第四章直流電機電樞繞組

一、直流樞繞組基本知識2.2直流電機的電樞繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。FFU+–NS電刷換向片IIEE合成節(jié)距：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。第一節(jié)距

：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。單疊繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。疊繞組示意圖波繞組示意圖二、單疊繞組

單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即：。單疊繞組的的特點：1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。3）電樞電流等于各支路電流之和。一、節(jié)距計算

y==1

二、繞組展開圖Z為電樞槽數(shù)P為電機的極對數(shù)三、元件連接順序及并聯(lián)支路圖

繞組元件聯(lián)接順序圖用來表示電樞上所有元件邊的串聯(lián)次序。

單疊繞組元件聯(lián)接順序圖從圖中看出，從第1元件出發(fā)，繞完16個元件后又回到第1元件?？梢?，整個繞組是一個閉路繞組。

單迭繞組并聯(lián)支路圖單疊繞組有以下特點：

（1）位于同一個磁極下的各元件串聯(lián)起來組成了一條支路，即支路對數(shù)等于極對數(shù)

2a=2p

。（2）電刷桿數(shù)等于極數(shù)2b=2p。當元件的幾何形狀對稱，電刷放在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時，正、負電刷間感應電動勢為最大，被電刷所短路的元件里感應電動勢最小。（3）電樞電流等于個并聯(lián)支路電流之和。

單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構(gòu)成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關(guān)系。三、單波繞組單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。單波繞組的特點1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為1，與磁極對數(shù)無關(guān)；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；2.3直流電機的磁場2.3.1直流電機的勵磁方式勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。永磁鐵磁場電磁鐵磁場根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵磁式的直流電機又可細分為：他勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復勵U2.3.2直流電機的空載磁場

直流電機中除主極磁場外，當電樞繞組中有電流流過時，還將會產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場與主磁場的合成形成了電機中的氣隙磁場，它是直接影響電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩大小的。要了解氣隙磁場的情況，就要先分析清楚主磁場和電樞磁場的特性。

定義：直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小，且可以不計其影響的一種運行狀態(tài)，此時電機無負載，即無功率輸出。所以直流電機空載時的氣隙磁場可以看作就是主磁場，即由勵磁磁通勢單獨建立的磁場。

直流電機空載時的磁場分布示意圖1—

極靴；2—極身；3—元子磁軛；4—勵磁繞組；5—氣隙；6—電樞齒；7—電樞磁軛直流電機的磁路空載時氣隙磁磁通密度的分布圖形

如果不計鐵磁材料中的磁壓降，則在氣隙中各處所消耗的磁通勢均為勵磁磁通勢。在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。

直流電機空載磁場的磁密分布為一平頂波返回直流電機的空載磁化特性電機的磁化曲線

考慮到電機的運行性能和經(jīng)濟性，直流電機額定運行的磁通額定值的大小取在磁化曲線開始彎曲的地方圖中的a點（稱為膝部）。2.3.3直流電機負載時的磁場

負載時的氣隙磁場將由勵磁磁通勢和電樞磁通勢共同作用所建立。一、電樞磁通勢和電樞磁場

電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布

假設勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。二、電樞磁通勢單獨產(chǎn)生的氣隙磁通密度波形為一三角波（氣隙是均勻）四個元件所產(chǎn)生的電樞磁通勢

如果氣隙是均勻的，則在極靴范圍內(nèi)，磁密分布也是一條直線。但在兩極極靴之間的空間內(nèi)，因氣隙長度大為增加，磁阻急劇增加，雖然此處磁通勢較大，磁密卻反而減小，因此磁密分布曲線是馬鞍形（見書中圖形）

2.3.5直流電機的電樞電動勢定義：電樞繞組中的感應電動勢。一、運行時感應電動勢始終存在

直流電機無論作電動機運行還是作發(fā)電機運行，電樞繞組內(nèi)都感應產(chǎn)生電動勢,這個感應電動勢是指一條支路的電動勢。

圖1.22電動機/發(fā)電機運行時電樞元件中的電勢與電流方向

要計算支路電動勢，可先求出每個元件電動勢的平均值，然后乘上每條支路串聯(lián)元件數(shù)，就可得出支路電動勢。

二、感應電動勢的計算

Ce為電動勢常數(shù)。上式表明直流電機的感應電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通和電機轉(zhuǎn)速有關(guān)。當電機制造好以后，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)Ce不在變化，因此電樞電動勢僅與氣隙磁通和轉(zhuǎn)速有關(guān)，改變轉(zhuǎn)速和磁通均可改變電樞電動勢的大小。三，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩定義：根據(jù)電磁力定律，當電樞繞組中有電樞電流流過時，在磁場內(nèi)將受到電磁力的作用，該力與電機電樞鐵心半徑之積為電磁轉(zhuǎn)矩。

式中Ct

為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)。從Ce與Ct的表達式可以看出Ct=9.55Ce。

由Tem=CtΦIa可看出，制造好的直流電機其電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流和氣隙磁通成正比。

:（一）直流發(fā)電機的勵磁方式一直流發(fā)電機供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復勵三種方式。1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：

