第四章直流電機(jī)電樞繞組

一、直流樞繞組基本知識(shí)2.2直流電機(jī)的電樞繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個(gè)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。極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。疊繞組：指串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進(jìn)。FFU+–NS電刷換向片IIEE合成節(jié)距：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離。第一節(jié)距

：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離。第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。單疊繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。疊繞組示意圖波繞組示意圖二、單疊繞組

單疊繞組的特點(diǎn)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：。單疊繞組的的特點(diǎn)：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(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢最大，電刷間電動(dòng)勢等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢。3）電樞電流等于各支路電流之和。一、節(jié)距計(jì)算

y==1

二、繞組展開圖Z為電樞槽數(shù)P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)三、元件連接順序及并聯(lián)支路圖

繞組元件聯(lián)接順序圖用來表示電樞上所有元件邊的串聯(lián)次序。

單疊繞組元件聯(lián)接順序圖從圖中看出，從第1元件出發(fā)，繞完16個(gè)元件后又回到第1元件。可見，整個(gè)繞組是一個(gè)閉路繞組。

單迭繞組并聯(lián)支路圖單疊繞組有以下特點(diǎn)：

（1）位于同一個(gè)磁極下的各元件串聯(lián)起來組成了一條支路，即支路對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)

2a=2p

。（2）電刷桿數(shù)等于極數(shù)2b=2p。當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱，電刷放在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢為最大，被電刷所短路的元件里感應(yīng)電動(dòng)勢最小。（3）電樞電流等于個(gè)并聯(lián)支路電流之和。

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(duì)位置關(guān)系。三、單波繞組單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。單波繞組的特點(diǎn)1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1，與磁極對(duì)數(shù)無關(guān)；2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動(dòng)勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。4）電樞電動(dòng)勢等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢；2.3直流電機(jī)的磁場2.3.1直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。永磁鐵磁場電磁鐵磁場根據(jù)勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M他勵(lì)UfIfIaUM并勵(lì)UIfM串勵(lì)UM復(fù)勵(lì)U2.3.2直流電機(jī)的空載磁場

直流電機(jī)中除主極磁場外，當(dāng)電樞繞組中有電流流過時(shí)，還將會(huì)產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場與主磁場的合成形成了電機(jī)中的氣隙磁場，它是直接影響電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩大小的。要了解氣隙磁場的情況，就要先分析清楚主磁場和電樞磁場的特性。

定義：直流電機(jī)的空載是指電樞電流等于零或者很小，且可以不計(jì)其影響的一種運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)無負(fù)載，即無功率輸出。所以直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場可以看作就是主磁場，即由勵(lì)磁磁通勢單獨(dú)建立的磁場。

直流電機(jī)空載時(shí)的磁場分布示意圖1—

極靴；2—極身；3—元子磁軛；4—?jiǎng)?lì)磁繞組；5—?dú)庀叮?—電樞齒；7—電樞磁軛直流電機(jī)的磁路空載時(shí)氣隙磁磁通密度的分布圖形

如果不計(jì)鐵磁材料中的磁壓降，則在氣隙中各處所消耗的磁通勢均為勵(lì)磁磁通勢。在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點(diǎn)磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。

直流電機(jī)空載磁場的磁密分布為一平頂波返回直流電機(jī)的空載磁化特性電機(jī)的磁化曲線

考慮到電機(jī)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)性，直流電機(jī)額定運(yùn)行的磁通額定值的大小取在磁化曲線開始彎曲的地方圖中的a點(diǎn)（稱為膝部）。2.3.3直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場

負(fù)載時(shí)的氣隙磁場將由勵(lì)磁磁通勢和電樞磁通勢共同作用所建立。一、電樞磁通勢和電樞磁場

電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞磁場分布

假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動(dòng)勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動(dòng)勢為交軸磁動(dòng)勢。二、電樞磁通勢單獨(dú)產(chǎn)生的氣隙磁通密度波形為一三角波（氣隙是均勻）四個(gè)元件所產(chǎn)生的電樞磁通勢

如果氣隙是均勻的，則在極靴范圍內(nèi)，磁密分布也是一條直線。但在兩極極靴之間的空間內(nèi)，因氣隙長度大為增加，磁阻急劇增加，雖然此處磁通勢較大，磁密卻反而減小，因此磁密分布曲線是馬鞍形（見書中圖形）

