直流机组发电机的设计.doc

毕 业 设 计 论 文题 目 直流机组发电机的设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0101 学号 0101120112学生姓名 彭 毓 聪 导师姓名 陈 强 完成日期 200568 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 直流机组发电机设计 姓名 彭毓聪系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0101学号 0101120112 指导老师 陈强 教研室主任 石安乐 一 基本任务及要求：机组作为电源使用,发出的电压作为负载额定电压,电源电流为负载额定电流。确定所设计电机的形式,功率;进行电磁计算,核对性能指标使其符合有关标准;画出电机结构图,绕组展开图,铁芯冲图. 二 进度安排及完成时间：（1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第五周至第六周：毕业实习； （3）第七周至第八周：总体方案的确定； （4）第九周至十二周：电磁计算, 核对性能. （5）第十三周：画出电机结构图,绕组展开图,铁芯冲图. （6）第十四周至第十五周：撰写设计说明书 （7）第十六周：毕业设计答辩 目 录摘要.4Abstract.5第1章 概述.61.1 课题的目的和意义61.2 直流发电机的工作原理71.3 直流发电机的磁场81.3.1 直流发电机的空载磁场91.3.2 直流发电机负载时的磁场和电枢反应101.3.3 电枢磁通势和电枢磁场势101.3.4 负载时的合成磁场101.4 直流发电机的结构11第2章 并励直流发电机的运行特性及电压变化率.132.1 建压过程及建压条件132.2 并励发电机的特性142.2.1 直流发电机的开路特性142.2.2 外特性142.2.3 并励直流发电机空载电压的建立142.3 电压变化率162.4 直流电机的绕组17第3章 负载时直流电机的磁场电枢反应.183. 1 交轴电枢磁势183.2 直轴电枢磁势193.3 直流发电机的电枢反应20第4章 主要尺寸的选择.204.1 电枢外径的选择204.2 线负荷和气隙磁密的选择214.3 电枢计算长度的确定224.4 主要尺寸比的选择234.5 确定主要尺寸的一般方法254.6 极数的选择254.7 磁路计算26直流机组发电机的设计程序.30参考文献.43致 谢.45附录: 绕组展开图附录: 电枢冲片图附录: 总装图文摘：电力行业是一种先进工业，世界各国经济发展的经验表明，只有当电力工业的增长率高于其他行业的发展速度才能促使整个过名经济的全面快速增长。电力行业要发展就必须加快对电机的研究和设计。直流机组发电机是由电动机作为原动力来达到输出电压的目的。直流发电机必须满足输出电压易于调节或控制；能够满足不同控制系统所要求的电源特性；具有较大的过载能力等性能要求。直流机组发电机主要满足输出的电压稳定,可以在不同工作环境下连续运行。通过对直流发电机的设计，我们能够更加了解电机的结构和性能。电机的设计除了要求扎实丰富的知识外，经验也是非常重要的，许多尺寸的选取都要求通过经验来求取。所以通过对不同电机的研究，可以使设计人员在选取数据时更加精确，以提高电机的工作性能。关键词: 直流机组 直流发电机 电源特性 电力行业 Abstract: Electric power profession is experience enunciation that a kind of advanced industry that development speed, international community economy development, only be the electric power to increase the rate industrially higher than the other profession then can urge whole is economic to increase quickly completely over. The electric power profession wants to develop must quickly to the research of the electrical engineering with design. The direct current machine a generator be been used as by electric motor motive force to purpose that attain the exportation electric voltage. The direct current generator must satisfy the exportation electric voltage apts to regulate or control; Can satisfy the different control system a power supply for requesting characteristic; Have bigger over carry ability etc. function request. The direct current machine a generator is main to satisfy the outputs electric voltage stable, can under the different work environment continue to circulate. Pass to the design