第四章直流电机电枢绕组

1、一、直流枢绕组基本知识2.2 直流电机的电枢绕组元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。pD2叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。FFU+NS电刷换向片IIEE合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距 ：连至同一换向片上的两个

2、元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。2y21yyy单叠绕组21yyy单波绕组换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky叠绕组示意图波绕组示意图二、单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即： 。1kyy单叠绕组的的特点：1） 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。一、节距计算 y= =1 二、绕组展开图pZy21Z为电枢槽数P为电机的极对数kyyyy12三、元件连接顺序及并联支路图 绕组元件联接

3、顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。 单叠绕组元件联接顺序图 从图中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。 单迭绕组并联支路图单叠绕组有以下特点：（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数 2a=2p 。（2）电刷杆数等于极数2b=2p。当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电枢电流等于个并联支路电流之和。 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主

4、磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。三、单波绕组单波绕组的合成节距与换向节距相等。单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）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，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；5）电枢电流等于两条支路电流之和。4）电枢电动势等于支路感应电动势；2.3直流电机的磁场2.3.1直流电机的励磁方式励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。永磁铁磁场电磁铁磁场根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并

5、联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U 直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。 定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且 可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负 载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁 场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立 的磁场。 直流

6、电机空载时的磁场分布示意图1 极靴；2极身；3元子磁轭；4励磁绕组；5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭直流电机的磁路空载时气隙磁磁通密度的分布图形 如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。 在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。 直流电机空载磁场的磁密分布为一平顶波返回直流电机的空载磁化特性fNI0fF0fIINfIA0N0电机的磁化曲线 考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方图中的a点（称为膝部）。 负载时的气隙磁场将由励磁磁通势

7、和电枢磁通势共同作用所建立。一、电枢磁通势和电枢磁场 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布 假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。二、电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形为一三角波（气隙是均匀）四个元件所产生的电枢磁通势 如果气隙是均匀的，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。但在两极极靴之间的空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形（见书中图形） axFaxB定义：电枢绕组中的感应电动势。一、运行时感应电动势始终存在 直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕

8、组内都感应产生电动势,这个感应电动势是指一条支路的电动势。 图1.22 电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向 要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。 二、感应电动势的计算nCnapNeaNEea602 Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流 流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该 力与电机电枢铁心半径之积为电磁

9、转矩。 式中Ct 为转矩常数，仅与电机结构有关。从Ce与Ct的表达式可以看出Ct =9.55Ce。 由 Tem=CtIa 可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。 aI: :2emaTapNT IC Ia（一） 直流发电机的励磁方式一 直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。aIIGUUfIFaII 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即： 直流电机的运行特性 2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足 。faIIIfIFIGUaI

10、3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足 。IIIfaGIaIfIFU4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF（二）、 直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向aEGUaI1T0TemTnfIfU1、电枢电动势和电动势平衡方程aabaaaRIUURIUE2aR 为电枢回路总电阻， 为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：bU2电枢电动势：nCEea从方程式可见，直流发电机UEa2、电磁转矩和转矩平衡方程01TTTem电磁转矩：aTemICT直流发电机的励磁电流ffRU

11、I emT直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩 、电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程为：1T0T3、励磁特性公式每极气隙磁通),(faIIf4、功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率 1P电磁功率01PPPemaaemIETmecP机械摩擦损耗、铁损耗FeP、附加损耗 。adP空载损耗 包括：0PaE 电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。aICuaP电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗输出的电功率CuaemPPP2fP自励发电机中还应减去励磁损耗（三） 他励发电机的

12、运行特性1、空载特性1Cn0I)(fIfU 定义：当 、 时， 直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。 空载时， 。由于 ，因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。aEUnCEea)(faIfE aE空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfI2、外特性Nnn fNfII )(IfU 定义：当 、 时， 外特性曲线如图所示 由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励U0U0IaaeRInCU 根据 可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负

13、载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。3、调节特性1Cn2CU )(IfIf定义：当 、 时， 外特性曲线如图所示 由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。fI0I（四）、 并励发电机的自励条件和外特性 并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。1、自励条件fI0U10fIA20U3 曲线1为空载特性曲线，

14、曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线 。 fffRIUfR 原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，达到稳定的平衡工作点A。fIfIfIffRI增大 ，场阻线变为曲线3时， 称为临界电阻 。如图所示。fRfRcrR若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。可见，并励直流发电机的自励条件有：2、空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，

15、所以它的空载特性曲线只在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确3、外特性4、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。 对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。二、直流电动机（一）、直流电机的可逆原理以他励电机为例说明可逆原理： 一台电机既可作为发电机运行，又可作为电

