第五篇直流电机

1、 第第5篇篇 直直 流流 电电 机机第第17章章 直流电机的工原理和主要直流电机的工原理和主要结构结构n1.1.1直流电机的主要结构：直流电机的主要结构：如图所示，如图所示， 直流电机由静止的部分直流电机由静止的部分定子定子和旋转的部分和旋转的部分转子转子两大部分构成：两大部分构成：1、定子部分：定子包括机座、主磁极、换、定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。向极和电刷装置等。1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用损耗，主磁极铁心用11.2mm厚的低碳厚的

2、低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。座上。 主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩产生电磁转矩.2）、换向极：换向极又称附加极或间极）、换向极：换向极又称附加极或间极,其作其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。之间，它也是由铁心和绕组构成。3）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向

3、极及端盖等，起二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。铸钢或厚钢板焊成。4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。器相配合，起到整流或逆变器的作用。 2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等

4、。轴承等。n1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时转时 电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转

5、换的关键性部件。现机电能量转换的关键性部件。1.1.2 直流电机的工作原理：直流电机的工作原理：1、直流发电机的工作原理：、直流发电机的工作原理：如图所示：如图所示： 从以上分析可以看出，线圈中的电动势及从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。交流发电机。2、直流电动机的工作原理：、直流电动机的工作原理： 从以上分析可见，在直流电动机中，线圈从以上分析可见，在直

6、流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。是恒定的。 n3、直流电机的可逆性：、直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，则电动机就可以

7、带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。从而把电能转变成机械能。这种同一台电机这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。理论中称为可逆原理。n1.1.3直流电机的额定值：直流电机的额定值： 为了使电机安全可靠为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定这些

8、保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有：值有：n 1额定容量额定容量 （功率）（功率）（kW）n 2额定电压额定电压 （V）；）；n 3额定电流额定电流 （A）;n 4额定转速额定转速 （rmin）；）；n 5励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流 （A）NPNUNINnfNI注意：额定容量，对直流发电机来说，是指对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率是指轴上输出的机械功率。n所以，直流发电机的额定容量为：所以，直流发电机的额定容量为：n而直流电动机的额定功率为：而直流电动机的额定功率为：NNNIUPN

9、NNNIUP1.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组n电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。的机电能量转换过程中起着重要的作用。 因此，电枢绕组须满足以下要求：n在能通过规定的电流和产生足够的电动势在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，n并且要结构简单、运行可靠等。并且要结构简单、运行可靠等。n n1.2.1 名词术语介绍名词术语介绍n（1）极轴线：磁极的中心线；）极轴线：磁极的中心线；n（2）几何中性线：磁极之间的平分线，）几何中性线：磁极之间的

10、平分线，n（3） ：极对数；：极对数；n（4） 极距：在电枢铁心表面上，一个极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽数表示，极所占的距离。可用槽数表示， （槽），式中（槽），式中Z为电枢总槽数；为电枢总槽数；n （5）元件（线圈）：是绕组的一个基本）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，单元，可为单匝，也可为多匝， ppZ2n（6）元件节距）元件节距 （第一节距）：元件两（第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数条边的距离，以槽数计，总是整数,n 整数整数 n :是使凑成整数的分数。是使凑成整数的分数。n 7）合成节距）合成节距 n8）换向器节距）换向器节距

11、 通常用换向片数通常用换向片数K来来表示。表示。1ypZy21yky1.2.2 单叠绕组单叠绕组 元件依次相连，元件的出线端接到相邻的元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，换向片上， 第一个元件的下层边第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。何特点。例例:已知某直流电机的极对数已知某直流电机的极对数 =2 ,槽数槽数件数件数S及换向片数为及换向片数为 ,试试画出单叠绕组展开图。画出单叠绕

12、组展开图。1kypZ16KSZn解：解：1计算绕组数据计算绕组数据因为是单叠，所以因为是单叠，所以 2画绕组展开图画绕组展开图:（1）先画）先画16根等长、等距的实线，代表各根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。代表各槽下层元件边。 4221621pZy1kyyn（2）根据）根据 ，画出第一个元件的上下层，画出第一个元件的上下层边（边（15槽），令上层边所在的槽号为元槽），令上层边所在的槽号为元件号；件号；n（3）接上换向片，）接上换向片，1、2片之间对准元件片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；