of the direct current generator, we can understand the construction of the electrical engineering more with the function. The design of the electrical engineering is in addition to requesting the firm abundant knowledge, the experience also is count for much, the experience of many sizes So pass to the research of the different electrical engineering, can make design the personnel at select by examinations data hour more accurate, to increase the work function of the electrical engineering. Keyword： set of direct current direct current dynamo the speciality of power supply way of electric power第1章 概述1.1 课题的目的和意义由于直流电机的不断发展，对直流电机的要求日益提高，在直电机是国民经济各部门广泛采用的一种动力机械和发电设备。随着工农业生产的迅速发展机械化自动化程度的提高和日用电器的普及，电机的产量和种类日益增加。随着电机在人们日常生活中所占的比例越来越大，对电机的要求也越来越高。同时随着科技的发展，这就更加需要电机来提供不同的能源方式，电机的种类也就更趋繁多。在一些特殊的工作地点要求一些特殊的电机来提供能源，这就使在电机设计时必须考虑除了经济和可靠的性能外，还要考虑更多的工作性能，这就需要丰富的经验和大量的知识来作为后盾。发电机是将机械能转换成电能的转换装置。他是依靠电磁感应而运行，具有能够作相对旋转的部件，具有良好的机动性能和调速性能著称，直流发电机供电质量比较好，常常作为励磁电源，在某些工业中还常见应用，但是它与交流电机相比，结构复杂，成本高，维护不便，可靠性差。近年来，随着可控硅整流电源的广泛应用和日益完善，支流发电机已逐步被可控硅整流电源所取代。但有些情况，如在无交流电网宫殿而又需要直流电源以及在真空冶炼等特殊场合还使用直流发电机。流电机设计方面积极开展的工作是多方面的。如结合新技术.新工艺.新材料的发展,不断改进电机的结构;提高产品的系列化.部件的通用化和零件标准程度;扩大电子计算机在 上的应用;进一步对直流电机的电磁场.换向.通风散热和振动噪声问题的研究等。通过这次对直流发电机的设计,我们可以从中学到很多知识和经验,这有利于在这方面的发展。1.2 直流发电机的工作原理直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。 直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 直流发电机原理图电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷A始终有正极性。同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明子直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。从基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理在电机理论中称为可逆原理。1.3 直流发电机的磁场直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。1.3.1 直流发电机的空载磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为N极和S极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。从直流发电机的空载磁场分布图中看出，由N极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，过气隙又通进入S极，再经过定子磁轭回到原来出发的N极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用0表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用表示。由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右。由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通0，也就是需要有一定的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流。把空载时主磁通0与空载励磁磁通势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到。直流电机磁路计算内容是：已知气隙每极磁通为0，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁压降的总和便是励磁磁通势。对于给定的不同大小的0用同一方法计算，得到与0相应的不同值 ，经多次计算，便得到了空载磁化曲线0。1.3.2 直流发电机负载时的磁场和电枢反应当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小。