第三章 直流電機原理

第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)3.3直流電機的電樞繞組和磁場3.4直流電機的電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩3.5直流電動機運行原理3.6直流電機的換向第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理3.1.1直流電機的應(yīng)用背景

直流電機誕生至今已有180多年的歷史了。和其他人類偉大的發(fā)明一樣，直流電機也經(jīng)歷了漫長而艱苦的歷程。1821年9月法拉第發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線能繞永久磁鐵旋轉(zhuǎn)以及磁體繞載流導(dǎo)體的運動，第一次實現(xiàn)了電磁運動向機械運動的轉(zhuǎn)換，從而建立了電動機的實驗室模型，被認(rèn)為是世界上第一臺電機，如圖3-1所示。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后不久，他又利用電磁感應(yīng)發(fā)明了世界上第一臺真正意義上的電機-法拉第圓盤發(fā)電機，如圖3-2所示。1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并制作了世界上第一臺能產(chǎn)生連續(xù)運動的旋轉(zhuǎn)電動機，如圖3-3所示。后來又經(jīng)過許多科學(xué)家長期改進(jìn)演變，最終形成了現(xiàn)在美觀實用的直流電機。有一種常被運用在玩具上的電機如圖3-4所示。第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理圖3-1第一臺電機原理圖

圖3-2法拉第圓盤發(fā)電機

圖3-3斯特金的旋轉(zhuǎn)電動機

圖3-4現(xiàn)代直流電機

第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論以及永磁材料的快速發(fā)展，直流電機得以迅速發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械一般都用電動機拖動。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)自動化水平不斷提高，各種自動控制系統(tǒng)中也日益廣泛地應(yīng)用各種控制電機。為了提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，大量的生產(chǎn)機械要求直流電機以不同的速度工作。這就要求人們采用一定的方法來改變機組的轉(zhuǎn)速，即對直流電機進(jìn)行調(diào)速。對電機的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣，過程平滑，調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟(jì)。直流電機在上述方面都具有獨到的優(yōu)點，使它得到廣泛的應(yīng)用。第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理直流電機是實現(xiàn)直流電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的電力機械，按照用途可以分為直流電動機和直流發(fā)電機兩類。其中將機械能轉(zhuǎn)換成直流電能的電機稱為直流發(fā)電機，如圖3-5所示；將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機稱為直流電動機，如圖3-6所示。圖3-5直流發(fā)電機圖3-6直流電動機

第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理直流電機的特點：直流電動機與交流電動機相比，具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動性能。直流電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。而直流發(fā)電機則能提供無脈動的大功率直流電源，且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。1.調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速。

2.可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)3、過載轉(zhuǎn)矩大。4.易于控制，可靠性較高。第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運行時由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，因而可靠性較差，維護(hù)比較困難。直流電機的用途：由于直流電動機具有良好的啟動和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對啟動和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機車、內(nèi)燃機車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械、大型精密機床和大型起重機等生產(chǎn)機械中，圖3-7所示是其應(yīng)用的幾種實例。第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理(a）地鐵列車(b)城市電車(c）電動自行車(d)造紙機圖3-7直流電動機的用途第3章直流電機原理3.1直流電機的應(yīng)用背景及基本工作原理3.1.2直流電機的基本工作原理(1)直流發(fā)電機工作原理直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機械。如圖為直流發(fā)電機的物理模型。N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上（由換向片構(gòu)成的圓柱體稱為換向器）。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進(jìn)行的。當(dāng)原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，線圈的ab、cd兩邊因切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則可以判斷出感應(yīng)電動勢的方向為d→c→b→a，電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。D65一、直流發(fā)電機的基本工作原理直流發(fā)電機是根據(jù)導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運動，從而在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢的電磁感應(yīng)原理制成的。圖3-8直流發(fā)電機工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)導(dǎo)線在穩(wěn)定磁場中做切割磁力線的運動時，運動導(dǎo)體內(nèi)電子受到洛倫茲力的的作用會在導(dǎo)線兩端產(chǎn)生電勢，電勢方向遵循左手定則，這樣產(chǎn)生的電勢稱為動生電動勢。發(fā)電機就是根據(jù)這個原理來發(fā)電的。一、直流發(fā)電機的基本工作原理直流發(fā)電機中，我們在線圈的端處，采用換向器跟電刷鏈接，因此換向之后雖然內(nèi)部線圈的電流方向發(fā)生改變，但是外部輸出的電流方向沒有發(fā)生改變，于是這就是我們所說的直流發(fā)電機。如果是交流就采用滑環(huán)。單個線框感生的電勢太弱，可用多圈的繞組代替單個線框，以產(chǎn)生較高的電勢，電勢為單框的n倍，n為圈數(shù)。圖2是多圈的繞組與單個線框的對比圖，在多圈的繞組外包有絕緣帶。一、直流發(fā)電機的基本工作原理D65直流發(fā)電機的工作原理如下：(1)原動機拖動轉(zhuǎn)子（即電樞）以每分轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)動。(2)電機的固定主磁極建立磁場。(3)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中運動，切割磁力線而感應(yīng)交流電動勢，經(jīng)電刷和換向器整流作用輸出直流電勢。注意：某一根轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電勢性質(zhì)是交流電；而經(jīng)電刷輸出的電動勢卻是直流電。直流電動機是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中會受到磁場力作用這一基本原理制成的D65二、直流電動機的基本工作原理直流電動機的工作原理