13、中心线，之后等分换向器，定出换向片号；n（4）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第2槽，槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第与第一个元件的下层边联接；下层边在第6槽与槽与3号换向联接。按此规律，一直把号换向联接。按此规律，一直把16个元件全部联起来。个元件全部联起来。1yn（5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N极磁力极磁力 线垂直向里（进入纸面），线垂直向里（进入纸面），S极向外极向外（从纸面穿出）；（从纸面穿出）；n（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上片宽（实际上K很

14、多，电刷宽很多，电刷宽23片宽）。并片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为实际位置应

15、在磁极中性线下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置电刷放在几何中性线位置”n2.单叠绕组电路图单叠绕组电路图:n为了进一步说明单叠绕为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接次序组各个元件的联接次序及其电动势分布情况，及其电动势分布情况，按图将各元件的联接顺按图将各元件的联接顺序，可得到如图所示的序，可得到如图所示的绕组电路图。绕组电路图。n从以上分析可以总结出，从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：单叠绕组具有以下特点：n（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片 上；上；n（2）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数， ； n（3）整个电枢绕

16、组的闭合回路中，感应电动势）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无的总和为零，绕组内部无“环流环流”；n（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；不能少，电刷数等于磁极数； n（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路）正负电刷之间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；的电动势，电枢电压等于支路电压；n（6）由正负电刷引出的电枢电流）由正负电刷引出的电枢电流 为各支路电为各支路电流之和，即流之和，即 （式中（式中 为每一条支路为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。的电流，即绕组元件中流

17、过的电流）。 pa22aIaaaiI2ain从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。少，适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。于大容量的电机，可以采用混合绕组。第第18章章 直流电机的磁场、电枢直流电机的磁场、电枢

18、 反应和电枢绕组反应和电枢绕组 18. 1 空载和负载时直流电机的磁动势空载和负载时直流电机的磁动势 和磁场和磁场 在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式：即：我们要看一下直流电机是如何给他的 励磁绕组通电的。他励式积复励差复励1 . 串励式2 . 并励式3 . 复励式自励式直流电机的励磁方式1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：1）串励式：电枢绕组和

19、励磁绕组相串联，满足：2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：faIIIafUUfaIII3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：励和差复励：积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：差复励：fSFFFSfFFF二、空载时直流电机的磁场分布

20、：二、空载时直流电机的磁场分布： 空载：空载：发电机出线端没有电流输出，电动机发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状即电枢电流为零的状态。那么态。那么 ，这时的气隙磁场，只由主极这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。的气隙磁场，又称励磁磁场。主磁通主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁

21、转矩，称为主磁通，产生电磁转矩，称为主磁通， 0漏磁通：漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通，称为漏磁通， 。特点：特点：1）由同一个磁动势所产生）由同一个磁动势所产生2）所走的路径不同，这就导致了他们对）所走的路径不同，这就导致了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将系到电机的

22、运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。是我们主要研究的方向。1）、如图所示， 极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙，极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙， 显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下：数学形式来看一下： 设电枢圆周为设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为纵轴，又设轴而磁极轴线处为纵轴，又设电枢长度为电枢长度为 ，则离开坐标原点为，则离开坐标原点为 的的 范围范围内的气隙主

23、磁通为：内的气隙主磁通为：xlldxBdxxdxx则空载时每极主磁通为则空载时每极主磁通为： 22220dxBlldxBdxxxlBav 换言之，空载时的每极磁通是随磁动势换言之，空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。或励磁电流的变化而变化。2）电机的磁化曲线：）电机的磁化曲线： 在额定状态下，电机往往工作在饱和点附在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。心和励磁绕组的材料。三、负载时的气隙磁场和电枢磁动势：三、负载时的气隙

24、磁场和电枢磁动势：1、负载时的气隙磁场：、负载时的气隙磁场：励 磁 电 流 所 建 立 的 磁 场电 枢 电 流 所 建 立 的 磁 场气 隙 磁 场显然，由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生显然，由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化，而这个变化的性质将是我们下面研究的重变化，而这个变化的性质将是我们下面研究的重点点电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应。而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电枢反应，下面我们就来具交轴电枢反应和直轴电枢反应，下面我们

