第5講直流電機(jī)的電樞繞組與電樞反應(yīng)

1、第3章直流電機(jī) 上一講需要掌握的知識(shí)點(diǎn)回顧： 1.直流電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)工作原理 導(dǎo)體構(gòu)成的線圈電流、電勢(shì)變化，換向片在其中的作用 2.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定、轉(zhuǎn)子的組成部分及其作用 3.直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的定義 思考題 1）磁極固定，電刷與電樞同速同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷兩端電壓 的性質(zhì)？ 2）電樞固定，電刷與磁極同速同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷兩端電壓 的性質(zhì)？ 第3章直流電機(jī) 第3章直流電機(jī) 3.23.2直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的電樞繞組 3.3直流電機(jī)電樞磁勢(shì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響直流電機(jī)電樞磁勢(shì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響 第3章直流電機(jī) 3.23.2直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的電樞繞組 電樞繞組是電機(jī)能量變換的樞紐。 3.2.

2、13.2.1電樞繞組的特點(diǎn)電樞繞組的特點(diǎn) 直流電機(jī)的電樞繞組是由結(jié)構(gòu)形狀相同的元件構(gòu)成的。 所謂元件，是指兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線 圈。元件有兩個(gè)引出線，即首端和末端。 圖 3-12元件圖 （a） 單匝元件；（b） 兩匝元件 第3章直流電機(jī) 每一元件有兩個(gè)有效部分，稱為元件邊，用于切割磁場(chǎng) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。元件在槽外（電樞鐵芯兩端）的部分，不切割 磁通，因而不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，僅作為連接引線，稱為端部。構(gòu) 成元件線匝的兩個(gè)有效邊稱為導(dǎo)體。 第3章直流電機(jī) 電機(jī)的電樞繞組上開(kāi)有一定數(shù)量的槽，每個(gè)槽的上、下 層各放若干個(gè)元件邊。在一般情況下，實(shí)際的槽數(shù)Z與虛槽 Zi的關(guān)系為 Zi=uZ （3-

3、6） 一個(gè)虛槽 按照繞組的連接方法，直流電機(jī)的電樞繞組可分為三種 類型：疊繞組、波繞組和蛙繞組等。 第3章直流電機(jī) 圖 3-14單疊繞組的節(jié)距 繞組節(jié)距：分為 第一節(jié)距y1、第二 節(jié)距y2、合成節(jié)距 y及換向片節(jié)距yk。 3.2.2單疊繞組單疊繞組 1. 節(jié)距節(jié)距 節(jié)距是指被連接的元件邊或換向片之間的距離，用槽數(shù) 表示。 第3章直流電機(jī) 1） 第一節(jié)距y1 y1是指同一元件兩個(gè)邊之間的距離，以虛槽數(shù)來(lái)計(jì)算。 為了使元件感應(yīng)出最大電動(dòng)勢(shì)，就要使y1等于一個(gè)極距， （3-8） p Z 2 i 2） 第二節(jié)距y2 y2為元件的下層邊與其相連接的元件上層邊之間的距離， 以虛槽數(shù)計(jì)。 3） 合成節(jié)距y和

4、換向片節(jié)距yk y是相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊間的距離。 y與y1、y2的 關(guān)系為 y=y1+y2 （3-10） 第3章直流電機(jī) 2. 單疊繞組展開(kāi)圖單疊繞組展開(kāi)圖 y=yk=1的直流電機(jī)的電樞繞組稱為單疊繞組， y=yk=+1的為右行繞組，y=yk=1為左行繞組，直流電機(jī)通 常選用右行繞組。繞組展開(kāi)圖是將放在鐵芯中的由各元件構(gòu) 成的電樞繞組取出來(lái)，畫(huà)成一張圖，用來(lái)描述槽內(nèi)各元件的 連接情況。 第3章直流電機(jī) 右行繞組為 y=yk=1 第二節(jié)距為 y2=yy1=3 4 4 16 2 i 1 p Z y 例：2p=4，Zi=S=K=16的直流電機(jī)為例，構(gòu)成右行單疊 繞組，并畫(huà)出繞組展開(kāi)圖。 1）

