2直流電機(jī)的電樞繞組解析

其次章直流電機(jī)的電樞繞組引言§2.1電樞繞組的一般學(xué)問(wèn)§2.2單疊繞組§2.3單波繞組§2.4各種繞組的應(yīng)用范圍小結(jié)10/31/20231引言電樞繞組是直流電機(jī)的電路局部，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。設(shè)計(jì)要求：電樞繞組的構(gòu)成，應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并允許通過(guò)確定的電樞電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，此外，還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，構(gòu)造簡(jiǎn)潔，運(yùn)行牢靠。10/31/20232分類：直流電樞繞組有疊繞組、波繞組和混合繞組等三種類型。本節(jié)主要說(shuō)明單疊和單波繞組的組成和連接規(guī)律。10/31/20233§2.1電樞繞組的一般學(xué)問(wèn)一、直流電樞繞組的構(gòu)成

二、直流電樞繞組的節(jié)距

10/31/20234一、直流電樞繞組的構(gòu)成每一個(gè)元件有兩個(gè)放在槽中切割磁力線、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效邊，稱為元件邊。元件在槽外(電樞鐵心兩端)的局部一般只作為聯(lián)接引線，稱為端接。與換向片相聯(lián)的一端為前端接，另一端叫后端接。10/31/20235引入“虛槽”概念，設(shè)槽內(nèi)每層有u個(gè)元件邊，則意味著一個(gè)實(shí)際的槽包含了u個(gè)“虛槽”，而每個(gè)虛槽的上、下層照舊只有一個(gè)元件邊。圖示為u＝2，即一個(gè)實(shí)槽包含兩個(gè)虛槽的狀況。一般狀況下，實(shí)際槽數(shù)Z與虛槽數(shù)Zi的關(guān)系為10/31/20236電樞繞組的特點(diǎn)常用虛槽數(shù)、元件數(shù)、換向片數(shù)及各種節(jié)距來(lái)表征。由于每一個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，而每一片換向片同時(shí)接有一個(gè)上元件邊和一個(gè)下元件邊，所以元件數(shù)S確定與換向片數(shù)K相等；又由于每一個(gè)虛槽亦包含上、下層兩個(gè)元件邊，即虛槽數(shù)也與元件數(shù)相等，故有10/31/20237二、直流電樞繞組的節(jié)距

1．第一節(jié)距y1元件的兩條有效邊在電樞外表上所跨的距離稱為第一節(jié)距，用y1表示。第一節(jié)距的大小通常用所跨的虛槽數(shù)來(lái)計(jì)算。由于元件邊置放在槽內(nèi)，所以y1必定是一個(gè)整數(shù)。為得到較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，y1最好等于或者接近于一個(gè)極距，即10/31/20238ε為使yl湊成整數(shù)的一個(gè)小數(shù)。通常，y1=τ稱為整距元件；相應(yīng)的，y1>τ為長(zhǎng)距；y1<τ為短距。由于短距繞組有利于換向，對(duì)于疊繞組尚能節(jié)省局部端部用鋼，故常被承受。10/31/202392．其次節(jié)距y2在相串聯(lián)的兩個(gè)元件中，第一個(gè)元件的下層邊與其次個(gè)元件的上層邊在電樞外表上所跨的距離，稱為其次節(jié)距。其次節(jié)距用y2表示，也用虛槽數(shù)計(jì)算。10/31/2023103．合成節(jié)距y相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞外表所跨的距離，稱為合成節(jié)距。合成節(jié)距用y表示，也用虛槽數(shù)計(jì)算。波繞和疊繞、單繞組和復(fù)繞組之間的差異，主要表現(xiàn)在合成節(jié)距上。所謂疊繞組是指：各磁極下的元件依次相連，后一個(gè)元件總是“疊”在前一個(gè)元件上。波繞組是指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來(lái)，像波浪一樣向前延長(zhǎng)。疊撓和波繞這兩種聯(lián)法，都能保證相串聯(lián)的元件其電動(dòng)勢(shì)方向一樣而不相互抵消。對(duì)疊繞組y=y1-y2對(duì)波繞組y=y1+y210/31/2023114．換向器節(jié)距yk在換向器外表上，同一個(gè)元件的兩個(gè)出線端所接的兩個(gè)換向片之間所跨的距離，稱為換向器節(jié)距。換向器節(jié)距用yk表示，其大小用換向片數(shù)計(jì)算．由于元件數(shù)等于換向片數(shù)，每連接一個(gè)元件時(shí)，元件邊在電樞外表前進(jìn)的距離，應(yīng)當(dāng)?shù)扔谄涑鼍€端在換向器外表所前進(jìn)的距離，所以換向器節(jié)距應(yīng)當(dāng)?shù)扔诤铣晒?jié)距，即yk=y規(guī)定yk>0為右行繞組，yk<0為左行繞組，左行繞組每一個(gè)元件接到換向片上的兩根端接線要相互交又，亦較長(zhǎng)(用銅較多)，故較少承受。10/31/202312§2.2單疊繞組