這是一個方形導(dǎo)線框，在線端頭焊接兩片半圓周的銅片，兩片半圓周的銅片構(gòu)成換向器，兩個彈性銅片靠在換向器兩側(cè)是電刷。二、直流電動機的基本工作原理電源通過電刷向?qū)Ь€框供電，線框中就有電流通過，在線框兩側(cè)放一對磁極，磁極就會形成磁場，線框處在磁場中，當(dāng)線框通有電流時，兩側(cè)導(dǎo)線就會受到磁場的作用力，方向依左手定則判斷，圖中導(dǎo)線上綠色小球表示流動的電流、綠色半透明箭頭是導(dǎo)線受力方向，受到磁場的作用力的線框會旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)90度后，換向器改變了線框電流的方向，于是導(dǎo)線框會連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，這就是直流電動機的工作原理。二、直流電動機的基本工作原理二、直流電動機的工作原理示意圖D65直流電動機工作原理如下。(1)將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過。(2)電機主磁極建立磁場。(3)載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力f的作用。(4)所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以拖動機械負(fù)載。直流電動機是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中會受到磁場力作用這一基本原理制成的D65三、直流電機的可逆原理一臺直流電機原則上既能作電動機運行，也可以作發(fā)電機運行。將直流電源加于電刷，向電樞內(nèi)輸入電能，電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)，電機作電動機運行；如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機械能，電機將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，電機作發(fā)電機運行。同一臺電機，既能作電動機運行，又能做發(fā)電機運行的原理，稱為電機的可逆原理。第3章直流電機原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)3.2.1直流電機的主要結(jié)構(gòu)直流電動機結(jié)構(gòu)主要由定子（靜止部分）、轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分或稱電樞）兩大部分組成。定子與轉(zhuǎn)子之間有間隙稱為氣隙。定子部分包括：主磁極、換向磁極、電刷裝置、機座、端蓋和軸承等裝置；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇和支架等部分。

直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的組成部件1-端蓋；2-電刷裝置；3-換向器；4-電樞線圈；1-前端蓋；2-風(fēng)扇；3-機座；4-電樞；5-電樞鐵芯；6-磁軛；7-主磁極；5-電刷架；6-后端蓋8-勵磁繞組；9-風(fēng)扇；10-軸。

D651.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)

直流電機由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，通常把產(chǎn)生磁場的部分做成靜止的，稱為定子；把產(chǎn)生感應(yīng)電勢或電磁轉(zhuǎn)矩的部分做成旋轉(zhuǎn)的，稱為轉(zhuǎn)子（又叫電樞）。定子與轉(zhuǎn)子間因有相對運動，故有一定的空氣隙，一般小型電機的空氣隙為0.7～5mm，大型電機為5～10mm。第3章直流電機原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)1.定子部分定子的作用是產(chǎn)生磁場和作為電機的機械支撐。如圖3-11-圖3-14為電機的定子組成部分。圖3-11直流電機主磁極結(jié)構(gòu)

