直流电机电枢绕组简介

1.1直流电机的工作原理与结构直流电动机的工作原理与机构直流发电机的工作原理直流电机的名牌数据第1页/共73页第一页，共74页。1.1.1直流电动机工作原理与结构DCMotor,Howitworks_Lan.qlv

把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。

直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。第2页/共73页第二页，共74页。当电枢旋转到右图所示位置时原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。

在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。第3页/共73页第三页，共74页。直流电动机的工作原理示意图:第4页/共73页第四页，共74页。

直流电机的主要结构主磁极：产生恒定的、有一定空间分布形状的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成。励磁绕组用来产生主磁通。铁心分为极身和极靴。换向磁极：改善换向。容量超过1KW时应安装。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换。机座和端盖：起支撑和固定作用。端盖上放置转轴。定子(静止部分)转子(可旋转部分)电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。0.5mm的硅钢片制成，减小磁滞和涡流损耗。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承第5页/共73页第五页，共74页。直流电机的主要结构第6页/共73页第六页，共74页。直流电机的主要结构第7页/共73页第七页，共74页。1.1.2直流发电机的工作原理

右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。第8页/共73页第八页，共74页。当原动机驱动电机转子以一定的转速逆时针旋转时，线圈abcd将产生感应电动势。如右图，由右手定则(拇指指转向)可判断，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。Ε=BLV。直流发电机工作原理第9页/共73页第九页，共74页。

当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。

导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。

实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。第10页/共73页第十页，共74页。额定功率：额定条件下电机所能提供的有功功率（输出功率）1.1.3直流电机的铭牌数据指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机额定功率第11页/共73页第十一页，共74页。额定电压UN：在额定工况下，电机出线端的平均电压发电机：输出的额定电压电动机：输入的额定电压额定电流IN：电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流第12页/共73页第十二页，共74页。额定转速nN：电机在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时转速额定励磁电流IfN：电机在额定电压、额定电流、额定功率及额定转速时的励磁电流额定效率：电机在额定运行状态下，输出功率与输入功率之比第13页/共73页第十三页，共74页。

此外，电机铭牌上还标有其它数据，如出厂日期、出厂编号等。

电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。第14页/共73页第十四页，共74页。思考题在直流电机中，电枢导体中的感应电动势和由电刷引出的电动势哪个为交流？哪个为直流？通过直流电机的哪几个结构部件实现交流和直流的转换？判断下列情况下电刷两端电压的性质（1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转（2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转（3）电枢固定，电刷与磁极以不同速度旋转。1.1直流电机的工作原理与结构第15页/共73页第十五页，共74页。1.2直流电机的电枢绕组掌握直流电机电枢绕组的基本概念、参数及其计算了解单叠绕组展开图的绘制方法掌握单叠绕组的特点了解单波绕组展开图的绘制方法掌握单波绕组的特点第16页/共73页第十六页，共74页。1.2.1

电枢绕组基本概念元件（线圈，coil）：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。第17页/共73页第十七页，共74页。1.2.1

电枢绕组基本概念极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ表示。两个元件边是上元件边和下元件边。

其中，Zu为转子表面的虚槽数，一个元件的上层边和另一个元件的下层边为一个虚槽数，若元件数为S，换向片数为K，则有Zu=S=K单叠绕组：指串联的两个元件出线端接到相邻的两个换向片上，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。单波绕组：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。第18页/共73页第十八页，共74页。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。第二节距：连至同一换向片上的两个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。单叠绕组单波绕组换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第19页/共73页第十九页，共74页。1.2.2.单叠绕组展开图

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：。等于+1时为右行绕组，等于-1时为左行绕组。

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磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。第20页/共73页第二十页，共74页。单叠绕组的展开图画法：一、计算极距和绕组各节距

二、画元件。实线代表元件上层边，虚线代表元件下层三、放置主磁极。主磁极要均匀分布。四、放置换向片。五、连接元件与换向片。六、放置电刷。放置在主磁极中心线上。目的是使被端接的元件感应电动势为零，同时正负电刷间的电动势最大。第21页/共73页第二十一页，共74页。例已知一台直流电机的数据为：磁极对数p=2，Zu=S=K=16，求极距及绕组各节距,绘制其右行单叠绕组展开图，。第22页/共73页第二十二页，共74页。单叠绕组的展开图第23页/共73页第二十三页，共74页。根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图: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a=p。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。第24页/共73页第二十四页，共74页。１.２.３单波绕组

