第7章直流电机的磁路和电枢绕组.ppt

7-1概述7-2直流电机的磁路和磁化特性7-3电枢绕组的一般知识7-4单叠绕组7-5单波绕组7-6其他型式电枢绕组简介7-7直流电机电枢绕组的感应电势7-8直流电机电枢绕组的电磁转矩,第七章直流电机的磁路和电枢绕组,第七章直流电机的磁路和电枢绕组,基本要求：1.了解直流电机空载气隙磁场的分布2.了解直流电机的磁化曲线3.了解单叠绕组和单波绕组的特点4.掌握单叠绕组节距的计算方法5.掌握直流电机的感应电动势和电磁转矩公式,7-1概述,1.磁场磁场是电机实现机电能量转换的媒介。主极磁场由永久磁铁或在励磁绕组中通入直流电流产生。直流电机的磁化特性对电机的运行性能有很大影响。2.电枢绕组电枢绕组是电机实现机电能量转换的枢纽。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，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。,7-2直流电机的磁路和磁化特性,1.直流电机的空载磁场,空载磁场可视为由励磁磁动势建立的励磁磁场（主磁场）。空载磁场的分布是对称的，磁通分为主磁通和漏磁通。,主磁通定义：经过气隙进入电枢，同时与励磁绕组和电枢绕组相交链的磁通。作用：能在旋转的电枢绕组中感应电动势、并和电枢电流相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换。,每极总磁通,漏磁通：定义：不进入电枢，而是直接经过相邻主极间或定子磁轭闭合的磁通。作用：只增加主极和定子磁轭磁路的饱和程度，不参与机电能量转换。,2.直流电机的主磁路,主磁路的组成部分：定子磁轭、主磁极、气隙、电枢齿和电枢磁轭。,N极(主磁极),每对主极的励磁磁动势,3.空载时气隙磁密的分布曲线,空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻和电枢表面的齿槽效应时，主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状。,气隙磁压降,磁场强度,磁通密度,磁通密度,每极磁通,空载时直流电机的气隙磁密分布,4.磁化特性曲线,直流电机的磁化曲线是指电机的每极主磁通0与每对极励磁磁动势F0之间的关系曲线0=f(F0)。,气隙线：把磁化曲线的起始直线延长，即为电机的气隙磁化曲线0=f(2F)，简称气隙线。,空载磁场的分布情况,饱和系数：电机额定转速下空载运行时产生额定电枢电压所需要的磁动势2Ff与气隙磁动势2F之比，用k来表示，即,一般，k=1.11.35。,电枢绕组的作用是什么？,产生感应电动势、通过电流并产生电磁力或电磁转矩，使电机能够实现机电能量转换。,直流电机电枢绕组的分类：,叠绕组：单叠绕组、复叠绕组。波绕组：单波绕组、复波绕组。混合绕组：叠绕和波绕混合的绕组。,7-3电枢绕组的一般知识,1.元件,定义：元件就是两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。元件是构成绕组的基本单元。,电枢绕组的特点常用槽数、元件数、换向片数及各种节距来表征。,当电枢每槽上、下层只有一个元件边时，电机的元件数S、换向片数K、槽数Q之间的关系为：,S=K=Q,2.虚槽,在大型电机中，每槽的上下层各放置若干个元件边。,假设每个实槽包含u个虚槽，则电机的虚槽数Qu与实槽数Q之间的关系为：,Qu=uQ,Qu=S=K,虚槽数Qu与元件数S、换向片数K之间的关系为：,3.直流电机电枢绕组的节距,节距：相关的两个元件边之间的距离，通常以所跨过的槽数或换向片数来表示。极距：相邻两个主磁极沿电枢表面之间的距离，用所跨弧长或虚槽数表示。,设电机的极对数为p，电枢外径为Da，则,或,1）第一节距y1：同一元件的两个元件边在电枢圆周表面跨过的距离，用虚槽数计算。,式中：小于1的分数，用来把y1凑成整数。,2）第二节距y2：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，用虚槽数计算。,叠绕组：y20波绕组：y20,节距的正方向：从换向器端观察电枢时，从左至右的行进方向为正。,4)换向片节距yk：每个元件所联的两片换向片在换向器表面的跨距，用换向片数表示。,3)合成节距y：相串联的两个元件对应边在电枢表面上所跨的距离，用虚槽数计算。,yk0右行绕组yk0左行绕组,7-4单叠绕组,主要内容：单叠绕组的节距、绕组展开图、元件联结次序图、并联支路图。单叠绕组：绕组中任何两个串联元件都是后一个元件紧叠在前一个元件的上面，元件的出线端接到相邻的换向片上，y=yk=1。,右行单叠绕组:,左行单叠绕组:,例7-1一台直流电机，2p=4，Qu=S=K=16，绘制右行单叠整距绕组。,1.单叠绕组的节距,（右行单叠绕组）,2.单叠绕组的展开图,15163456789101112131415,12,12345678910111213141516,放置磁极,2.单叠绕组的展开图,放置电刷,电刷的放置原则：空载时，正负电刷之间引出的电动势最大。,2.单叠绕组的展开图,2.单叠绕组的展开图,放置电刷,电刷的放置方法：为确保空载时，正负电刷之间引出的电动势最大，电刷应与电动势为零的元件所接两片换向片相接触。当元件端接对称时，电刷应放置在主极轴线下的换向片上。此时，电刷在换向器表面的位置对准主极中心线。,3.单叠绕组的元件联结次序,上层边下层边,1,5,2,+y1,+y2,单叠绕组并联支路数等于电机的极数，即：,或,式中，a并联支路对数。