第2章 直流電機

電機學第2章直流電機2.1直流電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

2.2直流電樞繞組

2.3空載和負載時直流電機內(nèi)的磁場

2.4電樞的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

2.5直流發(fā)電機的運行

2.6直流電動機的運行2.7直流電動機的起動和調(diào)速

2.8換向和火花Page3提問什么是直流電機？有什么作用？

作用是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能拖動生產(chǎn)機械并完成一定工藝要求或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能供直流用電設(shè)備。把電能轉(zhuǎn)換為機械能的直流電機稱為直流電動機，把機械能轉(zhuǎn)換為電能的直流電機稱為直流發(fā)電機。直流電機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能或?qū)C械能轉(zhuǎn)換為直流電能的一種裝置。2.1直流電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)1.直流電機的工作原理

2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)

3.勵磁方式

4.直流電機的額定值1.直流電機的工作原理圖2-1兩極直流電機模型

a)ωt=0時b)ωt=180°時直流電機的組成——定子、轉(zhuǎn)子、氣隙。Page6a）wt=0°時，A端⊙X端⊕b）wt=180°時，A端⊙X端⊕電刷B1(+)B2(-)電刷B1(+)B2(-)圖直流發(fā)電機工作原理

給勵磁繞組通入直流電，將在固定的主磁極呈現(xiàn)上為N極、下為S極。N和S極之間是電樞，電樞鐵心上安放著由A和X兩根導體組成的電樞線圈，線圈的首端（A）和末端（X）分別連在兩個相互絕緣的半圓形銅質(zhì)換向片上，換向片形成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，且與轉(zhuǎn)軸絕緣。

直流電機的組成——定子、轉(zhuǎn)子、氣隙。換向片上安放著一對固定不動的電刷B1和B2，電刷能與外電路聯(lián)接。固定不動的部分（主磁極、電刷等）被稱為定子，隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的部分（線圈、電樞鐵心、換向器等）被稱為轉(zhuǎn)子（又稱電樞）。Page7a）wt=0°時，A端⊙X端⊕b）wt=180°時，A端⊙X端⊕電刷B1(+)B2(-)電刷B1(+)B2(-)圖直流發(fā)電機工作原理

磁極N和S所產(chǎn)生氣隙磁通密度沿空間分布如圖所示。定、轉(zhuǎn)子之間有一空隙，稱為氣隙。圖氣隙磁通密度分布和線圈AX感應電動勢直流電機的組成——定子、轉(zhuǎn)子、氣隙。當原動機拖動電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，導體切割磁力線，根據(jù)電磁感應定律，導體內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢。Page8a）wt=0°時，A端⊙X端⊕b）wt=180°時，A端⊙X端⊕電刷B1(+)B2(-)電刷B1(+)B2(-)圖直流發(fā)電機工作原理

直流發(fā)電機的工作原理是建立在電磁感應定律基礎(chǔ)上的。直流發(fā)電機的工作原理

當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時同，線圈abcd將感應電動勢。如右圖，導體ab在N極下，a點高電位，b點低電位；導體cd在S極下，c點高電位，d點低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負。直流發(fā)電機的工作原理

當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)后，如右圖。

與電刷A接觸的導體總是位于N極下，與電刷B接觸的導體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。

導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。直流發(fā)電機的工作原理發(fā)電機工作時，N極下導體電動勢指向紙外，電刷B1總為“+”；S極下導體電動勢指向紙內(nèi)，電刷B2總為“－”，不難看出，線圈中的電動勢是交流的，而通過換向器的作用，使電刷間的電動勢為直流的，如圖所示。Page11a）wt=0°時，A端⊙X端⊕b）wt=180°時，A端⊙X端⊕電刷B1(+)B2(-)電刷B1(+)B2(-)圖直流發(fā)電機工作原理

圖

電刷B1B2間的電動勢

直流發(fā)電機的工作原理換向器和電刷的共同作用：①將線圈中的交流電動勢整流成刷間的直流電動勢；②把轉(zhuǎn)動的電路與外面不轉(zhuǎn)的電路聯(lián)接。Page12a）wt=0°時，A端⊙X端⊕b）wt=180°時，A端⊙X端⊕電刷B1(+)B2(-)電刷B1(+)B2(-)圖

