第章直流电机的磁路和电枢绕组课件.ppt

1、一、空载时磁场分布一、空载时磁场分布 电机中磁场的分布是对称的，由励磁动势所建电机中磁场的分布是对称的，由励磁动势所建立的主极磁通分两部分：主磁通立的主极磁通分两部分：主磁通0和漏磁通和漏磁通。00图图1 直流电机空载时的磁场分布直流电机空载时的磁场分布 磁路从磁路从气隙气隙1出发经出发经电枢齿电枢齿电枢轭电枢轭电枢电枢齿齿2气隙气隙2主磁极主磁极2定子轭定子轭主磁极主磁极1，最后，最后又回到又回到气隙气隙1。主磁通、主磁路：由主磁通、主磁路：由N N极出极出发，发，经气隙进入电枢齿部，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入电枢齿，通过气隙进入

2、S S极，极，再经定子轭回到原来再经定子轭回到原来N N极。极。主磁通交链励磁主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感在电枢绕组中感应电势，产生电应电势，产生电磁转矩。磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。的磁极或定子轭。影响饱和影响饱和程度程度;10k00kp 整个闭合磁路分为整个闭合磁路分为5段：段：两个气隙、两个电枢两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个主极铁心和一个定子轭。齿、一段电枢轭、两个主极铁心和一个定子轭。磁路计算的步骤：磁路计算的步骤：1、先求经过某一段的磁通；、先求经过某一段的磁通

3、；2、根据该段的有效截面积、根据该段的有效截面积SX计算该段的磁密计算该段的磁密BX；3、由、由BX在磁化曲线上查在磁化曲线上查HX；4、确定各段、确定各段 磁路计算长度磁路计算长度LX；5、计算各段磁路磁压降、计算各段磁路磁压降 HXLX；xxLHF6 6、相加各段磁路磁压降得出一对磁极所需的总、相加各段磁路磁压降得出一对磁极所需的总磁动势：磁动势：。B B bddatN在主极直轴附近的气隙较小，在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两

4、极之间的几也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于何中线处时，磁密等于0。主磁场磁密的分布主磁场磁密的分布 在一个磁极的范围内，励在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，磁磁势大小一样，B大小完大小完全与气隙长度成反比。全与气隙长度成反比。磁化曲线：磁化曲线：表示空载主磁通表示空载主磁通0与主极励磁磁动与主极励磁磁动势势Ff之间的关系曲线，之间的关系曲线，0f（Ff）。通过实验）。通过实验或计算得到。或计算得到。0Ff直线，不直线，不饱和部分饱和部分膝点膝点饱和部分饱和部分FF00dFFk(膝点处约膝点处约1.11.35)k为磁路的饱和为磁路的饱和系数，电机一般运行系数，电机一般运行在膝点

5、处。在膝点处。图图2 磁化特性曲线磁化特性曲线 电枢绕组是由若干结构形状相同的元件按一电枢绕组是由若干结构形状相同的元件按一定规律联结成电路的闭合通路。定规律联结成电路的闭合通路。最后形成一个闭合通路。最后形成一个闭合通路。电流电流 沿换向片沿换向片导体导体端接线端接线导体导体相邻换向片相邻换向片下个线圈下个线圈单匝叠绕组元件单匝叠绕组元件 1 2L1 2 3 4 5注意注意：绕组的各个元件之间绕组的各个元件之间通过换向片互联，通过换向片互联，一个换向一个换向片与两个线圈边连接。故整片与两个线圈边连接。故整个电枢绕组的元件数个电枢绕组的元件数S和换向和换向片数片数K相等，即相等，即S=K。一个

6、元件边只有一根导体称一个元件边只有一根导体称单匝单匝绕组，有多绕组，有多根导体称根导体称多匝多匝线圈。线圈。同一槽放了两个不同元件的有效边，因此电枢同一槽放了两个不同元件的有效边，因此电枢的槽数的槽数Q也等于元件数也等于元件数S。c a ac 而虚槽数等于元件数，也等于换向片数，即：而虚槽数等于元件数，也等于换向片数，即：Qu=S=K 若一个实槽包含若一个实槽包含u个虚槽，则虚槽数个虚槽，则虚槽数Qu与实槽与实槽数数Q有关系：有关系：Qu=uQ。1、第一节距、第一节距y1：指同一元件两个边之间的距离，指同一元件两个边之间的距离，用虚槽数来计算，为使元件感应最大电动势，要用虚槽数来计算，为使元件

