1、1第二章 直流电机的基本结构和运行分析直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直流电源；直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。本章介绍直流电机的工作原理和基本结构；分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电机在不同运行状态的各种平衡方程式和运行特性。第一节 直流电机基本工作原理直流电机是直流发电
2、机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用。作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。一、直流电机的模型结构图 21 所示为一台直流电机简单模型图。N、S 为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。图 2-1 直流发电机工作原理2在两个主磁极 N、S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘
3、材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷 A 和 B，并压在换向器上，与其滑动接触。二、直流发电机的工作原理1.感应电势的产生当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速逆时针方向旋转时，如图 22(a)所示，线圈两个有效边 ab 和 cd 将切割磁力线，而感应产生电势。其方向用右手定则确定，导体ab 位于 N 极下，导体 cd 位于 S 极下，产生电势方向分别为 ba，dc 。若接通外电路，电流从换向片 1A负载B换向片 2。电流从电刷 A 流出，具有正极性，用“”表示；从电刷 B
4、 流入，具有负极性，用“一”表示。当电枢转到 90o 时，线圈有效边 ab 和 cd 转到 N、S 极之间的几何中心线上，此处磁密为零，故这一瞬时感应电势为零。当电枢转到 180o 时，导体 ab 和 cd 及换向片 1、2 位置互换，如图 2-1(b)所示。导体加位于 S 极下，导体 cd 位于极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为ab，cd，电势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片 2A负载B换向片 1。由此可见，电刷 A(B)始终与转到 N(S)极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变 A 为“”，B 为“”。由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的
5、电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。2.电势的波形根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势为：（V ） （ 2-1）LvBeX式中 导体所在位置的磁通密度（T）；xBL导体切割磁力线的有效长度（）；v导体切割磁力线的线速度（/）。要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，前已设电枢以恒速 v 旋转，v=常数，L 在3电机中不变，则 ，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将xBe电枢从外圆某一点沿轴切开，把圆周拉成一直线作为横坐标，纵坐标表示磁密，而绘出的几分布曲线如图 2-2 所示，为一梯形波。由于 ，电势波形与磁密波形可用同一曲线表示，xBe只需换一坐标即可得到线圈内部
6、交变电势波形，如图 2-2 所示。通过电刷和换向器的作用，及时地将线圈内的交变电势转换成电刷两端单方向的直流电势，如图 2-3 所示，但它是一个大小在零和最大值之间变化的脉振电势。对于图 2-1 所示的直流电机简单模型图，由于电枢上只嵌放了一个线圈，所以感应电势数值小，波动大。为了减小电势的脉动，实际电机中，电枢上放置许多线圈组成电枢绕组，这些线圈均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接起来。图 2-4 表示一台两极直流电机，电枢上嵌有在空间互差 90o 的两个线圈产生的电势波形，由图可见，其脉动程度大大减小了。实践证明，若每极下的线圈边数大于 8，电势脉动的幅值将小于 1%，基本是一直流电势，如
