第7章 直流電機(jī)的磁路和電樞繞組

第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組第七章直流電機(jī)的磁路

和電樞繞組§7-1

概述

電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩都離不開(kāi)磁場(chǎng)，要了解電機(jī)的運(yùn)行情況首先要了解電機(jī)的磁路和磁化特性。

電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分。根據(jù)不同的聯(lián)結(jié)方法可分為：?jiǎn)委B、單波、復(fù)疊、復(fù)波和混合繞組等。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-2直流電機(jī)的磁路和磁化特性一、空載時(shí)磁場(chǎng)分布

電機(jī)中磁場(chǎng)的分布是對(duì)稱的，由勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)所建立的主極磁通分兩部分：主磁通Φ0和漏磁通Φσ?！ぁう?Φ0Φσ圖1直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)分布第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組磁通和磁路

磁路從氣隙1出發(fā)經(jīng)－電樞齒－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛－主磁極1，最后又回到氣隙1。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組磁通和磁路主磁通、主磁路：由N極出發(fā)，經(jīng)氣隙進(jìn)入電樞齒部，經(jīng)電樞鐵心的磁軛到另外的電樞齒，通過(guò)氣隙進(jìn)入S極，再經(jīng)定子軛回到原來(lái)N極。主磁通交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組，在電樞繞組中感應(yīng)電勢(shì)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。漏磁通、漏磁路：不進(jìn)入電樞鐵心，直接經(jīng)過(guò)相鄰的磁極或定子軛。影響飽和程度第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組主磁通和漏磁通主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁動(dòng)勢(shì)建立；φ0所走的路徑氣隙小，磁阻??；漏磁通所走的路徑氣隙大，磁阻大；漏磁系數(shù)：第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組磁路計(jì)算磁路計(jì)算的目的：

對(duì)于每極主磁通φ0

，求出每對(duì)主極所需的磁動(dòng)勢(shì)F。通常選取經(jīng)過(guò)主磁極中心線底下的氣隙和電樞齒所構(gòu)成的一條閉合回路計(jì)算。

整個(gè)閉合磁路分為5段：兩個(gè)氣隙、兩個(gè)電樞齒、一段電樞軛、兩個(gè)主極鐵心和一個(gè)定子軛。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組磁路計(jì)算磁路計(jì)算的步驟：1、先求經(jīng)過(guò)某一段的磁通；2、根據(jù)該段的有效截面積SX計(jì)算該段的磁密BX；3、由BX在磁化曲線上查HX；4、確定各段磁路計(jì)算長(zhǎng)度LX；5、計(jì)算各段磁路磁壓降HXLX；6、相加各段磁路磁壓降得出一對(duì)磁極所需的總磁動(dòng)勢(shì)：。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組氣隙磁場(chǎng)Bδ

τ

bdd'atN在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場(chǎng)較強(qiáng)，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場(chǎng)也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時(shí)，磁密等于0。主磁場(chǎng)磁密的分布

在一個(gè)磁極的范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁勢(shì)大小一樣，Bδ大小完全與氣隙長(zhǎng)度成反比。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組空載磁化曲線磁化曲線：表示空載主磁通Φ0與主極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff之間的關(guān)系曲線，Φ0＝f（Ff）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得到。Φ0Ff直線，不飽和部分膝點(diǎn)飽和部分Fδ’F0’(膝點(diǎn)處約1.1~1.35)

kμ為磁路的飽和系數(shù)，電機(jī)一般運(yùn)行在膝點(diǎn)處。圖2磁化特性曲線第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-3電樞繞組的一般知識(shí)一、直流電機(jī)疊繞組的連接規(guī)律

電樞繞組是由若干結(jié)構(gòu)形狀相同的元件按一定規(guī)律聯(lián)結(jié)成電路的閉合通路。

最后形成一個(gè)閉合通路。電流沿?fù)Q向片導(dǎo)體端接線導(dǎo)體相鄰換向片下個(gè)線圈單匝疊繞組元件

1

2L第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組一、直流電機(jī)疊繞組的連接規(guī)律

一個(gè)繞組元件兩端分別與兩片換向片連接以便與下一個(gè)元件相連。12

3

4

5注意：繞組的各個(gè)元件之間通過(guò)換向片互聯(lián)，一個(gè)換向片與兩個(gè)線圈邊連接。故整個(gè)電樞繞組的元件數(shù)S和換向片數(shù)K相等，即S=K。

