1、宁波工程学院,电机原理与拖动基础,下 页,主讲人：包 蕾,第2章,第2章 直流电机,下 页,本 章 重 点,第2章,下 页,上 页,返 回,2.4 直流电机的空载磁场,2.4.1 直流电机的励磁方式,直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。,复习,直流电机工作原理,直流电机结构组成,特点：U与Uf无关，Ia与If无关,1、他励 励磁绕组接在独立的直流电源 上，与电枢绕组无关。 如永磁电机。,分析主磁场：除永磁式微直流电机外，直流电机的主磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。励磁
2、绕组获得励磁电流的方式称直流电机的励磁方式。励磁方式可分为四种：他励、并励、串励和复励。以电动机为例说明。,第2章,4、复励 主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。分为短复励(图d)和长复励(图e),3、串励 励磁绕组与电枢绕组串联。,特点：励磁回路的励磁电压与电枢两端的电压相等,2、并励 励磁绕组与电枢绕组并联。,特点：励磁回路的励磁电流与电枢回路电流相等,下 页,上 页,返 回,I=Ia+If,I=Ia+If1=If2,第2章,特点：若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称差复励。实际应用中常用积复励。
3、,下 页,上 页,返 回,第2章,2.4.2 直流电机空载磁场的分布,直流电机的空载是指电机对外无功率输出或不带负载空转的一种状态，其电枢电流等于零或者很小，可以不计其影响。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。,几何中性线 两相邻主磁极间的几何平分线,下 页,上 页,返 回,第2章,主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的；其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：0，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏
4、磁通，记作：，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的15%左右。,主磁通与漏磁通,下 页,上 页,返 回,第2章,2.4.3 磁路分析,磁压降：,磁动势：,总磁通：,磁路欧姆定律：略漏磁通,下 页,上 页,返 回,第2章,2.4.4 直流电机的磁化曲线,电机的磁化曲线是指电机主磁通0与励磁磁势Ff的关系曲线，即0=（Ff）。当励磁绕组的匝数Nf一定时，改变励磁电流If就可改变磁势，磁化曲线也可用0=（If） 表示。电机的磁化曲线
5、可通过实验或电机磁路计算得到。图中曲线1是电机磁化曲线，曲线2是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，由于空气中的0为常数，故气隙线是线性的。,曲线特点：电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。,下 页,上 页,返 回,第2章,磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方（膝部点A） 。,
6、下 页,上 页,返 回,第2章,饱和系数,电机的饱和程度可以用饱和系数表示。它是指主磁通0为额定磁通N时，励磁磁势F0与气隙磁势F的比值，即k 的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中的k =1.111.35。,下 页,上 页,返 回,第2章,2.4.5 气隙磁通密度的分布,设磁路不饱和，电枢表面是光滑的，略铁磁材料中的磁压降,气隙磁压降：,磁场强度：,磁通密度：,主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状，为一平顶波。,磁极中心及附近(极靴下)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；极靴尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的
7、几何中性线处，气隙磁通密度为零。,结论,在磁动势一定的条件下，,下 页,上 页,返 回,第2章,2.5 直流电机的电枢绕组,电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢绕组而实现的，实际电机电枢绕组由多个结构相同的线圈按一定规律连接构成。,2.5.1 直流电机电枢绕组的基础知识,分类：单叠绕组、单波绕组和混合绕组,几何中性线：两相邻主磁极间的几何平分线,磁极轴线：每个主磁极上，把主磁极平分为左右对称两部分的中心线。,几何中性线,磁极轴线,下 页,上 页,返 回,第2章,电枢绕组与换向片,通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。,下 页,上 页,返 回,第2章,电枢绕
8、组与电刷连接,位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。,电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。,两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。,实际电机模型,下 页,上 页,返 回,第2章,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。每一个元件有两个切割磁力线的有效边称元件边。,(a)单匝元件,(b)多匝单叠元件,(c)多匝单波元件,单匝元件，就是每个元件的元件边里仅有一根导体。对多匝元件来说，一个元件边里不止一根导体，图（b）就是一个多匝元件。,元件的首末端：不管一个元件有多少匝，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。同一个元
