水利]华北电力大学电机学87讲直流电机11直流电机的共同问题一电枢绕组磁势和磁场

1、第二十三章直流电机的共同问题第二十三章直流电机的共同问题第四篇第四篇 直流电机直流电机1.了解直流电机电枢绕组的构成及其连接2.掌握直流电机电枢绕组的特点3.了解直流电机的磁路4.理解直流电机的磁动势和磁场本章基本要求直流电机的共同问题（一）直流电机电枢绕组的一般知识单叠绕组单波绕组直流电机的磁动势和磁场主要内容直流电机的共同问题（一）23.1 直流电机电枢绕组的一般知识u作用：电枢绕组是直流电机的关键部件之一，构成直流电机的电路部分，在机电能量转换中起着重要的作用，运行时电枢绕组产生电动势，流过电流并产生电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。u电枢绕组的基本要求：直流电机的共同问题（一）(1)

2、能产生尽可能大的电动势，并有良好的波形。(2)能通过足够大的电流，以产生并承受所需的电磁力和电磁转矩。(3)节省材料（有色金属和绝缘材料），结构简单，连接可靠。(4)便于维护和检修。(5)对直流电机，应保证换向良好。23.1 直流电机电枢绕组的一般知识u分类u特点：闭合绕组直流电机的共同问题（一）(1)叠绕组：单叠和复叠绕组。(2)波绕组：单波和复波绕组。(3)蛙绕组：叠绕和波绕混合的绕组。u电枢绕组的演变环形电枢绕组鼓形电枢绕组eeeeeeeeeeeeee23.1 直流电机电枢 绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）u电枢绕组的演变环形电枢绕组只有一半的导体产生感应电动势，导体利用率低。环形

3、绕组2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e23.1 直流电机电枢 绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）u电枢绕组的演变鼓形电枢绕组线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中,两边都能切割磁场而产生感应电势。 鼓形绕组23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）NS电枢绕组展开图AB+_23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）一、叠绕组和波绕组元件：构成绕组的线圈。电枢绕组的基本单元，单匝和多匝23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）一、叠绕组和波绕组双层绕组1）每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换

4、向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。2）一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，一个槽里总有上下层线圈边。3）线圈的两个元件处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距，两个电势相加。23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）一、叠绕组和波绕组叠绕组：一个元件的两出线端接在两相邻换向片上（单叠绕组），或相隔数片的换向片上（复叠绕组）。折叠式前进波绕组叠绕组波绕组：一个元件的两出线接在相隔约两个极距的换向片上，绕它一周后回到与起始片相邻的换向片上（单波绕组），或相隔数片的换向片上（复波绕组）。波浪式前进23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机

5、的共同问题（一）二、实槽和虚槽为改善电机的性能，希望用更多的元件组成电枢绕组。由于工艺等原因，电枢铁心不能开太多的槽，故在每槽的上下层各放置若干元件边。若每一实槽中一层并排放置u排元件边，则一个实槽可以看成u个“虚槽”，每一个虚槽的上、下层各有一个元件边。eZuZ=实槽与虚槽 u=323.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）二、实槽和虚槽每一元件有两个边； 每一换向片上接两个边； 每一虚槽内放置有两个边； 元件数S等于换向片数K，等于虚槽数 每线圈有Nc匝，则总导体数为N 22cceNuN ZN Z=eSKZ=23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）三、节

6、距第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 极距 ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。2eZp=2Dpp=12eZype=m整数e为凑整分数111整距绕组 短距绕组 长距绕组 短距绕组端部接线短、省铜，且利于换向，故常用第一节距y1换向器节距yk：每元件的两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示。 yK y23.1 直流电机电枢绕组的一般知识直流电机的共同问题（一）三、节距第二节距y2：连至同一换向片上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间的距离。合成节距y第二节距y2换向器节距yk合成节距y：连接同一换向片的两个元件的对应边在电枢表面的跨距。

7、y y1 y223.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）l元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。l相邻元件(线圈)相互叠压,后一元件的端部紧叠在前一元件的端部（叠）；首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度，合成节距与换向节距均为1（单），即 yK y1l槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）单叠绕组元件 右行 左行 l单叠左行绕组和单叠右行绕组23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）l举例： 2p4， u=1，Z Z eSK16，单叠右行整距绕组一、 节

8、距计算yyk1节距计算 y, y1, y2画绕组展开图安放电刷和磁极e12116042221 43Zypyyye=mm展开图展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）1单叠绕组展开图单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷NSNSA+B+23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）单叠绕组展开图单叠绕组展开图1123456789101112131416152345678910