25、就来具体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机上位置的摆放密切相关：上位置的摆放密切相关：一、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：一、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：如图可见：如图可见：此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机进行数学分析，我们得到一个有关磁动进行数学分析，我们得到一个有关磁动势分布的表达式：势分布的表达式： 其中，其中，A叫做电枢线负载，也就是电枢叫做电枢线负载，也就是电枢表面单位周长上的安培导体数，表面单位周

26、长上的安培导体数，x是沿是沿圆周方向的圆周方向的 距离，因此，我们可以得到距离，因此，我们可以得到磁密的空间分布式：磁密的空间分布式：AxFaxAxBaxu0 其中，其中， 为气为气 隙计算长度，可见，磁密的隙计算长度，可见，磁密的分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。 二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势： 看图：引出了直轴电枢磁动势，看图：引出了直轴电枢磁动势， 直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴

27、线重合，称为直轴电枢磁动势。轴线重合，称为直轴电枢磁动势。 三、交轴、直轴电枢反应：三、交轴、直轴电枢反应：1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。的影响。 在这里，我们为了分析问题的简单，在这里，我们为了分析问题的简单， 假定（假定（1）磁场是不饱和的，（）磁场是不饱和的，（2）发电机电）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，我们就可以对上图进行叠加，可知我们就可以对上图进行叠加，可知A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引

28、起气作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出：以看出：A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动

29、一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，B:若为电动机，刚好相反，这里不在具体若为电动机，刚好相反，这里不在具体分析。分析。18.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 绕组的重要性我们在这里不在重复，要注意的是：绕组的重要性我们在这里不在重复，要注意的是：电枢绕组的连接须满足在能通过规定的电流和产电枢绕组的连接须满足在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能的节省材料，并生足够的电动势前提下，尽可能的节省材料，并且希望结构简

30、单，运行可靠。且希望结构简单，运行可靠。一、介绍几个概念：一、介绍几个概念： （1 1）极轴线：磁极的中心线；）极轴线：磁极的中心线；（2 2）几何中性线：磁极之间的平分线，）几何中性线：磁极之间的平分线，（3 3） ：极对数；：极对数；p（4）极距）极距 ：在电枢铁心表面上，一个：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽极所占的距离。可用槽数表示，数表示， （槽），式中（槽），式中Z Z为电枢总槽数；为电枢总槽数；（5）元件（线圈）：是绕组的一个基本）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，元件的单元，可为单匝，也可为多匝，元件的两个出线端分别接到两片换向片上，并两个出线

31、端分别接到两片换向片上，并与其他元件相连。与其他元件相连。一个元件边放在槽的一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，因此，上层，另一边放在另一槽的下层，因此，一个槽里总有上下层两个线圈边，称为一个槽里总有上下层两个线圈边，称为双层绕组，见图所示；双层绕组，见图所示；pZ2（6 6）元件节距（第一节距）元件节距（第一节距） ：元件两条边的：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数。距离，以槽数计，总是整数。整数整数其中：其中： ：凑整分数。：凑整分数。 = 0 = 0， ，绕组称为整距绕组，绕组称为整距绕组 取负值，取负值， 称为短距绕组称为短距绕组 取正号时取正号时 ， 称长距绕组。短距绕

32、组称长距绕组。短距绕组端接短、省铜，且有利于换向，故常用；端接短、省铜，且有利于换向，故常用；1ypZy211y1y1y（7 7）合成节距）合成节距 ：相串联两个元件的：相串联两个元件的对应边在电枢表面上的距离，称为合成对应边在电枢表面上的距离，称为合成节距，通常也用槽数来表示节距，通常也用槽数来表示（8 8）换向器节距）换向器节距 ： 元件两个出线端元件两个出线端所接换向片的距离，通常用换向片数所接换向片的距离，通常用换向片数K K来表示。来表示。二、单叠绕组：二、单叠绕组：在这里，我们用一个具体的事例来给大家在这里，我们用一个具体的事例来给大家进行分析。进行分析。yky例：已知某直流电机的

