chap3 直流电机的基本原理和电磁关系(1401-1402)

第3章直流电机

DCMachineryFundamentals基本原理Principle结构Structure电磁关系Electromagnetic~第一节、直流电机的基本结构一、直流电机的简单工作原理直流电动机工作原理直流电源通过电刷、换向片向线圈供电。电刷A总与位于N极下的导体相连，极性为正。电刷B与位于S极下的导体相连，极性为负。线圈受到的电磁力方向不变，总是沿着同一旋转方向旋转。一、直流电机的简单工作原理直流发电机工作原理由原动机拖动线圈切割磁力线，产生感应电动势。电刷A总与位于N极下的导体相连，感应电动势的极性为正。电刷B总与位于S极下的导体相连，极性为负。由电刷引出的电动势总是单向流动的直流电动势。（电动势正方向是从负指向正）一、直流电机的简单工作原理

单线圈导体及电刷间的感应电动势气隙磁场、线圈电动势及电刷两端的电动势波形电刷、换向片的作用相当于整流器；但单线圈的脉动程度很大；线圈电动势一、直流电机的简单工作原理

多线圈串联后电刷间的感应电动势

为了使电刷端电动势的脉动程度降低，实际电机中的电枢上就不只是敷设一个线圈，而是合理设计的多个线圈均匀分布，并按一定规律连接起来组成电枢绕组。两串联线圈换向后的电动势波形某多线圈电枢绕组的电动势波形二、直流电机的基本结构风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置定子stator转子rotor直流电机产生磁场产生电动势、电磁转矩磁极铁心励磁绕组换向极绕组补偿绕组直流电机定子励磁绕组串换向极绕组、电枢绕组出线盒定子机座换向极铁心换向极绕组主磁极铁心

主磁极绕组（励磁绕组）换向极绕组与励磁的串联接线大型直流电机上的励磁绕组和换相极绕组2、励磁绕组3、补偿绕组1、主磁极12344、换向极绕组电刷刷辫电刷刷握汇流条压紧装置轴端盖电枢铁心电枢绕组和槽碶电枢绕组端部换向器轴承直流电机的转子

（一）直流电机的静止部分1、主磁极2、换向极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座1—换向极铁心2—换向极绕组极靴（旧称极掌）主磁极用1-1.5mm的冲片叠压而成。（一）直流电机的静止部分3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；

又作为磁路的一部分。材料为厚钢板，或者铸钢件。（小型机座用铸铁件）4、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—刷辫（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心b)—电枢铁心a)—电枢铁心冲片2、电枢绕组——由许多按一定规律连接的线圈组成。1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器——由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片直流电机的励磁方式他励、自励、永磁励磁a：Armaturewindingf：Fieldwinding他励并励串励复励SeparatelyexcitedShunt~Series~compound~第二节、直流电枢绕组

ArmatureWindinginDCmachineSimplexlapwindingSimplexwavewindingFrog-legwinding单叠绕组单波绕组蛙绕组1、构成和基本术语电枢绕组：电枢绕组是电机中电流通道的主体，也是电磁力的载体，是实施机电能量转换的枢纽。

特点：直流绕组是闭合绕组。励磁绕组：建立磁场。闭合情景之一闭合情景之二直流绕组是闭合绕组环形电枢（已淘汰）鼓形电枢绕组的基本单元：元件(Coil)单匝叠绕组元件多匝叠绕组元件单匝波绕组元件多匝波绕组元件基本术语

(Terminology)双层绕组

(double-layerwinding)当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。同一线圈的两边必须处于不同极性的极面下，

线圈的跨距约等于一个极距。槽中有双层绕组。线圈对称排列极距：相邻两个磁极之间的跨距。若在同一极下，则电磁力/电动势相互抵消。虚槽概念

VirtualSlot在大型电机中、每层可能有N个并列元件边。实槽虚槽每个虚槽的上、下层依然只有一个元件边一个上层边和对应的一个下层边所占的空间，即为虚槽。Z，C，Ze分别表示实槽数、并联元件边数、虚槽数，则：若每个线圈Nc匝，则电枢总导体数N在说明元件的空间布置情况时，一律采用虚槽编号，将虚槽数作为绕组分析时的计数单位。每一元件有两个元件边；每一换向片上接有两个元件边；每一虚槽内放置有两个元件边；虚槽数Q、换向片数K、元件数S之间的关系？线圈节距

