2直流電機的電樞繞組解析

其次章直流電機的電樞繞組引言§2.1電樞繞組的一般學問§2.2單疊繞組§2.3單波繞組§2.4各種繞組的應用范圍小結10/31/20231引言電樞繞組是直流電機的電路局部，亦是實現(xiàn)機電能量轉換的樞紐。設計要求：電樞繞組的構成，應能產生足夠的感應電動勢，并允許通過確定的電樞電流，從而產生所需的電磁轉矩和電磁功率，此外，還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，構造簡潔，運行牢靠。10/31/20232分類：直流電樞繞組有疊繞組、波繞組和混合繞組等三種類型。本節(jié)主要說明單疊和單波繞組的組成和連接規(guī)律。10/31/20233§2.1電樞繞組的一般學問一、直流電樞繞組的構成

二、直流電樞繞組的節(jié)距

10/31/20234一、直流電樞繞組的構成每一個元件有兩個放在槽中切割磁力線、感應電動勢的有效邊，稱為元件邊。元件在槽外(電樞鐵心兩端)的局部一般只作為聯(lián)接引線，稱為端接。與換向片相聯(lián)的一端為前端接，另一端叫后端接。10/31/20235引入“虛槽”概念，設槽內每層有u個元件邊，則意味著一個實際的槽包含了u個“虛槽”，而每個虛槽的上、下層照舊只有一個元件邊。圖示為u＝2，即一個實槽包含兩個虛槽的狀況。一般狀況下，實際槽數Z與虛槽數Zi的關系為10/31/20236電樞繞組的特點常用虛槽數、元件數、換向片數及各種節(jié)距來表征。由于每一個元件有兩個元件邊，而每一片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S確定與換向片數K相等；又由于每一個虛槽亦包含上、下層兩個元件邊，即虛槽數也與元件數相等，故有10/31/20237二、直流電樞繞組的節(jié)距

1．第一節(jié)距y1元件的兩條有效邊在電樞外表上所跨的距離稱為第一節(jié)距，用y1表示。第一節(jié)距的大小通常用所跨的虛槽數來計算。由于元件邊置放在槽內，所以y1必定是一個整數。為得到較大的感應電動勢和電磁轉矩，y1最好等于或者接近于一個極距，即10/31/20238ε為使yl湊成整數的一個小數。通常，y1=τ稱為整距元件；相應的，y1>τ為長距；y1<τ為短距。由于短距繞組有利于換向，對于疊繞組尚能節(jié)省局部端部用鋼，故常被承受。10/31/202392．其次節(jié)距y2在相串聯(lián)的兩個元件中，第一個元件的下層邊與其次個元件的上層邊在電樞外表上所跨的距離，稱為其次節(jié)距。其次節(jié)距用y2表示，也用虛槽數計算。10/31/2023103．合成節(jié)距y相串聯(lián)的兩個元件的對應邊在電樞外表所跨的距離，稱為合成節(jié)距。合成節(jié)距用y表示，也用虛槽數計算。波繞和疊繞、單繞組和復繞組之間的差異，主要表現(xiàn)在合成節(jié)距上。所謂疊繞組是指：各磁極下的元件依次相連，后一個元件總是“疊”在前一個元件上。波繞組是指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，像波浪一樣向前延長。疊撓和波繞這兩種聯(lián)法，都能保證相串聯(lián)的元件其電動勢方向一樣而不相互抵消。對疊繞組y=y1-y2對波繞組y=y1+y210/31/2023114．換向器節(jié)距yk在換向器外表上，同一個元件的兩個出線端所接的兩個換向片之間所跨的距離，稱為換向器節(jié)距。換向器節(jié)距用yk表示，其大小用換向片數計算．由于元件數等于換向片數，每連接一個元件時，元件邊在電樞外表前進的距離，應當等于其出線端在換向器外表所前進的距離，所以換向器節(jié)距應當等于合成節(jié)距，即yk=y規(guī)定yk>0為右行繞組，yk<0為左行繞組，左行繞組每一個元件接到換向片上的兩根端接線要相互交又，亦較長(用銅較多)，故較少承受。10/31/202312§2.2單疊繞組

