直流電機的磁路和電樞繞組

第七章直流電機的磁路

和電樞繞組§7-1概述

電機感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩都離不開磁場，要了解電機的運行情況首先要了解電機的磁路和磁化特性。

電樞繞組是直流電機的核心部分。根據(jù)不同的聯(lián)結(jié)方法可分為：單疊、單波、復(fù)疊、復(fù)波和混合繞組等。本文檔共53頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\13點29分§7-2直流電機的磁路和磁化特性一、空載時磁場分布電機中磁場的分布是對稱的，由勵磁動勢所建立的主極磁通分兩部分：主磁通Φ0和漏磁通Φσ?！ぁう?Φ0Φσ圖1直流電機空載時的磁場分布本文檔共53頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\13點29分磁通和磁路磁路從氣隙1出發(fā)經(jīng)－電樞齒－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1，最后又回到氣隙1。本文檔共53頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\13點29分磁通和磁路主磁通、主磁路：由N極出發(fā)，經(jīng)氣隙進入電樞齒部，經(jīng)電樞鐵心的磁軛到另外的電樞齒，通過氣隙進入S極，再經(jīng)定子軛回到原來N極。主磁通交鏈勵磁繞組和電樞繞組，在電樞繞組中感應(yīng)電勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。漏磁通、漏磁路：不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過相鄰的磁極或定子軛。影響飽和程度本文檔共53頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\13點29分主磁通和漏磁通主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁動勢建立；φ0所走的路徑氣隙小，磁阻??；漏磁通所走的路徑氣隙大，磁阻大；漏磁系數(shù)：本文檔共53頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\13點29分磁路計算磁路計算的目的：

對于每極主磁通φ0

，求出每對主極所需的磁動勢F。通常選取經(jīng)過主磁極中心線底下的氣隙和電樞齒所構(gòu)成的一條閉合回路計算。

整個閉合磁路分為5段：兩個氣隙、兩個電樞齒、一段電樞軛、兩個主極鐵心和一個定子軛。本文檔共53頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\13點29分磁路計算磁路計算的步驟：1、先求經(jīng)過某一段的磁通；2、根據(jù)該段的有效截面積SX計算該段的磁密BX；3、由BX在磁化曲線上查HX；4、確定各段磁路計算長度LX；5、計算各段磁路磁壓降HXLX；6、相加各段磁路磁壓降得出一對磁極所需的總磁動勢：。本文檔共53頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\13點29分氣隙磁場Bδ

τ

bdd'atN在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于0。主磁場磁密的分布在一個磁極的范圍內(nèi)，勵磁磁勢大小一樣，Bδ大小完全與氣隙長度成反比。本文檔共53頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\13點29分空載磁化曲線磁化曲線：表示空載主磁通Φ0與主極勵磁磁動勢Ff之間的關(guān)系曲線，Φ0＝f（Ff）。通過實驗或計算得到。Φ0Ff直線，不飽和部分膝點飽和部分Fδ’F0’(膝點處約1.1~1.35)

kμ為磁路的飽和系數(shù)，電機一般運行在膝點處。圖2磁化特性曲線本文檔共53頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\13點29分§7-3電樞繞組的一般知識一、直流電機疊繞組的連接規(guī)律電樞繞組是由若干結(jié)構(gòu)形狀相同的元件按一定規(guī)律聯(lián)結(jié)成電路的閉合通路。

最后形成一個閉合通路。電流沿換向片導(dǎo)體端接線導(dǎo)體相鄰換向片下個線圈單匝疊繞組元件

1

2L本文檔共53頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\13點29分一、直流電機疊繞組的連接規(guī)律一個繞組元件兩端分別與兩片換向片連接以便與下一個元件相連。12

3

4

5注意：繞組的各個元件之間通過換向片互聯(lián)，一個換向片與兩個線圈邊連接。故整個電樞繞組的元件數(shù)S和換向片數(shù)K相等，即S=K。

一個元件邊只有一根導(dǎo)體稱單匝繞組，有多根導(dǎo)體稱多匝線圈。本文檔共53頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\13點29分一、直流電機疊繞組的連接規(guī)律