单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。

两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。展开图步骤与单叠绕组相同。第25页/共73页第二十五页，共74页。单波绕组的并联支路图: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；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。第26页/共73页第二十六页，共74页。单叠绕组和单波绕组的适用范围当电机的极对数、元件数以及导体截面积相同的情况下，单叠绕组并联支路数多、每个支路里的元件数少，支路合成感应电动势较低；单叠绕组并联支路数多，所以允许通过的总电枢电流就大，因此单叠绕组适应于低电压、大电流的直流电机。而对于单波，支路对数与主磁极对数无关永远等于一，每个支路里含的元件数较多，支路合成感应电动势较高；由于并联支路数少，在支路电流与单叠绕组支路电流相同的情况下，单波绕组能允许通过的总电枢电流就小，所以单波绕组适合应用于较高电压、较小电枢电流的直流电机。第27页/共73页第二十七页，共74页。1.3直流电机的电枢反应直流电机的空载磁场直流电机的负载磁场电枢反应第28页/共73页第二十八页，共74页。1.3.1直流电机的空载磁场

直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主磁极磁动势的影响称为电枢反应。

右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为，流过电流，每极的励磁磁动势为：Ff为磁动势，单位是安匝。第29页/共73页第二十九页，共74页。

励磁绕组里有励磁电流，其它绕组里无电流的磁场情况，称为电机的空载运行，此时的磁场称为空载磁场。直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路第30页/共73页第三十页，共74页。大部分磁感线的路径是由N极出来，经气隙进入电枢铁心的铁轭到另外的电枢齿，又通过气隙进入S极，再经过定子铁轭回到原来的N极。这部分磁路通过的磁通称为主磁通，主磁通所经过的磁路称为主磁路。还有小部分磁感线，它们不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或者定子铁轭形成闭合回路，这部分磁通称为漏磁通，所经过的磁路称为漏磁路。主磁通产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，只能增加主极磁路的饱和程度。主磁路分为五段：定、转子之间的气隙(磁导率为常数)；电枢齿；电枢铁轭；主磁极和定子铁轭。第31页/共73页第三十一页，共74页。

空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。几何中性线极靴极身（a）气隙形状

磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。磁极极靴宽度约为极距的75℅.第32页/共73页第三十二页，共74页。

空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。

空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。第33页/共73页第三十三页，共74页。

为了产生感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通，空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。三、直流电机的空载磁化特性第34页/共73页第三十四页，共74页。1.3.2

直流电机负载时的负载磁场与电枢反应

直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使使得电机的磁场发生变化。一、电枢磁动势的分布为了方便，把电机的气隙圆周展开成直线，把直角坐标系统放在电枢的表面上，横坐标表示沿气隙圆周方向的空间距离，用x表示，坐标原点放在电刷所在位置，纵坐标表示气隙消耗的磁动势的大小，用F表示，并规定以磁动势出电枢、进定子的方向作为磁动势的正方向；反之，出定子、进电枢的方向为负方向。当元件中流过的电流为ia，元件匝数为Ny时，元件产生的磁动势为Nyia

，若忽略电枢铁磁阻则全部磁动势均消耗在气隙里，每段气隙消耗的磁动势为1/2Nyia

。第35页/共73页第三十五页，共74页。第36页/共73页第三十六页，共74页。主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线第37页/共73页第三十七页，共74页。电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：1)、使气隙磁场发生畸变

电机中N极与S极的分界线称为物理中性线。在物理中性线处，磁场为零。空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变，物理中性线发生偏移第38页/共73页第三十八页，共74页。课堂讨论根据直流电机的磁化特性曲线，讨论电枢反应使每极下的气隙磁通发生怎样的变化

2)、对主磁场的作用第39页/共73页第三十九页，共74页。原因电机正常运行于磁化曲线的膝部，因此，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线比不饱和时要低，与不饱和相比，增加的磁通少些；主磁极的去磁部分因磁通密度减小使饱和程度降低，与不饱和时相比减少的磁通要大些，由于磁阻变化的非线性，磁阻的减小要比磁阻的增加要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通，因此负载时每极磁通比空载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质(由于磁路饱和引起又称为附加的去磁作用)。

结论电枢反应对主磁场起去磁作用第40页/共73页第四十页，共74页。1.4直流电动机的电枢电动势和电磁转矩直流电动机的电枢电动势直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁功率第41页/共73页第四十一页，共74页。1.4.1