一、節(jié)距計(jì)算二、繞組連接表三、繞組開(kāi)放圖四、電刷放置法五、繞組的并聯(lián)支路數(shù)10/31/202313電樞繞組中任何兩個(gè)串聯(lián)的元件都是后一個(gè)疊在前一個(gè)的上面的稱為疊繞組。每繞一個(gè)元件便在電樞外表移過(guò)一個(gè)虛槽的疊繞組稱為單疊繞組y＝y(tǒng)k＝±1。假設(shè)y＝y(tǒng)k＝＋1，則繞組向右繞行，稱右行繞組，見(jiàn)圖a；y＝y(tǒng)k＝－1，則繞組向左繞行，稱左行繞組，見(jiàn)圖b。10/31/202314一、節(jié)距計(jì)算

對(duì)于右行單疊繞組，有y＝y(tǒng)k＝＋1整距(整數(shù)，可繞制)其次節(jié)距y2＝y(tǒng)1—y＝3虛槽數(shù)Z＝Zi→u＝110/31/202315二、繞組連接表

1．將槽和元件邊編號(hào)2．繞組元件連接法表中每根實(shí)斜線所連接的兩個(gè)元件邊構(gòu)成一個(gè)元件。如1～5”為第1元件等等，兩元件之間的虛線則表示通過(guò)換向器上的一片換向片把兩元牛串聯(lián)的連接線。從表可見(jiàn)，從第1元件動(dòng)身，繞完Zi個(gè)元件后，又回到第1元件而形成閉合回路。直流電樞繞組總是自行閉合的。10/31/202316三、繞組開(kāi)放圖繞組開(kāi)放圖如以下圖，它是假設(shè)把電樞從某一齒中心沿軸向切開(kāi)并開(kāi)放成一帶狀平面。上元件邊仍用實(shí)線段表示，下元件邊用虛線段表示。圖中畫(huà)的磁極是在繞組的上面，因此N極的磁力線指向紙面，S極的磁力線從紙面穿出。左上方的箭頭表示繞組的旋轉(zhuǎn)方向。由此運(yùn)用右手定則，可確定在圖示瞬間各元件邊內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向。并且可看出電刷電位的正負(fù)。10/31/202317圖中相鄰兩主極間的中心線，空載時(shí)線上在電樞外表處的主極磁場(chǎng)徑向磁通密度為零，稱為電樞上的幾何中性線。明顯，在幾何中性線上的元件邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，如元件邊1、1”；5、5”，9、9”；13和13”都無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。10/31/202318換向器和繞組元件之間的相對(duì)位置，對(duì)于常用的端接對(duì)稱的繞組，應(yīng)使每一元件所接的兩個(gè)換向片的中心線恰好與元件的軸線〔元件兩邊跨距的平分線〕重合。圖中元件1的軸線與槽3的中心線重合，而元件1所接的兩換向片1和2的中心線也恰好在槽3的中心線上。換向器的大小的畫(huà)得與電樞一樣，換向片寬等于槽距，換向片的編號(hào)與它所連接的上元件邊的編號(hào)一樣。這樣，元件1的上元件邊接到換向片1，下元件邊接到換向片1＋yk＝1＋1＝2，再經(jīng)過(guò)元件2而接到換向片2＋yk＝2＋1＝3，如此連續(xù)依次連接便得繞組開(kāi)放圖。10/31/202319四、電刷放置法

確定電刷放在換向器上位置的原則是：空載時(shí)正、負(fù)電刷之間獲得最大電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)被電刷短路的元件電動(dòng)勢(shì)為零。