,电枢电流Ia为各支路电流ia之和，即。,4.单叠绕组的并联支路图,5.单叠绕组的特点,同一主极下的各元件串联起来成一条支路，并联支路数2a等于电机的极数2p。电刷位置应使正负电刷间的感应电动势最大。当元件几何形状对称时，电刷在换向器表面的位置应对准磁极中心线。此时，正、负电刷间感应电动势最大，被电刷短路的元件感应电动势为零。电刷数等于主极数。电刷间引出的电动势为每一支路的电动势。电枢电流为各支路电流之和。,6.单叠绕组和单波绕组的差别,单叠绕组：上层边在同一主极下的所有绕组元件串联起来构成一条支路，并联支路数等于极数。,单波绕组：上层边在N极下的所有绕组元件串联起来构成一条支路，上层边在S极下的所有绕组元件串联起来构成另外一条支路，并联支路数恒等于2。,电刷间电势较小，电枢电流较大。,电刷间电势较大，电枢电流较小。,7-5单波绕组,主要内容：单波绕组的节距、绕组展开图、元件联结次序图、并联支路图。单波绕组,每一元件两出线端所连换向片相隔约一对极距。相串联的两元件相隔约一对极距。,1.单波绕组的节距,合成节距,换向器节距,第一节距,第二节距,1.单波绕组的节距,2.单波绕组的展开图,例7-2一台直流电机，2p=4，Qu=S=K=15，绘制左行单波绕组。,解：计算单波绕组的节距,（长距元件）,（左行绕组）,2.单波绕组的展开图,1213141512345678910111213,2.单波绕组的展开图,放置磁极,2.单波绕组的展开图,放置电刷,2.单波绕组的展开图,3.单波绕组的元件联结次序,4.单波绕组的并联支路图,上层边下层边,1,5,8,12,+y2,单波绕组并联支路对数a=1,5.单波绕组的特点,所有N极下的各元件串联起来组成一条支路，所有S极下的各元件串联起来组成另外一条支路，并联支路对数a为1，与磁极对数无关。电刷位置应使空载时正负电刷间的电动势最大。当元件几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置应对准磁极中心线。电刷数等于主极数。电刷间引出的电势为每一支路的电动势。电枢电流为各支路电流之和。,7-6其他型式电枢绕组简介,1.复叠绕组换向器节距：,并联支路对数：,2.复波绕组换向器节距：,并联支路对数：,3.混合绕组若单叠绕组a=p，复波绕组a=m=p，则由该单叠绕组和复波绕组构成的混合绕组a2p。,7-7直流电机电枢绕组的感应电动势,1.电枢电动势的定义电枢绕组的感应电动势是指电机正、负电刷之间的电动势，即每一条支路的电动势，简称电枢电动势。2.电枢电动势的计算公式,设电刷位于磁极的中心线上，电枢线圈是整距的，电枢导体有效长度为l，导体切割气隙磁场的速度为v，则每根导体的感应电动势为,设电枢总导体数为Z，有2a条并联支路，则每一支路中的串联导体为Z2a。电枢电动势,引入气隙平均磁密Bav，,空载时的电枢电动势,式中，直流电机的电动势常数。,负载时的电枢电动势,Ean，改变或n的大小，可使Ea的大小发生变化；Ea的方向取决于和n的方向，改变的方向（即改变励磁电流If的方向）或n的方向，即可改变Ea的方向。,单位：n(r/min)；(Wb)；Ea(V),式中，负载时气隙合成磁场的每极磁通。,3.电枢电动势的性质,直流发电机：电源电动势（与电枢电流同方向）直流电动机：反电动势（与电枢电流反方向）,7-8直流电机电枢绕组的电磁转矩,1.电磁转矩的定义电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。2.电磁转矩的计算公式,每根电枢导体所受的电磁力,电磁力方向的判断：左手定则,作用于该电枢导体上的电磁转矩,作用于一个主极下导体上的电磁转矩,作用于整个电枢上的电磁转矩,所以电枢绕组的电磁转矩,因为,式中，直流电机的转矩常数。,单位：Ia(A)，(Wb)，T(Nm),TIa，改变或Ia的大小，可使T的大小发生变化；T的方向取决于和Ia的方向，改变的方向（即改变励磁电流If的方向）或Ia的方向，就可以改变T的方向。,3.电磁转矩的性质,发电机制动转矩(与转速方向相反)电动机驱动转矩(与转速方向相同),小结,1.直流电机的空载磁场和磁化特性1）空载时气隙磁密的分布曲线,空载气隙磁密波形为一平顶波。,直流电机的磁化特性曲线是指电机空载时每极主磁通0与励磁磁动势F0之间的关系曲线0=f(F0)。,2）磁化特性曲线,2.直流电机的电枢绕组,直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件按一定的规律联结而成的。电枢绕组元件的连接规律用各种节距来表征。,1）电枢绕组的节距,第一节距y1：每个元件的两个元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数计算。,第二节距y2：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的跨距，用虚槽数计算。合成节距y：相串联的两个元件对应边在电枢表面的跨距，用虚槽数计算。,换向器节距yk：每个元件所联的两片换向片在换向器表面的跨距，用换向片数表示。,单叠绕组是y=yk=1的一类电枢绕组，它把同一主极下的所有元件串联起来组成一条支路，所以单叠绕组的并联支路数等于电机的极数，即2a=2p。,2）电枢绕组的特点,单波绕组是的一类电枢绕组，它把同极性主极下的所有元件串联起来组成一条支路，所以单波绕组的并联支路数2a=2。,直