直流發(fā)電機工作原理

圖

電刷B1B2間的電動勢

從刷間電動勢波形看，脈動很大，為了減小電動勢的脈動程度，實際電機采用很多元件組成電樞線圈，均勻分布在電樞表面，并按一定規(guī)律聯(lián)接，刷間串聯(lián)元件數(shù)增多，脈動減小，可獲得所需的直流電。直流發(fā)電機的工作原理NS課堂練習：判別圖中發(fā)電機的電動勢的方向？NS－E＋－E＋輸出直流電換向原動機感應電動勢、電流Φ電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功

電磁關(guān)系1.直流電機的工作原理圖2-2兩極電機的氣隙磁場分布磁極N和S所產(chǎn)生氣隙磁通密度沿空間分布如圖所示。1.直流電機的工作原理圖2-3電樞線圈的電動勢和電刷B1B2間的電動勢

a)線圈電動勢b)電刷間的電動勢線圈中的電動勢是交流的，而通過換向器的作用，使電刷間的電動勢為直流的，如圖所示。如圖所示，將直流電加到電刷上（B1為+、B2為－），線圈AX上就有電流通過（A端⊕、X端☉），根據(jù)電磁力定律，載流導體在磁場中要受力，大小為f=Bxli

，式中，i為流過導體的電流（A），方向由左手定則確定。

Page16展開左手使大拇指與四指呈90°，當磁力線指向手心時，四指的指向則為導體中電流的方向，大拇指指向為導體受力方向；f的單位為N。

圖

直流電動機的工作原理換向器和電刷的共同作用：①將刷間的直流電逆變成線圈中的交流電；②把外面不轉(zhuǎn)的電路與轉(zhuǎn)動的電路連接起來。直流電動機的工作原理

在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。直流電動機的工作原理

原N極性下導體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

與直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。

當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時直流電動機的工作原理圖2-4通過電刷和換向器，把外部通入的直流電流變成線圈內(nèi)的交變電流

a)ωt=0°時b)ωt=180°時直流電動機的工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理示意圖:直流電動機的工作原理NS－U＋NS＋U－課堂練習：判別圖中電動機轉(zhuǎn)動的方向?NSNS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁感線會產(chǎn)生什么？換向片課堂練習：判別圖中電動機轉(zhuǎn)動的方向?直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)換向機械負載Φ旋轉(zhuǎn)克服反電動勢做功

電磁關(guān)系直流電動機的工作原理脈動的減小上述模型電機，由于電樞上只裝有一個線圈，電樞繞組的感應電動勢和作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩，其脈動性很大。為減小脈動，實際的電樞繞組是由嵌裝在電樞槽內(nèi)的多個位于不同角度的線圈串聯(lián)組成。圖2-5電樞上裝有6個線圈

(11′到66′)的情況2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖2-7直流電機剖面圖直流電機由兩大部分組成：定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分，又稱電樞）。2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)小型直流電機的剖面圖Page28主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋電樞繞組電樞鐵心換向器轉(zhuǎn)軸磁極鐵心勵磁繞組電刷刷握絕緣支架壓緊力調(diào)整裝置定子

轉(zhuǎn)子(電樞)直流電機勵磁磁場電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩直流電機的主要結(jié)構(gòu)磁路電路Page29直流電機的主要結(jié)構(gòu)定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機座等組成。（1）定子

主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組組成，鐵心用1~1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對出現(xiàn)，N、S極交替排列，如圖所示。

換向極也由鐵心和繞組組成，鐵心一般由整塊鋼組成，安放在相鄰兩主磁極之間，作用是改善電機的換向。圖

主磁極與換向極示意圖

電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，作用是連接轉(zhuǎn)動和靜止之間的電路。機座作用是固定主磁極等部件，同時也是磁路的一部分。

圖

電刷裝置

Page30直流電機的主要結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等組成。（2）轉(zhuǎn)子（電樞）Page31直流電機的主要結(jié)構(gòu)

