K 15 要求绕制一左行短距单波绕组 32 一 节距和连接表 左行单波绕组短距绕组第二节距y2 y y1 4虚槽数u 1 33 据此按本章第六节所述方法得绕组连接表如下 34 二 绕组展开图 根据绕组连接表可绘制绕组展开图 如图所示 通常波绕组也是端接对称的 即每一元件所接的两换向片对称地位于该元件轴线的左右两边 也就是元件所接两换向片的中心线与元件轴线重合 在端接对称的波绕组中 电刷也放在主极轴线下的换向片上 元件在换向器上的串联次序是 元件1的上元件边接到换向片1 它的下元件边接到换向片1 yk 1 7 8 再串联元件8而接到换向片8 yk 8 7 15 如此继续串联下去 可把15个元件串联完毕而回到换向片1 构成闭合回路 定出电枢旋转方向后 按右手定则可确定各元件电动势方向 把展开图画成图示的电路图 可以更清楚地看出所有元件的串联次序 电刷放置和并联支路等情况 35 36 三 绕组的并联支路数 单波绕组只有两条并联支路 而与主极数目无关 这是单波绕组的特点 即2a 2或a 1当电枢旋转时 各元件的位置随时间变化 构成支路的元件交替更换 但从电刷外面看绕组时 仍然是一个有两条并联支路的电路 正因为如此 在元件数相同的情况下 波绕组每条支路的串联元件数就可能比叠绕组多 支路电压也就会比较高 这也是波绕组的基本特点 波绕组增加并联支路数的方法是采用复波绕组 由m个单波绕组构成的波绕组叫做m波绕组 其特点是 m波绕组通过电刷实现并联 电刷宽度等于或大于m个换向片宽度 其并联支路数增至2m 37 四 电刷位置和电刷组数 在前面分析叠绕组电刷放置原则时得出的结论 电刷应固定放置在换向器上的几何中性线上 也适用于波绕组 为此 可把 换向器上的几何中性线 的意义扩充为 当元件轴线与主极轴线重合时 该元件所接两换向片之间的中心线便是换向器上的几何中性线 其物理意义仍然是 当电刷中心线与几何中性线重合时 被电刷短路的元件中的电动势为零或接近于零 38 39 从电路图分析可见 被电刷短路的元件电动势为零 正 负电刷间的支路电动势为最大值 这与单叠绕组结论一致 观察图所示瞬间 元件5的轴线与主极轴线重合 其元件电动势为零 该元件所接两换向片5和12的中心线 即换向片8和9的分界线 上放置电刷B1 与主极轴线在换向器上的位置重合 这时 元件9和元件12串联后被B1短路 元件1和9对称地位于S极左右两侧 这两元件电动势大小相等而方向相反 串联电动势为零 所以B1的位置就是换向器上几何中性线的位置 由此可见 端接对称的绕组 无论是叠绕或波绕 由于换向器上的几何中性线与主极轴线重合 所以电刷应放在主极轴线下的换向片上 40 从以上分析可见 无论叠绕或波绕 每个主极都可在换向器上找到一根几何中性线 因此 换向器上的几何中性线的数目等于主极数2p 随之可在换向器上放置2p组电刷 但对单波绕组 从图可见 由于只有两条并联支路 理论上只需放置两组电刷 例如把电刷A2 B2取消 只留下A1 B1 对两支路电动势大小并无影响 但实际上除特殊情况外 一般仍采用2p组电刷 即全额电刷 对单波绕组来说也有好处 电刷数目增加后 每组电刷通过的电流可以减小 在一定的电刷允许电流密度下 可减小每组电刷与换向器的接触面积 随之可缩短换向器的长度 节省用铜量 41 单波绕组的特点是只有两条并联支路 因此 在一定的绕组元件数下 每支路串联的元件数较多 支路电压较高 要增加并联支路数可采用复波绕组 由m个单波绕组构成的m波绕组 借电刷并联起来 电刷宽应等于或大于m个换向片宽 其并联支路数为2a 2m 42 五 关于直流电枢绕组的均压线 无论是叠绕组还是波绕组 都是认为在a对并联支路中 各对支路的对应元件在磁场中所处的位置都相同 各支路感应电动势都相等 支路间不会产生环流 称为对称绕组 但由于工艺 装配等原因 不可避免地引起磁的或者电的不平衡 导致支路间产生环流 为此将直流电枢绕组中理论上电位相等的点用均压线连接起来 43 理论上电位相等的点相距称为均压节距 单叠绕组的均压线称为甲种均压线 在换向器一侧连接 单波绕组总是对称的 无需均压线 双波绕组的均压线称为乙种均压线 把叠绕组与波绕组混合而成的电枢绕组称为混合绕组 又称蛙形绕组 它本身有完善的均压作用 对叠绕组而言 波绕组元件跨过一对极距而相当于均压线 44 2 4各种绕组的应用范围 除单叠和单波绕组外 电枢绕组还有复叠 复波和混合绕组 区别 主要是换向器节距yK不同 复叠绕组 yK m m 1的整数 a mp 复波绕组 yK K m p a m 混合绕组 因为a p a m p 所以a 2p 45 双叠绕组是由两个单叠绕组通过电刷并联起来构成 每个单叠绕组的元件互相间隔地嵌入槽内 双波绕组则由两个单波绕组通过电刷并联起来构成 每个单波绕组的元件也是互相间隔地嵌于槽内 所以双绕组的节距与单绕组不同 但连接规律与单绕组并无根本区别 双绕组的支路数应是单绕组的一倍 这是容易理解的 一套叠绕组和一套波绕组按一定的规律嵌放并连接到同一个换向器上 可以构成混合绕组 亦称蛙型绕组 46 就使用而言 各种直流电枢绕组的主要差别就在于并联支路数的多少 支路多时 每条支路中的串联元件数减小 通常都是根据电机额定电流的大小和额定电压的高低来选择绕组型式 单波绕组的支路数最少 用于小容量电机和电压较高或转速较低的电机 复波绕组可用于多极数 低速的中 大型电机 单叠绕组的支路数比波绕组多 主要用于中等容量 正常电压和转速的电机 复叠绕组用于大