第七章 直流电机-磁场绕组(一)

1、电机学Electric Machinery第七章第七章 直流电机的磁路和电枢绕组直流电机的磁路和电枢绕组南京邮电大学自动化学院南京邮电大学自动化学院第第2节节 直流电机的磁场直流电机的磁场 1. 直流电机按励磁方式分类直流电机按励磁方式分类2. 直流电机空载磁场直流电机空载磁场B B N直流电机工作中，主磁极产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势主磁极磁动势，电枢电流，电枢电流产生产生电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。 空载时的气隙磁通密度为一平顶波空载时的气隙磁通密度为一平顶波主磁场磁密的分布磁化曲线磁化曲线：表示

2、表示空载主磁通空载主磁通0 0与与主极磁动势主极磁动势Ff之间的关之间的关系曲线，系曲线，0 0f（2 2Ff）。）。通过实验或计算得到。通过实验或计算得到。直线，不饱和部分膝点饱和部分电枢绕组：电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机的电磁感应的关键部件之一, , 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。的枢纽。对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、强度高（机械、电气、热）

3、，电气、热）， 运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。 有效边：有效边：有效边是指线圈的有效边是指线圈的直线直线部分部分端部：端部：线圈非接触电枢铁心的那个部分线圈非接触电枢铁心的那个部分电枢绕组几个基本概念电枢绕组几个基本概念元件：元件：构成绕组的线圈，为直流电机电枢绕组的基本单元构成绕组的线圈，为直流电机电枢绕组的基本单元 元件数元件数S S，换向片数，换向片数K KSKu槽内两层各放槽内两层各放个元件边，把每个实际的槽看作个元件边，把每个实际的槽看作包含包含个虚槽。个虚槽。u实际槽数实际槽数Q，虚槽数，虚槽数Q,则则 Q = Q * 槽数槽数 Q Q，虚槽，虚槽 Q Q QSK槽分

4、上下层槽分上下层,左图左图元件数元件数=槽数槽数, 即即Q=S，因，因电枢铁心不能开槽电枢铁心不能开槽过多过多，每槽多放几个元件，引，每槽多放几个元件，引入入“虚槽虚槽”概念概念y1 第一节距第一节距 y y1 1NS12312合成节距合成节距y y和换向片节距和换向片节距y yk k 第二节距第二节距 y y2 2 1/ 2yQp12yyyy y2 2 为元件下层边与其相联结为元件下层边与其相联结的元件上层边之间的距离。的元件上层边之间的距离。 y y 为相串连的两元件对应边为相串连的两元件对应边的距离。的距离。y y1 1 指一个元件两个边的距离。指一个元件两个边的距离。 y2yyky y

5、k k 一个元件的首尾端在换向一个元件的首尾端在换向器上的距离。器上的距离。 单叠绕组、单叠绕组、复叠绕组、复叠绕组、单波绕组、单波绕组、复波绕复波绕组、混合绕组等。组、混合绕组等。电枢绕组的联结方法电枢绕组的联结方法 绕组联结方法绕组联结方法主要表述绕组联结规律的主要表述绕组联结规律的节距节距、绕组展开图绕组展开图、元件联结图元件联结图、并联支路图并联支路图。叠绕组叠绕组波绕组波绕组 叠绕组的节距波绕组的节距各种形式直流电机绕组的区别主要表现在各种形式直流电机绕组的区别主要表现在合成节矩合成节矩上，其公式为：上，其公式为： 叠绕组：叠绕组：y = yy = y1 1 + y + y2 2 (

6、y(y2 2为负值为负值) ) 单叠右行：单叠右行：y = + 1y = + 1 单叠左行：单叠左行：y = - 1y = - 1因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。 波绕组：波绕组：y = yy = y1 1 y y2 2 (y(y2 2为正值为正值) ) u讲述单叠绕组联结规律的节距、绕组展开讲述单叠绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。图、元件联结图、并联支路图。u为什么叫单叠绕组？为什么叫单叠绕组？单叠绕组：单叠绕组：叠：叠： 两个相临联接的元件，两个相临联接的元件， 后一元件的端部紧叠在前后一元件的端部紧叠在前一元件的端部

7、。一元件的端部。单：单： 首末端相联的两换向首末端相联的两换向片相隔片相隔一个换向片一个换向片的宽度。的宽度。y=yy=yk k=1=1y1NS12312y2yyk通过换向片，通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。个元件依次串连构成一个闭合回路。换向器由彼此绝缘的换向片构成，换向片与电枢绕组保持相对静止换向器由彼此绝缘的换向片构成，换向片与电枢绕组保持相对静止121632211 32ukQypyyyyy 两极电机，两极电机，Q=Qu=6：位于对称位置的电刷将闭合的位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。个线圈分成两个并联支路。电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。电

8、刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上实际放置在外圆上)。电枢绕组感应电动势和电流方向电枢绕组感应电动势和电流方向根据主极磁场方向和电枢转向，可知：上半电枢表面元件边感应电根据主极磁场方向和电枢转向，可知：上半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向外；下半电枢表面元件边感应电动势和电流方动势和电流方向指向外；下半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向内。向指向内。思考思考：N N、P P电刷放在换向器什么位置，可在两个电刷间获得最大的电刷放在换向器什么位置，可在两个电刷间获得最大的感应电动势？感应电动势？结论：