圖3-12直流電動機換向極結(jié)構(gòu)1-機座；2-主磁極鐵芯；3-勵磁繞組1-換向極鐵芯；2-換向極繞組圖3-13電刷結(jié)構(gòu)圖3-14機座1-銅絲辮；2-壓緊彈簧；1-機座；2-換向磁極3-主磁極3-電刷；4-刷握。

第3章直流電機原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)2.轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機的轉(zhuǎn)動部分，是用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。它包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電機轉(zhuǎn)軸、軸承和風(fēng)扇等。圖3-15電樞沖片形狀圖3-16換向器結(jié)構(gòu)1-齒；2-槽；3-軸向通風(fēng)孔1-V形套筒；2-云母片；3-換向片；4-聯(lián)結(jié)片。

直流電動機的基本結(jié)構(gòu)在前面直流電動機的原理中已對直流電動機的基本原理作了介紹，但它距實際應(yīng)用的直流電動機結(jié)構(gòu)相差較大，下面介紹一臺與真實直流電動機結(jié)構(gòu)相近的原理模型。

定子與轉(zhuǎn)子鐵芯電機的定子主要用來產(chǎn)生磁場，該模型定子有一對磁極，由導(dǎo)磁良好的鋼鐵制成，磁極的的磁力由一個U型永久磁鐵產(chǎn)生,淺藍(lán)色箭頭線表示磁場方向。電動機旋轉(zhuǎn)部分是轉(zhuǎn)子，在電機中起著機械能與電能之間轉(zhuǎn)換的部件稱為電樞，直流電機的電樞就是轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝在兩個磁極之間。為減小兩磁極間的磁阻，增強兩磁極間的磁通密度，轉(zhuǎn)子鐵芯（電樞鐵芯）由導(dǎo)磁良好的材料制作，在轉(zhuǎn)子的圓周有多個線槽（此處為8個），用來嵌放轉(zhuǎn)子的線圈。由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中通過的磁通方向是不停變化的，為防止渦流損耗，轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成，每片表面涂有絕緣請漆。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)電樞鐵芯的8個線槽里嵌有8個線圈，組成電樞繞組，為便于觀察，采用一個單圈線框代表一個轉(zhuǎn)子線圈，圖4是一個線框。嵌在槽內(nèi)的稱為有效邊，露在槽外的稱為端部。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)換向器有8個銅制換向片，排成圓筒形，換向片間留有縫隙，相互絕緣。把轉(zhuǎn)子線圈的引出線按規(guī)律焊接在換向片上，直流電動機的基本結(jié)構(gòu)把嵌有繞組的轉(zhuǎn)子插入兩磁極之間，兩個嵌有石墨塊的電刷靠在換向器兩側(cè)。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)在兩電刷上接通電源，可在圖上看到每個線槽中線框的電流方向，線框受磁場作用力，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，線框受力方向依左手定則判斷。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)第3章直流電機原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)表征電機額定運行情況的各種數(shù)據(jù)稱為額定值。額定值一般標(biāo)注在電機的銘牌上，所以又稱為銘牌數(shù)據(jù)，它是正確合理使用電機的依據(jù)。銘牌數(shù)據(jù)主要包括電機型號、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定勵磁電流和勵磁方式等，此外還有電機的出廠數(shù)據(jù)，如出廠編號、出廠日期等。若電機的電流正好等于額定值，稱為滿載運行；若電機的電流超過額定值，稱為過載運行；若比額定值小得多，稱為輕載運行。長期輕載運行使電機的容量不能充分利用。故在選擇電機時，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡可能使電機運行在額定值附近。。

第3章直流電機原理3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)

3.2.3直流電機系列

Z2系列：該系列為一般用途的小型直流電機系列?！癦”表示直流，“2”表示第二次改進(jìn)設(shè)計。系列容量為0.4kW～200kW，電動機電壓為110V、220V，發(fā)電機電壓為1l5V、230V，屬防護(hù)式。ZF和ZD系列：這兩個系列為一般用途的中型直流電機系列?！癋”表示發(fā)電機，“D”表示電動機。系列容量為55kW～1450kW。ZZJ系列：該系列為起重、冶金用直流電機系列。電壓有220V、440V兩種。工作方式有連續(xù)、短時和斷續(xù)三種。ZZJ系列電機啟動快速，過載能力大。此外，還有ZQ直流牽引電動機系列及用于易爆場合的ZA防爆安全型直流電機系列等。