5、計(jì)算節(jié)距 第一節(jié)距y1為 第3章直流電機(jī) 圖 3-15單疊繞組展開(kāi)圖 2） 繞組展開(kāi)圖 繞組展開(kāi)圖就是把放在電樞鐵芯槽里的元件構(gòu)成的電樞 繞組畫(huà)在一張圖里，用來(lái)表示槽內(nèi)各元件在電路上的連接情 況。 第3章直流電機(jī) 2） 繞組展開(kāi)圖 繞組展開(kāi)圖就是把放在電樞鐵芯槽里的元件構(gòu)成的電樞 繞組畫(huà)在一張圖里，用來(lái)表示槽內(nèi)各元件在電路上的連接情 況。 第3章直流電機(jī) 3. 單疊繞組的并聯(lián)支路單疊繞組的并聯(lián)支路 把相同極性的電刷并聯(lián)起來(lái)，并按照其中各元件連接的 順序，以及被電刷所短路的元件，可以畫(huà)出如圖3-16所示的 并聯(lián)支路圖。由圖可以看出：每一個(gè)支路所串聯(lián)的元件是位 于同一磁極下的全部元件。本例中，磁極

6、數(shù)2p= 4，所以共 有4個(gè)支路并聯(lián)。 單疊繞組的特點(diǎn)：電樞繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于電機(jī)的 極對(duì)數(shù)，即 a=p （3-11） 第3章直流電機(jī) 圖 3-16單疊繞組的并聯(lián)支路圖 當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷位置不動(dòng)，并聯(lián)支路圖中的整個(gè)電 樞繞組在移動(dòng)，每個(gè)元件不斷地順次移到它前面一個(gè)元件的 位置上，但總的支路情況不變。 第3章直流電機(jī) 3.33.3直流電機(jī)電樞磁勢(shì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影直流電機(jī)電樞磁勢(shì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響響 直流電機(jī)空載時(shí)，電機(jī)磁路中只有主極磁場(chǎng)，直流電機(jī) 負(fù)載后，電樞繞組也要產(chǎn)生磁場(chǎng)。 第3章直流電機(jī) 圖 3-20直流電機(jī)的磁路 3.3.1直流電機(jī)的磁路、磁密與磁通直流電機(jī)的磁路、磁密與磁通 第3章直

7、流電機(jī) 由于空氣的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，因此在分析 直流電機(jī)特性時(shí)，可以忽略鐵磁材料的磁阻認(rèn)為所有磁勢(shì)全 部落在氣隙上，則有： （3-14） f mmpmtmyrmyt 2 222 F RRRRR 主磁通所經(jīng)過(guò)的磁路應(yīng)分為以下幾段：磁極極身、氣隙、 轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子鐵軛、定子鐵軛。根據(jù)磁路歐姆定律有 （3-15） ffff mmm 2 2 FFI N RRR 第3章直流電機(jī) 根據(jù)B=0H，并在忽略鐵磁材料的磁阻后，有 2IfNf2H。此時(shí)氣隙磁密為 m f R F （3-16） 可見(jiàn)，當(dāng)勵(lì)磁磁勢(shì)一定時(shí)，氣隙越大（磁阻Rm越 大），氣隙磁密B（磁通）越??；當(dāng)電機(jī)制成以后，氣隙 為定值，若勵(lì)磁電

8、流If增加，則氣隙磁密B增加，即磁通 增加。 fff NIF B 00 第3章直流電機(jī) 3.3.2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)及磁化曲線直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)及磁化曲線 1. 直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)的空載磁場(chǎng) 對(duì)于實(shí)際電機(jī)，由于主極中心處氣隙均勻，而極尖處氣 隙加大，因此主極下的磁密分布均勻，極尖處磁密逐漸減小， 兩極之間的幾何中心線處磁密為零。 第3章直流電機(jī) 圖 3-21空載時(shí)直流電機(jī)氣隙磁密分布 （a） 空載磁場(chǎng)分布；（b） 空載氣隙磁密波形 第3章直流電機(jī) 2. 直流電機(jī)空載磁化曲線直流電機(jī)空載磁化曲線 直流電機(jī)的磁化曲線0=f（F0）。 圖 3-22直流電機(jī)空載磁化曲線 If較小時(shí)，鐵磁 材料

9、和氣隙的磁 阻為常數(shù)，得到 線性關(guān)系；If增 大，鐵磁材料進(jìn) 入飽和，磁阻增 大，就是非線性 的關(guān)系。 m f R F 第3章直流電機(jī) 3.3.3直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 直流電機(jī)因其勵(lì)磁方式不同，它們的基本特性亦不同。 圖 3-23直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 （a） 他勵(lì)；（b） 并勵(lì)；（c） 串勵(lì)；（d） 復(fù)勵(lì) 第3章直流電機(jī) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) I=Ia ，If 與Ia無(wú)關(guān)I=Ia +IfI=Ia=IfI=Ia +If ，Ia=If 第3章直流電機(jī) 3.3.4直流電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響直流電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響 當(dāng)直流