7、图 1-5 所示。图 2-2 线圈内电势波形 图 2-3 电刷两端的电势波形图 2-4 两个线圈换向后的电势波形 图 2-5 多个线圈电刷两端的电势波形3.直流发电机产生的电磁转矩当直流发电机电刷两端获得直流电势后，若接上负载，便有一电流流过线圈，电流 i 与4电势的方向相同。同时，载流导体在磁场中必然产生一电磁力 f，其方向用左手定则确定。电磁力对转轴形成一电磁转矩 T，T 与电枢旋转的方向相反，起到了阻碍作用，故称为阻转矩。直流电机要维持发电状态，原动机就必须输入机械能克服电磁转矩 T，正是这种不断的克服，实现了将机械能转换成为电能。三、直流电动机的工作原理图 2-6 所示为两极直流电动机
8、工作原理图。直流电动机结构与直流发电机相同，不同的是电刷 A、B 外接一直流电源。图示瞬时电流的流向为 A 换向片1abc d换向片 2B 。根据电磁力定律，载流导体 ab、 cd 都将受到电磁力 f 的作用，其大小为：（N） （2-2）Lifx式中 i导体中流过的电流（A）。图 2-6 直流电动机工作原理图导体所受电磁力的方向用左手定则确定，在此瞬时，ab 位于 N 极下，受力方向从右向左，cd 位于 S 极下，受力方向从左向右，电磁力对转轴便形成一电磁转矩 T。在 T 的作用下，电枢逆时针旋转起来。当电枢转到 90，电刷不与换向片接触，而与换向片间的绝缘片相接触，此时线圈中没有电流流过，i
9、=0，故电磁转矩 T=0。但由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个角度，电刷 A、B 又将分别与换向片 2、1 接触。线圈中又有电流 i 流过，此时，导体 ab、cd 中电流改变了方向，即为 ba，dc ，且导体 ab 转到 S 极下，ab 所受的电磁力 f 方向从左向5右，cd 转到 N 极下，cd 所受的电磁力方向从右向左。因此，线圈仍然受到逆时针方向电磁转矩的作用，电枢始终保持同一方向旋转。在直流电动机中，电刷两端虽然加的是直流电源，但在电刷和换向器的作用下，线圈内部却变成了交流电，从而产生了单方向的电磁转矩，驱动电机持续旋转。同时，旋转的线圈中也将感应产生电势 e，其方向与线圈中电流方向
10、相反，故称为反电势。直流电动机若要维持继续旋转，外加电压就必须高于反电势，才能不断地克服反电势而流人电流，正是这种不断克服，实现了将电能转换成为机械能。由此可见，直流电机具有可逆性，即一台直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运行。当输入机械转矩将机械能转换成电能时，电机作发电机运行；当输入直流电流产生电磁转矩，将电能转换成机械能时，电机作电动机运行。例如电力机车在牵引工况时，牵引电机作电动机运行，产生牵引力；在制动工况时，牵引电机作发电机运行，将机车和列车的动能转换成电能，产生制动力对机车进行电气制动。第二节 直流电机的基本结构一、直流电机的基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组
11、成，在定子和转子之间有一定大小的间隙(称气隙)，如图 2-7 所示。图 2-7 直流电机结构图1-直流电机总成；2-后端盖；3-通风机；4-定子总成；5-转子（电枢）总成；6-电刷装置；7-前端盖1.定子直流电机定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极6和电刷装置等组成。（1）机座机座兼起机械支撑和导磁磁路两个作用。它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁轭。机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。（2）主磁极主磁极是一个电磁铁，如图 2-8 所示，由主极铁心和主极线圈两部分组成。主极铁心一般用 1-1.5mm 厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成
12、一个整体。小型电机的主极线圈用绝缘铜线（或铝线）绕制而成，大中型电机主极线圈用扁铜线绕制，并进行绝缘处理，然后套在主极铁心外面。整个主磁极用螺钉固定在机座内壁。图 2-8 主磁极1-机座；2- 主极螺钉；3-主极铁心；4- 框架； 5-主极绕组；6-绝缘垫衬（3）换向极换向极又称为附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。换向极由换向极铁心和换向极线圈构成。换向极铁心大多用整块钢加工而成。但在整流电源供电的功率较大电机中，为了更好地改善电机换向，换向极铁心也采用叠片结构。换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁心上，最后用螺钉将换向极固定在机座内
