直流电机的电枢纽绕组和磁路

第七章直流电机的磁路和电枢绕组7-2直流电机的磁路和磁化特性7-3

直流电机电枢绕组的一般知识7-4

单叠绕组7-5

单波绕组7-7

直流电机电枢绕组的感应电动势7-8

直流电机电枢绕组的电磁转矩7-2直流电机的磁路和磁化特性

电机中电磁能与机械能的转换是在磁场之中完成的，所以必须对电机的磁场有正确的了解。一、直流电机的空载磁场和磁路计算二、电机的磁化曲线一、直流电机的空载磁场和磁路计算（一）直流电机的总磁通，主磁通，漏磁通（二）磁路计算

（一）直流电机的总磁通，主磁通，漏磁通··直流电机空载时的磁场分布主磁极中的主磁通能在旋转的电枢绕组中感应出电动势，并和电枢绕组的磁动势相互作用产生电磁转矩。其余不经过转子的磁通称为漏磁通，漏磁通只增加磁极和定子磁轭的饱和程度，不产生电动势和转矩。（二）磁路计算

磁路计算的目的：

对于每极主磁通Φ，求出每对主极所需的磁动势F。

利用安培环路计算时整个闭合回路分为5段二、电机的磁化曲线

电机的磁化曲线指主磁通Φ0与励磁动势F0之间的关系。00气隙线表示不同值下消耗在气隙段的磁动势气隙线abc总动势两段气隙磁动势铁磁材料磁动势总磁动势与气隙段磁动势之比表示电机磁路的饱和程度。0abc气隙线饱和系数随着磁通增大，铁芯开始饱和，导磁率μ减少，铁芯部分的磁动势将很快增加。0abc气隙线为了经济地利用材料，电机额定电压运行于膝点C附近，即磁化曲线开始弯曲处。否则励磁电流或励磁匝数N就要过度增大。0abc气隙线7-3电枢绕组的一般知识

绕组放在电枢中既要通电流又要能在磁场中感应电动势。

线圈又称为元件每个线圈有两条有效直线导线称为两元件边线圈的端接部分换向器的换向片元件边双层绕组：c

a

a′c′

a

a′c′ca线圈并不和c线圈直接串联每个线圈的一边嵌放在某一槽内的上层，另一边放在另一槽的下层。

a

a′c′c注意：虚线表示下元件边实线表示上元件边通常电机绕组需要用较多的元件组成，但电枢铁心周围表面有时不能冲太多的槽，因此每个槽的上、下层可嵌放多个线圈边。同一槽内每个上、下元件边所占的槽的位置为一个虚槽。虚槽数如一个实槽中嵌放3个元件边。一个实槽中有3个虚槽如实槽数：虚槽数：元件数：

一个绕组元件两端分别与两片换向片连接，元件之间通过换向片相互串联起来。12

3

45注意：一个换向片与两个线圈边连接。

1号元件起始于1号换向片12

3

45

2号元件起始于2号换向片各元件通过换向器串联。换向片数：元件数：虚槽数：一、绕组节距（一）第一节距y1

每一元件的两元件边在电枢表面上所跨越的距离用虚槽数来表示，称为绕组的第一节距y1

12

3

45说明上元件边嵌放在第1槽的上层，下元件边嵌放在第9槽下层中。

为了使元件中的感应电动势最大，各种绕组的都应等于一个极距。磁极距NNs磁极距（槽）N极感应电动势和S极感应电动势大小相等，方向相反。NSy1

N极感应电动势和S极感应电动势大小相等，方向相反。整距线圈电动势最大整距NSy1短距长距NNS（二）第二节距y2

12

3

（三）合成节距y

相邻联接的两个元件的对应边间隔的虚槽数，称为绕组的合成节距y。

12

3

y叠绕组：(四）换向器节距yk

每一元件的两端所联接的两换向片之间的距离，单位是换向片，称为换向器节距yk.12

3y

例题：一单叠绕组直流电机，磁极数为4，电机实槽为10，每个槽中放四对元件边（上、下层），怎样设计绕组的节距？

可以确定绕组的形状及相连接元件的关系。（槽）（片）第一元件上层边1槽下层边11槽第二元件上层边2槽下层边12槽解：

u=4Q=1012

3y2yky

7-4单叠和复叠绕组一、单叠绕组节距和绕组连接表

依次相串联的绕组错开y=yk=1的距离相叠，直到最后一个元件的末端与第一元件的首端相接形成闭合绕组。单叠和复叠绕组例题：一台直流电机数据

2p=4，试绕制一单叠右行整距绕组？

解释：

整距

y1=τ

右行指相邻右边的线圈交叠在左边线圈上

yk=+1左行指相邻左边的线圈交叠在右边线圈上

yk=-12011

2

2

3左行右行（一）

节距计算

线圈1线圈2下层边7槽上层边2槽上层边1槽下层边6槽（二）绕组连接表

绕组连接表可看出连接顺序，在y1

、y2,、yk确定后就可以画出绕组连接表，参照连接表，可使绕组连接方便。

首先把元件和换向片自左向右编号，元件号，对应的换向片号，元件上层边所在槽具有相同的号码，而下元件边用它所在槽的号码上加一撇。如1表示1号元件，1号槽，1号换相向片，6′表示1号元件的下层边在6号槽中，把1和6′用实线连接。