10、電機(jī)負(fù)載以后，電樞繞組中有電流Ia通過(guò)。電樞 電流Ia產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為電樞磁動(dòng)勢(shì)。此時(shí)，直流電機(jī)的氣 隙磁場(chǎng)由主磁極磁動(dòng)勢(shì)（空載磁動(dòng)勢(shì)）與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同建 立。 電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)的影響稱為電樞反 應(yīng)。 電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁通的大小和波形、電機(jī)的運(yùn)行性能、 換向能力都有影響。 第3章直流電機(jī) 1. 電樞磁場(chǎng)的特點(diǎn)電樞磁場(chǎng)的特點(diǎn) 當(dāng)不考慮鐵芯飽和影響時(shí)。 1）電刷在幾何中心線上 將圖沿電樞圓周表面展開(kāi) 第3章直流電機(jī) 據(jù)安培環(huán)路定律，該閉合回路所包圍的導(dǎo)體中的總電流，就是作用于該閉 合回路的電樞磁動(dòng)勢(shì)f（x）。忽略鐵芯磁壓降，則作用于每段氣隙上的電樞磁 動(dòng)勢(shì)為fa（x）=f（x）/2。

11、 （3-17） a a 11 ( )( )(2), 22222 Ni fxf xxAxx p 設(shè)電樞繞組的導(dǎo)體總數(shù)為N，導(dǎo)體電流為ia，則 可見(jiàn)，當(dāng)x=/ 2，即在幾何中心線（交軸處）時(shí)： 2 )( A Fxf aa 第3章直流電機(jī) 可見(jiàn)，每極電樞磁動(dòng)勢(shì)fa（x）沿電樞圓周的分布波形是 三角波，在主極極面下，由于氣隙很小且均勻，因此Ba（x） 的大小與fa（x）成正比；而在極靴以外的交軸附近，雖然fa （x）很大，但由于氣隙很大，因此Ba（x）較小。可見(jiàn)，Ba （x）在空間呈馬鞍形分布。 第3章直流電機(jī) 圖 3-25fa（x）、Ba（x）空間分布曲線 將圖沿電樞圓周表面展開(kāi) 正 負(fù) 第3章直流

12、電機(jī) 圖 3-26電刷偏離幾何中心線時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì) G n 當(dāng)電刷偏離幾 何中心線角時(shí)，電 樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線不 在幾何中心線上。 此時(shí)可以將電樞磁 動(dòng)勢(shì)分解到直軸和 交軸，其直軸分量 可引起空載磁通大 小發(fā)生變化，直軸 分量Fad與主極磁動(dòng) 勢(shì)方向相反，可引 起主極磁動(dòng)勢(shì)減小。 第3章直流電機(jī) 2. 電樞反應(yīng)電樞反應(yīng) 1） 直軸電樞反應(yīng) 直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Fad的軸線與主極磁動(dòng)勢(shì)軸線重合，其 作用是直接影響主極下磁通的大小。以發(fā)電機(jī)為例，當(dāng)電刷 逆旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的方向與主極勵(lì) 磁磁動(dòng)勢(shì)的方向相反，所以直軸電樞反應(yīng)是去磁的。如果電 刷順旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則直軸電樞反應(yīng)是增磁的。 第3章

13、直流電機(jī) x B 0 x B ax B 主磁場(chǎng)的 磁通密度 分布曲線 電樞磁場(chǎng)磁通 密度分布曲線 疊加后得到負(fù)載 時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁 通密度分布曲線 2） 交軸電樞反應(yīng) 第3章直流電機(jī) 圖 3-27負(fù)載時(shí)合成氣隙磁密示意圖 電樞反映總體上是 去磁的 第3章直流電機(jī) 同時(shí)，與空載相比，合成氣隙磁密B（x）的零點(diǎn)不再 處于幾何中心線上，而是偏移了一個(gè)角度。通常將合成磁密 為零的點(diǎn)所在的直線稱為物理中心線，顯然電樞反應(yīng)使物理 中心線偏離幾何中心線。這將造成電機(jī)換向惡化，有可能引 起環(huán)火損壞電機(jī)。 綜上所述，直流電機(jī)電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響如下： （1） 物理中心線偏離幾何中心線，氣隙磁場(chǎng)畸變； （2） 氣隙合成磁場(chǎng)被削弱，磁