13、壁。（4）电刷装置电刷装置的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成，如图 2-9 所示。电刷一般用石墨粉压制而成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座7上，成为一个整体部件。图 2-9 电刷装置1-刷杆座；2-弹簧；3-刷杆；4-电刷；5-刷握；6-绝缘杆2.转子转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。（1）转轴转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。（2）电枢铁心电枢铁心是电机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。当电枢在磁场中旋转时，在电枢铁心中将产
14、生涡流和磁滞损耗，为了减小这些损耗的影响，电枢铁心通常用 0.5mm 厚的电工钢片迭压而成，电枢铁心固定在转子支架或转轴上。电枢铁心冲片如图 2-10 所示，沿铁心外圈均匀地分布有槽，在槽内嵌放电枢绕组。图 2-10 电枢铁心冲片和铁心1-电枢铁心；2-换向器；3-绕组元件；4-铁心冲片（3）电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。它是直流电机的主要电路部分。电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定规律8嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁心之间都要妥善地绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部
15、分用无纬玻璃丝带绑紧。绕组端头则按一定规律嵌放在换向器钢片的升高片槽内，并用锡焊或氩弧焊焊牢。（4）换向器换向器的作里是机械整流，即在直流电动机中，它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电流；在直流发电机中，它将绕组内的交流电势整流成电刷两端的直流电势。换向器的结构如图 2-11 所示。换向器由许多换向片组成，换向片间用云母片绝缘。换向片凸起的一端称升高片，用以与电枢绕组端头相连，换向片下部作成燕尾形，利用换向器套筒、V 形压圈及螺旋压圈将换向片、云母片紧固成一个整体。在换向片与换向器套筒、压圈之间用 V 形云母环绝缘，最后将换向器压装在转轴上。图 2-11 换向器1-螺旋压圈；2-换向器套筒；
16、3-V 形压圈；4-V 形云母环；5-换向铜片；6-云母片。二、直流电机的额定值每一台电机都有一块铭牌，上面标注各种额定数据，简要介绍这台电机的型号、规格、性能，是用户合理选择和正确使用电机的依据。根据国家标准要求设计和试验所得的一组反映电机性能的主要数据，称为电机的额定值。1.额定功率 NP额定功率指电机按规定的工作方式运行时，所能提供的输出功率。作为发电机额定功率是指接线端子处的输出功率；作为电动机额定功率是指电动机转轴的有效机械功率。单位为千瓦（kw）。额定功率、额定电压和额定电流的关系为：发电机 （2-3）NIUP9电动机 （2-4）NNIUP式中 N额定效率。2.额定电压 U额定电压
17、指在额定输出时电机接线端子间的电压。单位为伏（V）。3.额定电流 NI额定电流指电机按照规定的工作方式运行时，电机绕组允许流过的最大安全电流。单位为安（A）。4.额定转速 Nn额定转速指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时，电机的旋转速度。单位为转/分（r/min）。此外，还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、额定温升、额定效率等。额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望电机按额定值运行。但实际上，电机运行时的各种数据可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期过载运行将使电
