第二十一章直流电机的电枢绕组

1、电机技术,直流电机篇,直 流 电 机,第 五 篇,第二十一章 直流电机的电枢绕组,第二十一章 直流电机的电枢绕组,本章节基本要求：,掌握理解直流电机的电枢绕组的基本概念；,知道直流电机电枢绕组的单叠绕组和单波绕组的概念及分类，掌握单叠绕组和单波绕组展开图的绘制方法；,理解掌握直流电机的感应电动势和电磁转距的概念及表达式，并能够进行相应的计算。,本章节重点和难点：,重点:直流电机电枢绕组的基本概念、分类；电枢绕组展开图的绘制；直流电机的感应电动势、电磁转距。,难点:电枢绕组展开图的绘制；直流电机的感应电动势、电磁转矩公式的应用。,第一节 电枢绕组的基本概念,电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现

2、机电能量转换的枢纽，是直流电机的一个重要部件。对电枢绕组构成的要求是:一方面要能产生足够的感应电动势，并允许通过一定大小的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率；另一方面还要节省有色金属和绝缘材料，强度高（机械、电气、热），结构简单，运行可靠。,一、电枢绕组的主要分类,主要分类为环形和鼓形，如图所示。,鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。,鼓形绕组分为叠绕组、波绕组和蛙绕组，如图所示。,波绕组：是指把相隔约为一对极距的同极性磁场下相对应的元件串联起来，象波浪式的前进。有单波绕组和复波绕组之分。,叠绕组：是指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分

3、紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。有单叠绕组和复叠绕组。,蛙绕组：是由适当配合的叠绕组和波绕组混合而成的一种直流电枢绕组。由于其线圈组合的外形很像青蛙而得名，采用蛙绕组的直流电机有良好的运行性能，故其应用日益广泛。,电枢绕组虽然有不同类型，但在结构上有其共同的特点：它们都是由结构形状相同的绕组元件(简称元件)按一定的规律联结而成。,每一绕组元件有两个放在槽中能切割磁通产生感应电动势的有效边称元件边。,元件边,绕组元件在槽外不切割磁通，不会感应产生电动势的部分，称为端部。,端部,二.电枢绕组的相关术语,1. 绕组元件，如图所示,2.绕组元件的分类:有单匝和多匝两种。,单匝元件:就是

4、每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导体。,多匝元件:就是每个元件的元件边里就不止一根导体了。,3.绕组元件的首、末端，如图所示,同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上。而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。因此，同一个换向片上，既联着一个元件的首端，又联着另一元件的末端。,一台电机的总元件数若用S表示，而换向片数用K表示，则整个电枢绕组的元件数应等于换向片数，即：,4.双层电枢绕组绕组的放置情况，如图所示：,上层边,下层边,如果在各个槽内，槽的每一层只放一个元件边，那么，双层电枢绕组电枢铁芯的槽数Z，也一定等于绕组元件数S，即：,5.实槽与虚槽,对于小容量直流电机，

5、电枢直径小，为了改善电机性能，同时提高槽满率，往往需要采用较多的元件来构成电枢绕组。由于工艺和其它方面的原因，电枢铁心开的槽数不能太多（从制造工艺简单方面考虑），这样就只能在每个槽的上、下层各放置若干个元件边，即把一个实槽当成u个虚槽使用。如图所示：,u=3,设槽内每层有u个元件边，则可把每个实际槽看作包含有u个“虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，图中表示u=3时，元件边的布置情况。若用Z代表总实槽数，Zu代表总虚槽数，则：,注：由上层、下层两个有效边组合称为“虚槽”，而铁芯表面实际的槽称为“实槽”。,三、电枢绕组的节距,为了正确地把电枢绕组放置在电枢槽内，并与换向片相连接，必须确定电

6、枢绕组和换向器上的各种节距。直流电机电枢绕组的节距有第一节距yl、第二节距y2、合成节距y和换向器节距yk四种，如图所示。,节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，可用所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示 (元件的上层边用实线表示，下层边用虚线表示)。它是表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。,1.极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。,极距也表示电机中每个磁极所占的电枢槽数。,2.第一节距y1：同一绕组元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离（即跨距)，用所跨虚槽数表示，如图所示。,一般选择y1的依据是:尽量让每个元件的感应电动势最大，即y1应等于或接近于