電樞鐵心一般用0.5mm涂過絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時又是電機主磁路的一部分。

電樞繞組由絕緣導線繞制成的線圈（又稱繞組元件）按一定規(guī)律連接組成，每個元件兩個有效邊分別嵌放在電樞鐵心表面的槽內(nèi)，元件的兩個出線端分別與兩個換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。

換向器由許多相互絕緣的換向片組成，如圖所示，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。換向片與換向器

Page32直流電機的主要結(jié)構(gòu)為了使電機能夠運轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子之間要留有一定大小的間隙，此間隙稱為氣隙，也是主磁路的一部分。（3）氣隙

2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖2-8主磁極2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)37主磁極鋼板沖片（1-1.5mm厚）主磁極由鋼板沖片疊壓而成勵磁繞組套在主磁極極身上極靴2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖2-9電樞鐵心2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖2-10電樞線圈2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖2-12換向器換向器2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖2-13電刷裝置3.勵磁方式圖2-14直流電機的勵磁方式

a)他勵式b)并勵式c)串勵式d)復勵式直流電機的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式。除永磁式微型直流電機外，直流電機的磁場都是通過勵磁繞組通入電流激勵而建立的。按勵磁方式不同可分為四種：他勵、并勵、串勵和復勵。圖

直流電機勵磁方式示意圖

Page463.勵磁方式1）他勵。勵磁繞組接在獨立的電源上，與電樞繞組無關(guān)，如永磁直流電機也屬他勵。2）并勵。勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖所示。3）串勵。勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖所示。圖直流電機勵磁方式示意圖

Page473.勵磁方式4）復勵。主磁極上有兩套勵磁繞組，一套與電樞繞組并聯(lián)稱并勵繞組，另一套與電樞繞組串聯(lián)稱串勵繞組，如圖所示。d）復勵

若兩套勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢是相加的，則稱積復勵；若兩套勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢是相減的，則稱差復勵，如圖所示。實際應用中常用積復勵。a）積復勵b）差復勵圖復勵示意圖Page483.勵磁方式4.直流電機的額定值(1)額定功率PN指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，用千瓦(kW)表示。

(2)額定電壓UN指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以伏(V)表示。

(3)額定電流IN指電機在額定電壓下運行、輸出功率為額定功率時，電機的線電流，以安(A)表示。

(4)額定轉(zhuǎn)速nN指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以轉(zhuǎn)/分(r/min)表示。Page50為使用戶正確使用電機，電機制造廠在每臺電機的機座上都釘一塊金屬牌，上面標有電機的工作條件和根據(jù)國標制定的額定數(shù)據(jù)（又稱額定值），該標牌稱為銘牌，如下圖所示。直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉(zhuǎn)速.直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流對應于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機運行時，所有物理量與額定值相同——電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流——欠載運行；電機的運行電流大于額定電流——過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。本講小結(jié)：

直流電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)作業(yè)：

P45

2-12-22-3本講小結(jié)和作業(yè)直流電機的工作原理直流電機的基本結(jié)構(gòu)上一講內(nèi)容回顧2.2直流電樞繞組1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距2.單疊繞組3.單波繞組a）單疊b）單波單匝元件示意圖

