第5讲直流电机的电枢绕组与电枢反应

上一讲需要掌握的知识点回顾：

1.直流电动机、发电机工作原理

导体构成的线圈电流、电势变化，换向片在其中的作用

2.直流电机的结构

定、转子的组成部分及其作用

3.直流电机铭牌数据的定义

思考题

1）磁极固定，电刷与电枢同速同向旋转时，电刷两端电压的性质？

2）电枢固定，电刷与磁极同速同向旋转时，电刷两端电压的性质？第3章直流电机3.2直流电机的电枢绕组3.3直流电机电枢磁势对电机运行的影响

3.2直流电机的电枢绕组

电枢绕组是电机能量变换的枢纽。3.2.1电枢绕组的特点

直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件构成的。所谓元件，是指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。元件有两个引出线，即首端和末端。图3-12元件图（a）单匝元件；（b）两匝元件每一元件有两个有效部分，称为元件边，用于切割磁场感应电动势。元件在槽外（电枢铁芯两端）的部分，不切割磁通，因而不感应电动势，仅作为连接引线，称为端部。构成元件线匝的两个有效边称为导体。电机的电枢绕组上开有一定数量的槽，每个槽的上、下层各放若干个元件边。在一般情况下，实际的槽数Z与虚槽Zi的关系为

Zi=uZ

（3-6）一个虚槽按照绕组的连接方法，直流电机的电枢绕组可分为三种类型：叠绕组、波绕组和蛙绕组等。图3-14单叠绕组的节距绕组节距：分为第一节距y1、第二节距y2、合成节距y及换向片节距yk。3.2.2单叠绕组

1.节距

节距是指被连接的元件边或换向片之间的距离，用槽数表示。

1）第一节距y1

y1是指同一元件两个边之间的距离，以虚槽数来计算。为了使元件感应出最大电动势，就要使y1等于一个极距τ，（3-8）

2）第二节距y2

y2为元件的下层边与其相连接的元件上层边之间的距离，以虚槽数计。

3）合成节距y和换向片节距yk

y是相串联的两个元件的对应边间的距离。y与y1、y2的关系为

y=y1+y2

（3-10）

2.单叠绕组展开图

y=yk=±1的直流电机的电枢绕组称为单叠绕组，y=yk=+1的为右行绕组，y=yk=－1为左行绕组，直流电机通常选用右行绕组。绕组展开图是将放在铁芯中的由各元件构成的电枢绕组取出来，画成一张图，用来描述槽内各元件的连接情况。

右行绕组为

y=yk=1

第二节距为

y2=y－y1=－3例：2p=4，Zi=S=K=16的直流电机为例，构成右行单叠绕组，并画出绕组展开图。

1）计算节距

第一节距y1为图3-15单叠绕组展开图

2）绕组展开图

绕组展开图就是把放在电枢铁芯槽里的元件构成的电枢绕组画在一张图里，用来表示槽内各元件在电路上的连接情况。

2）绕组展开图

绕组展开图就是把放在电枢铁芯槽里的元件构成的电枢绕组画在一张图里，用来表示槽内各元件在电路上的连接情况。

3.单叠绕组的并联支路

把相同极性的电刷并联起来，并按照其中各元件连接的顺序，以及被电刷所短路的元件，可以画出如图3-16所示的并联支路图。由图可以看出：每一个支路所串联的元件是位于同一磁极下的全部元件。本例中，磁极数2p=4，所以共有4个支路并联。

单叠绕组的特点：电枢绕组的并联支路对数等于电机的极对数，即

a=p

（3-11）图3-16单叠绕组的并联支路图当电枢旋转时，电刷位置不动，并联支路图中的整个电枢绕组在移动，每个元件不断地顺次移到它前面一个元件的位置上，但总的支路情况不变。3.3直流电机电枢磁势对电机运行的影响

直流电机空载时，电机磁路中只有主极磁场，直流电机负载后，电枢绕组也要产生磁场。图3-20直流电机的磁路3.3.1直流电机的磁路、磁密与磁通由于空气的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，因此在分析直流电机特性时，可以忽略铁磁材料的磁阻认为所有磁势全部落在气隙上，则有：（3-14）主磁通所经过的磁路应分为以下几段：磁极极身、气隙、转子齿、转子铁轭、定子铁轭。根据磁路欧姆定律有（3-15）根据Bδ=μ0Hδ，并在忽略铁磁材料的磁阻后，有2IfNf≈2Hδδ。此时气隙磁密为（3-16）可见，当励磁磁势一定时，气隙δ越大（磁阻Rmδ越大），气隙磁密Bδ（磁通Φ）越小；当电机制成以后，气隙δ为定值，若励磁电流If增加，则气隙磁密Bδ增加，即磁通Φ增加。

