直流電機的電樞紐繞組和磁路

第七章直流電機的磁路和電樞繞組7-2直流電機的磁路和磁化特性7-3

直流電機電樞繞組的一般知識7-4

單疊繞組7-5

單波繞組7-7

直流電機電樞繞組的感應電動勢7-8

直流電機電樞繞組的電磁轉矩7-2直流電機的磁路和磁化特性

電機中電磁能與機械能的轉換是在磁場之中完成的，所以必須對電機的磁場有正確的了解。一、直流電機的空載磁場和磁路計算二、電機的磁化曲線一、直流電機的空載磁場和磁路計算（一）直流電機的總磁通，主磁通，漏磁通（二）磁路計算

（一）直流電機的總磁通，主磁通，漏磁通··直流電機空載時的磁場分布主磁極中的主磁通能在旋轉的電樞繞組中感應出電動勢，并和電樞繞組的磁動勢相互作用產生電磁轉矩。其余不經過轉子的磁通稱為漏磁通，漏磁通只增加磁極和定子磁軛的飽和程度，不產生電動勢和轉矩。（二）磁路計算

磁路計算的目的：

對于每極主磁通Φ，求出每對主極所需的磁動勢F。

利用安培環(huán)路計算時整個閉合回路分為5段二、電機的磁化曲線

電機的磁化曲線指主磁通Φ0與勵磁動勢F0之間的關系。00氣隙線表示不同值下消耗在氣隙段的磁動勢氣隙線abc總動勢兩段氣隙磁動勢鐵磁材料磁動勢總磁動勢與氣隙段磁動勢之比表示電機磁路的飽和程度。0abc氣隙線飽和系數(shù)隨著磁通增大，鐵芯開始飽和，導磁率μ減少，鐵芯部分的磁動勢將很快增加。0abc氣隙線為了經濟地利用材料，電機額定電壓運行于膝點C附近，即磁化曲線開始彎曲處。否則勵磁電流或勵磁匝數(shù)N就要過度增大。0abc氣隙線7-3電樞繞組的一般知識

繞組放在電樞中既要通電流又要能在磁場中感應電動勢。

線圈又稱為元件每個線圈有兩條有效直線導線稱為兩元件邊線圈的端接部分換向器的換向片元件邊雙層繞組：c

a

a′c′

a

a′c′ca線圈并不和c線圈直接串聯(lián)每個線圈的一邊嵌放在某一槽內的上層，另一邊放在另一槽的下層。

a

a′c′c注意：虛線表示下元件邊實線表示上元件邊通常電機繞組需要用較多的元件組成，但電樞鐵心周圍表面有時不能沖太多的槽，因此每個槽的上、下層可嵌放多個線圈邊。同一槽內每個上、下元件邊所占的槽的位置為一個虛槽。虛槽數(shù)如一個實槽中嵌放3個元件邊。一個實槽中有3個虛槽如實槽數(shù)：虛槽數(shù)：元件數(shù)：

一個繞組元件兩端分別與兩片換向片連接，元件之間通過換向片相互串聯(lián)起來。12

3

45注意：一個換向片與兩個線圈邊連接。

1號元件起始于1號換向片12

3

45

2號元件起始于2號換向片各元件通過換向器串聯(lián)。換向片數(shù)：元件數(shù)：虛槽數(shù)：一、繞組節(jié)距（一）第一節(jié)距y1

每一元件的兩元件邊在電樞表面上所跨越的距離用虛槽數(shù)來表示，稱為繞組的第一節(jié)距y1

12

3

45說明上元件邊嵌放在第1槽的上層，下元件邊嵌放在第9槽下層中。

為了使元件中的感應電動勢最大，各種繞組的都應等于一個極距。磁極距NNs磁極距（槽）N極感應電動勢和S極感應電動勢大小相等，方向相反。NSy1

N極感應電動勢和S極感應電動勢大小相等，方向相反。整距線圈電動勢最大整距NSy1短距長距NNS（二）第二節(jié)距y2

12

3

（三）合成節(jié)距y

相鄰聯(lián)接的兩個元件的對應邊間隔的虛槽數(shù)，稱為繞組的合成節(jié)距y。

12

3

y疊繞組：(四）換向器節(jié)距yk

每一元件的兩端所聯(lián)接的兩換向片之間的距離，單位是換向片，稱為換向器節(jié)距yk.12

3y

例題：一單疊繞組直流電機，磁極數(shù)為4，電機實槽為10，每個槽中放四對元件邊（上、下層），怎樣設計繞組的節(jié)距？

可以確定繞組的形狀及相連接元件的關系。（槽）（片）第一元件上層邊1槽下層邊11槽第二元件上層邊2槽下層邊12槽解：

u=4Q=1012

3y2yky

7-4單疊和復疊繞組一、單疊繞組節(jié)距和繞組連接表

依次相串聯(lián)的繞組錯開y=yk=1的距離相疊，直到最后一個元件的末端與第一元件的首端相接形成閉合繞組。單疊和復疊繞組例題：一臺直流電機數(shù)據(jù)