(coilpitch)第一节距y1：元件的宽度，即两个元件边之间的距离，用虚槽数表示第二节距y2：连至同一换向片的两个元件边之间的距离，即前一个元件的下层边到后一个元件的上层边距离。合成节距y：紧相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面的跨距。换向器节距yk

：每一元件两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示整距短距长距右行左行单叠绕组

Simplexlapwinding每个元件出线端依次连在相邻的换向片上，后一个绕组元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。右行左行NSNSττττ直流电机的电枢绕组绕组展开图1123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷+－++－－4极，16槽，整距，单叠，双层，右行，绕组的展开图和等效电路图。这段距离为？电刷放置法使电刷间导出的电动势有最大值；使与电动势为零的元件所连接的换向片相短接； 当导体转至交轴时，感应电势为零，电刷应与处于交轴位置的导体相连；如导体对称，则磁极的几何中心线处为电刷位置；换向绕组的绕组轴线、磁极轴线和电刷位置在同一位置上。

N1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－4极，16槽，整距，单叠，双层，右行，绕组的展开图和等效电路图。单叠绕组并联支路对数＝电机的极对数：由电刷引出的电枢电流为各支路电流之和

2.4单波绕组为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，对应的两元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距单波绕组-换向片极距yk必须符合为了使绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去。计算y,y1,y2画绕组展开图安放磁极和电刷1、绕组数据计算4极，15槽，短距，单波，双层，左行，绕组的展开图和等效电路图。单波绕组

SimplexwavewindingNSSN2、单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512ττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷串联顺序3-10-2-9-1-8-15-7-14-6-13-5-12-4-11-3同极性下的所有线圈串联在一起，形成一条支路所以单波绕组只有两条支路！但一般也采用全额电刷单波绕组元件连接顺序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：1815714613512411310291用连接顺序图表示为：1815714613512411310291411310291815714613512上层边下层边按照合成节距7递增串联顺序3-10-2-9-1-8-15-7-14-6-13-5-12-4-11-3单波绕组电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a＝1。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a=1，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（采用全额电刷，即电刷数等于磁极数，理论上可以只用2个电刷）；电枢电流Ia=2ia。单叠绕组和单波绕组的差别单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数；电枢间电势较小，电枢电流较大，也称并联绕组；适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并联支路数恒等于2；电刷间电势较大，电枢电流较下，也称串联绕组。适用于较高电压、较小电流的电机。此外，还有复叠绕组、复波绕组、混合绕组（蛙绕组）等。第三节、直流电机的磁场和电枢反应MagneticField&ArmatureReaction3.1、空载时直流电机的磁场空间上，忽略极面下的齿槽效应，沿极面均匀分布。空间上，非正弦分布，在导体中感应电势将包括有高次谐波。由磁极的直流励磁电流产生，空气隙磁场不随时间变化，是恒定磁场；主磁通：产生感应电势和电磁转矩的有效磁通，通过气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组。（空载时用0表示）磁极漏磁通：从磁极的侧面逸出，只和励磁绕组交链。漏磁系数k：附：主磁路计算的基本原理主磁路计算的目的是：给定励磁电流计算磁通。实验方法

—通过空载特性或磁化曲线查出。计算方法

—磁路计算。假设全部磁通集中在一定路径上流通，则可以用路代替场。一般通过试探和叠代的方法求解。附.1直流电机的主磁路主磁路：磁轭、极芯、极靴、空气隙、齿和电枢铁芯；附.2主磁通的计算由点到线，绘制电机磁化曲线设定一个主磁通；算出各段的磁通密度；根据相应材料的磁化曲线查取各段的磁场强度；计算各段磁路消耗的磁势；各段磁势的总和即为主磁通对应的励磁磁势；绘制磁化曲线。If→F0→Φ0查磁化曲线法：给定励磁电流计算磁通绘制磁化曲线顺序附.2主磁通的计算实际上可试探一磁通，由此算出总磁动势，若与给定磁动势相等（或在容差范围之内），则满足要求，否则修改试探值，进行叠代求解；叠代计算法：可以参考教材习题1－2第2问3.2、负载时电枢电流产生的磁场电枢电流产生的磁场，即电枢磁场。基本术语磁极中性线（直轴线，d轴线）几何中性线（交轴线，q轴线）物理中性线（气隙B=0处）由于静止的电刷和运动的换向器的共同作用，电刷间连接的导体时刻在变化，但电刷间导体电流产生的磁势不变。直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数。阶梯形波。如沿电枢分布的线圈无限增多，则将趋近于三角形波。