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第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機的主要電路，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。設(shè)計電樞繞組要求：能通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠大的電動勢；盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料；保證換向良好。為滿足這些要求，電樞繞組必須按照一定的規(guī)律連接。直流電機電樞繞組為雙層分布繞組，其連接方式有疊繞組和波繞組兩種類型。疊繞組又分為單疊繞組和復(fù)疊繞組；波繞組又分為單波繞組和復(fù)波繞組；此外還有蛙型繞組，即疊繞組和波繞組混合繞組。。

第3章直流電機原理3.3.1直流電機電樞繞組的基本知識1.電樞繞組元件繞組元件是指一個由一匝或多匝導(dǎo)線繞制成的、兩端分別與換向片相連的線圈，它是構(gòu)成繞組的基本單元。一個元件邊放在槽的上層，另一邊放在另一個槽的下層，因此一個槽里總有上、下層兩個線圈邊，稱為雙層繞組。圖3-17電樞繞組元件在槽內(nèi)的放置1-上層元件邊；2-端接部分；3-下層元件邊；4-末端；5-始端第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

2.實槽和虛槽圖3-18時的槽內(nèi)元件布置圖實槽是電樞鐵芯上實際存在的槽。在許多電機中由于元件數(shù)較多，若在鐵芯上開相同數(shù)目的槽是根困難的，甚至是不可能的，這時只有在每個槽的上、下層放置u個(u>1)有效邊，形成實槽與虛槽第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

電樞繞組的特點，我們通常采用虛槽數(shù)、元件數(shù)、換向片數(shù)及各種節(jié)距來表征。每一個元件有兩個元件邊，每一個換向片同時接有一個上元件邊和一個下元件邊，所以元件數(shù)S一定與換向片數(shù)K相等。每一個虛槽也包含上下層兩個元件邊，則虛槽數(shù)也與元件數(shù)想等，因此有：第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

3.繞組繞組中，主要研究單疊繞組與單波繞組（a）兩匝的疊繞元件（b）兩匝的波繞元件第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

名詞、術(shù)語的概念1、磁極中心線：極軸線2、幾何中心線：磁極之間的平分線3、極距τ：鐵心表面一個磁極所占的距離，槽數(shù)4、線圈：一匝5、元件：多匝第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

極距τ是指相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，換言之，對應(yīng)于一個磁極在電樞外圓上所占有的弧長稱為極距。極距τ用一個主磁極所占有的虛槽數(shù)表示，即名詞、術(shù)語第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

名詞、術(shù)語第一節(jié)距y1：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離第二節(jié)距y2：連至同一換向片上的兩個元件中相鄰有效邊的距離合成節(jié)距y：連至同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離換向器節(jié)距yk：同一元件首末端連接的換向片之間的距離第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

4.單疊繞組的特點單疊繞組是指相串聯(lián)的后一個元件端接部分緊疊在前一個元件端接部分的上面，整個繞組成褶疊式前進(jìn)。單疊繞組是指合成節(jié)距=土1的疊繞組單：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度疊：兩個相鄰的元件，后一元件的端部緊疊在前一元件的端部,合成節(jié)距=土1槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D655．單疊繞組的連接方法例已知電機的極數(shù)2p=4，實槽與虛槽數(shù)相同，且z=s=k=16，繞制一個單疊右行整距繞組。解基本過程分為三大步5小步(1)計算極距和節(jié)距第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65第一節(jié)距y1的選取原則：（1）y1必須是整數(shù)（2）為了輸出電勢最大，y1≈τ1)計算極距和節(jié)距第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D652)、畫槽，編號，畫繞組及換向片用y1畫出一個元件，推而廣之繞組端部對稱繞組放置規(guī)則：元件1：上元件邊在1槽，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層元件2：上元件邊在2槽，下元件邊放在相距y1=5即6槽下層。以此類推…第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65畫槽，編號，畫繞組及換向片第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65畫槽，編號，畫繞組及換向片第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65畫槽，編號，畫繞組及換向片第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65畫槽，編號，畫繞組及換向片第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D653)、安放磁極

對稱分布，N、S交替寬度一般為0.7τ左右第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65

4)、安放電刷，完成連線

電刷寬度略小于換向片寬度

單疊：電刷數(shù)=磁極數(shù)