7、感应最大电动势，要使使y1等于一个极距。等于一个极距。=Qu/2Py y1 1 y1必须是一整数，因此必须是一整数，因此y y1 1=Qu/2P。y1 Qu/2P 时称短距元件，时称短距元件，短距元件端短距元件端接线短，省铜，有利换向，因此接线短，省铜，有利换向，因此通常取通常取短距。短距。2、第二节距、第二节距y2：指指同一换向片所串联的两个元同一换向片所串联的两个元件中，前一元件的下元件边与后一元件的上元件件中，前一元件的下元件边与后一元件的上元件边之间的距离，也用虚槽数表示边之间的距离，也用虚槽数表示。y y2 2 若节距若节距 y2 等于等于 y1，不能使，不能使绕组在电枢中合理分布。

8、绕组在电枢中合理分布。思考：思考：y2 是否能等于是否能等于 y1？3、合成节距、合成节距y：指指在相邻联接的两个在相邻联接的两个元件的对应边之间在电枢表面上用虚元件的对应边之间在电枢表面上用虚槽数表示的距离槽数表示的距离。合成节距合成节距y总与换向片节距总与换向片节距yk相等。相等。叠绕组叠绕组和波绕组波绕组:y=y1+y2y y4、换向片节距、换向片节距yk：指指每一元件的两端每一元件的两端所联接的两换向片之间的距离，以换所联接的两换向片之间的距离，以换向片数表示向片数表示。yk1、电枢绕组与换向片、电枢绕组与换向片通过换向片，通过换向片，6 6个元件依次串联构成一个个元件依次串联构成一个

9、闭合回路。闭合回路。2、电枢绕组与电刷连接、电枢绕组与电刷连接位于对称位置的电刷将闭合的位于对称位置的电刷将闭合的6 6个线圈分成两条并联支路。个线圈分成两条并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上实际放置在外圆上)。单叠绕组、单波绕组、单叠绕组、单波绕组、复波绕组、复叠绕复波绕组、复叠绕组、混合绕组等。组、混合绕组等。五、电枢绕组的联结方法五、电枢绕组的联结方法 绕组联结方法主要表述绕组联结规律的节距、绕组联结方法主要表述绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。绕组展开图、元件联结图、并联支路图。主要内容：主要内容：绕组联结规律

10、及节距绕组联结规律及节距 绕组展开图绕组展开图 元件联结图元件联结图 并联支路图并联支路图叠：叠：两个相临联接的元件，后一元两个相临联接的元件，后一元件的端部紧叠在前一元件的端部。件的端部紧叠在前一元件的端部。单：单：首末端相联的两换向片相隔一首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。个换向片的宽度。特点：特点：槽数槽数Qu、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同。三者相同。y=yk=1 取正号则绕行换向片一周后，比出发时的换取正号则绕行换向片一周后，比出发时的换向片前进一片，称为右行绕组；取负号则后退一向片前进一片，称为右行绕组；取负号则后退一片，称为左行绕组。一般采用片，称为左行绕

11、组。一般采用右行绕组右行绕组。节距计算：节距计算：yyk1计算节距计算节距y、y1和和y2画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极实例：实例：2p4，QuSK16441621puQyt34112yyy11.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷NSNS+虚槽中的上层元件边用实线表示，下层元件虚槽中的上层元件边用实线表示，下层元件边用虚线表示，元件边上下的斜线表示端接。边用虚线表示，元件边上下的斜线表示端接。主极轴线：主磁极中心线主极轴线：主磁

12、极中心线几何中性线：磁极之间的平分线，此处几何中性线：磁极之间的平分线，此处空载时的磁空载时的磁通密度为零。通密度为零。NS12主极轴线主极轴线NSSNA1A2B1B2主极轴线主极轴线几何中性线几何中性线 绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。回路。56 7 891011 121314151612341 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 y2yy1 两元件之间的虚线，表示通过换向器上的同两元件之间的虚线，表示通过换向器上的同一片换向片把两元件串联起来。一片换向片把两元件串联起来。元件、上元件边及其所在的虚槽，

13、与其联结元件、上元件边及其所在的虚槽，与其联结的换向片都具有相同的号码，下元件边用它所在的换向片都具有相同的号码，下元件边用它所在的虚槽的号码上标加一撇表示。的虚槽的号码上标加一撇表示。每个极下的元件组成一条支路，即单叠绕组每个极下的元件组成一条支路，即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。的并联支路数正好等于电机的极数。23478610111214161551391A1A2B1B212109561314aaaiI2？答：取掉答：取掉 B1，A2，四条支路变为两条。，四条支路变为两条。1、直流电机电枢绕组取掉相邻一个或两个电刷，、直流电机电枢绕组取掉相邻一个或两个电刷，直流电机会怎样运行？直

