第二章直流電機運行特點

陶若二章直流電機的運行原理第1節(jié)

直流電機的電樞繞組按聯(lián)結(jié)方法，可分為：單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組、混合繞組。區(qū)別在于電樞繞組的并聯(lián)支路數(shù)不同。電樞繞組產(chǎn)生感應電動勢，通過電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的重要部件。直流電機電樞繞組的一般知識單疊繞組單波繞組直流電機的磁動勢和磁場主要內(nèi)容直流電機電樞繞組的一般知識作用：電樞繞組是直流電機的關(guān)鍵部件之一，構(gòu)成直流電機的電路部分，在機電能量轉(zhuǎn)換中起著重要的作用，運行時電樞繞組產(chǎn)生電動勢，流過電流并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。電樞繞組的基本要求：(1)能產(chǎn)生盡可能大的電動勢，并有良好的波形。(2)能通過足夠大的電流，以產(chǎn)生并承受所需的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。(3)節(jié)省材料（有色金屬和絕緣材料），結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠。(4)便于維護和檢修。(5)對直流電機，應保證換向良好。直流電機電樞繞組的一般知識分類特點：閉合繞組(1)疊繞組：單疊和復疊繞組。(2)波繞組：單波和復波繞組。(3)蛙繞組：疊繞和波繞混合的繞組。電樞繞組的演變環(huán)形電樞繞組鼓形電樞繞組eeeeeeeeeeeeee直流電機電樞繞組的一般知識電樞繞組的演變環(huán)形電樞繞組只有一半的導體產(chǎn)生感應電動勢，導體利用率低。環(huán)形繞組2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e直流電機電樞繞組的一般知識電樞繞組的演變鼓形電樞繞組線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中,兩邊都能切割磁場而產(chǎn)生感應電勢。鼓形繞組直流電機電樞繞組的一般知識NS電樞繞組展開圖AB+_直流電機電樞繞組的一般知識一、疊繞組和波繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈。電樞繞組的基本單元，單匝和多匝直流電機電樞繞組的一般知識一、疊繞組和波繞組雙層繞組1）每個元件的兩端點分別連接在兩換向片上，每個換向片連接兩個元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。2）一個元件邊放在槽的上層，另一邊放在另一槽的下層，一個槽里總有上下層線圈邊。3）線圈的兩個元件處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個極距，兩個電勢相加。直流電機電樞繞組的一般知識一、疊繞組和波繞組疊繞組：一個元件的兩出線端接在兩相鄰換向片上（單疊繞組），或相隔數(shù)片的換向片上（復疊繞組）。折疊式前進波繞組疊繞組波繞組：一個元件的兩出線接在相隔約兩個極距的換向片上，繞它一周后回到與起始片相鄰的換向片上（單波繞組），或相隔數(shù)片的換向片上（復波繞組）。波浪式前進直流電機電樞繞組的一般知識二、實槽和虛槽為改善電機的性能，希望用更多的元件組成電樞繞組。由于工藝等原因，電樞鐵心不能開太多的槽，故在每槽的上下層各放置若干元件邊。若每一實槽中一層并排放置u排元件邊，則一個實槽可以看成u個“虛槽”，每一個虛槽的上、下層各有一個元件邊。實槽與虛槽

u=3

直流電機電樞繞組的一般知識二、實槽和虛槽每一元件有兩個邊；每一換向片上接兩個邊；每一虛槽內(nèi)放置有兩個邊；元件數(shù)S等于換向片數(shù)K，等于虛槽數(shù)每線圈有Nc匝，則總導體數(shù)為N

直流電機電樞繞組的一般知識三、節(jié)距第一節(jié)距y1：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。極距：在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。為湊整分數(shù)整距繞組短距繞組長距繞組短距繞組端部接線短、省銅，且利于換向，故常用第一節(jié)距y1

換向器節(jié)距yk：每元件的兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示。yK

＝y(tǒng)直流電機電樞繞組的一般知識三、節(jié)距第二節(jié)距y2：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。合成節(jié)距y第二節(jié)距y2換向器節(jié)距yk合成節(jié)距y：連接同一換向片的兩個元件的對應邊在電樞表面的跨距。y＝y(tǒng)1＋

y2單疊繞組元件依次相連，元件的出線端接到相鄰的換向片上，第一個元件的下層邊（虛線）連接著第二個元件的上層邊，它放在第一元件上層邊相鄰的第二個槽內(nèi)。相鄰元件(線圈)相互疊壓,后一元件的端部緊疊在前一元件的端部（疊）；首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1（單），即yK