a）單疊b）單波兩匝元件示意圖直流電機的電樞繞組可分為單疊、單波、復疊、復波、復合繞組等，其基本形式是單疊繞組和單波繞組。

直流電樞繞組兩匝元件1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距元件組成繞組的基本單元（線圈）稱為元·件·。一個元件由兩條元件邊和前、后端接線連接組成，如圖2-15所示。元件邊(元件的直線部分)置于電樞槽內(nèi)，能“切割”主極磁場并產(chǎn)生感應電動勢，故稱為有·效·邊·；兩端的端部連接線在電樞鐵心以外，不“切割”主磁場，故不產(chǎn)生感應電動勢，僅起連接線作用。元件可以是單匝，也可以是多匝。圖2-15電樞繞組的元件1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距元件的首末端：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。1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距雙層繞組：元件的一個有效邊置放在槽的上層，另一個有效邊置放在隔開幾個槽的下層，構(gòu)成雙層繞組。元件的首端和尾端依次連接到同一個換向片上。通過換向片，直流電樞繞組應當形成一個連續(xù)的閉合回路。圖2-15電樞繞組的元件1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距虛槽多數(shù)直流電樞中，每槽中包含u個元件，這u個元件外面包上絕緣后就構(gòu)成一個線·圈·，如圖2-16所示(圖中u=2)。由于線圈數(shù)與電樞的槽數(shù)相等，所以元件數(shù)S應為電樞槽數(shù)Q的u倍，即S=uQ(2-3)式中，u為槽內(nèi)每層置放的元件數(shù)。為使畫繞組圖時元件數(shù)與槽數(shù)形成“一與一”的對應關(guān)系，常常人為地把一個槽劃分成u個“虛槽”，每個虛槽內(nèi)置有一個上層邊和一個下層邊(例如在圖2-16中把一個槽分成2個虛槽)。引入虛槽后·，虛槽數(shù)Qu就等于元件數(shù)S·。Page62

u=2示意圖由于工藝等方面的原因，有時電樞不宜開太多的槽，在一個實際的槽中，上、下層嵌放多個（設(shè)為u個）元件邊，通常把一個上層邊和一個下層邊在槽內(nèi)所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數(shù)S等于實槽數(shù)Q；若每槽的上、下層各有u個元件邊時，如圖所示，則有S=uQ=Qu，Qu為虛槽數(shù)。

1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距Page63式中，p為主磁極的極對數(shù)，S為總元件數(shù)。

1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距極距一個主磁極在電樞表面所跨的距離稱為極距，用τ表示。極距既可以用長度來表示，也可以用虛槽數(shù)來表示。若電機的極對數(shù)為p，則用虛槽數(shù)表示時，1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距圖2-16含有2個元件的線圈圖2-17疊繞元件的連接1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距疊繞組：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。圖2-18波繞元件的連接1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距波繞組：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。第一節(jié)距元件的兩條有效邊在電樞表面所跨的距離(即線圈的寬度)稱為第一節(jié)距。第一節(jié)距也稱為線圈節(jié)距，用y1表示，如圖2-17和圖2-18所示。第一節(jié)距通常用所跨過的虛槽數(shù)來表示，此時它是一個整數(shù)。1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距各種繞組的連接規(guī)律取決于它們的節(jié)距。有關(guān)節(jié)距的意義如下。合成節(jié)距

相串聯(lián)的兩個元件，其對應元件邊在電樞表面所跨過的距離，稱為合·成·節(jié)·距·，用y表示。y也用虛槽數(shù)來計算。元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成節(jié)距。換向器節(jié)距同一個元件的兩個出線端所連接的兩個換向片，在換向器上所跨的距離，稱為換向器節(jié)距，用yc表示。yc用換向片數(shù)來計算。1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距第二節(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1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距1.電樞繞組的構(gòu)成和繞組的節(jié)距2.單疊繞組2.單疊繞組圖2-19單疊繞組展開圖(2p=4,S=K==16)

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。2.單疊繞組2.單疊繞組單疊繞組的展開圖2.單疊繞組繞組展開圖1123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－2.單疊繞組1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－一個換向片連接一個元件的上邊和另一個元件的下邊，其編號和上邊所在的元件號相同2.單疊繞組NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2

單疊繞組的展開圖※并聯(lián)支路對數(shù)：a=2?！娝⒌闹行木€對著磁極的中心線。A1A2B1B2n36'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'122.單疊繞組

單疊繞組的展開圖NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※

電刷的中心線對著磁極的中心線：①電刷之間的電動勢最大。②被電刷短接的元件電動勢為零?！晳T稱“電刷放在幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線2.單疊繞組NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2

