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1、第七章 直流电机的磁路和电枢绕组,7-1 概述,电机感应电动势和产生电磁转矩都离不开磁场，要了解电机的运行情况首先要了解电机的磁路和磁化特性。,电枢绕组是直流电机的核心部分。根据不同的联结方法可分为：单叠、单波、复叠、复波和混合绕组等。,7-2 直流电机的磁路和磁化特性,一、空载时磁场分布,电机中磁场的分布是对称的，由励磁动势所建立的主极磁通分两部分：主磁通0和漏磁通。,磁通和磁路,磁路从气隙1出发经电枢齿电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1，最后又回到气隙1。,磁通和磁路,主磁通、主磁路：由N极出发， 经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入S极，再经定子轭回到
2、原来N极。,主磁通交链励磁绕组和电枢绕组， 在电枢绕组中感应电势，产生电磁转矩。,漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。,影响饱和程度,主磁通和漏磁通,主磁通0和漏磁通由同一磁动势建立；0所走的路径气隙小，磁阻小；漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；漏磁系数：,磁路计算,磁路计算的目的： 对于每极主磁通0 ，求出每对主极所需的磁动势F。 通常选取经过主磁极中心线底下的气隙和电枢齿所构成的一条闭合回路计算。,整个闭合磁路分为5段： 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。,磁路计算,磁路计算的步骤：,1、先求经过某一段的磁通；2、根据该段的有效截面积SX计算
3、该段的磁密BX；3、由BX在磁化曲线上查HX；4、确定各段 磁路计算长度LX；5、计算各段磁路磁压降 HXLX；,6、相加各段磁路磁压降得出一对磁极所需的总磁动势： 。,气隙磁场,在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。,主磁场磁密的分布,在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，B大小完全与气隙长度成反比。,空载磁化曲线,磁化曲线：表示空载主磁通0与主极励磁磁动势Ff之间的关系曲线， 0f（ Ff）。通过实验或计算得到。,(膝点处约1.11.35),k为磁路的饱和系数，电机一般运行在
4、膝点处。,图2 磁化特性曲线,7-3 电枢绕组的一般知识,一、直流电机叠绕组的连接规律,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。,最后形成一个闭合通路。,电流 沿换向片,导体,端接线,导体,相邻换向片,下个线圈,一、直流电机叠绕组的连接规律,一个绕组元件两端分别与两片换向片连接以便与下一个元件相连。,注意：绕组的各个元件之间通过换向片互联，一个换向片与两个线圈边连接。故整个电枢绕组的元件数S和换向片数K相等，即S=K。,一个元件边只有一根导体称单匝绕组，有多根导体称多匝线圈。,一、直流电机叠绕组的连接规律,为了便于工艺制造，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽内的上层（上
5、层元件边），另一元件边放在另 一槽的下层（下元件边）。,同一槽放了两个不同元件的有效边，因此电枢的槽数Q也等于元件数S。,二、实槽与虚槽,在实际的电机中，常在每个槽的上、下层各嵌放多个元件边， 电枢铁心周围表面有时不能冲太多的槽，因此引入虚槽的概念，即同一槽内每个上、下元件边所占的槽的位置为一个虚槽。,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u个虚槽，则虚槽数Qu与实槽数Q有关系： Qu = uQ。,三、绕组节距,1、第一节距y1：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，要使y1等于一个极距。= Qu/2P,y1必须是一整数，因此y
6、1= Qu/2P 。,y1 Qu/2P 时称短距元件，短距元件端接线短，省铜，有利换向，因此通常取短距。,三、绕组节距,2、第二节距y2：指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边之间的距离，也用虚槽数表示。,若节距 y2 等于 y1，不能使绕组在电枢中合理分布。,思考：y2 是否能等于 y1？,三、绕组节距,3、合成节距y：指在相邻联接的两个元件的对应边之间在电枢表面上用虚槽数表示的距离。,合成节距y总与换向片节距yk相等。,叠绕组和波绕组: y = y1+ y2,4、换向片节距yk：指每一元件的两端所联接的两换向片之间的距离，以换向片数表示。,1、电枢绕组与换向
7、片,四、叠绕组的联结示意图,结论：通过换向片，6个元件依次串联构成一个闭合回路。,四、叠绕组的联结示意图,2、电枢绕组与电刷连接,位于对称位置的电刷将闭合的6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(实际放置在外圆上)。,单叠绕组、单波绕组、复波绕组、复叠绕组、混合绕组等。,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、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。,7-4 单叠绕组,主要内容：,绕组联结规律及节距,绕组展开图,元件联结图,并联支路图,单叠绕组的联结规律及节距,叠：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。,单：首末端相联的两换向片相隔一个
8、换向片的宽度。,特点：槽数Qu、元件数S和换向片数K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。一般采用右行绕组。,单叠绕组分析实例,节距计算：,yyk1,实例： 2p4，QuSK16,单叠绕组展开图,槽展开,绕组放置,元件1：上元件边在1槽上层，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。元件2：上元件边在2槽上层，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。 以此类推放置其他元件。,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。,主极轴线及几何中性线,主极轴线：主磁极中心线,几何中性线：磁极之间
9、的平分线，此处空载时的磁通密度为零。,某一瞬间磁极、电刷放置,磁极：磁极宽度约0.7，均匀分布，N、S极交替安排。电刷：为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。 在磁极的几何中性线上的元件电势为零，在同一极性主极下的元件边电势具有相同的方向。 电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主极轴线对准的换向片上。,单叠绕组元件联结图,绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。,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。,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虚槽的号码上标加一撇表