线负载A：最大的磁动势点出现在交轴处，其值为：任意点x电枢磁势的计算x点电枢磁势ie.电负荷electricloading电刷位置对电枢磁势的影响电枢磁势幅值的位置恰在导体中的电流改变方向处，亦即在导体通过电刷处。如电刷移动，则电枢磁势的轴线也就跟着移动。直流电机的电枢磁动势轴线永远位于导体中的电流改变方向处（电刷位置），且在空间是静止不动的。3.3、交轴电枢反应当电刷位于交轴时，电枢磁动势轴线也在交轴，此时电枢磁场（交轴电枢磁场）对主极磁场的影响为交轴电枢反应。影响之一：使得主磁通发生了畸变，且有去磁作用。3.3、交轴电枢反应当电刷位于交轴时，电枢磁动势轴线也在交轴，此时电枢磁场（交轴电枢磁场）对主极磁场的影响为交轴电枢反应。影响之二：使得电机的物理中性线发生了偏移。发电机，顺着旋转方向偏移；电动机逆旋转方向偏移；发电机电动机3.3、交轴电枢反应quadrature-axisarmaturereaction当电刷位于交轴时，电枢磁动势轴线也在交轴，此时电枢磁场（交轴电枢磁场）对主极磁场的影响为交轴电枢反应。电枢进入极面处的磁极极尖为前极尖，离开极面处的极尖为后极尖

。发电机后极尖下磁通密度增强，电动机前极尖下磁通密度增强，增强处可能产生火花！

交轴电枢反应对气隙磁场的影响：使物理中性线偏离几何中性线一个α角。对发电机，偏移方向为顺电枢转向；对电动机，偏移方向为逆电枢转向；不计饱和影响，对每个主极下的磁场，一半被削弱，但另一半被加强，总的磁通不变。记及饱和影响，对被削弱的一半来说，波形与不计饱和时相同；但对于被加强的一半，由于实际磁路中铁磁材料的饱和影响，磁密曲线会下降，因此，每极磁通量也会减少。

综上述，实际电机中，交轴电枢反应不但使气隙磁场畸变，而且还有去磁作用。3.4、直轴电枢反应direct-axisarmaturereaction如电刷顺着或逆着旋转方向移过一个角度β，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷移动。在2β范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，称为直轴电枢反应。起增磁或去磁作用。在2β范围外的是交轴电枢反应；对于电动机而言，电刷顺着旋转方向偏移时，直轴电枢电动势起助磁作用。（发电机则相反）由于直轴电枢磁场轴线与主极轴线重合，因此其作用应该只是影响每极磁通的大小。3.5、削弱电枢反应负作用的措施交轴电枢反应使得两极尖处磁密不等，增强处可能产生火花(sparking)；每极磁通变小，可在在电机中装置有补偿绕组(compensationwinding)，使其产生的磁势刚好抵消交轴电枢反应磁动势（磁场）。补偿绕组的电流分布和电枢绕组各对应点的电流分布大小相等、方向相反；交轴附近的电枢磁势将由换向极磁动势来补偿。补偿绕组和换向极绕组应和电枢绕组串联。补偿绕组补偿绕组不能消除阻碍换向的运动电动势和–Ldi/dt。造成的后果是换向延迟。因此在交轴处通常安装上换向极，来产生反向磁场，抵消运动电动势和Ldi/dt的影响，使得正在换向的线圈电动势为0。装上补偿绕组的电机通常也要装上换向极绕组(commutation~)。小容量的直流电机，仅仅将电刷偏移一个角度，使得使得正在换向的线圈的电动势为0，来消除环火(flashoveracrossthecommutator)。3.5、削弱电枢反应负作用的措施换向极设电枢磁势的每极安匝数为Fa则直轴电枢磁势的幅值为交轴电枢磁势的幅值为3.6、有效励磁电流的简单分析