＝y(tǒng)＝1槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同單疊繞組單疊繞組元件

右行

左行

單疊左行繞組和單疊右行繞組單疊繞組舉例：2p＝4，

u=1，Z＝Z

e＝S＝K＝16，單疊右行整距繞組一、節(jié)距計算y＝y(tǒng)k＝＋1節(jié)距計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極展開圖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)系單疊繞組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NSNSττττA+B–++－－單疊繞組單疊繞組展開圖1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττA+B–++－－單疊繞組單疊繞組展開圖單疊繞組單疊繞組極軸線：磁極的中心線磁極的放置：磁極寬度約為,均勻分布，N、S極交替排列幾何中性線：相鄰兩個主磁極之間的中心線電刷的放置原則空載時，正、負電刷間的電動勢最大；被電刷短路的元件的感應電動勢最小或等于零。換向器的幾何中性線：線圈軸線與主磁極軸線重合時，該線圈所接兩換向片的分界線電刷的位置：換向器的幾何中性線，簡稱幾何中性線單疊繞組同一極下導體電流方向相同（同一槽中上下層邊不屬于同一線圈，但電流的方向一致）；N、S極下導體電流方向相反。直流電機示意圖單疊繞組電路圖單疊繞組

單疊繞組的特點（1）元件的兩個出線端連接于相鄰的兩個換向片上；（2）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。2a=2p（3）整個電樞繞組的閉合回路中，感應電動勢的總和為零，繞組內(nèi)部無“環(huán)流”；（4）每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷數(shù)等于主磁極數(shù)；（5）電刷位置應使感應電動勢最大，正負電刷之間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；Ea=ea（6）由正負電刷引出的電樞電流為各支路電流之和，即Ia=2aia（式中ia為每一條支路的電流，即繞組元件中流過的電流）。單波繞組首末端所連的兩換向片相隔很遠，兩個元件串聯(lián)后形似波浪。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。合成節(jié)距與換向節(jié)距相等yK

＝y(tǒng)整數(shù)單波繞組單波左行繞組和單波右行繞組單波繞組元件

右行

單波繞組舉例：2p＝4，

u=1，Z＝Z

e＝S＝K＝15，左行短距單波繞組一、節(jié)距計算節(jié)距計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放電刷和磁極單波繞組元件、換向片的放置：1＃元件上層邊1＃槽，下層邊4＃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＃元件的軸線重合。1＃元件上層邊所連的換向片定為1＃。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：放在與主磁極軸線重合的換向片上。即幾何中心線上。

單波繞組單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷單波繞組單波繞組展開圖單波繞組單波繞組元件連接順序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用聯(lián)接順序圖表示為：1815714613512411310291411310291815714613512上層邊下層邊單波繞組單波繞組電路圖單波繞組單波繞組的特點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，即a＝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)原則上等于2，為降低電刷電流密度，可用2p只電刷，即電刷數(shù)等于磁極數(shù)（采用全額電刷）；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。即Ia=2ia4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；因只有兩條支路，元件一定時，可得到較高的電壓；單疊繞組和單波繞組的主要區(qū)別單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構(gòu)成一支路，并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。相同元件數(shù)時，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，稱并聯(lián)繞組，適應于較大電流、較低電壓的電機。單波繞組：全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路，即N極下上層的繞組元件串聯(lián)為一支路，S極下的串聯(lián)為另一支路，并連支路數(shù)恒等于2，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。相同元件數(shù)時，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，稱串聯(lián)繞組，適用于較高電壓、較小電流的電機。大容量的電機，可以采用混合繞組。電樞繞組由結(jié)構(gòu)相同的線圈組成，可以是單匝或多匝的。線圈由線圈邊和線圈端部組成，有首端和末端，首、末端分別與不同的換向片聯(lián)結(jié)。每個槽內(nèi)放置兩層線圈邊。線圈的一個線圈邊放在槽的上層，稱為上層邊；另一線圈邊放在另一槽的下層，稱為下層邊。直流電機的電樞繞組每個槽內(nèi)放置兩個線圈邊，電樞槽數(shù)Q等于線圈數(shù)S。實際電機中，常在槽的上、下層放置多個線圈邊。用虛槽來描述，如果每個實槽中有u個虛槽，則虛槽數(shù)與實槽數(shù)的關(guān)系為Qu＝uQ

。直流電機的電樞繞組線圈間通過換向片相互聯(lián)結(jié)，同一換向片既聯(lián)一個線圈的首端，又聯(lián)另一線圈的末端，換向片數(shù)

K

等于線圈數(shù)

S

。虛槽數(shù)、線圈數(shù)和換向片數(shù)的關(guān)系為Qu＝S

＝K

。節(jié)距：表示相關(guān)的兩個線圈邊之間的距離，用虛槽數(shù)或換向片數(shù)表示。直流電機的電樞繞組第一節(jié)距

y1：一個線圈的兩個線圈邊在電樞圓周表面上跨過的距離。為使線圈的感應電動勢最大，y1應接近極距

p。整距線圈：y1＝

p短距線圈：y1＜

p長距線圈：y1＞

p直流電機的電樞繞組第二節(jié)距y2：一個線圈的下層邊和與其串聯(lián)的另一線圈的上層邊間的距離。合成節(jié)距

y

：兩個串聯(lián)的線圈的對應邊的距離。單疊繞組單波繞組（代數(shù)和）直流電機的電樞繞組換向片節(jié)距

yK：一個線圈的首、末端在換向器表面跨過的距離，用換向片數(shù)表示。yK

＝y(tǒng)