2.3.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢定義：電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢。一、運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢始終存在

直流電機(jī)無論作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行還是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電樞繞組內(nèi)都感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢,這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢是指一條支路的電動(dòng)勢。

圖1.22電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞元件中的電勢與電流方向

要計(jì)算支路電動(dòng)勢，可先求出每個(gè)元件電動(dòng)勢的平均值，然后乘上每條支路串聯(lián)元件數(shù)，就可得出支路電動(dòng)勢。

二、感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算

Ce為電動(dòng)勢常數(shù)。上式表明直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)電機(jī)制造好以后，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)Ce不在變化，因此電樞電動(dòng)勢僅與氣隙磁通和轉(zhuǎn)速有關(guān)，改變轉(zhuǎn)速和磁通均可改變電樞電動(dòng)勢的大小。三，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩定義：根據(jù)電磁力定律，當(dāng)電樞繞組中有電樞電流流過時(shí)，在磁場內(nèi)將受到電磁力的作用，該力與電機(jī)電樞鐵心半徑之積為電磁轉(zhuǎn)矩。

式中Ct

為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。從Ce與Ct的表達(dá)式可以看出Ct=9.55Ce。

由Tem=CtΦIa可看出，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流和氣隙磁通成正比。

:（一）直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式一直流發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱為勵(lì)磁方式。分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類，自勵(lì)方式又分并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種方式。1、他勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由其它直流電源單獨(dú)供給。如圖所示。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：

直流電機(jī)的運(yùn)行特性

2、并勵(lì)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足。3、串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足。4、復(fù)勵(lì)：并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合。電機(jī)有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)。（二）、直流發(fā)電機(jī)的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向1、電樞電動(dòng)勢和電動(dòng)勢平衡方程為電樞回路總電阻，為正負(fù)電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動(dòng)勢平衡方程為：電樞電動(dòng)勢：從方程式可見，直流發(fā)電機(jī)2、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程電磁轉(zhuǎn)矩：直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流直流發(fā)電機(jī)軸上有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩。平衡方程為：3、勵(lì)磁特性公式每極氣隙磁通4、功率平衡方程原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率電磁功率機(jī)械摩擦損耗、鐵損耗、附加損耗?？蛰d損耗包括：電磁功率一方面代表電動(dòng)勢為的電源輸出電流時(shí)發(fā)出的電功率，一方面又代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機(jī)械功率。電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻是的銅損耗輸出的電功率自勵(lì)發(fā)電機(jī)中還應(yīng)減去勵(lì)磁損耗（三）他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1、空載特性定義：當(dāng)、時(shí)，直流發(fā)電機(jī)的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實(shí)際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。空載時(shí)，。由于，因此空載特性實(shí)質(zhì)上就是。由于正比于，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同?？蛰d特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線2、外特性定義：當(dāng)、時(shí)，外特性曲線如圖所示由曲線可見，負(fù)載電流增大時(shí)，端電壓有所下降。他勵(lì)并勵(lì)根據(jù)可知，端電壓下降有兩個(gè)原因：一是在勵(lì)磁電流一定情況下，負(fù)載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動(dòng)勢減少；另一個(gè)原因是電樞回路上的電阻壓降隨負(fù)載電流增大而增加，使端電壓下降。3、調(diào)節(jié)特性定義：當(dāng)、時(shí)，外特性曲線如圖所示由曲線可見，在負(fù)載電流變化時(shí)，若保持端電壓不變，必須改變勵(lì)磁電流，補(bǔ)償電樞反應(yīng)及電樞回路電阻壓降對(duì)對(duì)輸出端電壓的影響。（四）、并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件和外特性并勵(lì)的勵(lì)磁是由發(fā)電機(jī)本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵(lì)磁電流作用下建立的，這一點(diǎn)與他勵(lì)發(fā)電機(jī)不同。并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過程稱為自勵(lì)過程，滿足建壓的條件稱為自勵(lì)條件。1、自勵(lì)條件曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵(lì)磁回路總電阻特性曲線，也稱場阻線。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動(dòng)勢。在電動(dòng)勢作用下勵(lì)磁回路產(chǎn)生。如果勵(lì)磁繞組和電樞繞組連接正確，產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動(dòng)勢增大，增加。如此不斷增長，直到勵(lì)磁繞組兩端電壓與相等時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的平衡工作點(diǎn)A。增大，場阻線變?yōu)榍€3時(shí)，稱為臨界電阻。如圖所示。若再增加勵(lì)磁回路電阻，發(fā)電機(jī)將不能自勵(lì)?？梢姡?lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件有：2、空載特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性與一般電機(jī)的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵(lì)磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機(jī)的主磁路有剩磁（3）勵(lì)磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵(lì)磁繞組極性要正確3、外特性4、調(diào)節(jié)特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電樞電流，比起他勵(lì)發(fā)電機(jī)僅僅多了一個(gè)勵(lì)磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)的相差不大。對(duì)并勵(lì)發(fā)電機(jī)，除了像他勵(lì)發(fā)電機(jī)存在的電樞反應(yīng)去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個(gè)原因：由于上述兩個(gè)原因使端電壓下降，引起勵(lì)磁電流減小，端電壓進(jìn)一步下降。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相似，也是一條下降曲線。二、直流電動(dòng)機(jī)（一）、直流電機(jī)的可逆原理以他勵(lì)電機(jī)為例說明可逆原理：一臺(tái)電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是直流電機(jī)的可逆原理。把一臺(tái)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)于直流電網(wǎng)上運(yùn)行，保持不變。保持發(fā)電機(jī)的不變，減少原動(dòng)機(jī)的輸出功率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)下降到一定程度時(shí)，使得，此時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電功率，原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率僅僅用來補(bǔ)償電機(jī)的空載損耗。繼續(xù)降低原動(dòng)機(jī)的，將有，反向，這時(shí)電網(wǎng)向電機(jī)輸入電功率，電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。同理，上述的物理過程也可以反過來，電機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機(jī)狀態(tài)。（二）直流電動(dòng)機(jī)的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向電機(jī)的基本方程如下：一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式式中U—電樞電壓（V）