為了便于工藝制造，每個元件的一個元件邊嵌放在某一槽內(nèi)的上層（上層元件邊），另一元件邊放在另一槽的下層（下元件邊）。

同一槽放了兩個不同元件的有效邊，因此電樞的槽數(shù)Q也等于元件數(shù)S。c

a

a′c′本文檔共53頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\13點29分二、實槽與虛槽在實際的電機中，常在每個槽的上、下層各嵌放多個元件邊，電樞鐵心周圍表面有時不能沖太多的槽，因此引入虛槽的概念，即同一槽內(nèi)每個上、下元件邊所占的槽的位置為一個虛槽。而虛槽數(shù)等于元件數(shù)，也等于換向片數(shù)，即：Qu=S=K

若一個實槽包含u個虛槽，則虛槽數(shù)Qu與實槽數(shù)Q有關(guān)系：Qu

=uQ。本文檔共53頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\13點29分三、繞組節(jié)距1、第一節(jié)距y1：指同一元件兩個邊之間的距離，用虛槽數(shù)來計算，為使元件感應(yīng)最大電動勢，要使y1等于一個極距。τ=

Qu/2Py1y1必須是一整數(shù)，因此y1=Qu/2P±ε。y1<Qu/2P時稱短距元件，短距元件端接線短，省銅，有利換向，因此通常取短距。本文檔共53頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\13點29分三、繞組節(jié)距2、第二節(jié)距y2：指同一換向片所串聯(lián)的兩個元件中，前一元件的下元件邊與后一元件的上元件邊之間的距離，也用虛槽數(shù)表示。y2

若節(jié)距y2等于y1，不能使繞組在電樞中合理分布。思考：y2是否能等于y1？本文檔共53頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\13點29分三、繞組節(jié)距3、合成節(jié)距y：指在相鄰聯(lián)接的兩個元件的對應(yīng)邊之間在電樞表面上用虛槽數(shù)表示的距離。合成節(jié)距y總與換向片節(jié)距yk相等。疊繞組和波繞組:

y=y1+y2y4、換向片節(jié)距yk：指每一元件的兩端所聯(lián)接的兩換向片之間的距離，以換向片數(shù)表示。yk本文檔共53頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\13點29分1、電樞繞組與換向片四、疊繞組的聯(lián)結(jié)示意圖結(jié)論：通過換向片，6個元件依次串聯(lián)構(gòu)成一個閉合回路。本文檔共53頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\13點29分四、疊繞組的聯(lián)結(jié)示意圖2、電樞繞組與電刷連接位于對稱位置的電刷將閉合的6個線圈分成兩條并聯(lián)支路。兩個電刷位于換向器內(nèi)圓對稱位置(實際放置在外圓上)。本文檔共53頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組、單波繞組、復(fù)波繞組、復(fù)疊繞組、混合繞組等。五、電樞繞組的聯(lián)結(jié)方法繞組聯(lián)結(jié)方法主要表述繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律的節(jié)距、繞組展開圖、元件聯(lián)結(jié)圖、并聯(lián)支路圖。本文檔共53頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\13點29分§7-4單疊繞組主要內(nèi)容：繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距繞組展開圖元件聯(lián)結(jié)圖并聯(lián)支路圖本文檔共53頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距疊：兩個相臨聯(lián)接的元件，后一元件的端部緊疊在前一元件的端部。單：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度。特點：槽數(shù)Qu、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同。y=yk=±1取正號則繞行換向片一周后，比出發(fā)時的換向片前進一片，稱為右行繞組；取負號則后退一片，稱為左行繞組。一般采用右行繞組。本文檔共53頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組分析實例節(jié)距計算：y＝y(tǒng)k＝1計算節(jié)距y、y1和y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極實例：