2p=4，試繞制一單疊右行整距繞組？

解釋：

整距

y1=τ

右行指相鄰右邊的線圈交疊在左邊線圈上

yk=+1左行指相鄰左邊的線圈交疊在右邊線圈上

yk=-12011

2

2

3左行右行（一）

節(jié)距計算

線圈1線圈2下層邊7槽上層邊2槽上層邊1槽下層邊6槽（二）繞組連接表

繞組連接表可看出連接順序，在y1

、y2,、yk確定后就可以畫出繞組連接表，參照連接表，可使繞組連接方便。

首先把元件和換向片自左向右編號，元件號，對應的換向片號，元件上層邊所在槽具有相同的號碼，而下元件邊用它所在槽的號碼上加一撇。如1表示1號元件，1號槽，1號換相向片，6′表示1號元件的下層邊在6號槽中，把1和6′用實線連接。

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。

（16號）

6′7′8′9′10′11′12′

13′14′15′16′17′18′19′20′1′2′3′4′5′123456789101112A1+B1-A2+B2-

13141516171819201y2yy1問：1號槽下層邊是幾號線圈？

123465713121110982019NNSS

1

4

32

15

14

1312

11

10

98

7

6

5

16

17

19

18

201415181716ABB2B1A2A1（+）（-）++--單疊繞組展開圖2p=4；Z=K=S=20通過繞組展開圖，注意以下幾方面：1、電刷擺放的位置12

3

N

S

S電刷短路換向元件幾何中性線換向元件中幾乎不感應電動勢，電刷短接它不會出現(xiàn)因為釋放電能引起的過大的換向火花。12

3

N

S

S如果電刷短接有效感應電動勢的元件，電刷會出現(xiàn)強烈的換向火花。電刷應對準磁極軸線。12

3

4

56+A-B117頁相鄰電刷間串聯(lián)的各元件電動勢相加，正確擺放電刷，才能使電刷間的支路感應電動勢最大。1、電刷擺放的位置電刷應對準磁極軸線。2、正，負電刷間構成一支路12

3

4

56+A-B3、單疊繞組，支路數(shù)等于磁極數(shù)支路對數(shù)4、電刷數(shù)量？電刷數(shù)量等于磁極數(shù)5、線圈1，6，11，16

被電刷短路，但它們是幾乎無感應電動勢的換向元件。6、電樞旋轉時繞組中的感應電動勢和電流是交變的。7、每元件兩端與兩個換向片連接，每個換向片連接兩個元件邊。8、

從線圈1～20是個完整的回路，但又由電刷分為四個支路。16161123451098712131415

20191817單疊繞組并聯(lián)支路圖B（-）A（+）A1B1A2B21661123451098712131415

201918171121112671617添加正、負電刷電樞總電流等于各支路電流之和電樞總電動勢等于一條支路電動勢問：電樞繞組為何不能開路？問1、直流電動機電樞繞組任一支路斷開一個元件會怎樣？？因為電磁轉矩剩下的三條支路要承擔原來四條支路的電流，支路電流增加，直流電機容易燒壞。問2：電樞繞組為何不能開路？問3、直流電機相鄰一個或兩個電刷不接觸換向器，會怎樣？正負電刷總是交替擺放的取掉，四條支路變?yōu)閮蓷l。問4、B1，B2電刷同時不接觸換向器會怎樣？整個回路被A1和A2短接，電機不能工作。可見，直流電機并聯(lián)支路圖可用來分析故障電機支路數(shù)和支路電流的變化。問5、怎樣才能避免電樞繞組閉合回路出現(xiàn)環(huán)流？161611234510987121314152019181720個元件串聯(lián)，構成一個閉合回路，每個元件隨電機旋轉，位置瞬間變化。只要各磁極電磁量均衡，各支路電勢數(shù)值相等，電樞繞組回路總電勢為零，就不會出現(xiàn)環(huán)流。問6、直流電機電樞為單疊繞組p=3，有多少支路？有6條支路單疊繞組支路對數(shù)問8、p=4，Qu=32，電刷數(shù)量為多少？電刷數(shù)量為8問9、元件數(shù)？問10、支路數(shù)？問11、換向片數(shù)？32個元件。8個支路數(shù)。換向片數(shù)為32。問13、有多少元件被電刷短接？問12、每條支路有多少元件串聯(lián)？8個。4個元件。問13：大電流直流電機，選用2磁極？8磁極？還是16磁極？為了增大電樞電流Ia，應增加并聯(lián)支路數(shù)，即增加主極數(shù)。但主極數(shù)受電機結構的限制，不能任意增加。