通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。1.3.3电枢磁通势和电枢磁场势电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线。由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。1.3.4 负载时的合成磁场根据左手定则，决定转动方向为由右向左。再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则，分别画出主磁场分布曲线及电枢磁场分布曲线。若磁路不饱和，可用迭加原理，将曲线沿电枢表面逐点相加，便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线。将两条曲线进行比较，得出：1） 使气隙磁场发生畸变。每一磁极下，因为电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强，并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度 。称通过电枢表面磁密为零的这条直线为物理中性线。故在空载时，物理中性线与几何中性线重合；负载时，由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变，物理中性线与几何中性线不再重合，而且磁场的分布曲线也与空载时不同。2） 对主磁场起去磁作用。在磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量，因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同。但在实际电机中，磁路总是饱和的。因为在主磁极两边磁场变化情况不同，一边是增磁的，另一边是去磁的。主极的增磁作用会使饱和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线（比不计饱和时要低些，与不饱和时相比，增加的磁通要少些；主极的去磁作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，结果使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时略高些，与不饱和时相比，减少的磁通要少些。由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通，因此负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。1.4 直流发电机的结构电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。首先是电磁方面的要求:使电机产生足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转矩，要有一定的绝缘强度。其次是机械方面的要求：电机能传递一定的转矩，保持机械上的坚固稳定。此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便于检修，运行可靠等。从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。(一)主磁极 主磁极的作用是产生主磁通，主磁极铁心包括极心和极掌两部分。极心上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。(二)换向磁极 在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。它的构造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。 换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧坏。 主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。(三)电刷装置 电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。固定在机座上(小容量电机装在端盖上)不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。(四)机座 机座用铸钢或铸铁制成。用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。(五)端盖 端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。(六)电枢铁心 电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁心也作为电机磁路的一部分。(七)绕组 绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。(八)换向器换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。并励发电机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压，这个电压通常较高。励磁绕电阻大，可使If减小，从而减小损耗。由于If较小，为了产生足够的主磁通，就应增加绕组的匝数。由于If较小，可近似为I=Ia。 