原則：

-引出來的電勢最大（2，3，4）

-被電刷短路的元件電勢最小（1，5）-端部對稱時，電刷放在主極中心線下面的換向片上規(guī)律：第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組由于元件結(jié)構(gòu)上的對稱性，因此，無論是整距、短距或是長距元件，只要元件軸線與主極軸線重合，元件中的電動勢便為零。而元件所接兩片換向片間的中心線稱為此時換向器上的幾何中性線，如圖。（a）對稱端接元件（b）不對稱端接元件

圖3-24電刷放置原則。

第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D654)、安放電刷，完成連線第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65D655)、繞組鏈接順序表單疊繞組元件連接順序圖單疊繞組連接順序圖

繞電樞一周，所有原件串聯(lián)構(gòu)成一個閉合回路第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65D655、畫繞組電路圖（并聯(lián)支路圖）單疊繞組電樞支路圖特點：每個磁極下的元件組成一條支路第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65單疊繞組電樞支路圖第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65二、單疊繞組總結(jié)整個電樞繞組為一個閉合回路，無頭無尾-感應(yīng)電動勢總和為零元件的兩個出線端要連接于相鄰兩個換向片上并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p;電刷數(shù)等于磁極數(shù)，每條支路由不相同的電刷引出電樞電壓等于每一個支路的電壓由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和Ia=2a?ia第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65D65l.單波繞組的特點三、單波繞組單波繞組示意圍單波繞組是指相串聯(lián)的兩個元件按波浪式推進(jìn)，其換向節(jié)距接近二倍極距的繞組第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65D65說明三、單波繞組為了使串聯(lián)的元件的電勢同向相加，合成節(jié)距應(yīng)當(dāng)滿足：第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D652.單波繞組的連接方法例已知電機極數(shù)2p=4，實槽與虛槽數(shù)相同，且z=s==15，繞制單渡左行繞組。解(1)計算有關(guān)節(jié)距。根據(jù)左行繞組及節(jié)距公式，有第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D652.單波繞組的連接方法(2)作繞組連接順序圖單波繞組連接順序圖第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組。

D65畫單波繞組展開圖

D65單波繞組的連接方法單波繞組展開圖第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組D65第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組放置主磁極和電刷主磁極的放法與單疊繞組的相同。確定出電樞的旋轉(zhuǎn)方向后，再根據(jù)右手定則判定每根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢方向。電刷的放置原則也和單疊繞組的相同，即電刷的中心與主磁極的軸線重合。D65第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組繞組的并聯(lián)支路單渡繞組并聯(lián)支路圖

D65第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組單渡繞組并聯(lián)支路圖

D65第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組單波繞組同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路-支路對數(shù)a＝1，與磁極對數(shù)p無關(guān)?電刷組數(shù)應(yīng)等于極數(shù)?電樞電流與支路電流的關(guān)系為：Ia=2iaD65第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組總結(jié)：直流電機電樞繞組的要點?所有的直流電機的電樞繞組總是自動閉合的，無頭無尾?電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠(yuǎn)是成對出現(xiàn)的-因為磁極(2p)也是成對出現(xiàn)的?為了得到最大電勢，電刷總是短接位于幾何中心線上的元件D65第3章直流電機原理3.3直流電機的電樞繞組單疊繞組與單波繞組的區(qū)別單疊繞組?先串聯(lián)所有在同一極下的元件，形成一條支路每增加一對主極就增加一對支路，總支路數(shù)為2a＝2p?并聯(lián)支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適用于較低電壓較大電流的電機單波繞組?把全部相同極性下的元件相連，形成一條支路整個繞組只有一對支路，總支路數(shù)為2a＝2?并聯(lián)支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，適用于較高電壓較小電流的電機第3章直流電機原理3.4直流電機磁場3.4.1直流電機的勵磁方式

勵磁繞組和電樞繞組之間的聯(lián)結(jié)方式稱為勵磁方式。直流電機的勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵四類，如圖所示。為電樞電壓，為勵磁電壓，為電樞電流，為勵磁電流，為主電源電流，正方向假定采用電動機慣例。直流電機的勵磁方式

（a）他勵；（b）并勵；（c）串勵；（d）、（e）復(fù)勵。

第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

勵磁繞組里有勵磁電流，其它繞組無電流時的磁場情況。這種情況叫做電機的空載運行，又叫做無載運行。直流電機的空載磁場，即時建立的勵磁磁場，也叫主磁場。?電機空載—是指電樞