10/31/202320無(wú)論整距、短距或長(zhǎng)距元件，只要元件軸線與主極軸線重合，元件的電動(dòng)勢(shì)便為零。我們把這時(shí)元件所接兩換向片的中心線稱為換向器上的幾何中性線。10/31/202321電刷應(yīng)放在換向器上的幾何中性線上。對(duì)端接對(duì)稱的元件，換向器上的幾何中性線與主極軸線重合，因此電刷必需放在主極軸線下的換向片上，主極和電刷的空間位置都是固定的，因此這一放置電刷的結(jié)論特殊明確，見(jiàn)圖a。假設(shè)元件是不對(duì)稱端接的，以致?lián)Q向器上的幾何中性線不與主極軸線重合，而是偏離后者一個(gè)角度，則電刷位置應(yīng)相應(yīng)地移過(guò)同一角度，見(jiàn)圖b。10/31/202322五、繞組的并聯(lián)支路數(shù)

單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)恒等于電機(jī)的主極數(shù)，這是單疊繞組的特點(diǎn)，即2a＝2p或a＝p式中a——并聯(lián)支路對(duì)數(shù)。單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于主極數(shù)，增加電機(jī)的主極數(shù)便可增加支路數(shù)。要在主極數(shù)不變的狀況下使支路數(shù)成倍增加，可把多個(gè)單疊繞組嵌在同一個(gè)電樞上，并借助電刷并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成復(fù)疊繞組。假設(shè)相串聯(lián)的兩元件對(duì)應(yīng)邊相距加個(gè)虛槽，相應(yīng)地每一元件兩端所接的換向片相距m片換向片，便得由m個(gè)單疊繞組構(gòu)成的復(fù)疊繞組，稱為m疊繞組〔電刷寬應(yīng)大于m個(gè)換向片寬〕，其并聯(lián)支路數(shù)也為2a＝2mp了。10/31/202323§2.3單波繞組

一、節(jié)距和繞組連接表二、繞組開(kāi)放圖三、繞組的并聯(lián)支路數(shù)四、電刷位置和電刷組數(shù)五、關(guān)于直流電樞繞組的均壓線10/31/202324單疊繞組中一個(gè)磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，這時(shí)支路中相串聯(lián)的元件電動(dòng)勢(shì)是同方向的。從這種觀點(diǎn)動(dòng)身，也可以把全部同樣極性下的元件都串聯(lián)成一條支路，這時(shí)兩個(gè)相串聯(lián)的元件的對(duì)應(yīng)邊相距〔即合成節(jié)距y〕約等于兩個(gè)極距〔2τ〕，形成如以下圖的波浪形。這種繞組稱為波繞組。10/31/202325單波繞組元件的第一節(jié)y1與疊繞組一樣，要求接近于極距τ。即但合成節(jié)距y＝y(tǒng)k接近于2τ而不能等于2τ。10/31/202326由于當(dāng)y＝2τ時(shí)，由動(dòng)身點(diǎn)串聯(lián)p個(gè)元件而繞電樞一周之后，就會(huì)回到動(dòng)身點(diǎn)而閉合，以致繞組無(wú)法連續(xù)繞下去，就換向片來(lái)說(shuō)也是一樣。假設(shè)繞組從某一換向片動(dòng)身，經(jīng)電樞圓周沿?fù)Q向器繞一周后恰好回到原來(lái)動(dòng)身的加個(gè)換向片相鄰的一片上，則可連續(xù)繞其次周、第三周……，最終把全部元件串聯(lián)完畢并與最初的動(dòng)身點(diǎn)相接而構(gòu)成一閉合繞組。故要求yk值滿足以下關(guān)系：10/31/202327式中如取負(fù)號(hào)，則繞行一周后比動(dòng)身時(shí)的換向片后退一片，稱為左行繞組，見(jiàn)圖a；如取正號(hào)，則前進(jìn)一片，稱為右行繞組，見(jiàn)圖b。右行繞組的端接線穿插，比左行繞組長(zhǎng)，故不常用?，F(xiàn)舉例說(shuō)明單波繞組的繞法、支路電動(dòng)勢(shì)和支路數(shù)等問(wèn)題。例：電機(jī)極數(shù)2p＝4，槽數(shù)和換向片數(shù)均等于15。此時(shí)u＝1；Z＝Zi＝S＝K＝15。要求繞制一左行短距單波繞組。10/31/202328一、節(jié)距和連接表