33、极对数例：已知某直流电机的极对数 2 2，槽数，槽数 、元件数元件数S S及换向片数及换向片数K K为为: : 试画出单叠绕组展开图。试画出单叠绕组展开图。解：解：1 1计算绕组数据计算绕组数据 因为是单叠，所以因为是单叠，所以 2 2画绕组展开图画绕组展开图 为了清晰和直观起见，工程上都把电机的电为了清晰和直观起见，工程上都把电机的电枢绕组图画成沿电枢轴线切开，展成平面的枢绕组图画成沿电枢轴线切开，展成平面的绕组展开图。绕组展开图。pZ16KSZ4221621pZy1kyy（1）先画）先画16根等长、等距的实线，代表各槽根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画上层元件边，再画16根等长等

34、距的虚线，代根等长等距的虚线，代表各槽下层元表各槽下层元件边。实际上一根实线和一根件边。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽，依次把槽编上号，如图虚线代表一个槽，依次把槽编上号，如图18-18-6 6所示；所示；（2 2）根据）根据 ，画出第一个元件的上下层边，画出第一个元件的上下层边（1 15 5槽），令上层边所在的槽号为元件号；槽），令上层边所在的槽号为元件号；（3 3）接上换向片，）接上换向片，1 1、2 2片之间对准元件中心线，片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；之后等分换向器，定出换向片号；（4 4）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第2 2槽，与第槽

35、，与第一个元件的下层边联接；下层边在第一个元件的下层边联接；下层边在第6 6槽与槽与3 3号换向联接。按此规律，一直把号换向联接。按此规律，一直把1616个元件全个元件全部联起来。部联起来。 1y5）放磁极：磁极宽度约为）放磁极：磁极宽度约为 均匀分布均匀分布在圆周上，在圆周上，N N极磁力线垂直向里（进入极磁力线垂直向里（进入纸面），纸面），S S极向外（从纸面穿出）；极向外（从纸面穿出）；6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上换向片宽（实际上 K K很多，电刷宽很多，电刷宽 2 23 3片宽）。并把相同极性下的电刷并片宽）。并把相同极性下的电

36、刷并联起来。联起来。实际运行时，电刷是静止不动实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。其感应电动势是接近零的。7 . 0kb可以看出，一个极下导体电流的方向是可以看出，一个极下导体电流的方向是完全一致的（同一槽中上下层边不属于完全一致的（同一槽中上下层边不属于同一线圈。但电流的方向一致）。而且，同一线圈。但电流的方向一致）。而且，N N、S S极下导体电流的方向相反，所以能极下导体电流的方向相反，所以能产生一个方向固定的转矩。产生一个方向固定的转

37、矩。1.1.单叠绕组元件联接次序图单叠绕组元件联接次序图 从第从第1 1号元件开始，绕电枢一周，把全号元件开始，绕电枢一周，把全部元件边都串联起来，之后又回到第部元件边都串联起来，之后又回到第1 1号元件的起始点号元件的起始点1 1。可见，整个绕组是。可见，整个绕组是一个闭合回路。一个闭合回路。2.2.单叠绕组电路图：单叠绕组电路图： 为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接次序及其电动势分布情况，按图次序及其电动势分布情况，按图18-718-7各元各元件的联接顺序，可得到如图件的联接顺序，可得到如图18-818-8所示的绕所示的绕组电路图。组电路图。从图从图1

38、8-818-8可以看出，每个极下可以看出，每个极下的元件组成的元件组成 一条支路，这就是说，单叠一条支路，这就是说，单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数，绕组的并联支路数正好等于电机的极数，即即 （ 为并联为并联 支路对数）。这支路对数）。这是单叠绕组的重要特点之一。是单叠绕组的重要特点之一。pa22a从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：特点：（1 1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；片上；（2）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数， （3 3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电）整个电枢绕组的闭

39、合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无动势的总和为零，绕组内部无“环流环流”；（4 4）每条支路由不相同的电刷引出，所以）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；电刷不能少，电刷数等于磁极数；（5 5）正负电刷之间引出的电动势即为每一）正负电刷之间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；支路的电动势，电枢电压等于支路电压；（6 6）由正负电刷引出的电枢电流为各）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即支路电流之和，即 （式中（式中 为每为每一一条支路的电流，即绕组元件中流过的条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）电流）, ,在元件端接线对称的情况下

