第5講直流電機(jī)的電樞繞組與電樞反應(yīng)

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)3.2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

3.2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。3.2.1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。電機(jī)的電樞繞組上開有一定數(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

（3-6）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。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

1.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。

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τ，（3-8）

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）

2.單疊繞組展開圖

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。繞組展開圖是將放在鐵芯中的由各元件構(gòu)成的電樞繞組取出來，畫成一張圖，用來描述槽內(nèi)各元件的連接情況。

右行繞組為

y=yk=1

第二節(jié)距為

y2=y－y1=－3例：2p=4，Zi=S=K=16的直流電機(jī)為例，構(gòu)成右行單疊繞組，并畫出繞組展開圖。

1）計(jì)算節(jié)距

第一節(jié)距y1為圖3-15單疊繞組展開圖

2）繞組展開圖

繞組展開圖就是把放在電樞鐵芯槽里的元件構(gòu)成的電樞繞組畫在一張圖里，用來表示槽內(nèi)各元件在電路上的連接情況。

2）繞組展開圖

繞組展開圖就是把放在電樞鐵芯槽里的元件構(gòu)成的電樞繞組畫在一張圖里，用來表示槽內(nèi)各元件在電路上的連接情況。

3.單疊繞組的并聯(lián)支路

把相同極性的電刷并聯(lián)起來，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）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。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)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)。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）主磁通所經(jīng)過的磁路應(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）根據(jù)Bδ=μ0Hδ，并在忽略鐵磁材料的磁阻后，有2IfNf≈2Hδδ。此時(shí)氣隙磁密為（3-16）可見，當(dāng)勵(lì)磁磁勢(shì)一定時(shí)，氣隙δ越大（磁阻Rmδ越大），氣隙磁密Bδ（磁通Φ）越??；當(dāng)電機(jī)制成以后，氣隙δ為定值，若勵(lì)磁電流If增加，則氣隙磁密Bδ增加，即磁通Φ增加。

3.3.2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)

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。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

2.直流電機(jī)空載磁化曲線

直流電機(jī)的磁化曲線Φ0=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。3.3.3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)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無關(guān)I=Ia

+IfI=Ia=IfI=Ia

+If

，Ia=If'

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

當(dāng)直流電機(jī)負(fù)載以后，電樞繞組中有電流Ia通過。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。

1.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

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。（3-17）

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，當(dāng)x=τ/2，即在幾何中心線（交軸處）時(shí)：可見，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，Ba（x）在空間呈馬鞍形分布。圖3-25

fa（x）、Ba（x）空間分布曲線將圖沿電樞圓周表面展開正負(fù)圖3-26電刷偏離幾何中心線時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)電刷偏離幾何中心線β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。

2.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)β，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)β，則直軸電樞反應(yīng)是增磁的。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)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同時(shí)，與空載相比，合成氣隙磁密Bδ（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，磁通減少，交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁通有去磁作用。本講需要掌握的重點(diǎn)：

3.2直流電機(jī)的電樞繞組

1.實(shí)槽、虛槽等的概念及相互關(guān)系