9、111213141615NSNSA+B+23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）单叠绕组展开图单叠绕组展开图23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）l极轴线：磁极的中心线l磁极的放置：磁极宽度约为 ,均匀分布，N、S极交替排列0.7l几何中性线：相邻两个主磁极之间的中心线l电刷的放置原则空载时，正、负电刷间的电动势最大；被电刷短路的元件的感应电动势最小或等于零。l换向器的几何中性线：线圈轴线与主磁极轴线重合时，该线圈所接两换向片的分界线l电刷的位置：换向器的几何中性线，简称几何中性线23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）l同一极下导体电流方向相

10、同（同一槽中上下层边不属于同一线圈，但电流的方向一致）；N、S极下导体电流方向相反。l直流电机示意图23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）l电路图23.2 单叠绕组直流电机的共同问题（一）l 单叠绕组的特点（1）元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上；（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2a=2p（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷数等于主磁极数； （5）电刷位置应使感应电动势最大，正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压； Ea=ea（6）由正负电刷引出的

11、电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia（式中 ia为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。 23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）l首末端所连的两换向片相隔很远， 两个元件串联后形似波浪。l两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。l合成节距与换向节距相等yK y1kkyyp=m整数1kp yk =m23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）l单波左行绕组和单波右行绕组单波绕组元件 右行 K1Kyyp左行K1Kyyp右行23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）l举例： 2p4， u=1，Z Z

12、eSK15，左行短距单波绕组一、 节距计算节距计算 y, y1, y2画绕组展开图安放电刷和磁极11533 (244eZype=-=-=短距)11517()2kKyyp-=左行21734yyy=-=-=23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）l元件、换向片的放置：1元件上层边1槽，下层边4槽;首末端所连的换向片相距yk7；为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。 1元件上层边所连的换向片定为1。 依次联接。 l磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。l电刷的放置：放在与主磁极轴线重合的换向片上。即几何中心线上。 23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）单波绕组展

13、开图3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）单波绕组展开图单波绕组展开图23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）单波绕组元件连接顺序图从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：1815 714 6 13 5 124 11 310 2914 11 310 2918 15 7 14 6 13 5 12上层边下层边23.3 单波绕组直流

14、电机的共同问题（一）23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）l电路图23.3 单波绕组直流电机的共同问题（一）l单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，即a1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷，即电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；5）电枢电流等于两条支路电流之和。即Ia=2ia4）电枢电动势等于支路感应电动势；因只有两条支路，元件一定时，可得到较高的电压；直流电机的共同问题（一）单叠绕组和单波绕组的主要区别l单叠绕组：各个极面下上层的绕组元

15、件构成一支路，并联支路数等于极数，每增加一对主极就增加一对支路。 2a2p。相同元件数时，叠绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，称并联绕组，适应于较大电流、较低电压的电机。 l单波绕组：全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路，即N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2 ， 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2。相同元件数时，波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数多，称串联绕组，适用于较高电压、较小电流的电机。l大容量的电机，可以采用混合绕组。直流电机的共同问题（一）NNSS叠绕组波绕组单叠绕组和单波绕组的主要区别

16、直流电机的共同问题（一）直流电机绕组归纳l直流电机的电枢绕组总是自成闭路;l电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶数；且至少有2条并联支路； 单叠绕组：a = p即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组：a = 1即并联支路对数恒等于1l电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。 l对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）一、空载时的主磁场1、主磁通和漏磁通u磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 u主极磁场

17、由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。u空载时电机中的磁场分布是对称的。0ffIFsF -FF - 主磁通，经气隙进入电枢主极漏磁通(15-25%) 0,不进入电枢，只增加磁极的饱和程度23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）一、空载时的主磁场主磁通磁路：气隙1电枢齿电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1 气隙123.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）一、空载时的主磁场23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）一、空载时的主磁场直流电机空载时的磁场分布23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）一、空载时的主磁场2、气隙主极磁场的分

18、布在一个磁极的范围内，励磁磁势大小相同，主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为平顶波，23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）二、电枢磁动势和磁场 空载时主磁极磁通的分布2、气隙主极磁场的分布23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）一、空载时的主磁场3、磁化曲线ackabm=23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）二、电枢磁动势和磁场

19、l电枢绕组中的电流产生电枢磁动势，进而产生电枢磁场 IaFa Baxl电枢绕组各支路的电流通过电刷引出或引入，电刷是电枢表面电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。l电枢磁动势和磁场沿电枢表面的分布与电刷的位置有关l主磁极的中心线称为直轴，相邻N极和S极的分界线称为交轴。 23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）二、电枢磁动势和磁场1、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场电枢磁动势的轴线在几何中性线上，几何中性线为交轴，故电枢磁动势称为交轴电枢磁动势23.4 直流电机的磁动势和磁场直流电机的共同问题（一）二、电枢磁动势和磁场1、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场xAxDNiixDNlHaa222dAxxAFax2212aaqAFFkFHB