1、電機學Electric Machinery第七章第七章 直流電機的磁路和電樞繞組直流電機的磁路和電樞繞組南京郵電大學自動化學院南京郵電大學自動化學院第第2節節 直流電機的磁場直流電機的磁場 1. 直流電機按勵磁方式分類直流電機按勵磁方式分類2. 直流電機空載磁場直流電機空載磁場B B N直流電機工作中，主磁極產生直流電機工作中，主磁極產生主磁極磁動勢主磁極磁動勢，電樞電流，電樞電流產生產生電樞磁動勢電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為 電樞反應電樞反應。 空載時的氣隙磁通密度為一平頂波空載時的氣隙磁通密度為一平頂波主磁場磁密的分布磁化曲線磁化曲線：表示

2、表示空載主磁通空載主磁通0 0與與主極磁動勢主極磁動勢Ff之間的關之間的關系曲線，系曲線，0 0f（2 2Ff）。）。通過實驗或計算得到。通過實驗或計算得到。直線，不飽和部分膝點飽和部分電樞繞組：電樞繞組：直流電機的電磁感應的關鍵部件之一直流電機的電磁感應的關鍵部件之一, , 是直流電機的電路部分，亦是實現機電能量轉換是直流電機的電路部分，亦是實現機電能量轉換的樞紐。的樞紐。對電樞繞組的要求：對電樞繞組的要求： 在通過規定的電流和產生在通過規定的電流和產生足夠的電勢和電磁轉矩足夠的電勢和電磁轉矩前提下，所消耗的有效材料最省，前提下，所消耗的有效材料最省， 強度高（機械、強度高（機械、電氣、熱）

3、，電氣、熱）， 運轉可靠，結構簡單等。運轉可靠，結構簡單等。 有效邊：有效邊：有效邊是指線圈的有效邊是指線圈的直線直線部分部分端部：端部：線圈非接觸電樞鐵心的那個部分線圈非接觸電樞鐵心的那個部分電樞繞組幾個基本概念電樞繞組幾個基本概念元件：元件：構成繞組的線圈，為直流電機電樞繞組的基本單元構成繞組的線圈，為直流電機電樞繞組的基本單元 元件數元件數S S，換向片數，換向片數K KSKu槽內兩層各放槽內兩層各放個元件邊，把每個實際的槽看作個元件邊，把每個實際的槽看作包含包含個虛槽。個虛槽。u實際槽數實際槽數Q，虛槽數，虛槽數Q,則則 Q = Q * 槽數槽數 Q Q，虛槽，虛槽 Q Q QSK槽分

4、上下層槽分上下層,左圖左圖元件數元件數=槽數槽數, 即即Q=S，因，因電樞鐵心不能開槽電樞鐵心不能開槽過多過多，每槽多放幾個元件，引，每槽多放幾個元件，引入入“虛槽虛槽”概念概念y1 第一節距第一節距 y y1 1NS12312合成節距合成節距y y和換向片節距和換向片節距y yk k 第二節距第二節距 y y2 2 1/ 2yQp12yyyy y2 2 為元件下層邊與其相聯結為元件下層邊與其相聯結的元件上層邊之間的距離。的元件上層邊之間的距離。 y y 為相串連的兩元件對應邊為相串連的兩元件對應邊的距離。的距離。y y1 1 指一個元件兩個邊的距離。指一個元件兩個邊的距離。 y2yyky y

5、k k 一個元件的首尾端在換向一個元件的首尾端在換向器上的距離。器上的距離。 單疊繞組、單疊繞組、復疊繞組、復疊繞組、單波繞組、單波繞組、復波繞復波繞組、混合繞組等。組、混合繞組等。電樞繞組的聯結方法電樞繞組的聯結方法 繞組聯結方法繞組聯結方法主要表述繞組聯結規律的主要表述繞組聯結規律的節距節距、繞組展開圖繞組展開圖、元件聯結圖元件聯結圖、并聯支路圖并聯支路圖。疊繞組疊繞組波繞組波繞組 疊繞組的節距波繞組的節距各種形式直流電機繞組的區別主要表現在各種形式直流電機繞組的區別主要表現在合成節矩合成節矩上，其公式為：上，其公式為： 疊繞組：疊繞組：y = yy = y1 1 + y + y2 2 (

6、y(y2 2為負值為負值) ) 單疊右行：單疊右行：y = + 1y = + 1 單疊左行：單疊左行：y = - 1y = - 1因單疊左行繞組端接部分交叉，故很少采用。因單疊左行繞組端接部分交叉，故很少采用。 波繞組：波繞組：y = yy = y1 1 y y2 2 (y(y2 2為正值為正值) ) u講述單疊繞組聯結規律的節距、繞組展開講述單疊繞組聯結規律的節距、繞組展開圖、元件聯結圖、并聯支路圖。圖、元件聯結圖、并聯支路圖。u為什么叫單疊繞組？為什么叫單疊繞組？單疊繞組：單疊繞組：疊：疊： 兩個相臨聯接的元件，兩個相臨聯接的元件， 后一元件的端部緊疊在前后一元件的端部緊疊在前一元件的端部