一個(gè)元件邊只有一根導(dǎo)體稱單匝繞組，有多根導(dǎo)體稱多匝線圈。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組一、直流電機(jī)疊繞組的連接規(guī)律

為了便于工藝制造，每個(gè)元件的一個(gè)元件邊嵌放在某一槽內(nèi)的上層（上層元件邊），另一元件邊放在另一槽的下層（下元件邊）。

同一槽放了兩個(gè)不同元件的有效邊，因此電樞的槽數(shù)Q也等于元件數(shù)S。c

a

a′c′第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組二、實(shí)槽與虛槽

在實(shí)際的電機(jī)中，常在每個(gè)槽的上、下層各嵌放多個(gè)元件邊，電樞鐵心周圍表面有時(shí)不能沖太多的槽，因此引入虛槽的概念，即同一槽內(nèi)每個(gè)上、下元件邊所占的槽的位置為一個(gè)虛槽。

而虛槽數(shù)等于元件數(shù)，也等于換向片數(shù)，即：Qu=S=K

若一個(gè)實(shí)槽包含u個(gè)虛槽，則虛槽數(shù)Qu與實(shí)槽數(shù)Q有關(guān)系：Qu

=uQ。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組三、繞組節(jié)距1、第一節(jié)距y1：指同一元件兩個(gè)邊之間的距離，用虛槽數(shù)來(lái)計(jì)算，為使元件感應(yīng)最大電動(dòng)勢(shì)，要使y1等于一個(gè)極距。τ=Qu/2Py1y1必須是一整數(shù)，因此y1=Qu/2P±ε。y1<Qu/2P

時(shí)稱短距元件，短距元件端接線短，省銅，有利換向，因此通常取短距。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組三、繞組節(jié)距2、第二節(jié)距y2：指同一換向片所串聯(lián)的兩個(gè)元件中，前一元件的下元件邊與后一元件的上元件邊之間的距離，也用虛槽數(shù)表示。y2

若節(jié)距y2等于y1，不能使繞組在電樞中合理分布。思考：y2是否能等于y1？第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組三、繞組節(jié)距3、合成節(jié)距y：指在相鄰聯(lián)接的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊之間在電樞表面上用虛槽數(shù)表示的距離。

合成節(jié)距y總與換向片節(jié)距yk相等。疊繞組和波繞組:

y=y1+y2y4、換向片節(jié)距yk：指每一元件的兩端所聯(lián)接的兩換向片之間的距離，以換向片數(shù)表示。yk第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組1、電樞繞組與換向片四、疊繞組的聯(lián)結(jié)示意圖結(jié)論：通過(guò)換向片，6個(gè)元件依次串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)閉合回路。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組四、疊繞組的聯(lián)結(jié)示意圖2、電樞繞組與電刷連接位于對(duì)稱位置的電刷將閉合的6個(gè)線圈分成兩條并聯(lián)支路。兩個(gè)電刷位于換向器內(nèi)圓對(duì)稱位置(實(shí)際放置在外圓上)。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組

單疊繞組、單波繞組、復(fù)波繞組、復(fù)疊繞組、混合繞組等。五、電樞繞組的聯(lián)結(jié)方法

繞組聯(lián)結(jié)方法主要表述繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律的節(jié)距、繞組展開(kāi)圖、元件聯(lián)結(jié)圖、并聯(lián)支路圖。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-4單疊繞組主要內(nèi)容：

繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距

繞組展開(kāi)圖

元件聯(lián)結(jié)圖

并聯(lián)支路圖第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單疊繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距疊：兩個(gè)相臨聯(lián)接的元件，后一元件的端部緊疊在前一元件的端部。單：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個(gè)換向片的寬度。特點(diǎn)：槽數(shù)Qu、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同。y=yk=±1

取正號(hào)則繞行換向片一周后，比出發(fā)時(shí)的換向片前進(jìn)一片，稱為右行繞組；取負(fù)號(hào)則后退一片，稱為左行繞組。一般采用右行繞組。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單疊繞組分析實(shí)例節(jié)距計(jì)算：y＝y(tǒng)k＝1計(jì)算節(jié)距y、y1和y2畫(huà)繞組展開(kāi)圖安放電刷和磁極實(shí)例：