單疊繞組元件連接順序※并聯(lián)支路對數(shù)：a=2?！娝⒌闹行木€對著磁極的中心線。n2.單疊繞組根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖: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。2.單疊繞組Page82單疊繞組是以相鄰元件依次串聯(lián)的聯(lián)接規(guī)律連成的，每個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩個換相片上，最后形成一閉合回路。其特點：①支路對數(shù)a等于極對數(shù)p，同時還等于電刷對數(shù)b，即a=p=b；②電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2aia。2.單疊繞組圖2-20圖2-19所示瞬間電樞繞組的電路圖3.單波繞組3.單波繞組圖2-21單波繞組的展開圖(2p=4,=S=K=15)

a)部分展開圖b)全部展開圖

單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下圖所示。

兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。3.單波繞組334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷繞組展開圖3.單波繞組單疊繞組將每一個主極下的元件串成一條支路；單波繞組則是將所有相同極性下的元件串成一條支路。繞組相鄰兩串聯(lián)的元件間的距離約為兩個極距，從而形成如圖的波浪形構(gòu)型，稱為波繞組，若將所有相同極下的元件串聯(lián)后，回到原來的那個出發(fā)換向片相鄰的換向片上，則稱為單波繞組。3.單波繞組3.單波繞組單波繞組的并聯(lián)支路圖: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)；4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。Page91

單波繞組是將同一極性下的所有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個串聯(lián)連接元件形式似波浪向前延伸。其特點：①支路對數(shù)a等于1，與極對數(shù)p無關(guān)，即a=1；②電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；③為了減小電刷的電流密度，實際電刷對數(shù)b等于極對數(shù)p。3.單波繞組圖2-22圖2-21所示單波繞組的電路圖本講小結(jié)：直流電機的電樞繞組作業(yè)：

畫出單疊繞組展開圖和電路圖圖2-19和圖2-20本講小結(jié)和作業(yè)直流電樞繞組的基本概念單疊繞組和單波繞組上一講內(nèi)容回顧2.3空載和負載時直流電機內(nèi)的磁場1.空載時直流電機內(nèi)的磁場

2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應直流電機空載是指電機對外無功率輸出、不帶負載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。

空載時，勵磁繞組內(nèi)有勵磁電流，電動機電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機電樞電流為零，這時電機的磁場由勵磁電流單獨建立。Page961.空載時直流電機內(nèi)的磁場1.空載時直流電機內(nèi)的磁場圖2-23空載時直流電機內(nèi)的磁場

右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為，流過電流，每極的勵磁磁動勢為：1.空載時直流電機內(nèi)的磁場NS1.空載時直流電機內(nèi)的磁場

直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。磁力線由N極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路1.空載時直流電機內(nèi)的磁場

空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。1.空載時直流電機內(nèi)的磁場

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。1.空載時直流電機內(nèi)的磁場

為了感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關(guān)系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。

為了經(jīng)濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通設(shè)定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。1.空載時直流電機內(nèi)的磁場

直流電機工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動勢，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動勢。

電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應。

2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應NS幾何中心線NS勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負載時的磁場）物理中性線

電樞反應：電樞磁通勢對主極磁場的影響。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應

直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。

右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。

假設(shè)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。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應

如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中所示。

由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中所示。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應

當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結(jié)果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關(guān)。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應交軸電樞反應磁場分布

物理中性線是指電機中N極與S極的分界線，此處磁場為零。

幾何中性線是指電氣結(jié)構(gòu)上兩磁極的中線。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應1、當電刷在幾何中性線上時

交軸電樞反應磁場分布NS主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變

空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線角，磁通密度的曲線與空載時不同。

磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質(zhì)。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應(1)在主極N極的右半部分，交軸電樞磁場的方向為從電樞表面指向主極，對主極磁場起去磁作用；在N極的左半部分，交軸電樞磁場為從主極指向電樞表面，對主極磁場起增磁作用；從而使氣隙磁場發(fā)生畸變，氣隙磁通密度等于0的位置(稱為)將偏離幾何中性線。

(2)不計磁飽和時，交軸電樞磁場對主極磁場的去磁和增磁作用兩者相等，因此總體而言，交軸電樞磁場既無增磁、也無去磁作用。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應(3)氣隙磁場的畸變，將使前極尖下的氣隙磁通密度達到較高的值，當電樞元件旋轉(zhuǎn)到此位置時，元件中的感應電動勢和與之相接的換向片的片間電壓將顯著升高，容易引起片間的“電位差火花”。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應圖2-25電刷置放在幾何