交轴电枢磁势的去磁作用，用等效直轴去磁安匝Faqd表示，它与磁路的饱和程度有关，可近似与电枢电流成正比。设电枢磁势的每极安匝数为Fa则直轴电枢磁势的幅值为3.6、有效励磁电流的简单分析有效励磁磁势为有效励磁电流为磁动势平衡方程式空载特性曲线上的励磁电流相当于有效励磁电流例16-1：分析电枢反应的等效去磁电流已知一台4极DCGenerator，额定励磁电流为2.85A，额定电枢反应电动势为242.5V，空载运行时的空载特性曲线数据如下（设空载时的转速等于额定运行时的转速），励磁绕组每极900匝，求当电刷位于交轴时等效去磁磁动势。E0210240258If02.02.382.74例16-1：分析电枢反应的等效去磁电流一台4极DG，UN=230V,IaN=84.8A,nN=1500r/min,Ra=0.147Ω,N=444,

Da=29.5cm.Nf=900。在额定运行情况下励磁电流IfN=2.85A,，当转速为1500r/min时，测得的空载特性如下：E0210240258If02.02.382.74思考题为什么说直流电机的空气隙磁场是恒定磁场？设电刷位于交轴，试默绘直流电机的空载磁势分布曲线B0(x)、空载磁场分布曲线Fa(x)、电枢磁势分布曲线Fa(x)、电枢磁场分布曲线Ba(x)和合成磁场分布曲线B(x)第四节、电枢绕组的感应电动势ElectromotiveForceEMF4.1、电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电势——电机正、负电刷之间的电势，即每一并联支路的电势。位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电动势之和气隙磁密和导体的分布4.1、电枢绕组的感应电动势假设平均磁密为Bav，导体的有效长度为l，电机转述为n（r/min,revolutionsperminute），电枢直径为Da，极对数为p运动线速度为v(m/s,meterspersecond)4.1、电枢绕组的感应电势直流电机的感应电势与每极磁通量及转速有关。如将每极磁通量保持不变，直流电机的感应电势将和转速成正比。如将转速保持不变，直流电机的感应电势将和每极磁通量成正比。电刷间的感应电势仅和极面下的总磁通量有关，而和极面下磁通密度的分布情况无关。4.1、电枢绕组的感应电势通常电刷在交轴，如果移动电刷位置，则支路中一部分导体的感应电势将因方向相反而互相抵消，导致电刷间电势Ea的减小。使用负载时的每极磁通，得负载时电刷感应电势Ea。当负载时，由于电枢回路的电阻电压降，直流发电机电刷间的端电压U比负载时的电刷电势Ea小。4.1、电枢绕组的感应电势一台4极直流发电机，电枢绕组是单波绕组，电枢绕组的元件数S=162，每个元件匝数Nc=2，每极磁通Φ=0.0051Wb，转速n=1450r/min，求电枢电动势。电枢总导体数电动势常数电枢电动势

3.5、直流发电机的平衡方程式并励发电机ΔU——每一电刷的接触压降电刷接触电阻随电流的增大而减小，通常假定为常数，石墨电刷或碳石墨电刷，取为1V电流、电压平衡式4.2直流发电机的平衡方程式电磁功率附加损耗产生pad的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗输入功率ra：串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。并励发电机直流发电机的功率图电磁功率输入功率各下标的意义：mec-mechaniclosses;Fe-ferro~;cu-copper~;ad-additional(stray)~a-armature~;b-brush~;f-field~;L-load,em-ElectroMagnetic

一般电磁功率、电磁转矩下标用em表示，即Pem,Tem.4.3直流电动机的平衡方程式电压平衡式电流平衡式（并励时）并励电动机4.3直流电动机的平衡方程式输入功率输出功率并励电动机功率平衡式直流电动机的功率图输入功率扣除电枢铜耗、电刷的电损耗、以及励磁损耗后，才是电枢绕组吸收的电磁功率。电磁功率产生电磁转矩,使电机转动并拖动机械负载，实现电能到机械能的转换。在此过程中，势必要克服因转动而引起的各种损耗（铁耗，机械损耗，附加损耗/杂散损耗），最终在电机转轴上输出的机械功率。空载损耗：机械损耗+铁耗负载损耗：铜耗类+附加损耗空载损耗例题16-2讲解（板书）第五节、电枢绕组的电磁转矩ElectromagneticTorqueTem5.1、电枢绕组的电磁转矩电磁力和电磁