40、，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中心线下，此电刷的实际位置应在磁极中心线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此时电刷的位置，习惯上称为此时电刷的位置，习惯上称为“电刷放电刷放在几何中性线位置在几何中性线位置”aaaiI2ai三、单波绕组：如图所示，因为绕组连接起来后像三、单波绕组：如图所示，因为绕组连接起来后像波浪形，所以得名。波浪形，所以得名。 相关概念：相关概念：1）节距：）节距： 整数整数 整数整数 pZy2112yyypKyk1单波绕组展开图：单波绕组展开图：我们以一个具体的例子来看这个问题：我们以一个具体的例子来看这个问题：

41、已知某直流电机极对数已知某直流电机极对数p p2 2，槽数、元件槽数、元件数及换向片数为数及换向片数为z=s=kz=s=k1515。要求绕成单要求绕成单波绕组。波绕组。解：解：1 1）计算相关节距：）计算相关节距： 2 2）连图：）连图：2）绕组元件连接次序：）绕组元件连接次序：从绕组展开图可以后出，全部从绕组展开图可以后出，全部1515个元件是按下列次个元件是按下列次序串联而构成一个闭合回路的，即：序串联而构成一个闭合回路的，即： 1 1815714613512411310291 这样，我们就可以作出他的次序图：这样，我们就可以作出他的次序图： 4）单波绕组电路图：）单波绕组电路图：根据单波

42、绕组根据单波绕组1515个元件的串联次序及电刷位个元件的串联次序及电刷位置，可以画出本例单波绕组的电路图如图所示。置，可以画出本例单波绕组的电路图如图所示。可以看出，元件可以看出，元件1515、7 7、1414、6 6、1313串联在一起，串联在一起，即处在即处在S S极下的所有元件串联在一起构成一条支极下的所有元件串联在一起构成一条支路，各元件的电动势方向是相同的。元件路，各元件的电动势方向是相同的。元件4 4、1111、3 3、1010、2 2串联在一起，构成另一条支路，它们串联在一起，构成另一条支路，它们的电动势方向也是相同的。由此可见，单波绕的电动势方向也是相同的。由此可见，单波绕组是

43、把所有组是把所有N N极下的全部元件串联起来组成了一极下的全部元件串联起来组成了一条支路，把所有条支路，把所有S S极下的全部元件串联起来组成极下的全部元件串联起来组成了另一支路。了另一支路。由于磁极只有由于磁极只有N N、S S之分，所以单之分，所以单波绕组的支路波绕组的支路图图对数与极对数多少无关，对数与极对数多少无关，永远永远为为1，即：，即：a a1 . .如图：如图：单波绕组有以下特点：单波绕组有以下特点：（1 1）同极性下各元件串联起来组成一条支路支）同极性下各元件串联起来组成一条支路支路对数，路对数，1 1，与磁极对数无关；，与磁极对数无关；（2 2）当元件的几何形状对称时，电刷

44、在换向器）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；最大；（3 3）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）；）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）；（4 4）电枢电流）电枢电流 。aaiI2从上面的分析可知，相同元件数时，叠从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等电机。对于单波绕组，支路对数永远等于于1 1，每条支路里所包含的元件数较多，每条支路里所包含的元件

45、数较多，所以这种绕组适用于较高电压，较小电所以这种绕组适用于较高电压，较小电流的电机，至于大容量的电机，可以采流的电机，至于大容量的电机，可以采用混合绕组。用混合绕组。18.3直流电机的电枢电动势和直流电机的电枢电动势和电磁转矩电磁转矩一、电枢电动势：一、电枢电动势：电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。范围内所产生的平均电动势，再求一条

46、支路的。一个磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距表示，极距为为 ，电枢的轴向有效长度为，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为每极磁通为，则则avBlln一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：n又因为：又因为：n所以：所以：lBavlvBeavav602npv602npeav因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为电枢总导体数，为电枢总导体数， ），于是，），于是，电枢电动势为：电枢电动势为：式中，式中， 是一个常数，称为电动势常数。是一个常数，称为电动势常数。 aN2ySNN2nCnapNnpaNeaNEeava606022