一、節(jié)距計算二、繞組連接表三、繞組開放圖四、電刷放置法五、繞組的并聯(lián)支路數10/31/202313電樞繞組中任何兩個串聯(lián)的元件都是后一個疊在前一個的上面的稱為疊繞組。每繞一個元件便在電樞外表移過一個虛槽的疊繞組稱為單疊繞組y＝y(tǒng)k＝±1。假設y＝y(tǒng)k＝＋1，則繞組向右繞行，稱右行繞組，見圖a；y＝y(tǒng)k＝－1，則繞組向左繞行，稱左行繞組，見圖b。10/31/202314一、節(jié)距計算

對于右行單疊繞組，有y＝y(tǒng)k＝＋1整距(整數，可繞制)其次節(jié)距y2＝y(tǒng)1—y＝3虛槽數Z＝Zi→u＝110/31/202315二、繞組連接表

1．將槽和元件邊編號2．繞組元件連接法表中每根實斜線所連接的兩個元件邊構成一個元件。如1～5”為第1元件等等，兩元件之間的虛線則表示通過換向器上的一片換向片把兩元牛串聯(lián)的連接線。從表可見，從第1元件動身，繞完Zi個元件后，又回到第1元件而形成閉合回路。直流電樞繞組總是自行閉合的。10/31/202316三、繞組開放圖繞組開放圖如以下圖，它是假設把電樞從某一齒中心沿軸向切開并開放成一帶狀平面。上元件邊仍用實線段表示，下元件邊用虛線段表示。圖中畫的磁極是在繞組的上面，因此N極的磁力線指向紙面，S極的磁力線從紙面穿出。左上方的箭頭表示繞組的旋轉方向。由此運用右手定則，可確定在圖示瞬間各元件邊內的感應電動勢方向。并且可看出電刷電位的正負。10/31/202317圖中相鄰兩主極間的中心線，空載時線上在電樞外表處的主極磁場徑向磁通密度為零，稱為電樞上的幾何中性線。明顯，在幾何中性線上的元件邊感應電動勢為零，如元件邊1、1”；5、5”，9、9”；13和13”都無感應電動勢。10/31/202318換向器和繞組元件之間的相對位置，對于常用的端接對稱的繞組，應使每一元件所接的兩個換向片的中心線恰好與元件的軸線〔元件兩邊跨距的平分線〕重合。圖中元件1的軸線與槽3的中心線重合，而元件1所接的兩換向片1和2的中心線也恰好在槽3的中心線上。換向器的大小的畫得與電樞一樣，換向片寬等于槽距，換向片的編號與它所連接的上元件邊的編號一樣。這樣，元件1的上元件邊接到換向片1，下元件邊接到換向片1＋yk＝1＋1＝2，再經過元件2而接到換向片2＋yk＝2＋1＝3，如此連續(xù)依次連接便得繞組開放圖。10/31/202319四、電刷放置法

確定電刷放在換向器上位置的原則是：空載時正、負電刷之間獲得最大電動勢，這時被電刷短路的元件電動勢為零。

10/31/202320無論整距、短距或長距元件，只要元件軸線與主極軸線重合，元件的電動勢便為零。我們把這時元件所接兩換向片的中心線稱為換向器上的幾何中性線。10/31/202321電刷應放在換向器上的幾何中性線上。對端接對稱的元件，換向器上的幾何中性線與主極軸線重合，因此電刷必需放在主極軸線下的換向片上，主極和電刷的空間位置都是固定的，因此這一放置電刷的結論特殊明確，見圖a。假設元件是不對稱端接的，以致?lián)Q向器上的幾何中性線不與主極軸線重合，而是偏離后者一個角度，則電刷位置應相應地移過同一角度，見圖b。10/31/202322五、繞組的并聯(lián)支路數

單疊繞組的并聯(lián)支路數恒等于電機的主極數，這是單疊繞組的特點，即2a＝2p或a＝p式中a——并聯(lián)支路對數。單疊繞組的并聯(lián)支路數等于主極數，增加電機的主極數便可增加支路數。要在主極數不變的狀況下使支路數成倍增加，可把多個單疊繞組嵌在同一個電樞上，并借助電刷并聯(lián)起來構成復疊繞組。假設相串聯(lián)的兩元件對應邊相距加個虛槽，相應地每一元件兩端所接的換向片相距m片換向片，便得由m個單疊繞組構成的復疊繞組，稱為m疊繞組〔電刷寬應大于m個換向片寬〕，其并聯(lián)支路數也為2a＝2mp了。10/31/202323§2.3單波繞組