。單疊繞組單波繞組單疊繞組：yK＝1；單波繞組：yK≈2

p。單疊繞組單疊繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律以2p＝4，Qu＝S＝K＝16的直流電機為例。合成節(jié)距y為正表示右行，負表示左行。繞組可用右行，也可用左行，通常采用右行。單疊繞組繞組展開圖電樞在旋轉(zhuǎn)，取某一時刻，磁極在上面。電動勢方向。電刷的位置（磁極中心線下）。實線表示上層邊，虛線表示下層邊。幾何中性線：相鄰兩個主極間的中心線。單疊繞組單疊繞組的并聯(lián)支路圖繞組并聯(lián)支路數(shù)2a等于電機的極數(shù)，即電刷數(shù)應與極數(shù)相同，稱為全額電刷。單疊繞組自成一個閉合回路。單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律經(jīng)過p對極后，應與換向片1相鄰，即＋、－號分別表示右、左行。左行端部稍短，常被采用。y1接近極距

p

。整數(shù)單波繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律以2p＝4，Qu＝S＝K＝15的直流電機為例。采用左行繞組。整數(shù)單波繞組繞組展開圖單波繞組并聯(lián)支路圖電刷數(shù)通常與極數(shù)相同（全額電刷）。繞組并聯(lián)支路數(shù)2a＝2，即。單波繞組自成一個閉合回路。第2節(jié)

直流電機的磁場和電樞反應1.直流電機的勵磁方式大多數(shù)直流電機都采用勵磁繞組通以直流勵磁電流的方式來建立氣隙磁場（此外還有采用永磁體建立氣隙磁場的永磁直流電機）。勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。直流電機在不同的勵磁方式下，運行特性會有明顯的差別。按勵磁方式分類是直流電機的一種主要分類方法。直流電機的勵磁方式以直流電動機為例。他勵Ia＝

I并勵串勵復勵I＝Ia＋IfI＝IaIa：電樞電流，

I

：輸入電流I＝Ia＋If2.直流電機空載時的磁場直流電機空載時（Ia＝0）的氣隙磁場僅由勵磁電流If產(chǎn)生的勵磁磁動勢Ff建立。磁動勢Ff產(chǎn)生的磁場2.直流電機負載時的氣隙磁場主要分析電樞繞組流過負載電流時產(chǎn)生的電樞磁動勢及其作用。電樞磁動勢對勵磁電流建立的氣隙磁場產(chǎn)生影響，稱為電樞反應。電樞反應對氣隙磁通密度的大小、分布、電機的換向、運行性能都有影響。電樞磁動勢的空間分布“電刷位于幾何中性線”通過換向片被電刷短路的整距線圈的線圈邊位于幾何中性線處。畫示意圖時，通常省略換向片，把電刷直接畫在幾何中性線處，與被短路的線圈邊直接接觸。通常將這種情況稱為“電刷位于幾何中性線”。此時電刷的實際位置仍在主極中心線電樞磁動勢的空間分布電刷是電樞電流的分界線。以主極中心線為直軸（d

軸），以幾何中性線為交軸（q

軸）。電樞磁動勢Fa及其產(chǎn)生的磁場的空間位置不動，軸線在交軸處。交軸（q

軸）直軸（d

軸）電刷位于幾何中心線時電樞磁動勢的空間分布電刷位于幾何中心線時規(guī)定磁動勢及磁通密度的參考方向：出電樞、進磁極為正。每極下導體數(shù)為z

/2p，導體電流為ia＝Ia

/2a

。電負荷A

：電樞圓周單位長度上的安培導體數(shù)，電樞磁動勢的空間分布電刷位于幾何中心線時每極電樞磁動勢最大值為Fa使幾何中性線處的氣隙磁通密度不為零。電樞磁動勢的空間分布電刷不位于幾何中心線時電樞磁動勢可分解為兩個分量：直軸、交軸磁動勢。電樞反應交軸電樞反應使磁場畸變，幾何中心線處的氣隙磁通密度不為零。不飽和時，氣隙每極磁通量不變。飽和時，每極磁通量略有減小，有去磁作用。直軸電樞反應有增磁或去磁作用。第3節(jié)