左行單波繞組

短距繞組

其次節(jié)距y2＝y(tǒng)－y1＝4虛槽數(shù)u＝110/31/202329據(jù)此按本章第六節(jié)所述方法得繞組連接表如下10/31/202330二、繞組開(kāi)放圖依據(jù)繞組連接表可繪制繞組開(kāi)放圖，如以下圖。通常波繞組也是端接對(duì)稱的，即每一元件所接的兩換向片對(duì)稱地位于該元件軸線的左右兩邊，也就是元件所接兩換向片的中心線與元件軸線重合。在端接對(duì)稱的波繞組中，電刷也放在主極軸線下的換向片上。元件在換向器上的串聯(lián)次序是，元件1的上元件邊接到換向片1，它的下元件邊接到換向片1＋yk＝1+7＝8，再串聯(lián)元件8而接到換向片8＋yk＝8+7＝15，如此連續(xù)串聯(lián)下去，可把15個(gè)元件串聯(lián)完畢而回到換向片1，構(gòu)成閉合回路。定出電樞旋轉(zhuǎn)方向后，按右手定則可確定各元件電動(dòng)勢(shì)方向。把開(kāi)放圖畫(huà)成圖示的電路圖，可以更清晰地看出全部元件的串聯(lián)次序、電刷放置和并聯(lián)支路等狀況。10/31/20233110/31/202332三、繞組的并聯(lián)支路數(shù)

單波繞組只有兩條并聯(lián)支路，而與主極數(shù)目無(wú)關(guān)。這是單波繞組的特點(diǎn)，即2a＝2或a＝1當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，各元件的位置隨時(shí)間變化，構(gòu)成支路的元件交替更換，但從電刷外面看繞組時(shí)，照舊是一個(gè)有兩條并聯(lián)支路的電路。正由于如此，在元件數(shù)一樣的狀況下，波繞組每條支路的串聯(lián)元件數(shù)就可能比疊繞組多，支路電壓也就會(huì)比較高。這也是波繞組的根本特點(diǎn)。波繞組增加并聯(lián)支路數(shù)的方法是承受復(fù)波繞組。由m個(gè)單波繞組構(gòu)成的波繞組叫做m波繞組，其特點(diǎn)是。m波繞組通過(guò)電刷實(shí)現(xiàn)并聯(lián)(電刷寬度等于或大于m個(gè)換向片寬度)，其并聯(lián)支路數(shù)增至2m。10/31/202333四、電刷位置和電刷組數(shù)

在前面分析疊繞組電刷放置原則時(shí)得出的結(jié)論——“電刷應(yīng)固定放置在換向器上的幾何中性線上”也適用于波繞組。為此，可把“換向器上的幾何中性線”的意義擴(kuò)大為：當(dāng)元件軸線與主極軸線重合時(shí)，該元件所接兩換向片之間的中心線便是換向器上的幾何中性線。其物理意義照舊是：當(dāng)電刷中心線與幾何中性線重合時(shí)，被電刷短路的元件中的電動(dòng)勢(shì)為零或接近于零。10/31/20233410/31/202335從電路圖分析可見(jiàn)，被電刷短路的元件電動(dòng)勢(shì)為零，正、負(fù)電刷間的支路電動(dòng)勢(shì)為最大值，這與單疊繞組結(jié)論全都。觀看圖所示瞬間，元件5的軸線與主極軸線重合，其元件電動(dòng)勢(shì)為零，該元件所接兩換向片5和12的中心線〔即換向片8和9的分界限〕上放置電刷B1，與主極軸線在換向器上的位置重合。這時(shí)，元件9和元件12串聯(lián)后被B1短路，元件1和9對(duì)稱地位于S極左右兩側(cè)，這兩元件電動(dòng)勢(shì)大小相等而方向相反，串聯(lián)電動(dòng)勢(shì)為零，所以B1的位置就是換向器上幾何中性線的位置。由此可見(jiàn)，端接對(duì)稱的繞組，無(wú)論是疊繞或波繞，由于換向器上的幾何中性線與主極軸線重合，所以電刷應(yīng)放在主極軸線下的換向片上。10/31/202336從以上分析可見(jiàn)，無(wú)論疊繞或波繞，每個(gè)主極都可在換向器上找到一根幾何中性線，因此，換向器上的幾何中性線的數(shù)目等于主極數(shù)2p，隨之可在換向器上放置2p組電刷。但對(duì)單波繞組，從圖可見(jiàn)，由于只有兩條并聯(lián)支路，理論上只需放置兩組電刷，例如把電刷A2、B2取消，只留下A1、B1，對(duì)兩支路電動(dòng)勢(shì)大小并無(wú)影響。但實(shí)際上除特殊狀況外，一般仍承受2p組電刷〔即全額電刷〕。對(duì)單波繞組來(lái)說(shuō)也有好處，電刷數(shù)目增加后，每組電刷通過(guò)的電流可以減小，在確定的電刷允許電流密度下，可減小每組電刷與換向器的接觸面積，隨之可縮短換向器的長(zhǎng)度，節(jié)省用銅量。10/31/202337單波繞組的特點(diǎn)是只有兩條并聯(lián)支路，因此，在確定的繞組元件數(shù)下，每支路串聯(lián)的元件數(shù)較多，支路電壓較高。要增加并聯(lián)支路數(shù)可承受復(fù)波繞組，由m個(gè)單波繞組構(gòu)成的m波繞組，借電刷并聯(lián)起來(lái)〔電刷寬應(yīng)等于或大于m個(gè)換向片寬〕，其并聯(lián)支路數(shù)為2a＝2m。10/31/202338五、關(guān)于直流電樞繞組的均壓線