2p＝4，Qu＝S＝K＝16第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組1單疊繞組展開(kāi)圖1.槽展開(kāi)2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開(kāi)繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組繞組放置元件1：上元件邊在1槽上層，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層。元件2：上元件邊在2槽上層，下元件邊放在相距y1=4即6槽下層。以此類推放置其他元件。

虛槽中的上層元件邊用實(shí)線表示，下層元件邊用虛線表示，元件邊上下的斜線表示端接。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組主極軸線及幾何中性線主極軸線：主磁極中心線幾何中性線：磁極之間的平分線，此處空載時(shí)的磁通密度為零。NS12主極軸線NSSNA1A2B1B2主極軸線幾何中性線第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組某一瞬間磁極、電刷放置磁極：磁極寬度約0.7τ，均勻分布，N、S極交替安排。電刷：為了在正負(fù)電刷間獲得最大直流電勢(shì)以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷放在被電刷短路的元件電勢(shì)為零的位置。在磁極的幾何中性線上的元件電勢(shì)為零，在同一極性主極下的元件邊電勢(shì)具有相同的方向。電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。

第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單疊繞組元件聯(lián)結(jié)圖

繞電樞一周，所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合回路。

5′6′7′8′9′10′11′

12′13′14′15′16′1′2′3′4′123456789101112

131415161

y2yy1

兩元件之間的虛線，表示通過(guò)換向器上的同一片換向片把兩元件串聯(lián)起來(lái)。

元件、上元件邊及其所在的虛槽，與其聯(lián)結(jié)的換向片都具有相同的號(hào)碼，下元件邊用它所在的虛槽的號(hào)碼上標(biāo)加一撇表示。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單疊繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖

每個(gè)極下的元件組成一條支路，即單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機(jī)的極數(shù)。

23478610111214161551391A1A2B1B212109561314第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單疊繞組的特點(diǎn)元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰兩個(gè)換向片上。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p；整個(gè)電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為零，繞組內(nèi)部無(wú)環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出，電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù);正負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)，電樞電壓等于支路電壓;由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和，即第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組思考題？答：取掉B1，A2，四條支路變?yōu)閮蓷l。1、直流電機(jī)電樞繞組取掉相鄰一個(gè)或兩個(gè)電刷，直流電機(jī)會(huì)怎樣運(yùn)行？2、取掉相對(duì)（B1，B2）電刷會(huì)怎樣？答：整個(gè)回路被A1和A2短接，電機(jī)不能工作。3、電樞繞組閉合回路是否有環(huán)流？答：各支路電勢(shì)數(shù)值相等，電樞繞組回路總電勢(shì)為零。不出現(xiàn)環(huán)流。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組思考題？答：主極數(shù)越多，電樞電流越大，故選用8磁極。4、大電流直流電機(jī)，選用2磁極還是8磁極？

為了增大電樞電流Ia，應(yīng)增加并聯(lián)支路數(shù)，即增加主極數(shù)。但主極數(shù)受電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，不能任意增加?？梢圆捎脧?fù)疊繞組，使支路數(shù)成倍增加。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-5單波繞組主要內(nèi)容：

繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距

繞組展開(kāi)圖

元件聯(lián)結(jié)圖

并聯(lián)支路圖第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組yk

N

Sy1y2對(duì)照單疊繞組y=y1+y2≈2τyk=

y

把相隔約一對(duì)極距的同極性的元件串聯(lián)。N

SN

S11515yk左行繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距

首末端所接的兩換向片相隔很遠(yuǎn)，兩個(gè)元件緊相串聯(lián)后形似波浪。

為了使緊相串聯(lián)的元件所產(chǎn)生的電勢(shì)同向相加，這兩個(gè)元件邊應(yīng)處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距

。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組的聯(lián)結(jié)規(guī)律及節(jié)距

沿電樞鐵心一周后，必須回到原來(lái)起始換向片相鄰的一換向片上，這樣繞組才能繼續(xù)往下繞。

因此，換向片節(jié)距yk應(yīng)滿足，即：

。

yk為一整數(shù)，取正號(hào)時(shí)，繞組聯(lián)結(jié)成右行繞組，取負(fù)號(hào)時(shí)，可得左行繞組。一般取負(fù)號(hào)，這時(shí)端接稍短。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組分析實(shí)例實(shí)例：2p＝4，Qu=S＝K＝15，試?yán)@左行單波繞組。節(jié)距計(jì)算:計(jì)算節(jié)距y、y1和y2畫(huà)繞組展開(kāi)圖安放電刷和磁極第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組元件、磁極、電刷放置原則元件、換向片的放置：