47、2apNCe60二、电磁转矩：二、电磁转矩： 如果电动势和发电机相关，那么，电磁如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：磁转矩的过程和求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：一根导体所受的平均转矩：aavavilBf2DfTavx3）电机总的电磁转矩则为：）电机总的电磁转矩则为：式中：式中： 是一个常数，称为转矩常数，是一个常数，称为转矩常数， 是电枢总电流，从表达是电

48、枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。通和电枢电流。aTaaaavICIapNpNaIllDNaIlBT222222apNCT2aaaiI2n ， 对于一个具体的电机而言，是对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系，一固定的关系， n 或或三、直流电机的电磁功率：三、直流电机的电磁功率：eCTC55. 9260eTCCeTCC55. 9TIapNIapNnICIEPaaaeaaM226060第第19章章 直流电机的基本方程式和直流电机的基本方程式和运行特性运行特

49、性 19.1 直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式 在这里，首先对正方向进行规定：和交流电机一在这里，首先对正方向进行规定：和交流电机一样，我们令对发电机而言，电流流出为正方向；样，我们令对发电机而言，电流流出为正方向；对电动机而言，电流流入为正方向。对电动机而言，电流流入为正方向。一、电动势平衡方程式：一、电动势平衡方程式：如图所示，根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的如图所示，根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和等于所有电压降和闭合回路，所有电动势之和等于所有电压降和（ ），）， 有：有：UE二、转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式： 直流发电机在稳态运行时，电机的

50、转速为直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩机输入给发电机转轴上的驱动转矩 ；一；一个是电磁转矩个是电磁转矩T；还有一个是电机的机械摩擦、还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用表示用表示T T0 0,.空载转矩是一个制动性转矩空载转矩是一个制动性转矩,永远永远与转与转 速速n的方向相反的方向相反 由上图可的：由上图可的：ffffaaaRIrrIURIUE)(01TTT1T三、功率平衡方程式：三、功率平衡方程式：从原动机输入

51、的机械功率可用下式表示从原动机输入的机械功率可用下式表示 ： 式中电磁功率式中电磁功率PM为转换成电枢回路的为转换成电枢回路的电功率：电功率：0011)(PPTTTPMaaaaaaaaMRIUIIRIUIETP2)(cuacufcuafppPpIIU2)(其中，其中，空载损耗空载损耗 为：为：由以上各式可得：由以上各式可得： aacuaRIp20padmFepppp0cuacufadmFepppppPP21pP2如此，则发电机的效率为：如此，则发电机的效率为： 额定负载时，直流发电机的效率与电机额定负载时，直流发电机的效率与电机的容量有关。的容量有关。10kW以下的小电机，效以下的小电机，效率

52、 约 为率 约 为 7 5 % 8 8 . 5 % ；1 0 1 0 0 k W 的 ， 效 率 约 为的 ， 效 率 约 为85%90%;1001000kW的电机，的电机，效率约为效率约为88%93%。 pPpPP212119.2直流发电机的运行特性 所谓运行特性，就是要找出电机在工作的所谓运行特性，就是要找出电机在工作的过程中所展现的某些特性，并将这些特性过程中所展现的某些特性，并将这些特性用曲线的形式进行表示，在直流电机中，用曲线的形式进行表示，在直流电机中，我们要重点掌握的有：我们要重点掌握的有：（1） 负载特性负载特性指当指当n=常数且常数且I=常数时，常数时，U=f(If)的关系，

53、的关系，其中当其中当I=0时的特性时的特性U0=f(If)称为发电机称为发电机的空载特性。的空载特性。（2） 外特性外特性指当指当n=常数且常数且If=常数或常数或Rf=常数时，常数时，U=f(I)的关系的关系（3）调节特性）调节特性 指当指当n=常数且常数且U=常数时，常数时，If=f(I)的的关系。关系。（4）效率曲线）效率曲线下面进行详细的几种主要特性的介绍：下面进行详细的几种主要特性的介绍：一、一、他励直流发电机的空载特性：他励直流发电机的空载特性： 实验条件：如图所示，实验条件：如图所示，)(2Pf 打开闸刀开关打开闸刀开关Q，调节电阻调节电阻 从而改从而改变励磁电流变励磁电流 ，由