7、。一元件的端部。單：單： 首末端相聯的兩換向首末端相聯的兩換向片相隔片相隔一個換向片一個換向片的寬度。的寬度。y=yy=yk k=1=1y1NS12312y2yyk通過換向片，通過換向片，6個元件依次串連構成一個閉合回路。個元件依次串連構成一個閉合回路。換向器由彼此絕緣的換向片構成，換向片與電樞繞組保持相對靜止換向器由彼此絕緣的換向片構成，換向片與電樞繞組保持相對靜止121632211 32ukQypyyyyy 兩極電機，兩極電機，Q=Qu=6：位于對稱位置的電刷將閉合的位于對稱位置的電刷將閉合的6個線圈分成兩個并聯支路。個線圈分成兩個并聯支路。電刷將環形閉合電樞繞組分成兩條對稱的并聯支路。電

8、刷將環形閉合電樞繞組分成兩條對稱的并聯支路。兩個電刷位于換向器內圓對稱位置兩個電刷位于換向器內圓對稱位置(實際放置在外圓上實際放置在外圓上)。電樞繞組感應電動勢和電流方向電樞繞組感應電動勢和電流方向根據主極磁場方向和電樞轉向，可知：上半電樞表面元件邊感應電根據主極磁場方向和電樞轉向，可知：上半電樞表面元件邊感應電動勢和電流方向指向外；下半電樞表面元件邊感應電動勢和電流方動勢和電流方向指向外；下半電樞表面元件邊感應電動勢和電流方向指向內。向指向內。思考思考：N N、P P電刷放在換向器什么位置，可在兩個電刷間獲得最大的電刷放在換向器什么位置，可在兩個電刷間獲得最大的感應電動勢？感應電動勢？結論：

9、結論：只有把只有把N N、P P電刷放在主磁極軸電刷放在主磁極軸線對應的換向器表面線對應的換向器表面（如圖中時刻電（如圖中時刻電刷和刷和1 1、4 4換向器接觸），這樣通過電換向器接觸），這樣通過電刷，刷，1 1、2 2、3 3、4 4號換向片把號換向片把1 1（紅）、（紅）、2 2（湖蘭）、（湖蘭）、3 3（紫）號（紫）號3 3個元件串聯組個元件串聯組成的一條并聯支路感應電動勢最大。成的一條并聯支路感應電動勢最大。電樞繞組感應電動勢方向電樞繞組感應電動勢方向和電流的方向和電流的方向對稱的關系，對稱的關系，4 4、5 5、6 6、1 1號換向片把號換向片把剩余剩余3 3個元件串聯組成的另外一條

10、并聯個元件串聯組成的另外一條并聯支路電動勢完全一樣。支路電動勢完全一樣。電樞元件感應電動勢的方向，決定了電樞元件感應電動勢的方向，決定了元件中電流的方向。元件中電流的方向。主磁場磁密的分布某一瞬間某一瞬間電刷放置電刷放置u電刷：電刷：連接內、外電路。為了在正負電刷間獲連接內、外電路。為了在正負電刷間獲得最大直流電勢以及產生最大的電磁轉矩，電刷得最大直流電勢以及產生最大的電磁轉矩，電刷放在放在被電刷短路的元件電勢最小被電刷短路的元件電勢最小的位置（的位置（在磁極在磁極的幾何中心線上電勢為零或最小）的幾何中心線上電勢為零或最小） u電刷放置：電刷放置：電刷放置在使電刷放置在使電刷的中心線電刷的中心

11、線與與主磁主磁極軸線極軸線對準對準的換向片上。的換向片上。4極電機，極電機，Q=Qu=S=K=16單疊右行整距繞組單疊右行整距繞組1211642411 43ukQypyyyyy 該單疊繞組的節距為：該單疊繞組的節距為：槽展開槽展開安放磁極安放磁極1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+圖圖7-5 單疊繞組展開圖單疊繞組展開圖u 磁極：磁極寬度約磁極：磁極寬度約0.7, 均勻分布，均勻分布，N、S極交替安排極交替安排u 思考題：電刷應該如何放置？思考題：電刷應該如何放置？繞組放置繞組放置4極電機，極電機，Qu=S=K=16單疊右行整距