14、流电机会怎样运行？2、取掉相对（、取掉相对（B1，B2）电刷会怎样？）电刷会怎样？答：整个回路被答：整个回路被A1 和和A2 短接，电机不能工作。短接，电机不能工作。3、电枢绕组闭合回路是否有环流？、电枢绕组闭合回路是否有环流？答：各支路电势数值相等，电枢绕组回路总电势答：各支路电势数值相等，电枢绕组回路总电势为零。不出现环流。为零。不出现环流。？答：主极数越多，电枢电流越大，故选用答：主极数越多，电枢电流越大，故选用8磁极。磁极。4、大电流直流电机，选用、大电流直流电机，选用2磁极还是磁极还是8磁极？磁极？为了增大电枢电流为了增大电枢电流Ia，应增加并联支路数，应增加并联支路数，即增加主极数

15、。但主极数受电机结构的限制，即增加主极数。但主极数受电机结构的限制，不能任意增加。可以采用复叠绕组，使支路数不能任意增加。可以采用复叠绕组，使支路数成倍增加。成倍增加。主要内容：主要内容：绕组联结规律及节距绕组联结规律及节距 绕组展开图绕组展开图 元件联结图元件联结图 并联支路图并联支路图 yk N S y1y2对照单叠绕组对照单叠绕组y=y1+y2 2yk=y 把相隔约一把相隔约一对极距的同极性对极距的同极性的元件串联。的元件串联。N S N S 11515y k左行绕组左行绕组1y2y 首末端所接的两换向片相首末端所接的两换向片相隔很远，两个元件紧相串联后隔很远，两个元件紧相串联后形似波浪

16、。形似波浪。为了使紧相串联的元件所产生的电势同向相为了使紧相串联的元件所产生的电势同向相加，这两个元件边应处于相同磁极极性下，即加，这两个元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距合成节距 。tt2,2yy 沿电枢铁心一周后，必须回到原来起始换向片沿电枢铁心一周后，必须回到原来起始换向片相邻的一换向片上，这样绕组才能继续往下绕。相邻的一换向片上，这样绕组才能继续往下绕。1KypkCpKyk1 因此，换向片节距因此，换向片节距 yk 应满足应满足 ，即：即：。yk为一整数，取正号时，绕组联结成右行绕组，为一整数，取正号时，绕组联结成右行绕组，取负号时，可得左行绕组。一般取负号，取负号时，可得左行绕组

17、。一般取负号，这时端这时端接稍短。接稍短。节距计算节距计算:34341521pQyu721151pKyyk43712yyy计算节距计算节距y、y1和和y2画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极元件、换向片的放置：元件、换向片的放置：1号元件上层边放号元件上层边放1号槽，下层边放号槽，下层边放4号槽；号槽；首末端所连的换向片相距首末端所连的换向片相距yk7；为了端部对称，首末端所连的两换向片之间为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与的中心线与1号元件的轴线重合。号元件的轴线重合。1号元件上层边号元件上层边所连的换向片定为所连的换向片定为1号，依此依次联接。号，依此依次联接

18、。磁极放置：磁极放置：N、S极磁极均匀交替的排列。极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。放在与主极轴线对准的换向片上。3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷 从绕组展开图可以看出，从绕组展开图可以看出，全部全部15个元件串联个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：而构成一个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291联结图如下：联结图如下：4113 10291 8157146135121 8 15 714 6

19、 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1y2yy1 单波绕组把单波绕组把相同极性相同极性下的全部元件串联起来下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单之分，所以单波绕组的支路对数波绕组的支路对数a与极对数多少无关，永远为与极对数多少无关，永远为1，即即a1。234761011121415A1A2B1B2115895413912815 同极性下各元件串联起来组成一条支路，同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数支路对数a1，与磁极对数，与磁极对数p无关。无关。当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上

20、的位置对准主磁极中心线，支路电动表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。势最大。电刷组数应等于极数；电刷组数应等于极数；电枢电流电枢电流 Ia2ia。单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成形成一条支路。一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a2p。叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适用于适用于较大电流、较低电压较大电流、较低电压的电机。的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形