10、示。,单叠绕组某一瞬间并联支路图,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。,单叠绕组的特点,元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，2a=2p；整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少， 电刷数等于磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即,思考题,？,答：取掉 B1，A2，四条支路变为两条。,1、直流电机电枢绕组取掉相邻一个或两个电刷，直流电机会怎样运行？,2、取掉相对（ B1，B2 ）电刷会怎样？,答
11、：整个回路被A1 和A2 短接，电机不能工作。,3、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为零。不出现环流。,思考题,？,答：主极数越多，电枢电流越大，故选用8磁极。,4、大电流直流电机，选用2磁极还是8磁极？,为了增大电枢电流Ia，应增加并联支路数，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，使支路数成倍增加。,7-5 单波绕组,主要内容：,绕组联结规律及节距,绕组展开图,元件联结图,并联支路图,对照单叠绕组,y = y1 +y2 2yk= y,把相隔约一对极距的同极性的元件串联。,单波绕组的联结规律及节距,单波绕组的联结规律及节
12、距,首末端所接的两换向片相隔很远，两个元件紧相串联后形似波浪。,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，即合成节距 。,单波绕组的联结规律及节距,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。,yk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， 这时端接稍短。,单波绕组分析实例,实例：2p4，Qu=SK15，试绕左行单波绕组。,节距计算:,元件、磁极、电刷放置原则,元件、换向片的放置： 1号元件上层边放1号槽，下层边放4号槽；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
13、间的中心线与1号元件的轴线重合。 1号元件上层边所连的换向片定为1号，依此依次联接。,磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。,电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。,单波绕组展开图,槽展开,单波绕组元件联结图,从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：,联结图如下：,单波绕组某一瞬间并联支路图,单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关，永远为1，即a1。,单波绕组的特点,同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数a1，与磁极对数p无关。 当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上的
14、位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。 电刷组数应等于极数； 电枢电流 Ia2ia 。,单叠绕组和单波绕组的区别,单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件， 形成一条支路。 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，适用于较大电流、较低电压的电机。,单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，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。2a2。 波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。,直流电机绕组的归纳,所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是
15、由于磁极数(2p)是一个偶数。 注：a支路对数 p极对数为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中性线上的导体相接触。,思考题,？,答：不能，这样会使电刷下的平均电流密度增大，容易损坏电刷。,1、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？,答：3个。,2、单波绕组 p =3，则一周有几个绕组串联？,7-6 其他型式电枢绕组简介,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），它们之间的区别主要是换向器节距不同。,复叠绕组的ykm，m是大于1的整数。它可以看成m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m倍，即a=mp。,复
16、波绕组的 ，它可以看成m个单波绕组通过电刷并联起来构成，它的并联支路对数a=m。,7-6 其他型式电枢绕组简介,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上构成，这时每个槽可以分为上下四层来放置两套绕组。,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。,例题,所以采用复叠绕组。,复叠:,一台直流发电机，2p=4，PN=10KW，UN=6V，若每一支路电流不超过300A，则电枢绕组应采用何种绕法？,解：,单叠:,7-7 直流电机电枢绕组的感应电动势,单根导体的电动势：,有效导体数：,绕组由2a个支路组成，每一支路串联的导体数
17、为 ，串联后组成一个支路的电动势，故电枢绕组的感应电动势Ea为：,右手定则,电枢绕组的感应电动势,式中ei为支路中第i根导体中的感应电动势，则：,一根导体的平均电动势为,式中Bav和B分别为每极平均磁密和最大磁密， 。,线速度 ，其中n是电枢转速(r/min)，每极磁通 。,电枢绕组的感应电动势,代入式（7-1）得空载时平均感应电动势：,负载时感应电动势为： 。,式中 的单位是韦伯(Wb)；Ce是常数， 。,感应电动势的单位是伏( V )。,7-8 直流电机电枢绕组的电磁转矩,单根导体受的电磁力：,为导体所在处的磁密。,导体距轴心的径向距离为D/2，则产生的电磁转矩为 ，则电枢绕组的电磁转矩为 。,左手定则,电枢绕组的电磁转矩,式中ti为支路中第i根导体产生的电磁转矩，则：,一根导体受的平均电磁转矩为 。,将 及 代入式（7-2）得：,式中T的单位是 Nm；Ct是常数， 。,S7-5S7-6X7-5,本章习题,