電流等于0或者很小，可以忽略不計?空載時直流電機內(nèi)的磁場由勵磁繞組的磁動勢單獨激磁空載時磁場分布第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

?磁通分成主磁通和漏磁通?主磁通通過氣隙

-交連定轉(zhuǎn)子-在電樞繞組中感應(yīng)電動勢

-或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

?漏磁通不通過氣隙-只交連定轉(zhuǎn)子單方-浪費磁勢-大約是主磁通的20%空載時磁場分布第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖以四極電機為例，當(dāng)勵磁繞組流過勵磁電流時，每極的勵磁磁動勢建立的空載磁場的分布如圖：第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

主磁通與勵磁磁動勢的計算每極主磁通記為，漏磁通記為，則通過每個主極鐵心中的總磁通為：式中，稱為主極漏磁系數(shù)，其大小與磁路結(jié)構(gòu)即磁場分布情況有關(guān)，通常。

設(shè)產(chǎn)生主磁通的每極勵磁磁動勢為，當(dāng)勵磁繞組通過勵磁電流時，有式中，為每極主極上的勵磁繞組匝數(shù)。

第3章直流電機原理3.4直流電機磁場根據(jù)安培環(huán)路定律求得磁動勢為

為了簡化計算，忽略鐵心飽和，且假定鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣隙的磁導(dǎo)率，即不考慮鐵心磁阻的影響，于是有。

因此，氣隙磁密為第3章直流電機原理3.4直流電機磁場3.4.3直流電機空載氣隙磁通密度的分布空載時的氣隙磁通密度分布為一平頂波，如圖為空載時直流電機氣隙磁密分布。

氣隙磁密波形

?空載時，磁動勢主要消耗在氣隙上。?忽略鐵心磁阻時，氣隙磁密的分布就取決于氣隙的大小和形狀。

。

空載時直流電機氣隙磁密第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

3.4.4直流電機的空載磁化曲線直流電機的磁化曲線是指電機的主磁通與勵磁磁動勢的關(guān)系曲線

，如圖3-31所示。這條曲線可由磁路計算方法求得。?空載氣隙磁通與空載勵磁電流

的關(guān)系?為了合理地利用材料，一般額

定運行點設(shè)定在拐點（圖中A點）?斜直線是氣隙消耗的磁通勢，

稱氣隙線?？蛰d特性第3章直流電機原理3.4直流電機磁場3.4.5直流電機的負(fù)載磁場和電樞反應(yīng)直流電機帶有負(fù)載時，電樞繞組中有電流通過，電樞繞組的電流也會產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主磁極磁場一起，在氣隙中建立一個合成磁場。下面以兩極電動機為例分析合成磁場分布情況。。

負(fù)載特點?負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞磁勢第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

負(fù)載時直流電機的磁場電刷在幾何中性線上時第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

圖3-32直流電動機氣隙磁場分布示意圖（a）主磁極磁場；（b）電樞磁場；（c）合成磁場第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

電樞磁動勢

在氣隙圓周方向空間分布是三角波電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁密

是對稱的馬鞍型負(fù)載時直流電機的磁場第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

負(fù)載時直流電機的磁場第3章直流電機原理3.4直流電機磁場為電樞磁場產(chǎn)生的氣隙磁密分布，為空載氣隙磁密分布，為合成氣隙磁密波形。由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點：（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變（2）對主磁場起去磁作用（3）使物理中性線逆著電樞轉(zhuǎn)向移動一個a角。

(因為通過疊加，使磁場強度為零的地方前移。)。

第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

四、電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)：電樞磁場對主極磁場的影響說明：電樞反應(yīng)包括直軸電樞反應(yīng)和交軸電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)和電刷的位置有關(guān)當(dāng)電刷在幾何中性線上時，電樞反應(yīng)的特點：?只有交軸電樞磁場?使氣隙磁場發(fā)生畸變，物理中性線偏離幾何中心線?不計磁飽和時，交軸電樞反應(yīng)既無增磁也無去磁作用?飽和時交軸電樞反應(yīng)有一定的去磁作用第3章直流電機原理3.4直流電機磁場。