并励直流发电机的机械特性较好，在负载变时，转速变化很小，并且转速调节方便，调节范围大，启动转矩较大。因此应用广泛。第2章 并励直流发电机的运行特性及电压变化率2.1 建压过程及建压条件自励：励磁绕阻并接于电枢绕组两端，发电机本身的端电压提供励磁，而发电机的端电压有必须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的U=0到正常运行时U为一定值，有一个自己建立电压的过程电机的主磁极通常总有剩磁存在。 原动机拖动转子旋转，电枢绕组切割剩磁场，产生一个不大的剩磁感应电势。 这一电势加到励磁绕组将产生一个不大的励磁电流。 该励磁电流产生的磁势如果和剩磁同方向，将相互加强，会建立起稳定电压。 该励磁电流产生的磁势如果和剩磁反方向，将相互减弱，无法建立稳定电压。 可见励磁绕组的接线对建立电压很重要。 稳定点：由动态方程可知，当(u0(if)-Rfif)=0时，励磁电流和电压将达到稳定值。 建压临界电阻：场阻线与空载特性相切时对应的励磁回路电阻。 建压条件： 1电机中要有剩磁2励磁绕组与电枢绕组并接正确3励磁回路电阻小于建压临界值2.2 并励发电机的特性2.2.1 直流发电机的开路特性并励发电机的励磁电流很小，只占额定电流的（13）%。 这样微小的电流在电枢绕组中引起的电压降很小，可以忽略不计。所以并励发电机的开路电压也就是电枢中的感应电势。 U0=Ea-IfRa-2UsEa并励发电机的开路特性与他励相同，一般接成他励方式，由试验得出。2.2.2 外特性U=Ea-Ra(I+If)-2Us =(Cen-RaIf-2Us)-RaI有三个因素引起端电压随负载电流下降而下降： 1. 电阻Ra上的压降 2. 电枢反应的去磁作用 3. 以上2因素引起励磁电压下降，导致端电压再下降。2.2.3 并励直流发电机空载电压的建立1）空载电压的建立对于励磁绕组的端电压 Uf 和励磁电流 Ir若从电机磁路关系上考虑要满足空载特性，即 U0 = f(If0) 而从电路关系上观察，必须遵循伏安特性，即 Uf = rf * If0 由此可见，U0、If0 必须同时满足上面两式所以 U0 和 If0 之值就是表示上述两种特性的曲线交点：A 的坐标2）并励直流发电机自励的三个条件1电机必须有剩磁2励磁绕组并联到电枢的极性必须正确3励磁回路中电阻小于 rfc（称为临界值）(1) 负载增加，去磁性质的电枢反应引起气隙合成磁通的减小，从而使相应的感应电动势下降(2) 此时电枢回路的电阻和电刷压降 R0I0 增大2.3 电压变化率并励发电机的电压变化率（也称电压调整率）是：当转速为额定值并励绕组的电阻不变时，发电机从额定负载过渡到空载，电压升高的数值对额定电压的百分比，即并励发电机空载电压求取的方法如下。从磁路计算中所得的发电机的磁化曲线，可以转换成在额定转速下的空载特性曲线，因为可以根据和来确定和，和间的转换关系。在空载时，电枢电动势和端电压是非常接近的，即，因此可以把空载特性曲线的纵坐标改成。对于并励绕组，根据欧姆定律，有这就是说，发电机输出电压并励绕组电流的关系是一条直线。电机在额定负载运行时，其并励绕组的电流为，工作在点上，的纵坐标为额定电压。它与点对应的空载电压有差别，这是由于电枢反应去磁磁动势和串励绕组磁动势的作用以及电枢压降所造成的。当卸去负载后，电机便进入并励发电机的自励建压过程，而最终工作在点上，点的纵坐标就是空载电压。根据求得的和给定的，即可算出发电机的电压变化率。2.4 直流电机的绕组电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机的一个重要部件 对电枢绕组的要求是:在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料。为了使产生的电磁转矩与感应电动势大小足够，为此应该将所有线圈互相联接起来 。绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上， 它是绕组的一个单元，称为元件 为了使一个元件两个有效边中所感应产生的电动势大小相等或相差不多， 使电动势是叠加的，那么元件的跨距应等于或接近于一个极距。 为使线圈端接部分对称，线圈可采用如下连接形式 直流发电机绕组的计算 通过磁路计算，在确定串励绕组匝数和并励绕组磁动势后，就要对这良种绕组进行计算。要求确定这两种绕组的线规.这两种绕组的高度和宽度以及高度方向的匝数和宽度方向的层数。计算时，除各绕组的电流密度须满足预定要求外，还应该使串励绕组宽度比并励绕组宽度小些，并使并励绕组有一定的励磁余量。 第3章 负载时直流电机的磁场电枢反应 直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，简称电枢磁场，而电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。具体分析如下：当电机带上负载后，电枢绕组中有电流通过，电枢电流将产生电枢磁动势，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。3. 1 交轴电枢磁势Faq电枢磁场如下图，若电枢上半周的电流为流出，下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动势建立的磁场如虚线所示。从图可见，电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合。与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；所以当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。