Ia—電樞電流（A）

Ra—電樞電阻（Ω）二、功率平衡方程式1．直流電動(dòng)機(jī)損耗按其性質(zhì)可分：（1）機(jī)械損耗Pm、（2）鐵心損耗PFe（3）銅損Pcu（4）附加損耗PsU=Ea+IaRa

空載損耗P0P0=Pm+PFe

直流電動(dòng)機(jī)總損耗∑P為∑P=Pm+PFe+Pcu+Ps2．直流電動(dòng)機(jī)輸人的電功率為

P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+Pcua

上式說明：輸入的電功率一部分被電樞繞組消耗（電樞銅損）一部分轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率。3．直流電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為

P2=Pem-PFe-Pm-PS=Pem-P0=P1-∑P

4．直流電動(dòng)機(jī)的效率為

一般中小型直流電動(dòng)機(jī)的效率在75％－85％之間，大型直流電動(dòng)機(jī)的效率在85％－94％之間。5．他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡關(guān)系可用功率流程圖來表示，如圖所示。

三.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

T2=T－T0T=T2＋T0

（3－9）式中T一電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）T2一電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）（N·m）T0一空載轉(zhuǎn)矩（N·m）（三）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（1）、轉(zhuǎn)速特性1、他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性定義：當(dāng)、時(shí)，由方程式可得忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化。如圖所示。（2）、轉(zhuǎn)矩特性定義：當(dāng)、時(shí)，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。（3）、效率特性定義：當(dāng)、時(shí)，由方程式可得空載損耗為不變損耗，不隨負(fù)載電流變化，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負(fù)載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度時(shí)銅損快速增大此時(shí)效率又變小。如圖所示。2、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電機(jī)磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵(lì)磁電流呈線性關(guān)系。即：轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路飽和，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同。曲線如圖所示。當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無窮大，所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不宜輕載或空載運(yùn)行。(四)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：是在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(T)。一。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式1．機(jī)械特性方程式還可以寫成n=n0－βT=n0－Δn2．機(jī)械特性曲線如圖所示。

二。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓、磁通為額定值，電樞回路未接附加電阻Rpa時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性，其