直流电机电枢绕组简介

第1章直流电机1.2直流电机电枢绕组简介1.3直流电机的电枢反应本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。★1.4直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.5直流电机的换向★1.6直流发电机★1.7直流电动机1.1直流电机的基本工作原理与结构思考题与习题第1章直流电机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章直流电机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1章直流电机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1章直流电机直流电动机的工作原理示意图:第1章直流电机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1章直流电机直流电机的主要结构第1章直流电机直流电机的主要结构第1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。0180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1章直流电机•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1章直流电机•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1章直流电机•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1章直流电机此外，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1章直流电机思考题•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1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机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。pZpDu22第1章直流电机合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y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。2y121yyyyk单叠绕组21yyyyk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。ky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。pZyu21第1章直流电机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。1kyy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1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机单叠绕组的展开图第1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机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1章直流电机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：fNfIfffNIFFf为磁动势，单位是安匝。第1章直流电机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1章直流电机•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1章直流电机空载时，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1章直流电机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1章直流电机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。000fF0fI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。NfNI0fF0fIINfIA0N0三、直流电机的空载磁化特性第1章直流电机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