18、机过热，降低电机寿命甚至损坏；长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。两种情况都将降低电机的效率，都是不经济的。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。第三节 直流电机的电枢绕组（*）电枢绕组是实现电能和机械能相互转换的枢纽，为直流电机重要部件之一，绕组的型式与电机的性能、寿命和效率有很大的关系。研究直流电机电枢绕组，主要是找出绕组元件相互之间和元件与换向器角司的连接规律。不同类型的电枢绕组，具有不同的连接规律。直流电机的电枢绕组分为单叠绕组、复叠绕组、单波绕组、复波绕组等几种类型。本节仅讨论应用较广泛又具有代表性的单叠和单波绕组。一、电枢绕组概述1.对电枢绕组的要求电枢
19、绕组是由许多形状相同的线圈，按一定规律连接起来的总称。对于电枢绕组，要求一定的导体数，应能产生较大的电势；通过一定大小的电流能产生足够大的电磁转矩。同时，应尽量节省有色金属和绝缘材料。并要求结构简单，运行安全可靠。102.绕组元件绕组元件是用绝缘铜导线绕制成的线圈，这些线圈是组成电枢绕组的基本单元，故称为绕组元件。一个元件有两个有效边，其中一个有效边嵌放在某个槽的上层（称为上元件边），另一个有效边嵌放在另一个槽的下层（称为下元件边），元件的首末端分别接于两个换向片上，如图 2-12 所示。元件在铁心槽内的部分称为有效部分，槽外两端仅起连接作用，称为端接部分。图 2-12 线圈与换向器3.元件数
20、 S、换向片数 K、虚槽数 Z 之间的关系每个元件均有首末两端，而每个换向片总是焊接着一个元件的末端和另一个元件的首端因此，元件数与换向片数相等，即：SK （2-5）若每一个实槽内嵌放上、下两个有效边，则称为一个单元槽或一个虚槽。但有些电机，一个实槽内上、下层常并列嵌放多个元件边，如图 2-13 所示。这时，电枢总的虚槽数为：（2-6）uZ式中 Z电枢铁心实槽数，一个实槽内所包含的虚槽数。图 2-13 实槽与虚槽(a)u=1;(b)u=2;(c)u=311于是，可得 S、K、Z 的关系为：SK （2-7）uZ4.极距。电枢表面圆周上相邻两主磁极之间的距离，以长度表示为：=D a/2p (2-8
21、)以虚槽表示为：=Z u/2p （2-9）式中 Da电枢外径；p主磁极对数。5.绕组的形式和节距（1）绕组的基本形式直流电机的电枢绕组最基本的有单叠绕组和单波绕组两大类，图 2-14 所示为单叠绕组的连接规律示意图了由图可见，单叠绕组的相邻绕组元件在电枢表面仅差一个槽，单个绕组元件的首端和末端之间相邻一个换向片。例如图中第一绕组元件从 N 极出发，绕到相邻的 S极，通过换向器与 N 极下的第二绕组元件串联，直到所有的绕组元件都串联起来为止。图 2-14 单叠绕组连接规律示意图图 2-15 所示为单波绕组的连接规律示意图。由图可见，单波绕组的相邻绕组元件相隔约为二个极距，第二绕组元件与第一绕组元
22、件处在相同极性的两个磁极下，单个绕组元件的首端与末端相隔约为两个极距。若电机有 p 对磁极，则连接 p 个元件后才回到出发元件的邻近，并相隔一个槽，以便第二周继续绕下去，直到所有的绕组元件都串联起来为止。（2）绕组的节距各种绕组在电枢和换向器上的连接规律，由绕组的节距来确定。直流电机的节距有线圈节距（又称第一节距） 1，合成节距，换向器节距 k和后节距（又称第二节距） 2。线圈节距 112图 2-15 单波绕组连接规律示意图线圈节距 1是指同元件两有效边在电枢表面所跨过的距离（见图 2-14），一般以虚槽数表示。 1= Zu/2p+ =整数 （2-10）式中，是用来把 1凑成整数的一个小数。当
23、 =0 时， 1=，为整距绕组；当 取“一”号时， 1，为短距绕组；当取“”号时， 1，为长距绕组。整距绕组可获得最大感应电势，短距和长距绕组感应电势略小。由于短距绕组比长距绕组能节省端部材料，同时短距绕组对换向有利，所以一般采用短距绕组。合成节距合成节距是指相连接的两个绕组元件的对应边在电枢表面所跨过的距离（见图 2-14）。换向器节距 换向器节距 是指同一个绕组元件首末端所连接两换向片之间在换向器表面所跨过的距离（见图 2-14）。以换向片数表示： k （2-11）后节距 2后节距 2是指相串联的两元件中，第一元件的下层有效边与所连接的第二元件的上层有效边之间在电枢表面所跨过的距离（见图