2p＝4，Qu＝S＝K＝16本文檔共53頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\13點29分1單疊繞組展開圖1.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－本文檔共53頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\13點29分繞組放置元件1：上元件邊在1槽上層，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。元件2：上元件邊在2槽上層，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推放置其他元件。虛槽中的上層元件邊用實線表示，下層元件邊用虛線表示，元件邊上下的斜線表示端接。本文檔共53頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\13點29分主極軸線及幾何中性線主極軸線：主磁極中心線幾何中性線：磁極之間的平分線，此處空載時的磁通密度為零。NS12主極軸線NSSNA1A2B1B2主極軸線幾何中性線本文檔共53頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\13點29分某一瞬間磁極、電刷放置磁極：磁極寬度約0.7τ，均勻分布，N、S極交替安排。電刷：為了在正負電刷間獲得最大直流電勢以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢為零的位置。在磁極的幾何中性線上的元件電勢為零，在同一極性主極下的元件邊電勢具有相同的方向。電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主極軸線對準的換向片上。

本文檔共53頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組元件聯(lián)結(jié)圖繞電樞一周，所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。

5′6′7′8′9′10′11′

12′13′14′15′16′1′2′3′4′123456789101112

131415161

y2yy1兩元件之間的虛線，表示通過換向器上的同一片換向片把兩元件串聯(lián)起來。

元件、上元件邊及其所在的虛槽，與其聯(lián)結(jié)的換向片都具有相同的號碼，下元件邊用它所在的虛槽的號碼上標加一撇表示。本文檔共53頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖每個極下的元件組成一條支路，即單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機的極數(shù)。

23478610111214161551391A1A2B1B212109561314本文檔共53頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組的特點元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p；整個電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動勢的總和為零，繞組內(nèi)部無環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù);正負電刷引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓;由正負電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即本文檔共53頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\13點29分思考題？答：取掉B1，A2，四條支路變?yōu)閮蓷l。1、直流電機電樞繞組取掉相鄰一個或兩個電刷，直流電機會怎樣運行？2、取掉相對（B1，B2）電刷會怎樣？答：整個回路被A1和A2短接，電機不能工作。3、電樞繞組閉合回路是否有環(huán)流？答：各支路電勢數(shù)值相等，電樞繞組回路總電勢為零。不出現(xiàn)環(huán)流。本文檔共53頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\13點29分思考題？答：主極數(shù)越多，電樞電流越大，故選用8磁極。4、大電流直流電機，選用2磁極還是8磁極？

為了增大電樞電流Ia，應(yīng)增加并聯(lián)支路數(shù)，即增加主極數(shù)。但主極數(shù)受電機結(jié)構(gòu)的限制，不能任意增加?？梢圆捎脧?fù)疊繞組，使支路數(shù)成倍增加。本文檔共53頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\13點29分§7-5單波繞組主要內(nèi)容：繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距繞組展開圖元件聯(lián)結(jié)圖并聯(lián)支路圖本文檔共53頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期三\13點29分yk

N

Sy1y2對照單疊繞組y=y1+y2≈2τyk=

y把相隔約一對極距的同極性的元件串聯(lián)。N

SN

S11515yk左行繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距本文檔共53頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距首末端所接的兩換向片相隔很遠，兩個元件緊相串聯(lián)后形似波浪。為了使緊相串聯(lián)的元件所產(chǎn)生的電勢同向相加，這兩個元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距

。本文檔共53頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距沿電樞鐵心一周后，必須回到原來起始換向片相鄰的一換向片上，這樣繞組才能繼續(xù)往下繞。

因此，換向片節(jié)距yk應(yīng)滿足，即：

。

yk為一整數(shù)，取正號時，繞組聯(lián)結(jié)成右行繞組，取負號時，可得左行繞組。一般取負號，這時端接稍短。本文檔共53頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組分析實例實例：2p＝4，Qu=S＝K＝15，試繞左行單波繞組。節(jié)距計算:計算節(jié)距y、y1和y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極本文檔共53頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\13點29分元件、磁極、電刷放置原則元件、換向片的放置：