16、动机运行，这就是直流电机的可逆原理。 把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行， 保持不变。 U 保持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当 下降到一定程度时，使得 ，此时 ，发电机输出的电功率 ，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的空载损耗。继续降低原动机的 ，将有 ， 反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。nUEa0I02PnUEaUaI（二） 直流电动机的基本方程aEMUaIemT0T2TnfIfU如图规定各物理量的参考方向电机的基本方程如下：aTemICT02TTTem)(02a

17、dFemecememPPPPPPPaaemCuaemIETPPP1nCEeaaaabaaaRIEURIEU2UEa一、直流电动机的基本方程式一、直流电动机的基本方程式式中式中 U电枢电压（电枢电压（V） Ia电枢电流（电枢电流（A） Ra电枢电阻（电枢电阻（）二、功率平衡方程式二、功率平衡方程式1直流电动机损耗按其性质可分：直流电动机损耗按其性质可分：（1）机械损耗）机械损耗Pm、（2）铁心损耗）铁心损耗PFe（3）铜损）铜损Pcu（4）附加损耗）附加损耗PsU=Ea+IaRa 空载损耗空载损耗P0 P0=Pm+PFe 直流电动机总损耗直流电动机总损耗P为为 P=Pm+PFe+Pcu+Ps2直

18、流电动机输人的电功率为直流电动机输人的电功率为 P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+ Pcua 上式说明：输入的电功率一部分被电枢绕组消耗（电枢铜损）上式说明：输入的电功率一部分被电枢绕组消耗（电枢铜损）一部分转换成机械功率。一部分转换成机械功率。3直流电动机输出的机械功率为直流电动机输出的机械功率为 P2=Pem-PFe-Pm-PS=Pem-P0=P1-P 4直流电动机的效率为直流电动机的效率为 一般中小型直流电动机的效率在一般中小型直流电动机的效率在7585之间，大之间，大型直流电动机的效率在型直流电动机的效率在8594之间。之间。 5他励直流电动机的

19、功率平衡关系可用功率流程图来表示，他励直流电动机的功率平衡关系可用功率流程图来表示，如图所示。如图所示。 三三.转矩平衡方程式转矩平衡方程式 T2=TT0 T=T2T0 （39）式中式中T一电动机电磁转矩（一电动机电磁转矩（Nm）T2一电动机轴上输出的机械转矩（负载转矩）（一电动机轴上输出的机械转矩（负载转矩）（Nm）T0一空载转矩（一空载转矩（Nm） 02PPPem（三）直流电动机的工作特性（1）、转速特性1、他励（并励）直流电动机的工作特性NUU 定义：当 、 时，fNII )(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图所示。（

20、2）、转矩特性NUU 定义：当 、 时，fNII )(aemIfT转矩表达式aNTemICT 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。aIn0n2T0TemTT（3）、效率特性NUU 定义：当 、 时，fNII )(aIf由方程式可得aNaaIUIRPPPPn20111 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。aI02、串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励

21、磁电流呈线性关系。即：afffIkIk转速特性effaaefNeaaeNCkRRICkUCIRCUn转矩特性2aTfaTemICkICTaI0nemTnemT 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。( 四四)他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。一。他励直流电动机机械特性方程式一。他励直流电动机机械特

22、性方程式1机械特性方程式机械特性方程式还可以写成还可以写成n=n0T=n0n2机械特性曲线如图所示。机械特性曲线如图所示。 二。他励直流电动机的固有机械特性二。他励直流电动机的固有机械特性当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻路未接附加电阻Rpa时的机械特性称为固有机械特性，其特时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为性方程为 由于电枢绕组的电阻由于电枢绕组的电阻Ra阻值很小，而阻值很小，而N值大，因此值大，因此n很小，固有机械特性为硬特性。很小，固有机械特性为硬特性。 三。他励直流电动机的人为机械特性三。他励直流电动机

23、的人为机械特性 为人为机械特性：人为地改变电动机气隙磁通为人为机械特性：人为地改变电动机气隙磁通、电源电、电源电压压U和电枢回路串联电阻和电枢回路串联电阻Rpa等参数，获得的机械特性。等参数，获得的机械特性。(1)人为机械特性方程为人为机械特性方程为 1电枢回路串接电阻Rpa时的人为特性(2)人为机械特性的特点为人为机械特性的特点为1）理想空载转速）理想空载转速n0保持不变；保持不变；2）机械特性的斜率）机械特性的斜率随随Rpa的增大而增大，特性曲线变软。的增大而增大，特性曲线变软。 下图为不同下图为不同Rpa时的一组人为机械特性曲线。时的一组人为机械特性曲线。 从图中可以看出改变电阻从图中可以看出改变电阻Rpa大小，