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。

（16号）

6′7′8′9′10′11′12′

13′14′15′16′17′18′19′20′1′2′3′4′5′123456789101112A1+B1-A2+B2-

13141516171819201y2yy1问：1号槽下层边是几号线圈？

123465713121110982019NNSS

1

4

32

15

14

1312

11

10

98

7

6

5

16

17

19

18

201415181716ABB2B1A2A1（+）（-）++--单叠绕组展开图2p=4；Z=K=S=20通过绕组展开图，注意以下几方面：1、电刷摆放的位置12

3

N

S

S电刷短路换向元件几何中性线换向元件中几乎不感应电动势，电刷短接它不会出现因为释放电能引起的过大的换向火花。12

3

N

S

S如果电刷短接有效感应电动势的元件，电刷会出现强烈的换向火花。电刷应对准磁极轴线。12

3

4

56+A-B117页相邻电刷间串联的各元件电动势相加，正确摆放电刷，才能使电刷间的支路感应电动势最大。1、电刷摆放的位置电刷应对准磁极轴线。2、正，负电刷间构成一支路12

3

4

56+A-B3、单叠绕组，支路数等于磁极数支路对数4、电刷数量？电刷数量等于磁极数5、线圈1，6，11，16

被电刷短路，但它们是几乎无感应电动势的换向元件。6、电枢旋转时绕组中的感应电动势和电流是交变的。7、每元件两端与两个换向片连接，每个换向片连接两个元件边。8、

从线圈1～20是个完整的回路，但又由电刷分为四个支路。16161123451098712131415

20191817单叠绕组并联支路图B（-）A（+）A1B1A2B21661123451098712131415

201918171121112671617添加正、负电刷电枢总电流等于各支路电流之和电枢总电动势等于一条支路电动势问：电枢绕组为何不能开路？问1、直流电动机电枢绕组任一支路断开一个元件会怎样？？因为电磁转矩剩下的三条支路要承担原来四条支路的电流，支路电流增加，直流电机容易烧坏。问2：电枢绕组为何不能开路？问3、直流电机相邻一个或两个电刷不接触换向器，会怎样？正负电刷总是交替摆放的取掉，四条支路变为两条。问4、B1，B2电刷同时不接触换向器会怎样？整个回路被A1和A2短接，电机不能工作。可见，直流电机并联支路图可用来分析故障电机支路数和支路电流的变化。问5、怎样才能避免电枢绕组闭合回路出现环流？161611234510987121314152019181720个元件串联，构成一个闭合回路，每个元件随电机旋转，位置瞬间变化。只要各磁极电磁量均衡，各支路电势数值相等，电枢绕组回路总电势为零，就不会出现环流。问6、直流电机电枢为单叠绕组p=3，有多少支路？有6条支路单叠绕组支路对数问8、p=4，Qu=32，电刷数量为多少？电刷数量为8问9、元件数？问10、支路数？问11、换向片数？32个元件。8个支路数。换向片数为32。问13、有多少元件被电刷短接？问12、每条支路有多少元件串联？8个。4个元件。问13：大电流直流电机，选用2磁极？8磁极？还是16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。

12346571312111098NNSS14151716ABB2B1A2A1（+）（-）++--双闭路双叠绕组展开图2p=4；Z=K=S=202

3

4

5

6

7

9

10

11

148

112

13

152018

16

18

20

17

19

91单叠和复叠绕组7-5单波和复波绕组教学目的及要求：

了解电枢绕组的第二种基本形式；重点难点：单波绕组的连接表、瞬间并联电路图、支路对数的确定，电刷放置的位置。

一、单波绕组节距和绕组展开图为了分布N

SN

Sm合成节距：换向节距：

对照单叠绕组：

①形状像波浪；

单波相串联的元件是空间位置不同却同性磁极相对应的元件。而单叠相串联的元件位于同一磁极相邻处。

若单波不大就不可能与另一同性磁极下的元件串联。③

比单叠大。②第一节距与单叠类似；④同极性磁极下的所有元件串联形成一支路

N

S

N

S⑤计算不同波绕组

y

k

计算：本例p=2但是15个元件串联，一周是不够，需要多周元件串联。第一周2个N极下串联

2个元件

N

S

N

S下周起点15号换向片，恰好回到原出发换向片的相邻处。

波绕组一周一周通过换向片相互串联当磁极对数为p=2

时每周两个元件通过换向片相互串联第一周起始于第二周起始于第三周起始于第四周起始于第一周有3个元件串联为了使下一周起点与上一周不重合若p=3整数

取负号，绕行换向器一周后，比出发时的换向片后退一片，称为左行绕组。取正号，绕行换向器一周后，比出发时的换向片前进一片，称为右行绕组。整数一般采用左行绕组，可省铜材料。

1、节距计算单波绕组展开图及连接表：已知一台直流电机数据如下：2p=4，S=Qu=k=15，绕制一单波左行短矩绕组。2、画绕组连接表注意：槽数、上元件边号、换向片用实数表示，下元件边所在槽用数字加撇表示。