9、结论：只有把只有把N N、P P电刷放在主磁极轴电刷放在主磁极轴线对应的换向器表面线对应的换向器表面（如图中时刻电（如图中时刻电刷和刷和1 1、4 4换向器接触），这样通过电换向器接触），这样通过电刷，刷，1 1、2 2、3 3、4 4号换向片把号换向片把1 1（红）、（红）、2 2（湖兰）、（湖兰）、3 3（紫）号（紫）号3 3个元件串联组个元件串联组成的一条并联支路感应电动势最大。成的一条并联支路感应电动势最大。电枢绕组感应电动势方向电枢绕组感应电动势方向和电流的方向和电流的方向对称的关系，对称的关系，4 4、5 5、6 6、1 1号换向片把号换向片把剩余剩余3 3个元件串联组成的另外一条

10、并联个元件串联组成的另外一条并联支路电动势完全一样。支路电动势完全一样。电枢元件感应电动势的方向，决定了电枢元件感应电动势的方向，决定了元件中电流的方向。元件中电流的方向。主磁场磁密的分布某一瞬间某一瞬间电刷放置电刷放置u电刷：电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在放在被电刷短路的元件电势最小被电刷短路的元件电势最小的位置（的位置（在磁极在磁极的几何中心线上电势为零或最小）的几何中心线上电势为零或最小） u电刷放置：电刷放置：电刷放置在使电刷放置在使电刷的中心线电刷的中心

11、线与与主磁主磁极轴线极轴线对准对准的换向片上。的换向片上。4极电机，极电机，Q=Qu=S=K=16单叠右行整距绕组单叠右行整距绕组1211642411 43ukQypyyyyy 该单叠绕组的节距为：该单叠绕组的节距为：槽展开槽展开安放磁极安放磁极1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+图图7-5 单叠绕组展开图单叠绕组展开图u 磁极：磁极宽度约磁极：磁极宽度约0.7, 均匀分布，均匀分布，N、S极交替安排极交替安排u 思考题：电刷应该如何放置？思考题：电刷应该如何放置？绕组放置绕组放置4极电机，极电机，Qu=S=K=16单叠右行整距

12、绕组单叠右行整距绕组 单叠绕组是把一个主极下的元单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路件串联成一条支路 并联支路对数等于极对数并联支路对数等于极对数根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图( (下图下图) )单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。数与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。并联支路电动势。3 3

13、）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。23478610111214161551391A1A2B1B212109561314 第五节第五节 单波绕组单波绕组波绕组：波绕组：首末端所接的两换首末端所接的两换向片相隔很远，向片相隔很远， 两个元件紧两个元件紧相串联后形似波浪。相串联后形似波浪。为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加， 元件边应处于相同磁极极性下元件边应处于相同磁极极性下， 即合成节距即合成节距 2 ,2yy单波绕组：单波绕组： 换向片极距换向片极距y yk k必须符合必须符合 即即 1kP yk1kkyCP为了使绕组从某一

14、换向片出发，为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。则可由此再绕下去。 4极电机，极电机，Qu=S=K=15单波左行短整距绕组单波左行短整距绕组1211533244115 172734uuQypQypyyy 单波绕组的节距单波绕组的节距元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置元件、换向片的放置：1 1元件上层边元件上层边1 1槽，槽， 下层边下层边4 4槽槽; ;首末端所连的首末端所连的换向片相距换向片相距y yk k7 7；为了端部对称，为了端部对称， 首末端所连的两换向

15、片之间的中首末端所连的两换向片之间的中心线与心线与1 1元件的轴线重合。元件的轴线重合。 1 1元件上层边所连元件上层边所连的换向片定为的换向片定为1 1。 依次联接依次联接。 磁极放置：磁极放置： N N、S S极磁极均匀交替的排列。极磁极均匀交替的排列。电刷的放置电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。：放在与主极轴线对准的换向片上。 单波绕组展开图单波绕组展开图3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展开槽展开安放磁极、电刷安放磁极、电刷绕组放置绕组放置4极电机，极电机，Qu=S=K=15单波左行短整距绕组单波左行短整距绕组

16、并联支路对数并联支路对数a=1 单波绕组是把所有单波绕组是把所有处于相同极性下的处于相同极性下的元件都串联起来构元件都串联起来构成一条支路成一条支路 并联支路数等于并联支路数等于2单波绕组的并联支路图如下图所示。单波绕组的并联支路图如下图所示。单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联起来组成一条支路，）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为支路对数为1 1，与磁，与磁极对数无关；极对数无关；2 2）当元件的几何形）当元件的几何形状对称时，电刷在换状对称时，电刷在换向器表面上的位置对向器表面上的位置对准主磁极中心线，支准主磁极中心线，支路电动势最大；路电动势最大；3 3）电刷数

17、等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势）电枢电动势等于支路感应电动势5 5）电枢电流等于两条支路电流之和）电枢电流等于两条支路电流之和234761011121415A1A2B1B2115895413912815单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组：单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，先串联所有上元件边在同一极下的元件， 形成一条支路。形成一条支路。 每增加一对主极就增加一对支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a2a2p2p。 叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于少，适应于较大

18、电流、较低电压较大电流、较低电压的电机。的电机。 单波绕组：单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。形成一条支路。 整个绕组只有一对支路，极数的增整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。减与支路数无关。 2a2a2 2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多， 适用于适用于较高电压、较小电流较高电压、较小电流的电机。的电机。u 直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组；直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组；u 直流电机电枢绕组至少有直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。条并联支路。在直流电机中，通常用在直流