可以采用復疊繞組，使支路數(shù)成倍增加。

12346571312111098NNSS14151716ABB2B1A2A1（+）（-）++--雙閉路雙疊繞組展開圖2p=4；Z=K=S=202

3

4

5

6

7

9

10

11

148

112

13

152018

16

18

20

17

19

91單疊和復疊繞組7-5單波和復波繞組教學目的及要求：

了解電樞繞組的第二種基本形式；重點難點：單波繞組的連接表、瞬間并聯(lián)電路圖、支路對數(shù)的確定，電刷放置的位置。

一、單波繞組節(jié)距和繞組展開圖為了分布N

SN

Sm合成節(jié)距：換向節(jié)距：

對照單疊繞組：

①形狀像波浪；

單波相串聯(lián)的元件是空間位置不同卻同性磁極相對應的元件。而單疊相串聯(lián)的元件位于同一磁極相鄰處。

若單波不大就不可能與另一同性磁極下的元件串聯(lián)。③

比單疊大。②第一節(jié)距與單疊類似；④同極性磁極下的所有元件串聯(lián)形成一支路

N

S

N

S⑤計算不同波繞組

y

k

計算：本例p=2但是15個元件串聯(lián)，一周是不夠，需要多周元件串聯(lián)。第一周2個N極下串聯(lián)

2個元件

N

S

N

S下周起點15號換向片，恰好回到原出發(fā)換向片的相鄰處。

波繞組一周一周通過換向片相互串聯(lián)當磁極對數(shù)為p=2

時每周兩個元件通過換向片相互串聯(lián)第一周起始于第二周起始于第三周起始于第四周起始于第一周有3個元件串聯(lián)為了使下一周起點與上一周不重合若p=3整數(shù)

取負號，繞行換向器一周后，比出發(fā)時的換向片后退一片，稱為左行繞組。取正號，繞行換向器一周后，比出發(fā)時的換向片前進一片，稱為右行繞組。整數(shù)一般采用左行繞組，可省銅材料。

1、節(jié)距計算單波繞組展開圖及連接表：已知一臺直流電機數(shù)據(jù)如下：2p=4，S=Qu=k=15，繞制一單波左行短矩繞組。2、畫繞組連接表注意：槽數(shù)、上元件邊號、換向片用實數(shù)表示，下元件邊所在槽用數(shù)字加撇表示。

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18

157146135124113

10291y2yy18號換向片上連接1號元件下層邊和8號元件上層邊。

123465713121110981415單波繞組展開圖2p=4；Z=K=S=15

4

5

1NNSS

6

11

10

9

8

7

15

14

13

12AB

(+)(-)A1B1B2A2++--23與單疊繞組相同，是端接線對稱的繞組，電刷應放置在主極軸線處的換向片上，電刷數(shù)仍等于2p。二、單波繞組電刷的放置和支路數(shù)單波繞組的特點：在同極性下的元件按一定順序全部串聯(lián)組成一條支路。因為磁極極性只有兩種N、S支路對數(shù)a=1，與極數(shù)2p無關124113102136147158195519812A1A2B1B2AB單波繞組并聯(lián)支路圖

單波繞組可獲得比單疊繞組更大的電樞支路電動勢。

在相同元件數(shù)的情況下，p=2，單疊為四支路，而單波為兩支路，單波每支路元件數(shù)多，每支路電樞電動勢大。問1：既然一對正、負電刷可構成一對支路，單波繞組是否只需要一對正、負電刷？

不能，這樣會使電刷下的平均電流密度增大，容易損壞電刷。問2：單波繞組p=3，則一周有幾個繞組串聯(lián)？3個問3：大電流直流電機選用什么形式的繞組？高電壓直流電機選用什么形式的繞組？前者選用單疊、復疊(a=2p)繞組，