21、成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。路数无关。2a2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于适用于较高电压、较小电流较高电压、较小电流的电机。的电机。？答：答：不能，这样会使电刷下的平均电流密度增大，不能，这样会使电刷下的平均电流密度增大，容易损坏电刷。容易损坏电刷。1 1、既然一对正、负电刷可构成一对支路，单波绕、既然一对正、负电刷可构成一对支路，单波绕组是否只需要一对正、负电刷？组是否只需要一对正、负电刷？答：答：3个个。2 2、单波绕组、单波绕组 p=3=3

22、，则一周有几个绕组串联？，则一周有几个绕组串联？直流电机电枢绕组除单叠和单波绕组外，还有直流电机电枢绕组除单叠和单波绕组外，还有复叠、复波和混合绕组（蛙型绕组），它们之间复叠、复波和混合绕组（蛙型绕组），它们之间的区别主要是换向器节距不同。的区别主要是换向器节距不同。复叠绕组的复叠绕组的ykm，m是大于是大于1的整数。它可以的整数。它可以看成看成m个单叠绕组通过电刷并联起来构成，它的并个单叠绕组通过电刷并联起来构成，它的并联支路对数是单叠绕组的联支路对数是单叠绕组的m倍，即倍，即a=mp。复波绕组的复波绕组的 ，它可以看成，它可以看成m个单波个单波绕组通过电刷并联起来构成，它的并联支路对绕组通

23、过电刷并联起来构成，它的并联支路对数数a=m。pmKyk 混合绕组是由一套叠绕组和一套波绕组按照混合绕组是由一套叠绕组和一套波绕组按照一定规律在电枢槽中嵌放并联结到同一个换向器一定规律在电枢槽中嵌放并联结到同一个换向器上构成，这时每个槽可以分为上下四层来放置两上构成，这时每个槽可以分为上下四层来放置两套绕组。套绕组。混合绕组的并联支路对数多，其突出优点为混合绕组的并联支路对数多，其突出优点为可以较好地解决大型直流电机的换向困难问题。可以较好地解决大型直流电机的换向困难问题。所以采用复叠绕组。所以采用复叠绕组。366.53007.1666230027.1666610103aaAiaiIAUPIa

24、aNNNN复叠复叠:42 pa一台直流发电机，一台直流发电机，2p=4，PN=10KW，UN=6V，若，若每一支路电流不超过每一支路电流不超过300A，则电枢绕组应采用何，则电枢绕组应采用何种绕法？种绕法？解：解：单叠单叠:2palvbed单根导体的电动势：单根导体的电动势：有效导体数：有效导体数：KSNz2az 2/aziiaeE2/1绕组由绕组由2a个支路组成，个支路组成，每一支路串联的导体数为每一支路串联的导体数为 ，串联后组成一个支路的电动势，故电枢，串联后组成一个支路的电动势，故电枢绕组的感应电动势绕组的感应电动势Ea为：为：B Bavbx0v右手定则右手定则)17(22/1avaz

25、iiaeazeE式中式中ei为支路中第为支路中第i根根导体中的感应电动势，则：导体中的感应电动势，则：lvBalvBeavavd一根一根导体的平均电动势为导体的平均电动势为dBBaav/式中式中Bav和和B分别为每极平均磁密和最大磁密分别为每极平均磁密和最大磁密，。60/2npvt 线速度线速度 ，其中，其中n是电枢转速是电枢转速(r/min)，每极磁通每极磁通 。lBalBavttd0nCnapznpazeazEeava0006060222代入式（代入式（7-1）得空载时平均感）得空载时平均感应电动势：应电动势：nCnapzEea60负载时感应电动势为：负载时感应电动势为：。apzCe60式

26、中式中 的单位是韦伯的单位是韦伯(Wb)；Ce是常数，是常数，。0感感应电动势的单位是伏应电动势的单位是伏(V)。bBavbx0.niaTaIlblibfaa2dd单根导体受的电磁力：单根导体受的电磁力：为导体所在处的磁密。为导体所在处的磁密。db2Dft ziitT1导体距轴心的径向距离为导体距轴心的径向距离为D/2，则产生的电磁转矩，则产生的电磁转矩为为 ，则电枢绕组的电磁转矩为，则电枢绕组的电磁转矩为 。左手定则左手定则)27(1avziizttT式中式中ti为支路中第为支路中第i根根导体产生的电磁转矩，则：导体产生的电磁转矩，则：22DaIlBtaavav一根一根导体受的平均电磁转矩为导体受的平均电磁转矩为 。t/2pD 将将 及及 代入式（代入式（7-2）得：得：lBavt/ataICIapzT2etCapzC2602式中式中T的单位是的单位是 Nm；Ct是常数，是常数，。