下图是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成右图。设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的 x 处作一闭合磁力线回路。据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包围的总电流数即为总磁势Fa：因为设 A 是沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数：式中：Za电枢绕组的总导体数；D电枢外径；ia电枢电流。则闭路总磁势为Fa2xA ，略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为FaqAx。交轴电枢磁势Faq（x）的分布为呈三角波（略去齿槽影响时），则电枢磁密的分布波形是马鞍形波。3.2 直轴电枢磁势从上图可知当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。电枢磁势分解成两个分量Faq和，即。直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。而直流发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。 无论直流电机的电枢绕组的支路数是多少,直流电机的电刷间的直流电枢电势总是和某一支路的电势相等。它的理解方法可以与这个物理公式相比较：其中电势Ea 对应于 e ，对应于B；电势常数Ce 对应于l；转速 n 对应于线速度 v 。因为直流发电机或电动机运行时均存在磁场和导体切割磁力线的情况。当直流电机的磁场存在，其转子未被原动机拖动而是拖动机械负载，这时，电枢两端接通直流电源，载流的转子导体在磁场中受力产生转矩。转子一旦旋转，就有电势产生。但电势与电流方向相反。故电动机又叫反电势。故：得直流电动机电势平衡方程式。这也是四大公式中第二式的电势平衡式之二。这是电动机与发电机运行的区别方法之一。3.3 直流发电机的电枢反应若电机为发电机时，电刷顺转向移动角。直轴电枢反应仅存在于电刷不与几何中线处导体接触。直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。而直流发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。无论直流电机的电刷是否与几何中线处的导体相接触，交轴磁势Faq 及其电枢反应均存在。空载时磁密分布波 Bo（x) 波和负载时电枢磁密分波 Ba（x) 波的合成，得到气隙合成磁密波 B（x） 。即： bo（x） + ba（x） b（x）第4章 主要尺寸的选择4.1 电枢外径的选择直流电机的电枢外径一般随单位转速的输出功率值增加而增大，当电机的相同时，其大致一样。决定时可以根据给定的值和工厂的生产条件，参考已制成的类似电机的而选定。我国目前制造的直流电机，根据与的的关系曲线，作为选定的初步依据。对应于不同的功率和转速，直流电机电枢外径的尺寸也不同。为了便于制造和节省材料，的各种不同尺寸不是任意选定的，而是按一定的比值递增的，其递增的比值应考虑到整张硅钢派内的合理剪裁.系列电机功率等级递增的被和和冲模装备的继承因素,所以电枢外径是规范化的。根据我国生产的硅钢片规格和工厂的生产经验，目前规定了下面的直流电机的标准电枢外径：7，83，102，106，12，13.8，16.2，19.5，21.0，24.5，29.4，32.7，36.8，42.3，49.3，56.0，65.0，74.0，85.0，99.0，120，150，180，215，250，285，315，350，380厘米。电枢直径小于厘米时用整圆冲片，大于厘米时用扇形片拼成。当设计电机时，根据给定的值，可先查得电枢外径最大值至最小值的范围。如果在这个范围内只有一个对应的标准直径，则就将它调整到标准值。如果在这个范围内有几个对应的标准直径，那么就要通过分析或试算来确定其中最合适的一个。4.2 线负荷和气隙磁密的选择从电机综合技术经济指标出发来选取最合适的和值，以便使制造和运行的费用最少，而且性能良好。除了不应选择过高的.数值外，还应该考虑它们的比值要适当。因为这一比值不仅影响电机的参数和特性,而且同铜耗和铁耗的分配密切有关,也即会影响电机效率曲线上出现最高效率的位置。正因为这样，对经常处于请在运行的电机,通常宜选用较大的A值和较低的值,以便在请在时能得到较高的效率。电机的冷却条件对电磁负荷的选用也有重要影响。对一般小型电机，通常可高出左右。电机所用的材料与绝缘结构的等级也直接影响电磁负荷的选择。所用绝缘结构的耐热等级越高，电机允许的温升也就越高，电磁负荷可选高些；导磁材料性能越好，允许选用的磁密也可越高。电枢绕组采用铝线时，由于其电阻率较大，为了保证足够的安放空间以免电损耗过大，往往采用比铜线时较低的电磁负荷。. 的选择还和电机的功率及转速有关，确切地说是与电枢直径及转子的圆周速度有关。圆周速度较高的电机，其转子与气隙中冷却介质的相对速度较大，因而冷却条件有所改善，A. 可选大些。电枢直径越小，所选取的A和也应越小，着主要是空间是否充裕的问题。电磁负荷选择时要考虑的因素很多，很难单纯从理论上来确定。通常主要参考电机工业长期的经验数据，并分析对比所设计电机与已有电机之间在使用材料结构技术要求等方面的异同后进行选取。电机工业的发展历史表明，随着材料，特别是电工材料性能冷却条件和电机结构的不断改进，电机的利用系数和的数值一直在逐步提高，从而使电机的体积和重量不断减少，而性能指标仍能得到保证。4.3 电枢计算长度的确定 从式，可以得到电枢计算长度的表达式为 上式中，电磁功率可根据给定的额定功率按式得到；额定转速是技术条件给定的；电枢外径是根据图2-2选定；电磁负荷A. 