無(wú)論是疊繞組還是波繞組，都是認(rèn)為在a對(duì)并聯(lián)支路中，各對(duì)支路的對(duì)應(yīng)元件在磁場(chǎng)中所處的位置都一樣，各支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都相等，支路間不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，稱為對(duì)稱繞組。但由于工藝、裝配等緣由，不行避開(kāi)地引起磁的或者電的不平衡，導(dǎo)致支路間產(chǎn)生環(huán)流，為此將直流電樞繞組中理論上電位相等的點(diǎn)用均壓線連接起來(lái)。10/31/202339理論上電位相等的點(diǎn)相距稱為均壓節(jié)距。單疊繞組的均壓線稱為甲種均壓線(在換向器一側(cè)連接)，單波繞組總是對(duì)稱的，無(wú)需均壓線，雙波繞組的均壓線稱為乙種均壓線。把疊繞組與波繞組混合而成的電樞繞組稱為混合繞組，又稱蛙形繞組，它本身有完善的均壓作用，對(duì)疊繞組而言，波繞組元件跨過(guò)一對(duì)極距而相當(dāng)于均壓線。10/31/202340§2.4各種繞組的應(yīng)用范圍除單疊和單波繞組外，電樞繞組還有復(fù)疊、復(fù)波和混合繞組。區(qū)分：主要是換向器節(jié)距yK不同。復(fù)疊繞組：yK＝m，m>1的整數(shù)，a＝mp。復(fù)波繞組：yK＝(K－m)/p，a＝m?；旌侠@組：由于a＝p，a＝m＝p，所以a＝2p。10/31/202341雙疊繞組是由兩個(gè)單疊繞組通過(guò)電刷并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成，每個(gè)單疊繞組的元件相互間隔地嵌入槽內(nèi)。雙波繞組則由兩個(gè)單波繞組通過(guò)電刷并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成，每個(gè)單波繞組的元件也是相互間隔地嵌于槽內(nèi)。所以雙繞組的節(jié)距與單繞組不同，但連接規(guī)律與單繞組并無(wú)根本區(qū)分。雙繞組的支路數(shù)應(yīng)是單繞組的一倍，這是簡(jiǎn)潔理解的。一套疊繞組和一套波繞組按確定的規(guī)律嵌放并連接到同一個(gè)換向器上，可以構(gòu)成混合繞組(亦稱蛙型繞組)。10/31/202342就使用而言，各種直流電樞繞組的主要差異就在于并聯(lián)支路數(shù)的多少。支路多時(shí)，每條支路中的串聯(lián)元件數(shù)減小。通常都是依據(jù)電機(jī)額定電流的大小和額定電壓的凹凸來(lái)選擇繞組型式。單波繞組的支路數(shù)最少，用于小容量電機(jī)和電壓較高或轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)。復(fù)波繞組可用于多極數(shù)、低速的中、大型電機(jī)。單疊繞組的支路數(shù)比波繞組多，主要用于