一、節(jié)距和繞組連接表二、繞組開放圖三、繞組的并聯(lián)支路數四、電刷位置和電刷組數五、關于直流電樞繞組的均壓線10/31/202324單疊繞組中一個磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，這時支路中相串聯(lián)的元件電動勢是同方向的。從這種觀點動身，也可以把全部同樣極性下的元件都串聯(lián)成一條支路，這時兩個相串聯(lián)的元件的對應邊相距〔即合成節(jié)距y〕約等于兩個極距〔2τ〕，形成如以下圖的波浪形。這種繞組稱為波繞組。10/31/202325單波繞組元件的第一節(jié)y1與疊繞組一樣，要求接近于極距τ。即但合成節(jié)距y＝y(tǒng)k接近于2τ而不能等于2τ。10/31/202326由于當y＝2τ時，由動身點串聯(lián)p個元件而繞電樞一周之后，就會回到動身點而閉合，以致繞組無法連續(xù)繞下去，就換向片來說也是一樣。假設繞組從某一換向片動身，經電樞圓周沿換向器繞一周后恰好回到原來動身的加個換向片相鄰的一片上，則可連續(xù)繞其次周、第三周……，最終把全部元件串聯(lián)完畢并與最初的動身點相接而構成一閉合繞組。故要求yk值滿足以下關系：10/31/202327式中如取負號，則繞行一周后比動身時的換向片后退一片，稱為左行繞組，見圖a；如取正號，則前進一片，稱為右行繞組，見圖b。右行繞組的端接線穿插，比左行繞組長，故不常用?，F(xiàn)舉例說明單波繞組的繞法、支路電動勢和支路數等問題。例：電機極數2p＝4，槽數和換向片數均等于15。此時u＝1；Z＝Zi＝S＝K＝15。要求繞制一左行短距單波繞組。10/31/202328一、節(jié)距和連接表

左行單波繞組

短距繞組

其次節(jié)距y2＝y(tǒng)－y1＝4虛槽數u＝110/31/202329據此按本章第六節(jié)所述方法得繞組連接表如下10/31/202330二、繞組開放圖依據繞組連接表可繪制繞組開放圖，如以下圖。通常波繞組也是端接對稱的，即每一元件所接的兩換向片對稱地位于該元件軸線的左右兩邊，也就是元件所接兩換向片的中心線與元件軸線重合。在端接對稱的波繞組中，電刷也放在主極軸線下的換向片上。元件在換向器上的串聯(lián)次序是，元件1的上元件邊接到換向片1，它的下元件邊接到換向片1＋yk＝1+7＝8，再串聯(lián)元件8而接到換向片8＋yk＝8+7＝15，如此連續(xù)串聯(lián)下去，可把15個元件串聯(lián)完畢而回到換向片1，構成閉合回路。定出電樞旋轉方向后，按右手定則可確定各元件電動勢方向。把開放圖畫成圖示的電路圖，可以更清晰地看出全部元件的串聯(lián)次序、電刷放置和并聯(lián)支路等狀況。10/31/20233110/31/202332三、繞組的并聯(lián)支路數

單波繞組只有兩條并聯(lián)支路，而與主極數目無關。這是單波繞組的特點，即2a＝2或a＝1當電樞旋轉時，各元件的位置隨時間變化，構成支路的元件交替更換，但從電刷外面看繞組時，照舊是一個有兩條并聯(lián)支路的電路。正由于如此，在元件數一樣的狀況下，波繞組每條支路的串聯(lián)元件數就可能比疊繞組多，支路電壓也就會比較高。這也是波繞組的根本特點。波繞組增加并聯(lián)支路數的方法是承受復波繞組。由m個單波繞組構成的波繞組叫做m波繞組，其特點是。m波繞組通過電刷實現(xiàn)并聯(lián)(電刷寬度等于或大于m個換向片寬度)，其并聯(lián)支路數增至2m。10/31/202333四、電刷位置和電刷組數