當(dāng)電刷不在幾何中性線上時實際電機中，由于裝配誤差或其它原因，電刷難以恰好在幾何中性線上。設(shè)電刷偏離幾何中性線的電角度為，相當(dāng)于在電樞表面移過弧長為的距離，如圖3-35所示。

圖3-35電刷偏離幾何中性線的電樞反應(yīng)第3章直流電機原理3.5直流電機的電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩。

3.5.1電樞電動勢

電樞電動勢是指直流電機正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是電樞繞組每個支路里的感應(yīng)電動勢。電樞旋轉(zhuǎn)時，就某一個元件來說，其感應(yīng)電動勢的大小和方向都在變化著。但是，各個支路所含元件數(shù)相等，各支路的電動勢相等且方向不變。于是，可以先求出一根導(dǎo)體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均電動勢，再乘上一個支路里總導(dǎo)體數(shù)(為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù))，

一個磁極極距范圍內(nèi)，平均磁密用表示，極距為，電樞的軸向有效長度為，每極磁通為，則

一根導(dǎo)體的平均電動勢為

線速度可以寫成第3章直流電機原理3.5直流電機的電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩。

可得導(dǎo)體平均感應(yīng)電動勢的大小只與導(dǎo)體每秒所切割的總磁通量有關(guān)，與氣隙磁密的分布波形無關(guān)。于是當(dāng)電刷放在幾何中線上，電樞電動勢為式中是一個常數(shù)，稱電動勢常數(shù)。第3章直流電機原理。

3.5直流電機的電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩3.5.2電磁轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場里的受力原理，一根導(dǎo)體所受的平均電磁力為式中是導(dǎo)體里流過的電流；是電樞總電流；是支路對數(shù)。第3章直流電機原理。

3.5直流電機的電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)一根導(dǎo)體受的平均電磁力乘電樞的半徑為轉(zhuǎn)矩，即總電磁轉(zhuǎn)矩表示為

把帶入上式得直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的一般公式為

式中是一個常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。第3章直流電機原理3.6直流電動機運行原理3.6.1他勵直流電動機的基本方程式直流電動機基本方程式可以根據(jù)能量守恒，導(dǎo)出電動機穩(wěn)定運行時的功率、轉(zhuǎn)矩和電壓平衡方程式。它們是分析直流電動機各種特性的基礎(chǔ)。他勵直流電動機各物理量采用電動機慣例時的正方向如圖3-36所示，各物理量采用電動機慣例時的正方向：如果乘積為正，就是向電機送入電功率；和都為正，電磁轉(zhuǎn)矩就是拖動性轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩

也為正。電機軸上帶的是制動性的阻轉(zhuǎn)矩。。

圖3-36電動機慣例第3章直流電機原理3.6直流電動機運行原理1.直流電動機的轉(zhuǎn)矩方程式電樞電動勢是反電勢，與電樞電流方向相反，直流電動機正常工作時，作用在軸上的轉(zhuǎn)矩有三個：一個是電磁轉(zhuǎn)矩，方向與轉(zhuǎn)速方向相同，為驅(qū)動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩；一個是電動機空載損耗形成的轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速n方向相反；還有一個是軸上所帶生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，一般為制動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，在大小上也等于電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運行時，直流電動機中驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩總是等于制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，據(jù)此可得直流電動機的轉(zhuǎn)矩方程式。

第3章直流電機原理3.6直流電動機運行原理2.直流電動機的電動勢平衡方程式根據(jù)電路的基爾霍夫電壓定律，可以寫出電樞回路的電動勢平衡方程式3.直流電動機的功率平衡關(guān)系將上式兩邊都乘以，得到

改寫成

把上式兩邊都乘以機械角速度，得改寫成。

第3章直流電機原理3.6直流電動機運行原理總損耗電動機的效率。

第3章直流電機原理3.6直流電動機運行原理

當(dāng)時，的關(guān)系就稱為轉(zhuǎn)速特性。額定勵磁電流的定義是，當(dāng)電動機電樞兩端加額定電壓，拖動額定負(fù)載，即，轉(zhuǎn)速也為額定值時的勵磁電流。他勵電動機的轉(zhuǎn)速特性公式為

圖3-37他勵直流電動機的工作特性。

3.6.2他勵直流電動機的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性第3章直流電機原理3.6直流電動機運行原理2.轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)時