54、零开始单调增长直，由零开始单调增长直至至 ，然后让，然后让 单调减小至单调减小至零 再 反 向 单 调 增 加 直 至 负 的零 再 反 向 单 调 增 加 直 至 负 的 为为 ，然后又使，然后又使 单调减小单调减小至零。在调节过程中读取空载端电压至零。在调节过程中读取空载端电压 与励磁电流与励磁电流 数组数据，即的空载特性，数组数据，即的空载特性，如图如图 19所示。所示。fINUU) 3 . 11 . 1 (0fINU)3.11.1(0UfI0UfI分析特性：分析特性：1）由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线曲线 是一闭合的回线。是一闭合的回线。2 2）由

55、于电机有剩磁，使得）由于电机有剩磁，使得 时仍有时仍有一个一个很低的电压，称之为剩磁电压，其很低的电压，称之为剩磁电压，其值约为的值约为的%。实际使用时，一。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所示）般取回线的平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。作为空载特性。3）空载特性）空载特性 与电机的磁化曲线与电机的磁化曲线 形状相似，只差一个比例常数。形状相似，只差一个比例常数。)(0fIfU0fI)(0fIfU )(0fIf4）空载特性与励磁方式无关，因此并励）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以用上述方法求发电机的空载特性也可以用上述方法求取，他励直流发电机的空载特性

56、是直流取，他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲线。电机最基本的特性曲线。二、他励直流发电机的外特性：二、他励直流发电机的外特性：实验条件：实验条件：使发电机接上负载，当原动机使发电机接上负载，当原动机保持保持 ，调节，调节 使之不变，使之不变，然后改变负载使然后改变负载使 从零增加到从零增加到 ，读，读取取 、 之值，即得到外特性曲之值，即得到外特性曲线线 ，如图，如图19所示。电流所示。电流增大时，端电压下降，其原因有两个：增大时，端电压下降，其原因有两个：Nnn fNfIIINIUI)(IfU 负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使每极磁通

57、量减小，从而使电枢电动势减小每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。从而使端电压下降。而我们发现并励方式下，端电压下降的更快一而我们发现并励方式下，端电压下降的更快一些：些：负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一不也影响了励磁电流使之减小，这样一来，一不也影响了励磁电流使之减小，这样一来，又使得的电枢电动势双重减小，所以

58、，并励又使得的电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。下降的更快一些。 电压变化率：电压变化率：由空载倒负载，电压下降的程度。由空载倒负载，电压下降的程度。他励直流发电机的电压变化率约为他励直流发电机的电压变化率约为。三、他励直流发电机的效率曲线：三、他励直流发电机的效率曲线：不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小无关，称为不变损耗。的大小无关，称为不变损耗。可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与 成正比，称为可变损耗。同样，我们可用实成正比，称为可变损耗。同样，我们可用实验的方法得到效率曲线。如图：验

59、的方法得到效率曲线。如图：%1000NNUUUU2aI 我们发现效率特性在经过一个峰值后开我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，那么，这是为什么呢？始下降，那么，这是为什么呢？分析：我们知道在负载较小时，电机内的分析：我们知道在负载较小时，电机内的损耗主要以不变损耗为主，随着负载的损耗主要以不变损耗为主，随着负载的增加，电枢电流也在随之增加，这样，增加，电枢电流也在随之增加，这样，铜损耗的作用开始显著，当增加到和不铜损耗的作用开始显著，当增加到和不变损耗相等时，出现效率最大点，随后，变损耗相等时，出现效率最大点，随后，若继续增加负载，可变损耗将有大量的若继续增加负载，可变损耗将有大量的以热

60、的形式存在，并且增大的速度比不以热的形式存在，并且增大的速度比不上铜损耗上铜损耗增加速度，使效率反而随着输增加速度，使效率反而随着输出的增大而降低出的增大而降低 。2P四、并励直流发电机的自励建压：四、并励直流发电机的自励建压： 在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励式和自励式，现在，我们就来看看这种他励式和自励式，现在，我们就来看看这种自励过程是如何实现的：如图所示自励过程是如何实现的：如图所示 由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动至额定转速时，发电机两端将发原动机推动至额定转速时，发电机两端将发