中性線上時的電樞磁動勢和磁場2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應圖2-26交軸電樞反應

a)負載時的合成磁場b)空載氣隙磁場和負載時氣隙內(nèi)的合成磁場2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應2、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。

電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢。交軸電樞磁動勢——磁動勢軸線與主磁極軸線垂直。直軸電樞磁動勢——磁動勢軸線與主磁極軸線相重合。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應電刷不在幾何中性線上的電樞反應NS假設(shè)電刷從幾何中性線順電樞轉(zhuǎn)向移動β角度，因為電刷是電樞表面導體電流方向的分界線，故電樞磁動勢軸線也隨之移動β角。β

這時電樞磁動勢可分解為兩個相互垂直的分量：交軸電樞磁動勢Faq和直軸電樞磁動勢Fad。FaqFad

交軸電樞反應的性質(zhì)在前面作了分析，直軸電樞反應若Fad和主磁場方向相同，起增磁作用；相反則起去磁作用。n2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應電刷從幾何中性線順電樞轉(zhuǎn)向偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)所示。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應電刷從幾何中性線逆電樞轉(zhuǎn)向偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(b)所示。2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應圖2-27電刷不在幾何中性線上時，電樞磁動勢的交軸和直軸分量

a)電樞磁動勢b)交軸分量c)直軸分量2.負載時的電樞磁動勢和電樞反應2.4電樞的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.電樞繞組的感應電動勢

2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩

3.電磁功率

4.直流電機的可逆性2.4電樞的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

設(shè)電樞表面為光滑，氣隙磁場bδ的分布如圖2-28所示，電刷置放在幾何中性線上。若電樞導體的有效長度為L，導體“切割”氣隙磁場的線速度為υ，則導體感應電動勢的瞬時值e=bδLυ。由于導體運動時，不同位置處的磁場是不同的，所以導體中的電動勢也是時刻不同的。為計算方便，引入導體感應電動勢的平均值1.電樞繞組的感應電動勢圖2-28氣隙磁場分布和導體中的

感應電動勢1.電樞繞組的感應電動勢Page130直流電機電樞繞組的感應電動勢是指從一對正負電刷之間引出的電動勢，也稱為電樞電動勢，記作Ea。如果設(shè)N為電樞繞組的總導體數(shù)，a為并聯(lián)支路對數(shù)，Bav為一個磁極內(nèi)的平均磁通密度，l為導體的有效長度，v為導體切割磁場的速度，則電樞電動勢為

式中，稱為電動勢常數(shù)，它是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。

1.電樞繞組的感應電動勢產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。Page131由電動勢表達式Ea=CeΦn可知：①Ea∝Φn，改變Φ或n的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當磁通Φ單位為Wb，轉(zhuǎn)速n單位為r/min，則電樞電動勢Ea單位為V；②Ea方向取決于Φ和n的方向，改變Φ的方向（改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea方向。1.電樞繞組的感應電動勢性質(zhì):發(fā)電機——電源電勢(與電樞電流同方向);

電動機——反電勢(與電樞電流反方向).1.電樞繞組的感應電動勢平均磁通密度為,電機轉(zhuǎn)速為n時導體的線速度為

一根導體切割氣隙磁通產(chǎn)生的電動勢的平均值為每一條并聯(lián)支路串聯(lián)導體數(shù)為N/2a,則電樞繞組感應電動勢為式中稱為直流電機的電動勢常數(shù)。公式表明電樞電動勢與磁通和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。1.電樞繞組的感應電動勢(1)產(chǎn)生

電樞旋轉(zhuǎn)n

磁場Φ(2)大小

每個導體：e=BLv

導體切割磁場線的線速度：每條支路的感應電動勢：Ea

e→∑e→Ea

v=nD60N/2a··

L·n

2p60ΦL=n2p60=Φn

pN

60aEa=1.電樞繞組的感應電動勢CTCE=602=9.55CT

=

9.55CECT

=pN2aCE=pN60a

Ea=CEΦn

CE

電動勢常數(shù)：CE=pN60a單位：Wb單位：r/min（3）方向：由Φ和n共同決定。（4）性質(zhì)發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。1.電樞繞組的感應電動勢2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩Page137