7、一个极距（每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长）。,注:式中为小于1的数。,说明:y1=的元件为整距元件，绕组称为整距绕组;y1的元件，其电磁效果与y1的元件相近，但端接部分较长，耗铜多，一般不用。,3.第二节距y2：同一换向片上连接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，如图所示。,y2用所跨虚槽数表示,对单叠绕组有:,4.合成节距y：前一绕组元件与后一绕组元件的对应边在电枢表面所跨的距离，如图所示。,y用虚槽数表示为:,注:单叠绕组取“”号， 单波绕组取“”号。,5.换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，如图所示。,注:换向器节距yk与合成节距y总是相等的，

8、即:,第二节 单叠绕组,单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1 (合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片)。即:yk=y=1其中，“+”号为“右行”绕组，“-”号为 “左行”绕组。,单叠绕组的连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的首端和尾端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一个闭合回路。,其中:“+”号为“右行”绕组，“-”号为 “左行”绕组。,yk=y=1,特点:槽数Zu、元件数S和换向片数K三者相同。,一台直流电机的极对数2p=4,槽数z、元件数s及换向片数k则Z=S=K=16，试画出整距右行单叠绕组展开

9、图。,单叠绕组展开图的绘制步骤,某直流电机的极对数2p=4,槽数z、元件数s及换向片数k则Z=S=K=16，试画出整距右行单叠绕组展开图。,1绕组数据的计算:,(1)计算极距,(2)计算节距,所以,采用整距绕组，因为是单叠右行，故,2.槽展开图是绘制,(1)为了作图方便，先画16个槽和16个换向片，并令换向片宽度等于槽与槽之间的距离。,(2)将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时要把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及与元件上层边相连接的换向片号码编得一致。,(3)注意:一般应使元件左右对称，这样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。,3.根据计算所得绕组元件的各节距放置绕组。

10、将1号元件的上层边放在1号槽内（上层边用实线表示）并与1号换向片相连后，因为y1=4，则1号元件的下层边应放在第5号槽（1+y1=5）的下层(下层边用虚线表示)。因yyk1，所以1号元件的末端应连接在2号换向片上（1+yk2)。,然后将2号元件的上层边放入2号槽的上层（1+y2），下层边放在6号槽的下层（2+y16），2号元件的上层边连在2号换向片上，下层边连在3号换向片上。依次类推，最后第16号元件的下层边与1号换向片相连，整个绕组形成一个闭合回路，绕组连接完毕。绕组元件的连接顺序见下图。,单叠绕组元件串联顺序,单叠绕组展开图,单叠绕组的展开图已经画成，但为了帮助理解绕组的工作原理和确定电刷

11、的位置，一般在展开图上还应画出磁极和电刷。,在绕组展开图上均匀放置4个磁极（2p4）。设N极的磁通是进入纸面，S极的磁通是从纸面穿出，电枢自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，如图所示。,4.放置磁极,在绕组展开图所示这一瞬间，1, 5, 9, 13四个元件正处于磁极几何中性线上，感应电动势为零，这四个元件把整个绕组分成四段，每段有三个电动势方向相同的元件相串联。由于每段电路中对应元件所处的磁场位置相同，所以每段电路的电动势大小相等，但方向两两相反，因此在整个闭合回路内互相抵消，总电动势为零，不会产生环流。,5.放置电刷,为了引出最大电动势，必须在换向片1和2, 5和6

12、, 9和10, 13和14之间，也就是在磁极轴线位置，放置4组电刷A1, B1, A2, B2，如图所示。,因为这时A, B电刷之间所包含的元件，其电动势的方向都是相同的。为了清楚起见，将绕组展开图所示瞬间各元件的连接与电刷的关系整理、排列，可得到如下图所示的电路图。,这时电刷A1, A2的极性为“+”， B1, B2的极性为“-”，而且A1与A2，B1与B2电位相等，可以把它们连接起来，整个绕组就由4条并联支路组成，正负电刷之间的电动势称为电枢电动势，也就是每条支路的电动势。,6.电枢绕组的并联支路,结合电刷的放置，保持图中各元件的连接顺序不变，可以得到该瞬时的并联电路图，如图所示。,对照两

13、图可以看出，单叠绕组的连接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路。因此，单叠绕组的并联支路对数a总等于极对数p， 即:,a = p,结论:每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。,这是单叠绕组的重要特点之一。,单叠绕组展开图绘制小结,槽展开,单叠绕组的特点：,元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 并联支路数等于磁极数，2a=2p; 整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零， 绕组内部无换流； 每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数; 正负电刷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; 由正负电刷引出的电枢电流Ia