4′11′3′10′2′9′1′

8′15′7′14′6′13′5′12′18

157146135124113

10291y2yy18号换向片上连接1号元件下层边和8号元件上层边。

123465713121110981415单波绕组展开图2p=4；Z=K=S=15

4

5

1NNSS

6

11

10

9

8

7

15

14

13

12AB

(+)(-)A1B1B2A2++--23与单叠绕组相同，是端接线对称的绕组，电刷应放置在主极轴线处的换向片上，电刷数仍等于2p。二、单波绕组电刷的放置和支路数单波绕组的特点：在同极性下的元件按一定顺序全部串联组成一条支路。因为磁极极性只有两种N、S支路对数a=1，与极数2p无关124113102136147158195519812A1A2B1B2AB单波绕组并联支路图

单波绕组可获得比单叠绕组更大的电枢支路电动势。

在相同元件数的情况下，p=2，单叠为四支路，而单波为两支路，单波每支路元件数多，每支路电枢电动势大。问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？

不能，这样会使电刷下的平均电流密度增大，容易损坏电刷。问2：单波绕组p=3，则一周有几个绕组串联？3个问3：大电流直流电机选用什么形式的绕组？高电压直流电机选用什么形式的绕组？前者选用单叠、复叠(a=2p)绕组，

后者选单波绕组。例题：一台直流发电机，2p=4，PN=10千瓦，UN=6伏，若每一支路电流不超过300安，则电枢绕组应采用何种绕法？解：若双叠：直流电机单叠绕组：所以采用双叠绕组。7-6其他形式的电枢绕组单叠绕组双叠绕组波绕组单波绕组双波绕组：波绕组：混合绕组是由一套单叠绕组和一套复波绕组构成。用于转速高、换向困难的大型直流电机。7-7电枢绕组的感应电动势

教学目的和要求：感应电动势计算公式推导及应用○○○○○○○○○SBav○○○○○○○○○e1e2e3

…………

ei以下为的推导过程：一个支路中各导体有场移（对应磁密不同）e1≠e2

≠e3………1

每根导体感应电动势

L2、求出各根导体的平均电动势

Bav——平均磁密是平均磁通密度与最大磁通密度之比Lv

——电枢表面线速度：磁极截面积：每支路导体数3、支路中各串联导体的电动势之和：

直流电机总导体数：为每个元件的串联匝数是支路对数3、支路中各串联导体的电动势之和：

谨记：电动势常数：直流电机电枢总导体数：7-8直流电机的电磁转矩①右手定则判定电动势方向无论电动机和发电机都有电磁转矩。电磁转矩T与n方向相反E与方向相同②左手定则判定电磁转矩方向

n原动机NS·○发电机2、右手定则判定电动势方向无论电动机和发电机都有电磁转矩。电磁转矩T与n方向相同E与方向相反1、左手定则判定电磁转矩方向

nNS·○电动机发电机电动机主磁极磁密分布：主磁极磁密与气隙成反比电枢反应后一根导体产生的电磁力为：电枢总电流：导体电流：力f产生的转矩为：力f产生的转矩为：总的电磁转矩：电枢总导体数：电磁转矩常数：电动势常数：

4、

Ia指电机总电流，Ia=2aia；

是考虑电枢反应的每极气隙合成磁通。1、电动机电磁转矩T是拖动转矩，方向与转速相同

发电机电磁转矩T是制动转矩，方向与转速相反

2、电枢Z根导体产生的转矩的总和，指电磁转矩

T=CtIa3、Ct

是转矩常数本章谨记：1、电刷摆放的位置2、电刷故障引起电机运行问题（用并联支路图分析）3、单叠绕组支路对数4、单波绕组支路对数5、感应电动势电动势常数：直流电机电枢总导体数：6、电磁转矩课习题习题课1、单叠绕组，6

磁极，36个元件，18号元件和元件串联。35号元件下层边在号槽内1952、单波绕组，14个磁极，50个元件，每支路有元件串联。35号元件号元件串联；需要2542个电刷143、一台直流电动机，单叠绕组求电磁转矩：元件数：电枢总导体数：电磁转矩常数：4、一台直流电动机励磁断线后电机运行会发生什么现象？负载转矩电磁转矩：保持不变仅为剩磁电枢电流：5、当并励直流电动机电压不变，负载不变，电枢电流忽然突增A、电机故障出现在电枢回路中B、电机故障出现在换向磁极回路中C、电机故障出现在主磁极回路中6、高电压直流发电机采用什么形式的绕组？波绕组7、直流电机电刷数为6

，将单叠绕组改为单波绕组后，感应电动势是否会改变？单叠绕组电刷数等于磁极数而磁极对数等于支路对数单波绕组支路对数：感应电动势常数：所以单叠绕组改为单波绕组后电动势增大8、直流电机磁极对数为4

，将单叠绕组改为单波绕组后，电磁转矩是否会改变？单叠绕组磁极对数等于支路对数：单波绕组支路对数：电磁转矩：电磁转矩不会改变9、单叠绕组直流电机正负