1號(hào)元件上層邊放1號(hào)槽，下層邊放4號(hào)槽；首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對(duì)稱，首末端所連的兩換向片之間的中心線與1號(hào)元件的軸線重合。1號(hào)元件上層邊所連的換向片定為1號(hào)，依此依次聯(lián)接。

磁極放置：

N、S極磁極均勻交替的排列。電刷的放置：放在與主極軸線對(duì)準(zhǔn)的換向片上。

第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組展開(kāi)圖334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展開(kāi)繞組放置安放磁極、電刷第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組元件聯(lián)結(jié)圖

從繞組展開(kāi)圖可以看出，全部15個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)閉合回路的順序是：1815714613512411310291聯(lián)結(jié)圖如下：

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18157146135124113

10291y2yy1第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組某一瞬間并聯(lián)支路圖

單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對(duì)數(shù)a與極對(duì)數(shù)多少無(wú)關(guān)，永遠(yuǎn)為1，即a＝1。

234761011121415A1A2B1B2115895413912815第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單波繞組的特點(diǎn)

同極性下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，支路對(duì)數(shù)a＝1，與磁極對(duì)數(shù)p無(wú)關(guān)。當(dāng)元件的幾何尺寸對(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(shì)最大。

電刷組數(shù)應(yīng)等于極數(shù)；電樞電流Ia＝2ia

。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組單疊繞組和單波繞組的區(qū)別

單疊繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件，形成一條支路。每增加一對(duì)主極就增加一對(duì)支路。2a＝2p。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，適用于較大電流、較低電壓的電機(jī)。

單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。整個(gè)繞組只有一對(duì)支路，極數(shù)的增減與支路數(shù)無(wú)關(guān)。2a＝2。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，適用于較高電壓、較小電流的電機(jī)。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組直流電機(jī)繞組的歸納所有的直流電機(jī)的電樞繞組總是自成閉路。電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠(yuǎn)是成對(duì)出現(xiàn)，這是由于磁極數(shù)(2p)是一個(gè)偶數(shù)。

注：a－支路對(duì)數(shù)

p－極對(duì)數(shù)為了得到最大的直流電勢(shì)，電刷總是與位于幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組思考題？答：不能，這樣會(huì)使電刷下的平均電流密度增大，容易損壞電刷。1、既然一對(duì)正、負(fù)電刷可構(gòu)成一對(duì)支路，單波繞組是否只需要一對(duì)正、負(fù)電刷？答：3個(gè)。2、單波繞組p=3，則一周有幾個(gè)繞組串聯(lián)？第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-6其他型式電樞繞組簡(jiǎn)介

直流電機(jī)電樞繞組除單疊和單波繞組外，還有復(fù)疊、復(fù)波和混合繞組（蛙型繞組），它們之間的區(qū)別主要是換向器節(jié)距不同。

復(fù)疊繞組的yk＝m，m是大于1的整數(shù)。它可以看成m個(gè)單疊繞組通過(guò)電刷并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成，它的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)是單疊繞組的m倍，即a=mp。

復(fù)波繞組的

，它可以看成m個(gè)單波繞組通過(guò)電刷并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成，它的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a=m。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-6其他型式電樞繞組簡(jiǎn)介

混合繞組是由一套疊繞組和一套波繞組按照一定規(guī)律在電樞槽中嵌放并聯(lián)結(jié)到同一個(gè)換向器上構(gòu)成，這時(shí)每個(gè)槽可以分為上下四層來(lái)放置兩套繞組。

混合繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)多，其突出優(yōu)點(diǎn)為可以較好地解決大型直流電機(jī)的換向困難問(wèn)題。第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組例題所以采用復(fù)疊繞組。復(fù)疊:一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，2p=4，PN=10KW，UN=6V，若每一支路電流不超過(guò)300A，則電樞繞組應(yīng)采用何種繞法？解：?jiǎn)委B:第7章直流電機(jī)的磁路和電樞繞組§7-7直流電機(jī)電樞繞組的

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)單根導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)：有效導(dǎo)體數(shù)：繞組由2a個(gè)支路