9、件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。,元件的槽外部分，做成曲线形状,元件边做成直线形状,下 页,上 页,返 回,第2章,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用t表示。,叠绕组：指串联的两个元件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。,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。,(b)波绕组示意图,(a)叠绕组示意图,D-电枢铁芯外直径,p-直流电机磁极对数,下 页,上 页,返 回,第2章,槽数：绕组的元件在槽内的放置如图所示。直流电机的电枢绕组般采用双层绕组，即每个元件的
10、一个边放在某一个槽的上层，另一个边放在相邻磁极另一个槽的下层，也就是说一个元件占用两个槽，每个槽放置两个边，双层绕组的元件数与槽数是相等的；每个电枢元件两个端头，分别与两个换向片相连，每个换向片都接有两个不同元件的一个上层边和一个下层边，所以直流电机的换向片数等于电枢元件数。,(2)绕组与换向片连接,元件数S=换向片数K=电枢表面实际槽数Z,下 页,上 页,返 回,(1)绕组在槽内的放置,第2章,虚槽：许多电机中由于元件数较多，若在铁芯上开相同数目的槽是很困难的，甚至是不可能的，这时只有在每个槽的上下层各放置u个（u1）有效边，形成实槽与虚槽。一个上层边和一个下层边称为一个虚槽。如一个电机有Z
11、个实槽，每个实槽有u个虚槽，虚槽数为Zi，则有,Zi=uZ,例：问u=？,（a） （b）,元件数S=换向片数K=虚槽数Zi,下 页,上 页,返 回,第2章,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。 用所跨槽数表示。,节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。,y1=t 整距元件,y1t 短距元件,y1t 长距元件,下 页,上 页,返 回,第2章,合成节距y ：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y2 ：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
12、yk ：同一个元件的首末端在换向器上的距离。,是元件1的下层元件边在换向器端经过换向片联到元件2的上层元件之间的跨距。,电枢绕组的连接方法,绕组连接方法主要表述绕组连接规律的节距、元件联结图、绕组展开图、并联支路图。,下 页,上 页,返 回,第2章,2.5.2 单叠绕组,讲述单叠绕组连接规律的节距、元件连接图、绕组展开图、并联支路图。为什么叫单叠绕组？,以一台极对数p=2，双层绕组结构，Z=S=K=16的直流电机为例。,1、单叠绕组的节距,右行绕组取+1：串联顺序从左往右,左行绕组取-1：串联顺序从右往左,下 页,上 页,返 回,第2章,2、单叠绕组的元件连接次序,3、单叠绕组的展开图,单叠绕
13、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。,绕组元件连接次序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。,从图中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。,下 页,上 页,返 回,第2章,直流电机的电枢,电枢铁心冲片,下 页,上 页,返 回,第2章,下 页,上 页,返 回,第2章,（1）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽，依次把槽编上号；（2）根据y1画出第一个元件的上下层边
14、（15槽），令上层边所在的槽号为元件号；（3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；,下 页,上 页,返 回,第2章,（4）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第一个元件的下层边连接；下层边在第6槽与3号换向连接。按此规律，一直把16个元件全部连起来。,下 页,上 页,返 回,第2章,（5）放磁极：磁极宽度约为0.7t均匀分布在圆周上，N极磁力线垂直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）；,下 页,上 页,返 回,第2章,下 页,上 页,返 回,第2章,（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上K很多，电刷宽bk23片宽）。并把相同极性下的电刷并联起
15、来。,下 页,上 页,返 回,第2章,每个极下的元件组成一条支路，这就是说，单叠绕组并联支路对数等于电机的极对数，即：,4、单叠绕组的并联支路图,下 页,上 页,返 回,第2章,单叠绕组是以相邻元件(线圈)依次串联的连接规律连成的(相互叠压)，合成节距与换向节距均为1，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一闭合回路。即：,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。,2）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于主磁极数；电刷位置应使被短接元件上感应电动势最小而使电刷间感应电动势最大，在元件端接线对称（元件的几何形状对称）的情
16、况下，电刷的实际位置应在磁极中心轴线下；电刷间电动势等于并联支路电动势。,3）正负电刷引出的电枢电流等于各支路电流之和，即I=2aIa。,结论,4）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”。,5）适合于低电压、大电流的直流电机。,下 页,上 页,返 回,第2章,2.5.3 单波绕组,单波绕组的合成节距与换向节距相等。,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轴线，支路电动势最大；,3）电刷数等于磁极数；,5）电枢电流等于两条支路电流之和；,4）电枢电动势等于支路感应电动势；,6）适合于高电压、小电流的直流电机。,下 页,上 页,返 回,第2章,绕组展开图,下 页,上 页,返 回,第2章,单波绕组的并联支路图,下 页,上 页,返 回,第2章,课后复习要点,1.直流电机的励磁方式和空载磁场 2. 直流电机绕组(极轴线、几何中线、极距、绕组元件、绕组节距等)，电刷的摆放位置，叠绕组、波绕组的特点。 3.预习电枢反应和直流电机的磁场。 4.预习直流机的电磁转矩和感应电势。 作业：P58 2.2、2.8,上 页,返 回,第2章,