14、为各支路电流之和，即 当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。,第三节 单波绕组,单波绕组就是两相邻连接的元件成波浪式前进，分别处于两对不同的磁极下，如图所示。,为使串联的两相隔元件所产生的电动势同向相加，其对应元件边必须处在同极性的主磁极下，所以其合成节距y应接近等于一对极的距离。即:,原因是:为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一换向片上， 则可由此再绕下去。,单波绕组的yk必须符合下列关系：,式中:正负号的选择首先应满足使yk为整数，其次考虑选择负号。选择负号时的单波绕组称为

15、左行绕组，左行绕组端部叠压少。,一台直流电机的极对数2p=4,槽数z、元件数s及换向片数k则Z=S=K=15，试画出单波左行短距绕组展开图。,单波绕组实例分析:,1.绕组数据计算,2.槽展开图是绘制,一般为了绕组端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与1号元件的轴线重合。1号元件上层边所连的换向片定为1号。 依次联接,画出所有换向片的顺序图。,由1号换向片开始，1号绕组元件的上层边放置在1号槽，下层边放置在4号槽。由于绕组元件首末端所连的换向片相距yk7。则1号绕组元件的下层边应与8号换向片相连接。,3.绕组元件的放置原则,按y24，由8号换向片连接8号绕组元件，8号元件的上层边放置在8号

16、槽，下层边放置在11号槽，并与15号换向片相连接。经过1、8两元件的串联后，在电枢表面跨过了近一周的距离，回到原先出发换向片紧相连的15号换向片上。依次规律联接,可画出绕组元件的连接顺序图。,4.绕组展开图,N、S极磁极均匀交替的排列。,5.磁极放置,从绕组元件连接顺序可看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：,5.电动势的方向判断,6.单波绕组的电路图,根据单波绕组15个元件的串联次序及电刷的位置，可以画出本例单波绕组的电路图。,由图可知，属于同一条支路的所有元件的上层边都处在相同极性的主磁极下。换言之，单波绕组是将上层边在N极下的所有元件串联联成一条支路，将上层边在S极下的所

17、有元件串联成另一条支路。,注:即使去掉电刷A2B2，只剩下A1和B1一对电刷，该绕组的并联支路数、电枢电流、刷间电动势、电磁转矩及输出功率等都不变。所以，从理论上讲，单波绕组只需安置正负一对电刷就够了。但是为了减少电刷的电流密度及缩短换向器的长度，节省用铜，一般仍采用2p个电刷。,7.单波绕组的并联支路图,单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。 由于磁极只有N、S之分， 所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关，永远为1，即a1。,8.放置电刷,单波绕组展开图小结,槽展开,单波绕组的特点：,单波绕组的合成节距与换向节距相等。同极下各元件串联起来组成一条支路，而单波绕组由于连接方法

18、与单叠绕组不同，故特点也不同，主要有：,(1)同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为a=1，与磁极对数p 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Ia2ia 。,(4)电枢电动势等于支路感应电动势；,两种绕组的特点区别:,1.单叠绕组特点：,1)电枢绕组是一个自行闭合绕组,2)单叠绕组并联支路数=极数=电刷数 （双叠绕组极数=电刷数=并联支路数/2）,3)电枢电势就是支路电势，电枢电流是2p 个支路电流的和。,4)电刷放在换向器上的几何中性线上。,5)电

19、刷和磁极是静止的，必须把它们的相对位置合理对称的分布在圆周上。电枢和换向器旋转。,6)适合于大电流的电机,2.单波绕组特点：,1)电枢绕组是一个自行闭合绕组,2)电刷放在主磁极轴线下的换向片上,3)单波绕组的支路数与极数无关，总有两个支路即:a=1 or 2a=2,4) 电刷数等于极数（是为了减低电刷下的电流密度）,5) 电枢电势就是支路电势，电枢电流是2个支路电流的和。,6) 因为每条支路元件数多，可以获得高电势，适合于小电流高电压的电机。,直流电机绕组的归纳,所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路. 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数. 注：a支路对数 p极对数 为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。,对电枢绕组的要求主要有： （1）在能通过规定的电流并产生足够大的感应电动势及电磁转矩的前提下，所消耗的有效材料（包括导线和绝缘）最省； （2）强度（机械、电气、和热的强度）高；运行可靠；结构简单，嵌线方便等。,第四节 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,一、电枢绕组感应电动势,概念:电枢绕组感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，