按图2-3和2-4选定;计算极弧系数可根据图2-5选取。这样就可以计算出电枢计算长度。 计算极弧系数的值取得大一些对缩小电机的主要尺寸是有利的，但两极间距离已经较短，起值应较小。对于同一电枢外径的电机，极数多时极间距离小，应选得小一些；极数少时，可选大些。电枢长度与直径的比值4.4 主要尺寸比的选择在选定A和后，由式即可初步确定电机的。但相同的电机，可以设计的细长，也可以设计的粗短。为了反映电机这种几何形状关系，通常采用主要尺寸比这一概念。的大小与电机运行性能.经济指标.工艺行等均有密切关系，或对他们产生一定的影响。若不变而较大：（1） 电机将较细长，即较大而较小。这样，绕组端部变的较短，端部的用铜（铝）量减少，当仍在正常范围内时，可提高绕组铜（铝）的利用率。端盖.轴承.,刷架.换向器.和绕组支架等结构不见的尺寸较小,重量较轻。因此，单位功率的材料消耗较少.成本较低。（2） 今电机的体积未变，因此铁的重量不变，在同一磁密下基本铁耗也不变，但附加铁耗有所降低，机械损耗则因直径变小而减少。再考虑到电流密度一定时，端部铜（铝）耗将减少，因此，电机中总损耗下降，效率提高。（3） 有趣绕组端部较短，因此，端部漏抗减少。一般情况下，着将使总漏抗减少。（4） 有趣电机细长，在采用气体作为冷切介质时，风路加长，冷切条件变差，从而导致轴向温度分布不均匀度增大。为此必须 采取措施来加强冷切，例如采用较复杂的通风系统。但在主要依靠机座表面散热的封闭式电机中，热量主要通过定子铁心与机座向外发散，这时电机适当做的细长些可使贴心与机座的接触面积增大，对散热有利（对于无径向通风道的开启式或防护式电机，为了充分发挥绕组端部的散热效果，往往将取得较小）。（5） 由于电机细长，线圈数目常较粗短的电机较少，因而使线圈制造工时和绝缘材料的消耗减少。但电机冲片数目增多，冲片冲剪和铁心叠压的工时增加，冲模磨损加剧；同时机座加工工时增加，并因铁心直径较小，下线难度稍大，而可能够使下线工时怎国。此外，为了保证转子有足够的刚度，必须采用较粗的转轴。（6） 由于电机细长，转子的转动惯量与圆周速度较小，这对于转速较高或要求机电时间常数较小的电机是有利的。选择值时，通常主要考虑：1）参数与温升；2）节约用铜（铝）；3）转子的机械强度；4）转动惯量等方面的限制或要求。（7） 对于直流电机，越大，则电枢越长，换向器片间电压和换向元件的电抗电势均将增大，使换向条件变差。过大的还会导致磁极铁心的截面形状变的狭长，使励磁绕组金属的利用率下降。一般说，小型支流电机的换向问题不的，本来可以取大些，但为了在电枢上获得足够的槽数，仍常采用较低的值。通常小型支流电机的=0.61.2（或1.5），但在实际设计时，值选取往往需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确判断。4.5 确定主要尺寸的一般方法首先根据电机的额定功率,利用式式得出计算功率。然后根据与n（交流电机为同步转速，直流电机为额定转速），结合所设计电机的特点，利用给定的数据或曲线选取电磁负荷A.,代入式即可算得。然后参考给定的数据选用合适的，即可由已算得的分别求得主要尺寸D和。为了充分利用硅钢片，减少冲模等工艺装备的规格与数量，加强通用行和考虑系列电机功率登记递增的需要，我国目前规定了支流电机的标准电枢外径，当时，应采用扇形片。算得后，需将其调整至标准直径。4.6 极数的选择 选择极数应综合考虑运行性能和经济指标。设计电机时，有时要选取几种极数进行方案比较，才能确定合适的极数。在电枢外径长度和气隙磁通密度确定后，沿电枢圆周的总磁通为一定值。增加极数，可减少每极磁通，电枢轭及机座的截面可相应减少，从而减少电机的用铁量；电枢绕组的端接部分将随极数增加而缩短，在同样的电流密度下，绕组用铜量也将减少；换向器上的刷杆数将随极数的增加而相应地增加，每一刷杆上的电枢可以减少，从而换向器长度可缩短；磁极增多后，电枢电感相应减少，这将有利于换向。同时，当极数增加，会使磁极及励磁线圈的数目增多，从而增加了制造工时；随着极数的增加，考虑到极漏磁不能太大，极弧系数要减少，从而使电机原材料的利用率变差；磁极增加后，一定要增加换向器的换向片数，使相邻换向片间的电压仍在一定的限额以下，以防止环火；电枢中磁通的交变频率将随极数的增加而增加，因而齿的铁损耗随极数的增加而增大，而电枢轭的铁损耗则增加很少，因为铁轭的重量反比于极数而下降；当电流密度不变时，电枢绕组中的铜耗随极数的增加因铜重的减少而降低，但是励磁绕组的铜耗因励磁线圈数增多而上升。一般来说，电机的效率随极数的增加而有所下降，一般直流电机的极数选择可以通过极数与电枢外径的关系曲线查得。4.7 磁路计算当绕组中通过电流，在电机的有效部分端部及部分结构零件中发了磁场。为了简化物理图象及电磁计算，把电机中的磁场分为主磁场及漏磁场。磁路计算的目的在于确定产生主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势，并进而计算励磁电流以及电机的空在特性。通过磁路计算还可以校核电机各部分磁通密度选择得是否合适。磁路计算所依据的基本原理可以把电机分成若干扇形段，每个扇形段的磁场分布图都是相同的。要确定建立磁场所必需的磁化力，只要计算一个扇形范围内的磁场能够就足够了。根据全电流定律，磁场沿闭合贿赂的线积分等于该贿赂所包围的全电流，即如果积分路径沿着磁场强度矢量取向，则等式左边为磁场强度在dl方向上的线积分；所选择的闭合回路一般通过磁极的中心线，等式右边为回路包围的全电流，即等于每对极的励磁磁势。为了简化计算，通常把电机各部分的磁场化成等效的各段磁路。所谓等效的磁路是指各段磁路上的磁压降应等于磁场内对应点之间的磁压降，并认为在各段中磁通沿截面均匀分布，各该段中磁场强度保持为恒值。因此式中的线积分可用求和代