24、2-14）。其值取决于 1和，并与绕组的类型有关。单叠绕组 2 1 （2-12）单波绕组 2 1 （2-13）13二、单叠绕组单叠绕组的同一元件首末两端分别与相邻两换向片相接，第一只元件的末端与第二只元件的首端接在同一换向片上。两只相互串联的元件总是后一只紧叠在前一只上面，故称为叠绕组。其特征为：（2-14）1ky式中，取“”为右行绕组，取“一”为左行绕组，左行绕组端部交叉，一般不予采用。为进一步分析单叠绕组的连接方法和特点，现以 ZSK16，2P4 为例，绕制一单叠右行绕组。1.计算节距，为整距绕组；401621pZy，为单叠右行绕组；k3141y2.绕组展开图根据求得的各种节距，可画出绕组
25、展开图。先将电枢表面展开成平面，并将电枢槽。电枢元件及换向片编号。其中元件及换向片号与其上层边所在槽号相同，电枢槽号和换向片号之间的相对位置，用如下方法确定：为了使元件的端接对称，应使每一元件所接的两个换向片的分界线与其轴线重合。图 2-16 所示为单叠右行绕组展开图，图中元件上层边画成实线，下层边画成虚线。第一元件的首端接在换向片 1 上，它的一边放在 1 号槽的上层，另一边放在 5 号槽的下层（ 14），末端接在换向片 2 上（ k1）；第二元件的首端接到换向片 2 上，它的一边放在 2 号槽的上层，另一边放在 6 号槽的下层，末端接到换向片 3 上；依次连接第三，四等，直到第十六元件。第
26、十六元件的末端又接到换向片 1 上，组成一个闭合回路。14图 2-16 单叠绕组展开图3.主极位置为了确定电枢绕组中感应电势的方向，需假定电枢的转向，同时画出主极的位置和极性。电机主极在圆周上是对称均匀分布的，极靴宽度一般为 0.6-0.7。在展开图上对称均匀划分极距，并在每极距内画上磁极并假设极性别极表示磁力线方向进入纸面，S 极表示磁力线方向离开纸面。根据右手定则，可以确定各导体中感应电势的方向，用元件边上的箭头表示，在 N 极下的元件边中电势方向均向下；在 S 极下元件边中的电势方向均向上。由于几何中心线处的磁密为零，故此处元件边中电势为零，即 1、5、9、13 号元件中电势为零。因此，
27、电枢电势的分界线是磁场的分界线。4.电刷位置和极性电刷在换向器上的位置是根据空载时在正负电刷之间能获得最大电势这一原则来确定的。为了获得最大电势，电刷应与电势为零的电枢元件所连接的换向片相接触。电势为零的元件所处的位置，用下述方法判断：若是整距绕组（ 1=），如图 2-17(a)所示，当两元件边位于几何中心线时，元件电势为零，此时，元件轴线与主极轴线重合。如果是短距绕组（ 1，如图 2-17(b)所示，当元件轴线与主极轴线重合时，两元件边不在几何中心线上，而处在同一极性下左右对称，此时，两元件边电势大小和方向都相同，互相抵消，元件电势也为零。由此可见，只要元件的轴线与主极轴线重合，感应电势即为
28、零。此时，元件所接的两个换向片的分界线与主极轴线重合，所以电刷必须放在主极轴线下的换向片上。对应一个主极，便可放置一组电刷。本例中 2=4，则应有四组电刷。电刷的宽度通常等于换向片宽度的 1.5-3 倍。在分析电机电枢绕组时，为简便起见，电刷只画成一个换向片宽。15图 2-17 电刷放置法(a)整距绕组；(b) 短距绕组电刷的极性由线圈内电势的方向来确定，当电枢转向和主极极性一定时，通过换向片跨接在任何两相邻电刷间的元件中电势方向是一定的，因此电刷的极性固定不变。图 2-18 中A 电刷为正，B 电刷为负。电机中将同极性电刷相连后引出正负两接线端。图 2-18 电刷极性5.并联支路数将图 2-
29、16 中的元件依次连接，可得单叠绕组的瞬间电路图，如图 2-19 所示。由图可见，有 4 条支路并联于正负电刷之间。每一支路都是由上层边处在同一主极下的元件串联而成，一个主极对应一条支路，则单叠绕组的并联支路数恒等于电机的主极数。所以支路对数等于主极对数，即：=p （2-15）16图 2-19 单叠绕组的瞬间电路图电枢旋转时，各元件的位置随着移动，构成各支路的元件在交替更换，由于电刷位置是固定的，所以组成一条支路的元件数不变，感应电势大小不变，从电刷外面看绕组时，永远是一个具有 2条并联支路的电路。电刷两端接通负载或电源时，产生电枢电流，由于电刷两侧的感应电势方向相反。则电刷两侧的电流方向相反
30、，所以电枢电流的分界线是电刷。单叠绕组的电枢电势 Ea 等于一条支路的电势，电枢电流入等于各支路电流 ia之和，即：a2ai a （2-16）6.单叠绕组的均压线在多极（2p2）电机的单叠绕组中，各支路的元件边处在不同的磁极下如果各极下的气隙、磁通量都相等，电机运行正常，这是理想的情况。但实际上由于磁性材料不均匀，磁路的磁阻可能有所不同；或者由于制造上的偏差（如铸件中的气孔，安装时的误差）；或者由于运行造成的原因（如轴承磨损使气隙不均匀）等都会导致各极磁通量不相等。因此即使绕组排列的完全对称（绕组每对支路中的对应元件在磁场中所处的位置相同），也会使各支路中感应电势有所不同，从而在绕组中引起环流