12、繞組單疊右行整距繞組 單疊繞組是把一個主極下的元單疊繞組是把一個主極下的元件串聯成一條支路件串聯成一條支路 并聯支路對數等于極對數并聯支路對數等于極對數根據單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯支路電路圖根據單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯支路電路圖( (下圖下圖) )單疊繞組的的特點單疊繞組的的特點：1 1）同一主磁極下的元件）同一主磁極下的元件串聯成一條支路，主磁極串聯成一條支路，主磁極數與支路數相同。數與支路數相同。2 2）電刷數等于主磁極數，）電刷數等于主磁極數，電刷位置應使感應電動勢電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于最大，電刷間電動勢等于并聯支路電動勢。并聯支路電動勢。3 3

13、）電樞電流等于各支路）電樞電流等于各支路電流之和。電流之和。23478610111214161551391A1A2B1B212109561314 第五節第五節 單波繞組單波繞組波繞組：波繞組：首末端所接的兩換首末端所接的兩換向片相隔很遠，向片相隔很遠， 兩個元件緊兩個元件緊相串聯后形似波浪。相串聯后形似波浪。為了使緊相串聯的元件所生的電勢同向相加，為了使緊相串聯的元件所生的電勢同向相加， 元件邊應處于相同磁極極性下元件邊應處于相同磁極極性下， 即合成節距即合成節距 2 ,2yy單波繞組：單波繞組： 換向片極距換向片極距y yk k必須符合必須符合 即即 1kP yk1kkyCP為了使繞組從某一

14、換向片出發，為了使繞組從某一換向片出發， 沿電樞鐵心一周后沿電樞鐵心一周后回到原來出發點相鄰的一片上回到原來出發點相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。則可由此再繞下去。 4極電機，極電機，Qu=S=K=15單波左行短整距繞組單波左行短整距繞組1211533244115 172734uuQypQypyyy 單波繞組的節距單波繞組的節距元件、磁極、電刷放置原則元件、磁極、電刷放置原則元件、換向片的放置元件、換向片的放置：1 1元件上層邊元件上層邊1 1槽，槽， 下層邊下層邊4 4槽槽; ;首末端所連的首末端所連的換向片相距換向片相距y yk k7 7；為了端部對稱，為了端部對稱， 首末端所連的兩換向

15、片之間的中首末端所連的兩換向片之間的中心線與心線與1 1元件的軸線重合。元件的軸線重合。 1 1元件上層邊所連元件上層邊所連的換向片定為的換向片定為1 1。 依次聯接依次聯接。 磁極放置：磁極放置： N N、S S極磁極均勻交替的排列。極磁極均勻交替的排列。電刷的放置電刷的放置：放在與主極軸線對準的換向片上。：放在與主極軸線對準的換向片上。 單波繞組展開圖單波繞組展開圖3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展開槽展開安放磁極、電刷安放磁極、電刷繞組放置繞組放置4極電機，極電機，Qu=S=K=15單波左行短整距繞組單波左行短整距繞組

16、并聯支路對數并聯支路對數a=1 單波繞組是把所有單波繞組是把所有處于相同極性下的處于相同極性下的元件都串聯起來構元件都串聯起來構成一條支路成一條支路 并聯支路數等于并聯支路數等于2單波繞組的并聯支路圖如下圖所示。單波繞組的并聯支路圖如下圖所示。單波繞組的特點單波繞組的特點1 1）同極下各元件串聯起來組成一條支路，）同極下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數為支路對數為1 1，與磁，與磁極對數無關；極對數無關；2 2）當元件的幾何形）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對向器表面上的位置對準主磁極中心線，支準主磁極中心線，支路電動勢最大；路電動勢最大；3 3）電刷數

17、等于磁極數；）電刷數等于磁極數；4 4）電樞電動勢等于支路感應電動勢）電樞電動勢等于支路感應電動勢5 5）電樞電流等于兩條支路電流之和）電樞電流等于兩條支路電流之和234761011121415A1A2B1B2115895413912815單疊繞組和單波繞組的區別單疊繞組和單波繞組的區別單疊繞組：單疊繞組：先串聯所有上元件邊在同一極下的元件，先串聯所有上元件邊在同一極下的元件， 形成一條支路。形成一條支路。 每增加一對主極就增加一對支路。每增加一對主極就增加一對支路。2a2a2p2p。 疊繞組并聯的支路數多，每條支路中串聯元件數疊繞組并聯的支路數多，每條支路中串聯元件數少，適應于少，適應于較大

18、電流、較低電壓較大電流、較低電壓的電機。的電機。 單波繞組：單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。形成一條支路。 整個繞組只有一對支路，極數的增整個繞組只有一對支路，極數的增減與支路數無關。減與支路數無關。 2a2a2 2。波繞組并聯的支路數少，每條支路中串聯元件數多，波繞組并聯的支路數少，每條支路中串聯元件數多， 適用于適用于較高電壓、較小電流較高電壓、較小電流的電機。的電機。u 直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組；直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組；u 直流電機電樞繞組至少有直流電機電樞繞組至少有2條并聯支路。條并聯支路。在直流電機中，通常用在直流