設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導體數(shù)，fav為每根導體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩為式中，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它也是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。

由電磁轉(zhuǎn)矩表達式T=CTΦIa可知：①T∝ΦIa，改變Φ或Ia的大小，可使T大小發(fā)生變化，當磁通Φ單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉(zhuǎn)矩T單位為N·m；②T方向取決于Φ和Ia的方向，改變Φ的方向（改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。

直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。

2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩

作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:性質(zhì):發(fā)電機——制動(與速轉(zhuǎn)方向相反)；電動機——驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同)。

可見，制造好的直流電機其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩(1)產(chǎn)生

電樞電流ia

磁場ΦF→T(2)大小

電磁力：

F=B

lia

：平均磁密BlB=Φl極距2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩(1)產(chǎn)生電樞電流ia

磁場ΦF→T(2)大小

一根到他的電磁力：F=B

lia

平均磁密：

每根導線上電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩：FRB=ΦlBl極距R2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩R元件的導體中流過支路電流電樞繞組中流過電樞電流Ia

電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：2a

總導體數(shù)：N

電樞的周長：2R=2p

電磁轉(zhuǎn)矩：

T=N

·FR=N··B

li=N··

li

pΦl

p=

pN

2a

Ia

2aΦIa

pΦl

pΦl

p

pΦl

p

Ia

2a

pΦl

p

p=N··Φ

Ia

2a

pΦl

p=

pN

2aΦIa(2)大小

T=CTΦIaCT轉(zhuǎn)矩常數(shù)：(3)方向由Φ和Ia

共同決定。(4)性質(zhì)發(fā)電機：電動機：T與n方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。T與n方向相同，為拖動轉(zhuǎn)矩。CT=pN2a單位：Wb單位：A(N·m)電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通和電樞電流的乘積成正比2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩當電樞繞組中流過電樞電流時,元件的導體中流過支路電流

一根導體所受電磁力的平均值為其對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為

2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩對于電樞繞組而言,凡是位于N極下的導體中的電流方向都相同,凡是位于S極下的導體中的電流方向都與N極下的相反,這樣,電樞所有導體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向都是相同的,因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值乘以電樞繞組總的導體數(shù)N,即2.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)和可得到電動勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系為CT=9.55Ce

Page1452.作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩3.電磁功率

電機負載運行時，電樞繞組中的感應電動勢與電樞電流的乘積稱為電磁功率。根據(jù)電磁功率的定義，則有3.電磁功率由動力學可知，機械功率為轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積。對直流電機而言，電磁功率為電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)子角速度Ω的乘積，它反映了直流電機機電能量轉(zhuǎn)換的功率。

電磁功率表征在機械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換過程中的轉(zhuǎn)換能量，因此它既具有電功率性質(zhì)，又具有機械功率性質(zhì)，這是因為就數(shù)值而言有可見，上式左邊是電功率，右邊是機械功率，因此電磁功率是機電能量轉(zhuǎn)換的橋梁，同時具有兩種功率的性質(zhì)，也正因如此，才能實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。

3.電磁功率

上面給出了電磁功率在電氣和機械兩個方面的不同表達形式，它正好符合能量守恒定律。

物理意義：對于直流發(fā)電機，從原動機吸收的機械功率TmeΩ全部轉(zhuǎn)化為電功率EaIa輸出；而對于直流電動機，從電源吸收的電功率EaIa全部轉(zhuǎn)化為機械功率TmeΩ輸出。3.電磁功率3.電磁功率圖2-29直流電機電樞中的能量轉(zhuǎn)換

a)發(fā)電機(G)b)電動機(M)4.直流電機的可逆性

從原理上看，任何直流電機既可用作為發(fā)電機，也可用作為電動機，它們僅是直流電機的兩種不同運行狀態(tài)，這就是直流電機的可·逆·性·。以后可以知道，一臺直流電機是作為發(fā)電機還是電動機，從原理上看，主要取決于電樞電動勢Ea是大于還是小于電機的端電壓U，電磁轉(zhuǎn)矩Te是制動性轉(zhuǎn)矩還是驅(qū)動性轉(zhuǎn)矩；如果是前者就是發(fā)電機，如果是后者則是電動機?！纠}】