31、。该环流的数值仅受支路电阻和接触电阻的限制，而这些电阻值都很小，所以较小的电势不平衡就会产生相当大的环流。当电枢带负载后，各并联支路的电流也将严重地不对称。环流的存在使电机损耗加大，更重要的是环流加重了某些电刷的负载，恶化了换向条件，很容易在电刷下发生危害电机运行的火花。为了在一定程度上消除环流的不良影响，可将电枢绕组中理论上电位相等的点用均压线连接起来，如图 2-20 所示。实际电机的均压线（ab）是连接在对应的换向片上，所以均压线节距 p可用一对极内的换向片数表示，并且由于在单叠绕组中，所以：17aKpy上例中 即换向片 间都， 82161642SKZpp ， 130291可连接均压线。如
32、每个换向片上都连接均压线，共有其 根，称为全额均压线。,86pK一般电机，可以采用 1/2 或 1/3 的全额均压线。均压线可制成与电枢绕组端部同样形状，包上与电枢绕组同等级的绝缘，然后按照均压线节距接到换向片上。均压线放置位置如图 2-21 所示，将均压线接在换向片上后绑扎固定，然后再嵌放电枢绕组。三、单波绕组单波绕组每一元件两条边之间的距离（ 1）与单叠绕组一样，即图 2-20 单叠绕组的均压线18图 2-21 均压线放置位置1-换向片；2-电枢绕组；3-电枢铁心；4-均压线整数pZy21单波绕组每一元件的首末端要接到相距约为两个极距的换向片上，每嵌放一个元件时，其相应元件边在电枢表面上移
33、动约为两个极距的槽，所以 。第二只元件与第一21ky只元件处在相同极性的两个磁极下，感应电势方向相同。当依次串联 p 个元件，在电枢表面环绕一周后，第 p 只元件的末端要接到第一只元件的首端所接的换向片 1 相邻换向片上，以便第二周继续绕下去，所以：（2-18）1Kypk因此，单波绕组的换向器节距为：整数 （2-19） pyk当采用 K1 时，p 个元件串联后，接到换向片 2 上，称右行绕组，此时端接交叉，很少采用。一般采用 K1，称为左行绕组。现以 ZSK ， 为例，绕制一单波左154p行绕组。1.计算节距、画绕组展开图 341521pZy72Kk1943712y根据求得的各种节距，可画出单
34、波绕组的展开图，如图 2-22 所示。从图中可看出元件连接的顺序是：1 一 815714613512411310291，也构成一闭合绕组。图 2-22 单波绕组展开图确定主极位置。电刷位置的原则与单叠绕组相同。2.单波绕组的支路对数根据图 2-22 可画出单波绕组的瞬间电路图，如图 2-23 所示。由图可见，单波绕组是将所有上层边在 N 极下的元件串联成一条支路（4、11、3、10、2），将上层边在 S 极下的元件串联成另一条支路（15、7、14、6、13），其余元件被电刷短路。显然，单波绕组的支路数 2a 和主极数目无关，即：1 （2-20）由于单波绕组只有两条并联支路，只要一正一负两组电刷
35、即可工作。但在极数较多时，由于电刷的载流量很大，使换向器尺寸加大，因此一般仍采用与极数相等的电刷组数（全额电刷）。单波绕组的电枢电势仍为一支路电势，电枢电流为两支路电流之和。图 2-23 单波绕组的瞬间电路图20四、单叠与单波绕组的区别单叠与单波绕组是直流电机基本的绕组形式，其主要区别是并联支路数不同。单叠绕组，可以通过增加磁极对数来增加并联支路数，适用于低电压。大电流的电机。单波绕组 1，在元件数相同的情况下，每条支路串联的元件较多，适用于小电流、较高电压的电机。第四节 直流电机的磁场从直流电机基本工作原理的分析可知，发电机将机械能转换为电能，电动机将电能转换为机械能，其必要条件之一是必须具
36、有气隙磁通。因此，必须在直流电机主磁极的励磁绕组中通以励磁电流来产生磁势，以产生气隙磁通。使电枢绕组切割气隙磁通而感应电势；或者由电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩，从而实现机电能量的转换。图 2-24 直流电机的励磁方式(a)他励；(b)并励；(c)串励；(d)复励一、直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式是指直流电机励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式。不同励磁方式的直流电机，其特性有很大差异，因此，励磁方式是选择直流电机的重要依据。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励 4 类，如图 2-24 所示。1.他励电机励磁绕组与电枢绕组各自分开，励磁绕组由独立的直流电源供电，如图 2-