直流電機的換向直流電機電樞旋轉(zhuǎn)時，構(gòu)成電樞繞組的各線圈，依次從一條支路經(jīng)由電刷短路后轉(zhuǎn)入電流方向相反的另一條支路。這種電流方向的改變稱為換向。開始換向換向過程中換向結(jié)束換向性能是直流電機運行品質(zhì)的重要指標。換向不好會在電刷與換向片間產(chǎn)生有害的火花。當火花超過一定限度時，會加劇電刷和換向器的磨損，可能損壞電刷和換向器表面，甚至產(chǎn)生環(huán)火，使電機不能正常運行甚至損壞。產(chǎn)生換向火花的原因有多方面，受電磁、機械、電刷材質(zhì)、電化學、電熱以及環(huán)境等多種因素影響。直流電機的換向直流電機的換向改善換向的方法在幾何中性線處安裝換向極（最有效的方法）。采用補償繞組。選用合適的電刷。換向極第4節(jié)

電樞繞組的感應電動勢

和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的感應電動勢為了簡單，假定：電樞表面光滑無槽；電樞繞組導體數(shù)目無窮多，且均勻分布；繞組采用整距線圈；電刷位于幾何中性線（實際位置在磁極中心線）。電樞繞組的感應電動勢電樞繞組的感應電動勢Ea，簡稱電樞電動勢，是指正、負極性電刷間的電動勢。Ea就是電樞繞組任一條并聯(lián)支路的電動勢，等于一條并聯(lián)支路串聯(lián)的所有導體的電動勢之和。電樞繞組有效導體總數(shù)為z＝2SNk（S為線圈數(shù)，Nk為線圈匝數(shù)），則電樞繞組的感應電動勢設氣隙磁通密度平均值為Bav，則氣隙每極磁通量

＝Bavle

p，一根導體感應電動勢的平均值為電樞電動勢為為簡單起見，用平均值來推導。為電動勢常數(shù)。（le為有效長度）電樞繞組的感應電動勢電樞電動勢如果線圈不是整距，而是短距的，則Ea會略有降低。但實際電機不允許短距太大，所以可不計其影響。如果電刷不位于幾何中性線，Ea將會減小。電樞電動勢Ea與每極磁通量

、轉(zhuǎn)速n成正比。電動勢常數(shù)Ce與極對數(shù)

p

、導體總數(shù)

z

、并聯(lián)支路對數(shù)a有關(guān)。電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩

T

為電樞所有導體上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之和。電樞電流為Ia時，一根導體中的電流為Ia/2a每根導體產(chǎn)生的平均電磁力為電磁轉(zhuǎn)矩為（dr為電樞直徑）設線圈為整距，電刷位于幾何中性線，則一個主極下各導體的電流方向相同，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向相同。電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。如果線圈不是整距的，則總的電磁轉(zhuǎn)矩會減??；因為通常短距不大，所以不考慮此影響。電刷不位于幾何中性線時，T

的增減與電樞反應性質(zhì)有關(guān)。電磁轉(zhuǎn)矩T

與每極磁通量

、電樞電流Ia成正比。第5節(jié)

直流電機的基本方程式直流電機的基本方程式描述電機穩(wěn)態(tài)運行時通過電磁感應作用而實現(xiàn)的機電能量轉(zhuǎn)換過程。直流電機的基本方程式包括：電動勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式和功率平衡方程式等。1.直流發(fā)電機的基本方程式參考方向以并勵直流發(fā)電機為例。按發(fā)電機慣例規(guī)定參考方向。向負載側(cè)看，U與輸出電流

I

同向。

Ea＞U，Ea與Ia同向。勵磁電流

If與勵磁電壓Uf的參考方向相同。原動機拖動轉(zhuǎn)矩

T1與轉(zhuǎn)速

n

同向。電磁轉(zhuǎn)矩

T

與

n

反向，為制動性。直流發(fā)電機的基本方程式電動勢平衡方程式Ra

為電樞回路總電阻（包括ra和電刷接觸電阻），在一定范圍內(nèi)可視為常數(shù)。電樞回路的電動勢平衡方程式常用形式：ra為電樞回路各繞組的總電阻；2

Ub為一對電刷接觸電阻的壓降。直流發(fā)電機的基本方程式電動勢平衡方程式Rf

為勵磁回路總電阻。（包括勵磁繞組電阻和串入的附加電阻）電流關(guān)系勵磁回路If為勵磁電流；I為輸出電流。直流發(fā)電機的基本方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式T0為空載轉(zhuǎn)矩（由電機的機械摩擦和鐵耗等引起，總是制動性轉(zhuǎn)矩）。穩(wěn)態(tài)運行時，拖動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩相平衡。按照轉(zhuǎn)矩的參考方向，可得直流發(fā)電機的基本方程式功率平衡方程式軸上輸入的機械功率P1扣除空載損耗

p0，等于電磁功率Pem?？蛰d損耗p0包括機械損耗

pm、鐵耗

pFe和附加損耗