1號元件上層邊放1號槽，下層邊放4號槽；首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對稱，首末端所連的兩換向片之間的中心線與1號元件的軸線重合。1號元件上層邊所連的換向片定為1號，依此依次聯(lián)接。

磁極放置：

N、S極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：放在與主極軸線對準的換向片上。

本文檔共53頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷本文檔共53頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組元件聯(lián)結(jié)圖

從繞組展開圖可以看出，全部15個元件串聯(lián)而構(gòu)成一個閉合回路的順序是：1815714613512411310291聯(lián)結(jié)圖如下：

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18157146135124113

10291y2yy1本文檔共53頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對數(shù)a與極對數(shù)多少無關(guān)，永遠為1，即a＝1。

234761011121415A1A2B1B2115895413912815本文檔共53頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期三\13點29分單波繞組的特點

同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)a＝1，與磁極對數(shù)p無關(guān)。當(dāng)元件的幾何尺寸對稱時，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。

電刷組數(shù)應(yīng)等于極數(shù)；電樞電流Ia＝2ia

。本文檔共53頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期三\13點29分單疊繞組和單波繞組的區(qū)別單疊繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件，形成一條支路。每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。疊繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適用于較大電流、較低電壓的電機。

單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。整個繞組只有一對支路，極數(shù)的增減與支路數(shù)無關(guān)。2a＝2。波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，適用于較高電壓、較小電流的電機。本文檔共53頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期三\13點29分直流電機繞組的歸納所有的直流電機的電樞繞組總是自成閉路。電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠是成對出現(xiàn)，這是由于磁極數(shù)(2p)是一個偶數(shù)。

注：a－支路對數(shù)

p－極對數(shù)為了得到最大的直流電勢，電刷總是與位于幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸。本文檔共53頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期三\13點29分思考題？答：不能，這樣會使電刷下的平均電流密度增大，容易損壞電刷。1、既然一對正、負電刷可構(gòu)成一對支路，單波繞組是否只需要一對正、負電刷？答：3個。2、單波繞組p=3，則一周有幾個繞組串聯(lián)？本文檔共53頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期三\13點29分§7-6其他型式電樞繞組簡介

直流電機電樞繞組除單疊和單波繞組外，還有復(fù)疊、復(fù)波和混合繞組（蛙型繞組），它們之間的區(qū)別主要是換向器節(jié)距不同。

復(fù)疊繞組的yk＝m，m是大于1的整數(shù)。它可以看成m個單疊繞組通過電刷并聯(lián)起來構(gòu)成，它的并聯(lián)支路對數(shù)是單疊繞組的m倍，即a=mp。

復(fù)波繞組的

，它可以看成m個單波繞組通過電刷并聯(lián)起來構(gòu)成，它的并聯(lián)支路對數(shù)a=m。本文檔共53頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期三\13點29分§7-6其他型式電樞繞組簡介混合繞組是由一套疊繞組和一套波繞組按照一定規(guī)律在電樞槽中嵌放并聯(lián)結(jié)到同一個換向器上構(gòu)成，這時每個槽可以分為上下四層來放置兩套繞組?；旌侠@組的并聯(lián)支路對數(shù)多，其突出優(yōu)點為可以較好地解決大型直流電機的換向困難問題。本文檔共53頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期三\13點29分例題所以采用復(fù)疊繞組。復(fù)疊:一臺直流發(fā)電機，2p=4，PN=10KW，UN=6V，若每一支路電流不超過300A，則電樞繞組應(yīng)采用何種繞法？解：單疊:本文檔共53頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期三\13點29分§7-7直流電機電樞繞組的

感應(yīng)電動勢單根導(dǎo)體的電動勢：有效導(dǎo)體數(shù)：繞組由2a個支路組成，每一支路串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)為，串聯(lián)后組成一個支