3.3.2直流电机的空载磁场及磁化曲线

1.直流电机的空载磁场

对于实际电机，由于主极中心处气隙均匀，而极尖处气隙加大，因此主极下的磁密分布均匀，极尖处磁密逐渐减小，两极之间的几何中心线处磁密为零。图3-21空载时直流电机气隙磁密分布（a）空载磁场分布；（b）空载气隙磁密波形

2.直流电机空载磁化曲线

直流电机的磁化曲线Φ0=f（F0）。图3-22直流电机空载磁化曲线If较小时，铁磁材料和气隙的磁阻为常数，得到线性关系；If增大，铁磁材料进入饱和，磁阻增大，就是非线性的关系。3.3.3直流电机的励磁方式

直流电机因其励磁方式不同，它们的基本特性亦不同。图3-23直流电机的励磁方式（a）他励；（b）并励；（c）串励；（d）复励他励直流电动机并励直流电动机串励直流电动机复励直流电动机I=Ia

，If与Ia无关I=Ia

+IfI=Ia=IfI=Ia

+If

，Ia=If'

3.3.4直流电机负载时电枢磁动势对电机运行的影响

当直流电机负载以后，电枢绕组中有电流Ia通过。电枢电流Ia产生的磁动势称为电枢磁动势。此时，直流电机的气隙磁场由主磁极磁动势（空载磁动势）与电枢磁动势共同建立。电枢绕组产生的磁场对励磁绕组磁场的影响称为电枢反应。电枢反应对气隙磁通的大小和波形、电机的运行性能、换向能力都有影响。

1.电枢磁场的特点

当不考虑铁芯饱和影响时。

1）电刷在几何中心线上

将图沿电枢圆周表面展开

据安培环路定律，该闭合回路所包围的导体中的总电流，就是作用于该闭合回路的电枢磁动势f（x）。忽略铁芯磁压降，则作用于每段气隙上的电枢磁动势为fa（x）=f（x）/2。（3-17）

设电枢绕组的导体总数为N，导体电流为ia，则可见，当x=τ/2，即在几何中心线（交轴处）时：可见，每极电枢磁动势fa（x）沿电枢圆周的分布波形是三角波，在主极极面下，由于气隙很小且均匀，因此Ba（x）的大小与fa（x）成正比；而在极靴以外的交轴附近，虽然fa（x）很大，但由于气隙很大，因此Ba（x）较小。可见，Ba（x）在空间呈马鞍形分布。图3-25

fa（x）、Ba（x）空间分布曲线将图沿电枢圆周表面展开正负图3-26电刷偏离几何中心线时的电枢磁动势当电刷偏离几何中心线β角时，电枢磁动势的轴线不在几何中心线上。此时可以将电枢磁动势分解到直轴和交轴，其直轴分量可引起空载磁通大小发生变化，直轴分量Fad与主极磁动势方向相反，可引起主极磁动势减小。

2.电枢反应

1）直轴电枢反应

直轴电枢磁动势Fad的轴线与主极磁动势轴线重合，其作用是直接影响主极下磁通的大小。以发电机为例，当电刷逆旋转方向转动β，其直轴电枢反应磁动势的方向与主极励磁磁动势的方向相反，所以直轴电枢反应是去磁的。如果电刷顺旋转方向转动β，则直轴电枢反应是增磁的。主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线

2）交轴电枢反应图3-27负载时合成气隙磁密示意图电枢反映总体上是去磁的同时，与空载相比，合成气隙磁密Bδ（x）的零点不再处于几何中心线上，而是偏移了一个角度。通常将合成磁密为零的点所在的直线称为物理中心线，显然电枢反应使物理中心线偏离几何中心线。这将造成电机换向恶化，有可能引起环火损坏电机。综上所述，直流电机电枢反应对气隙磁场的影响如下：

（1）物理中心线偏离几何中心线，气隙磁场畸变；

（2）气隙合成磁场被削弱，磁通减少，交轴电枢磁动势对主极磁通有去磁作用。本讲需要掌握的重点：

3.2直流电机的电枢绕组

1.实槽、虚槽等的概念及相互关系