后者選單波繞組。例題：一臺直流發(fā)電機，2p=4，PN=10千瓦，UN=6伏，若每一支路電流不超過300安，則電樞繞組應采用何種繞法？解：若雙疊：直流電機單疊繞組：所以采用雙疊繞組。7-6其他形式的電樞繞組單疊繞組雙疊繞組波繞組單波繞組雙波繞組：波繞組：混合繞組是由一套單疊繞組和一套復波繞組構成。用于轉速高、換向困難的大型直流電機。7-7電樞繞組的感應電動勢

教學目的和要求：感應電動勢計算公式推導及應用○○○○○○○○○SBav○○○○○○○○○e1e2e3

…………

ei以下為的推導過程：一個支路中各導體有場移（對應磁密不同）e1≠e2

≠e3………1

每根導體感應電動勢

L2、求出各根導體的平均電動勢

Bav——平均磁密是平均磁通密度與最大磁通密度之比Lv

——電樞表面線速度：磁極截面積：每支路導體數(shù)3、支路中各串聯(lián)導體的電動勢之和：

直流電機總導體數(shù)：為每個元件的串聯(lián)匝數(shù)是支路對數(shù)3、支路中各串聯(lián)導體的電動勢之和：

謹記：電動勢常數(shù)：直流電機電樞總導體數(shù)：7-8直流電機的電磁轉矩①右手定則判定電動勢方向無論電動機和發(fā)電機都有電磁轉矩。電磁轉矩T與n方向相反E與方向相同②左手定則判定電磁轉矩方向

n原動機NS·○發(fā)電機2、右手定則判定電動勢方向無論電動機和發(fā)電機都有電磁轉矩。電磁轉矩T與n方向相同E與方向相反1、左手定則判定電磁轉矩方向

nNS·○電動機發(fā)電機電動機主磁極磁密分布：主磁極磁密與氣隙成反比電樞反應后一根導體產生的電磁力為：電樞總電流：導體電流：力f產生的轉矩為：力f產生的轉矩為：總的電磁轉矩：電樞總導體數(shù)：電磁轉矩常數(shù)：電動勢常數(shù)：

4、

Ia指電機總電流，Ia=2aia；

是考慮電樞反應的每極氣隙合成磁通。1、電動機電磁轉矩T是拖動轉矩，方向與轉速相同

發(fā)電機電磁轉矩T是制動轉矩，方向與轉速相反

2、電樞Z根導體產生的轉矩的總和，指電磁轉矩

T=CtIa3、Ct

是轉矩常數(shù)本章謹記：1、電刷擺放的位置2、電刷故障引起電機運行問題（用并聯(lián)支路圖分析）3、單疊繞組支路對數(shù)4、單波繞組支路對數(shù)5、感應電動勢電動勢常數(shù)：直流電機電樞總導體數(shù)：6、電磁轉矩課習題習題課1、單疊繞組，6

磁極，36個元件，18號元件和元件串聯(lián)。35號元件下層邊在號槽內1952、單波繞組，14個磁極，50個元件，每支路有元件串聯(lián)。35號元件號元件串聯(lián)；需要2542個電刷143、一臺直流電動機，單疊繞組求電磁轉矩：元件數(shù)：電樞總導體數(shù)：電磁轉矩常數(shù)：4、一臺直流電動機勵磁斷線后電機運行會發(fā)生什么現(xiàn)象？負載轉矩電磁轉矩：保持不變僅為剩磁電樞電流：5、當并勵直流電動機電壓不變，負載不變，電樞電流忽然突增A、電機故障出現(xiàn)在電樞回路中B、電機故障出現(xiàn)在換向磁極回路中C、電機故障出現(xiàn)在主磁極回路中6、高電壓直流發(fā)電機采用什么形式的繞組？波繞組7、直流電機電刷數(shù)為6

，將單疊繞組改為單波繞組后，感應電動勢是否會改變？單疊繞組電刷數(shù)等于磁極數(shù)而磁極對數(shù)等于支路對數(shù)單波繞組支路對數(shù)：感應電動勢常數(shù)：所以單疊繞組改為單波繞組后電動勢增大8、直流電機磁極對數(shù)為4

，將單疊繞組改為單波繞組后，電磁轉矩是否會改變？單疊繞組磁極對數(shù)等于支路對數(shù)：單波繞組支路對數(shù)：電磁轉矩：電磁轉矩不會改變9、單疊繞組直流電機正負