37、24(a)所示。励磁电流 f的大小只取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压大小及负载无关。用永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电机。2.并励电机励磁绕组与电枢绕组相并联，如图 2-24(b)所示。励磁电流一般为额定电流的 5%，要产21生足够大的磁通，需要有较多的匝数。所以并励绕组匝数多，导线较细。3.串励电机励磁绕组与电枢绕组相串联，如图 2-24(c)所示。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。4.复励电机电机至少有两个励磁绕组，其中之一是串励绕组，其他为并励（或他励）绕组，如图2-24(d）所示。通常并项组起主测用，串励绕组起辅助作用。若串励
38、绕组和并励绕组所产生的磁势方向相同，称为积复励；若串励绕组和并励绕组所产生的磁势方向相反，称为差复励。并励绕组匝数多，导线细；串励绕组匝数少，导线粗，外观上有明显的区别。直流电机各类绕组接线后，其引出线的端头要加以标记，根据 IEC 国际标准规定的各绕组线端符号见表 2-1。表 2-1 直流电机各绕组线端符号二、直流电机的空载磁场直流电机空载时，电枢电流为零，只有励磁绕组中存在电流。因此，空载时电机的气隙磁场完全由励磁绕组的电流所产生。1.空载磁场的分布励磁绕组中通入励磁电流 f后，各主磁极依次为 N 极和 S 极，由于电机磁路对称，不论极数多少，每对极下的磁通分布是相同的，因此，可以讨论一对
39、极下的情况。图 2-25 所示为直流电机的空载磁场，主磁通中由 N 极出来，经空气隙和电枢齿槽，便分左右两路经过电枢轭、电枢齿槽和空气隙进人相邻的 S 极，然后从定子磁轭回到 N 极而自成闭路。主磁通中同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，是实现能量转换的关键。从图中还可看出，在 N 极和 S极之间，还存在着一小部分磁通，它们不进入电枢铁心，不与电枢绕组匝链，称为主极漏磁通 。主磁通磁路的空气隙较小，磁阻较小；漏磁通磁路的空气隙较大，磁阻较大，所以，1在同样的磁势作用下，漏磁通要比主磁通小得多。一般电机的主极漏磁通约为主磁通的15%-20%。22图 2-25 直流电机的磁路和磁分布2.电机的磁化曲线电
40、机的磁化曲线是指电机主磁通 与励磁磁势 的关系曲线 。fFfF电机运行时，要求每一个磁极下应具有一定的磁通量，这就要求有一定的励磁磁势,而在实际电机中，励孩绕组匝数 常数，则 ,即励磁磁势与励磁电流fFfNI fNffI成正比。故磁化曲线又可表示 。而电机中主磁通 所经过的路径绝大部分由铁磁材fI料构成，当铁磁材料磁化时具有饱和现象，导磁系数不为常数，磁阻是非线性的。所以， 曲线与铁磁材料的 BH 曲线相似，如图 2-26 所示。fI磁化曲线起始一段是直线，因为在 不大时，铁磁材料的磁路未饱和，磁阻数值很小，磁通与磁势成正比，即 （或 ）。当 逐渐增加时，磁路逐渐饱和，磁阻增加，fFfI则使
41、通过这部分磁阻所需的磁势 （或 If）也随之增加，曲线逐渐弯曲变平。当磁路饱和f以后，磁阻很大，为了增加很少一点磁通 ，就必须增加很大的磁势 ，即增加很大的励fF磁电流。因此，为了最经济的利用材料，设计电机时，一般使额定工作点位于曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近。23图 2-26 电机的磁化曲线3.气隙磁密分布曲线在电机中，电枢导体切割气隙磁通而产生感应电势 。，当转速恒定时，LvBex。因此，在研究电机时，不但要知道每极磁通 的大小，还需要知道主极下气隙中每xBe一点磁密的大小，即气隙磁密的分布情况。根据磁路欧姆定律，气隙某处磁通或磁密的大小，取决于该处的磁势和磁路磁阻的大小。忽略铁心材料磁阻
42、，可认为磁势全部消耗在气隙中，直流电机的主极气隙是不均匀的，极下部分气隙大小相等且数值很小，因此在极下部分磁密的大小相等且数值较大。靠近极尖处气隙逐渐增加，磁密明显减小，在两极之间的几何中心线上，磁密等于零。若不考虑电枢表面齿和糟的影响，在一个极距范围内，电枢各点垂直分量的磁密分布为近似梯形，如图 2-27 所示。主极磁场在主极轴线两侧对称分布，因此主极磁场的轴线为主极轴线。图 2-27 气隙磁密的分布磁密 Bx曲线所包围的面积，即为主极磁通 。由于磁通 是有方向的，所以 Bx也有正、24负，一般定为 S 极下磁密为正,N 极下磁密为负。三、电枢磁场直流电机负载运行时，电枢绕组中通过电流，所产