直流电机的电枢电动势产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:性质:发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).)(电动势常数为电机的结构常数其中可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第42页/共73页第四十二页，共74页。1.4.2直流电机的电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比为电机的转矩常数，有其中第43页/共73页第四十三页，共74页。1.4.3直流电机的电磁功率电磁功率:电磁转矩与机械角速度的乘积。发电机——电功率转换成机械功率的功率电动机——电功率转换成机械功率的功率上式说明了机械和电气两个方面的电磁功率表达式，很好的表明了电磁功率为机电能量相互转换功率的关系第44页/共73页第四十四页，共74页。课堂讨论直流电机的电枢电动势和电磁转矩是怎样产生的？各与哪些因素有关？第45页/共73页第四十五页，共74页。1.5.1换向概述1.5直流电机的换向

为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。

直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。

电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。

电刷与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。

电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为元件112第46页/共73页第四十六页，共74页。

换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。

产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。

元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。第47页/共73页第四十七页，共74页。1.5.2换向的电磁理论换向元件中的电动势：自感电动势

和互感电动势：换向元件（线圈）在多个元件同时换向过程中电流改变而产生的。自感电动势和互感电动势合称为电抗电动势。切割电动势：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：

根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。换向电动势：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。第48页/共73页第四十八页，共74页。换向元件中的电流：

设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是和，元件自身的电阻为,流过的电流为,元件与换向片间的连线电阻为,元件在换向时的回路方程：

忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为，则可推导出换向元件中的电流变化规律为第49页/共73页第四十九页，共74页。一、直线换向当时换向元件电流随时间线性变化。当时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向延迟换向超越换向第50页/共73页第五十页，共74页。1.5.3改善换向的方法选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反。大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组.补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势，避免还火。第51页/共73页第五十一页，共74页。1.6直流发电机直流发电机的励磁方式直流发电机的基本方程式直流发电机的运行特性并励直流发电机自励建立稳定电压的条件时间：2课时第52页/共73页第五十二页，共74页。1.6.1直流发电机的励磁方式

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。

他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：第53页/共73页第五十三页，共74页。2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足第54页/共73页第五十四页，共74页。4、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。第55页/共73页第五十五页，共74页。1.6.2直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向，称为发电机惯例。一.电动势平衡方程从方程式可见，直流发电机满足二.转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。转矩平衡方程为：电刷与换向器表面的接触压降一般为常数，也归入电枢回路电阻中，用总电阻表示。第56页/共73页第五十六页，共74页。三.功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率

电磁功率机械摩擦损耗、铁损耗、附加损耗

空载损耗包括：Pcua为电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗第57页/共73页第五十七页，共74页。课堂练习一台并励直流发电机，额定功率PN=20KW，额定电压UN=230V，额定转速nN=1500r/min,电枢回路总电阻Ra=0.16欧姆，励磁回路总电阻Rf=75欧姆，机械损耗Pmec=700W,铁损耗PFE=300W,附加损耗Pad=200W,求：额定负载情况下的电枢绕组铜耗，励磁铜耗，电磁功率，总损耗，输入功率及效率。第58页/共73页第五十八页，共74页。1.6.3他励发电机的运行特性一、空载特性定义: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空载特性实质上就是。所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。第59页/共73页第五十九页，共74页。二、外特性定义(他励)：当、时，

由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励

根据可知端电压下降有两个原因：(一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；(二)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。为什么低?第60页/共73页第六十页，共74页。三、调节特性定义：当、时，

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.第61页/共73页第六十一页，共74页。1.6.4

并励发电机的自励条件和外特性

并励发电机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。第62页/共73页第六十二页，共74页。一、自励条件

曲线1为空载特性曲线,曲线2为励磁回路总电阻特性曲线，也称场阻线。

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。增大,场阻线变为曲线3时，称为临界电阻。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。

如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，励磁电流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，直到励磁绕组两端的电压与相等，达到稳定的平衡工作点A。第63页/共73页第六十三页，共74页。可见，并励直流发电机的自励条件有：二、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，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思考题电机正转能自励,反转能自励吗?第64页/共73页第六十四页，共74页。三、外特性四、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。第65页/共73页第六十五页，共74页。1.7直流电动机直流电机的可逆原理他励直流电动机的基本方程式他励直流电动机的工作特性第66页/共73页第六十六页，共74页。1.7.1直流电机的可逆原理以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。

一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行