直流電機的運行特性

2、并勵：發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足。3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足。4、復勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結(jié)合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。（二）、直流發(fā)電機的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向1、電樞電動勢和電動勢平衡方程為電樞回路總電阻，為正負電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動勢平衡方程為：電樞電動勢：從方程式可見，直流發(fā)電機2、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程電磁轉(zhuǎn)矩：直流發(fā)電機的勵磁電流直流發(fā)電機軸上有三個轉(zhuǎn)矩：原動機輸入給發(fā)電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和機械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩。平衡方程為：3、勵磁特性公式每極氣隙磁通4、功率平衡方程原動機輸入給發(fā)電機的機械功率電磁功率機械摩擦損耗、鐵損耗、附加損耗。空載損耗包括：電磁功率一方面代表電動勢為的電源輸出電流時發(fā)出的電功率，一方面又代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機械功率。電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻是的銅損耗輸出的電功率自勵發(fā)電機中還應減去勵磁損耗（三）他勵發(fā)電機的運行特性1、空載特性定義：當、時，直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線?？蛰d時，。由于，因此空載特性實質(zhì)上就是。由于正比于，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線2、外特性定義：當、時，外特性曲線如圖所示由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵根據(jù)可知，端電壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。3、調(diào)節(jié)特性定義：當、時，外特性曲線如圖所示由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響。（四）、并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性并勵的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。1、自勵條件曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻特性曲線，也稱場阻線。原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確，產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大，增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與相等時，達到穩(wěn)定的平衡工作點A。增大，場阻線變?yōu)榍€3時，稱為臨界電阻。如圖所示。若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵?？梢?，并勵直流發(fā)電機的自勵條件有：2、空載特性并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確3、外特性4、調(diào)節(jié)特性并勵發(fā)電機的電樞電流，比起他勵發(fā)電機僅僅多了一個勵磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵發(fā)電機的相差不大。對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的電樞反應去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓進一步下降。并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似，也是一條下降曲線。二、直流電動機（一）、直流電機的可逆原理以他勵電機為例說明可逆原理：一臺電機既可作為發(fā)電機運行，又可作為電動機運行，這就是直流電機的可逆原理。把一臺他勵直流發(fā)電機并聯(lián)于直流電網(wǎng)上運行，保持不變。保持發(fā)電機的不變，減少原動機的輸出功率，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速下降。當下降到一定程度時，使得，此時，發(fā)電機輸出的電功率，原動機輸入的機械功率僅僅用來補償電機的空載損耗。繼續(xù)降低原動機的，將有，反向，這時電網(wǎng)向電機輸入電功率，電機進入電動機狀態(tài)運行。同理，上述的物理過程也可以反過來，電機從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機狀態(tài)。（二）直流電動機的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向電機的基本方程如下：一、直流電動機的基本方程式式中U—電樞電壓（V）

Ia—電樞電流（A）

Ra—電樞電阻（Ω）二、功率平衡方程式1．直流電動機損耗按其性質(zhì)可分：（1）機械損耗Pm、（2）鐵心損耗PFe（3）銅損Pcu（4）附加損耗PsU=Ea+IaRa

空載損耗P0P0=Pm+PFe

直流電動機總損耗∑P為∑P=Pm+PFe+Pcu+Ps2．直流電動機輸人的電功率為

P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+Pcua

上式說明：輸入的電功率一部分被電樞繞組消耗（電樞銅損）一部分轉(zhuǎn)換成機械功率。3．直流電動機輸出的機械功率為

P2=Pem-PFe-Pm-PS=Pem-P0=P1-∑P

4．直流電動機的效率為

一般中小型直流電動機的效率在75％－85％之間，大型直流電動機的效率在85％－94％之間。5．他勵直流電動機的功率平衡關(guān)系可用功率流程圖來表示，如圖所示。

三.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

T2=T－T0T=T2＋T0

（3－9）式中T一電動機電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）T2一電動機軸上輸出的機械轉(zhuǎn)矩（負載轉(zhuǎn)矩）（N·m）T0一空載轉(zhuǎn)矩（N·m）（三）直流電動機的工作特性（1）、轉(zhuǎn)速特性1、他勵（并勵）直流電動機的工作特性定義：當、時，由方程式可得忽略電樞反應的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負載電流按線性關(guān)系變化。如圖所示。（2）、轉(zhuǎn)矩特性定義：當、時，轉(zhuǎn)矩表達式考慮電樞反應的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。（3）、效率特性定義：當、時，由方程式可得空載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化，當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此時效率又變小。如圖所示。2、串勵直流電動機的工作特性當負載電流較小時，電機磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關(guān)系。即：轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性當負載電流較大時，磁路飽和，串勵電動機的工作特性與他勵電動機相同。曲線如圖所示。當負載電流為零時，電機轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵電動機不宜輕載或空載運行。(四)他勵直流電動機的機械特性

直流電動機的機械特性：是在穩(wěn)定運行情況下，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(T)。一。他勵直流電動機機械特性方程式1．機械特性方程式還可以寫成n=n0－βT=n0－Δn2．機械特性曲線如圖所示。

二。他勵直流電動機的固有機械特性當他勵直流電動機的電源電壓、磁通為額定值，電樞回路未接附加電阻Rpa時的機械特性稱為固有機械特性，其