43、生的磁场称为电枢磁场。电枢磁场沿电枢表面的分布情况、与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中，电枢电流方向的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布，所以电枢磁场的分布情况与电刷的位置有关。电刷的正常位置，应在主极轴线下的换向片上，这时与电刷相连接的电枢元件位于几何中心线上或附近。在分析电枢磁场示意图时，常省去换向器，把电刷画成与线圈的导体直接相连，所以在正常情况下，电刷直接画在几何中心线上。下面分析电刷在几何中心线上和偏离几何中心线两种情况下的电枢磁场分布。1.电刷在几何中心线上此时，电枢电流的方向以电刷为分界线，相邻两电刷间的电枢圆周上的导体电流方向都相同，而每一电刷两侧的导体电流方向相反。因此
44、，只要电刷不动，不论电枢是静止或者旋转，电枢表面电流分布总是不变的，所以电枢电流产生的电枢磁场在空间总是静止的。图2-28 所示为两极电机的电枢电流方向和电枢磁场分布情况。图 2-28 两极电机的电枢磁场电枢磁通的方向与电枢导体电流方向间符合右手螺旋定则，这时电枢可以看成是一个电磁铁，它的 N 极和 S 极位于电刷轴线上，因此电枢磁场的轴线为电刷轴线。与主极磁场轴线在空间垂直的称为交轴电枢磁场。主极磁场轴线称为 d 轴，电枢磁场轴线称为 q 轴。25电枢磁势在空间分布情况，可应用全电流定律进行分析。将图 2-28 展开成图 2-29，图2-29(a)表示电枢电流和磁通的分布。由图可见，电枢支路
45、的中点对应在主极轴线上，电枢磁通环绕支路中点向两边对称分布。以支路中点为基准，任取一磁通管，通过磁通管所形成的回路磁势 F 等于此回路中所包含的全电流。因此，对应主极中心点，回路磁势为零；而通过电刷轴线的回路磁势最大。假定电枢表面导体均匀而又连续分布，则电枢磁势的分布为一三角形，如图 2-29(b)所示。图 2-29 电枢磁势和磁密分布(a) 电枢电流和磁通的分布(b)电枢磁势和磁密的分布三角形分布的电枢磁势将产生怎样的磁密分布呢？由图 2-29(a)可见，每一电枢磁通都经过电枢铁心、气隙和主极铁心形成闭合回路，由于铁磁物质的磁阻相对空气磁阻数值很小，所以，上述闭合磁路中的磁势全部降在两个气隙
46、上。因此，电枢磁势产生磁场的磁通密度 a为：（2-21）aaFB0式中 空气的磁导率；0有效气隙长度。在磁极下面，气隙的长度基本不变，可以认为 Ba随 F 的增加而增加；但在极间区域，由于空气隙变得很大，虽然 Fa继续增加，但 Ba反而减少，所以 Ba的分布曲线为马鞍形，如图 2-29(b)所示。26综上所述，当电刷在几何中心线上时，电枢磁有以下特点：（1）在空间静止不动；（2）电枢磁场轴线与主极磁场轴线垂直，为交轴电枢磁场；（3）电枢磁密 Ba在空间分布呈马鞍形。2.电刷偏离几何中心线图 2-30(a)所示为电刷偏离几何中心线一个角度时的情况，相当于电刷在电枢表面移动一段距离 b。由于电枢导
47、体中电流的分布仍以电刷为界，故电枢磁势的轴线也将随之移动，此时电枢磁场轴线和主极磁场中心线不再是垂直关系。为研究方便，将电枢磁势分为两部分：一部分由 2b 范围内的电枢导体电流形成，如图 130(b)所示，这部分磁势与主极磁势轴线在空间垂直，称为交轴电枢磁势 Faq；另一部分由 2b 范围内的电枢导体电流形成，如图130(c)所示，这部分磁势与主极磁势的轴线重合，称为直轴电枢磁势 Fad。图 2-30 电刷不在几何中心线上时的电枢磁场(a)电枢磁势 Fa；(b)磁势的交轴分量 Faq；(c)磁势的直轴分量 Fad由上述分析可知，电枢磁势和电刷位置的关系是：电刷在几何中心线上时，只有交轴电枢磁势
48、；电刷不在几何中心线上时，除交轴电枢磁势外，还有直轴电枢磁势。四、电枢反应电机负载运行时，电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。交轴电枢磁势对主极磁场的影响称为交轴电枢反应；直轴电枢磁势对主极磁场的影响称为直轴电枢反应。1.交轴电枢反应在一般情况下，电刷总是位于几何中心线上，电枢磁势全部为交轴电枢磁势，只有交轴电枢反应，此时电机的磁场由主极磁势建立的磁场和电枢磁势建立的磁场叠加而成。图 131(b)中 B0 表示电机空载时主磁场沿电枢表面的分布曲线(梯形)，图 131(c)中27Ba 表示电机负载时由交轴电枢磁势单独建立的电枢磁场沿电枢表面的分布曲线(马鞍形)。当电机磁路不饱和时，磁路磁阻为常值，将 B0 和 Ba 相加，即可得到负载后合成磁场沿电枢表面分布