注意：變壓器的電壓比是指一、二次側(cè)相電壓之比。

已知某四極他勵直流電動機的額定功率PN=100kW，額定電壓UN=330V，額定轉(zhuǎn)速nN=730r/min，額定效率hN=91.5%，額定運行時每極氣隙磁通FN=6.98×10-2Wb，電機電樞繞組采用單波繞組，電樞總導體數(shù)N=186。求額定感應電動勢和額定電磁轉(zhuǎn)矩。解：（1）計算額定感應電動勢

（2）計算額定電磁轉(zhuǎn)矩

Page152極對數(shù)為p=2；

支路對數(shù)：a=1；電動勢常數(shù)為

感應電動勢為

電樞電流為

電磁轉(zhuǎn)矩為

【例題】

注意：變壓器的電壓比是指一、二次側(cè)相電壓之比。

已知一臺永磁直流電動機的電樞電阻Ra=1.03W，當在50V直流電源供電下空載運行時，電動機轉(zhuǎn)速為2100r/min，吸收電流是1.25A。試計算：（1）電動勢常數(shù)Ce′（Ce′=

CeΦ）；（2）電動機的空載損耗p0；解：（1）求電動勢常數(shù)Ce′（2）求空載損耗

Page153電動勢常數(shù)為感應電動勢為空載損耗為一臺四極他勵直流電機，電樞采用單波繞組，總導體數(shù)為N=372，電樞回路總電阻為Ra=0.21W。電機接在電網(wǎng)電壓U=220V上運行，此時轉(zhuǎn)速n=1500r/min，每極磁通F=0.011Wb，空載損耗p0=566W。試求（1）電機運行在發(fā)電機還是電動機狀態(tài)；（2）電磁轉(zhuǎn)矩；（3）電機的輸入功率；（4）效率。Page154解:(1)電機的運行狀態(tài)由題意得知，并聯(lián)支路數(shù)a=1，則電樞感應電動勢為可見，電機運行在電動機狀態(tài)。

(2)電磁轉(zhuǎn)矩電樞電流為

【例題】

Page155

(3)輸入功率

電磁轉(zhuǎn)矩為

輸入功率為

(4)效率

輸出功率為

效率為

本講小結(jié)：空載和負載時直流電機內(nèi)的磁場電樞的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩作業(yè)：

P45

2-52-8本講小結(jié)和作業(yè)直流電樞繞組的基本概念單疊繞組和單波繞組上一講內(nèi)容回顧2.5直流發(fā)電機的運行1.他勵發(fā)電機的運行

2.他勵發(fā)電機的特性

3.并勵發(fā)電機的自勵和外特性

4.復勵發(fā)電機及其外特性1.他勵發(fā)電機的運行圖2-30他勵發(fā)電機的空載和負載運行1.他勵發(fā)電機的運行2.他勵發(fā)電機的特性他勵發(fā)電機的特性是指發(fā)電機的端電壓U、負載電流I和勵磁電流If這三個主要變量間的關(guān)系。為簡單計，通常把這三個量中的某一個量保持為常值，然后找出其余兩個量之間的函數(shù)關(guān)系，這樣就可以得到三條特性曲線。第一條是I=常值時，U=f(If)，稱為負載特性；其中I=0時，U0=f(If)，就稱為空載特性。負載特性因為是恒電流特性，故很少應用，但空載特性卻是十分有用的。第二條是If=常值時，U=f(I)，稱為外特性。第三條是U=常值時，If=f(I)，稱為調(diào)整特性。2.他勵發(fā)電機的特性圖2-31他勵發(fā)電機的空載特性2.他勵發(fā)電機的特性2.他勵發(fā)電機的特性圖2-32他勵發(fā)電機的外特性2.他勵發(fā)電機的特性2.他勵發(fā)電機的特性圖2-33他勵發(fā)電機的調(diào)整特性2