在前面分析疊繞組電刷放置原則時得出的結論——“電刷應固定放置在換向器上的幾何中性線上”也適用于波繞組。為此，可把“換向器上的幾何中性線”的意義擴大為：當元件軸線與主極軸線重合時，該元件所接兩換向片之間的中心線便是換向器上的幾何中性線。其物理意義照舊是：當電刷中心線與幾何中性線重合時，被電刷短路的元件中的電動勢為零或接近于零。10/31/20233410/31/202335從電路圖分析可見，被電刷短路的元件電動勢為零，正、負電刷間的支路電動勢為最大值，這與單疊繞組結論全都。觀看圖所示瞬間，元件5的軸線與主極軸線重合，其元件電動勢為零，該元件所接兩換向片5和12的中心線〔即換向片8和9的分界限〕上放置電刷B1，與主極軸線在換向器上的位置重合。這時，元件9和元件12串聯(lián)后被B1短路，元件1和9對稱地位于S極左右兩側，這兩元件電動勢大小相等而方向相反，串聯(lián)電動勢為零，所以B1的位置就是換向器上幾何中性線的位置。由此可見，端接對稱的繞組，無論是疊繞或波繞，由于換向器上的幾何中性線與主極軸線重合，所以電刷應放在主極軸線下的換向片上。10/31/202336從以上分析可見，無論疊繞或波繞，每個主極都可在換向器上找到一根幾何中性線，因此，換向器上的幾何中性線的數目等于主極數2p，隨之可在換向器上放置2p組電刷。但對單波繞組，從圖可見，由于只有兩條并聯(lián)支路，理論上只需放置兩組電刷，例如把電刷A2、B2取消，只留下A1、B1，對兩支路電動勢大小并無影響。但實際上除特殊狀況外，一般仍承受2p組電刷〔即全額電刷〕。對單波繞組來說也有好處，電刷數目增加后，每組電刷通過的電流可以減小，在確定的電刷允許電流密度下，可減小每組電刷與換向器的接觸面積，隨之可縮短換向器的長度，節(jié)省用銅量。10/31/202337單波繞組的特點是只有兩條并聯(lián)支路，因此，在確定的繞組元件數下，每支路串聯(lián)的元件數較多，支路電壓較高。要增加并聯(lián)支路數可承受復波繞組，由m個單波繞組構成的m波繞組，借電刷并聯(lián)起來〔電刷寬應等于或大于m個換向片寬〕，其并聯(lián)支路數為2a＝2m。10/31/202338五、關于直流電樞繞組的均壓線

無論是疊繞組還是波繞組，都是認為在a對并聯(lián)支路中，各對支路的對應元件在磁場中所處的位置都一樣，各支路感應電動勢都相等，支路間不會產生環(huán)流，稱為對稱繞組。但由于工藝、裝配等緣由，不行避開地引起磁的或者電的不平衡，導致支路間產生環(huán)流，為此將直流電樞繞組中理論上電位相等的點用均壓線連接起來。10/31/202339理論上電位相等的點相距稱為均壓節(jié)距。單疊繞組的均壓線稱為甲種均壓線(在換向器一側連接)，單波繞組總是對稱的，無需均壓線，雙波繞組的均壓線稱為乙種均壓線。把疊繞組與波繞組混合而成的電樞繞組稱為混合繞組，又稱蛙形繞組，它本身有完善的均壓作用，對疊繞組而言，波繞組元件跨過一對極距而相當于均壓線。10/31/202340§2.4各種繞組的應用范圍除單疊和單波繞組外，電樞繞組還有復疊、復波和混合繞組。區(qū)分：主要是換向器節(jié)距yK不同。復疊繞組：yK＝m，m>1的整數，a＝mp。復波繞組：yK＝(K－m)/p，a＝m?；旌侠@組：由于a＝p，a＝m＝p，所以a＝2p。10/31/202341雙疊繞組是由兩個單疊繞組通過電刷并聯(lián)起來構成，每個單疊繞組的元件相互間隔地嵌入槽內。雙波繞組則由兩個單波繞組通過電刷并聯(lián)起來構成，每個單波繞組的元件也是相互間隔地嵌于槽內。所以雙繞組的節(jié)距與單繞組不同，但連接規(guī)律與單繞組并無根本區(qū)分。雙繞組的支路數應是單繞組的一倍，這是簡潔理解的。一套疊繞組和一套波繞組按確定的規(guī)律嵌放并連接到同一個換向器上，可以構成混合繞組(亦稱蛙型繞組)。10/31/202342就使用而言，各種直流電樞繞組的主要差異就在于并聯(lián)支路數的多少。支路多時，每條支路中的串聯(lián)元件數減小。通常都是依據電機額定電流的大小和額定電壓的凹凸來選擇繞組型式。單波繞組的支路數最少，用于小容量電機和電壓較高或轉速較低的電機。復波繞組可用于多極數、低速的中、大型電機。單疊繞組的支路數比波繞組多，主要用于