03 直流电机

（一）单叠绕组
相邻的元件依次串联，元件的两个首末端连接于相邻 的两个换向片上。
以极对数p =2的直流电机为例，说明单叠绕组的联接 。设S（元件数）=K（换相片数）=Q（槽数）=16，取第 一节距y1等于极距τ=16/4=4 ，换相器节距yc =1。
瞬间绕组的并联支路电路图： 单叠绕组的的特点： ⑴同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极对数p与 支路对数a相同。 ⑵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。
3.2 直流电枢绕组
1、直流电枢绕组的构成
直流电枢绕组有叠绕组、波绕组和混合绕组三种形式。 直流电机的电枢绕组是由安放在转子槽内的若干独立 的线圈（元件）按一定规律串联而成。
在实际中由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在 一实际的槽中，上、下层嵌放多个元件边，将一个上层边 （首端）和一个下层边（末端）在槽内所占的空间称为一 个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件 数S 等于实槽数Q。
3.1 直流电机的工作原理和结构
1、直流电机的工作原理
㈠ 直流电机的构成
————磁极
————转子 （电枢绕组）
㈡ 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。
漏磁路
主磁路
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。
2、负载时的电枢磁动势和电枢反应 负载时电枢磁动势对主极磁场的影响电枢反应称为。 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应： 电枢磁动势Fa的峰值处在相邻的两个磁极之间，即交 轴位置，所以称为交轴电枢磁动势。
2、直流电机的基本结构 机座 磁极极掌
磁极极身
转子
励磁绕组
直流电机结构示意图
直流电机的主要结构
1－换向极铁心 2－换向极绕组 3－主极铁心 4－励磁绕组 5－电枢齿 6－电枢铁心 7－换向器 8－电刷 9－电枢绕组 10－机座 11－底脚
换向器结构 1－换向片；2－垫圈 3－绝缘层；4－套筒
安装在机座上的主极 1－极身；2－极靴； 3－励磁绕组； 4－绝缘板；5－机座
主磁极： 建立主磁场；用1～1．5mm钢板冲片叠装而成。 换向磁极：改善换向；用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。
励磁绕组：用电磁线（漆包线）绕制，通直流电后产生磁动势。
机座：由铸钢或钢板焊接而成，即是结构件又是主磁路的一部分。 电刷装置：主要有电刷和刷握组成，引入或引出直流电。 电枢铁心：主磁路，嵌放电枢绕组；用0．5mm硅钢板冲片叠 装而成。
瞬间绕组的并联支路电路图：
单波绕组的特点：
⑴同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为a=1， 与磁极对数无关； ⑵电枢电流Ia等于2倍支路电流ia，即Ia=2ia； ⑶为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p。
在实际应用中，直流电机除，单叠绕组、单波绕组外 还有复叠、复波及混合绕组形式，如m叠绕组或m波绕组 它的并联支路数是单叠绕组、单波绕组的m倍。 应用： 叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常 （较低）和转速正常的大中型直流电机。 波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高 和转速较低的中小型直流电机。
直流枢绕组基本概念：
第一节距：一个元件的两个边在电枢表面跨过的距离，用 y1表示（以槽数计）。
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，用y2 表示（以槽数计）。
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，用y表示。 单叠绕组： y = y1 - y2 单波绕组： y = y1 + y2 换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用 yc表示。 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 (以槽数计）。 τ =Q/2p 注：p为极对数。
影响： 1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等零的位置（物 理中性线）偏离几何中性线。 2）不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、亦无去磁作用； 计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。
电枢磁动势的空间分布（电刷位于几何中心线时）：
交轴电枢反应：
直轴电枢磁动势和直轴电枢反应：
发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁； 电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。 电动机：与发电机的情况相反。
（二）单波绕组 把相隔约为一对极距的同极性磁场下所处位置差不多 的相应元件依次串联起来。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。
以极对数p =2的直流电机为例，说明单波绕组的联接 。设S（元件数）=K（换相片数）=Q（槽数）=15， τ =15/4=3+3/4 取第一节距y1=3，换相器节距yc =7。
电枢绕组：通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个 元件（独立线圈）按一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。
换向器：改变电枢绕组的电流或感应电动势方向；由换向片 （铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。
3、 直流电机的励磁方式及磁场 一、直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方 式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过 励磁绕组通入电流激励而建立的。
3.4 感应电动势和电磁转矩的计算
1、电枢绕组的感应电动势
产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称 为电枢电动势。
pN Ea n Ce n 大小: 60 a pN ——为电机的电动势常数（结构常数） 其中 Ce 60 a
可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通 及转速有关。
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
1) 使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后 由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强， 一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲 线与空载时不同。 2) 呈去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量， 因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化 曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高， 铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略 为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性 质。
Ia I I f
I a I I f串
I a I I f并
I I f串
I a I f串
他励
并励
串励
复励
4、 直流电机的额定值
⒈额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输 出功率，以 “W” 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时， 则用 kW 或 MW 表示。 对于直流发电机，PN是指输出的电功率。 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率。 ⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 ⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的输出电流值，以 “A” 为单位。
性质: 发电机——电源电势(与电枢电流同方向)；
电动机——反电势(与电枢电流反方向)。
2、电枢的电磁转矩
产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的 作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 pN Tem I a CT I a 大小: 2a
pN 其中 CT ——为电机的转矩常数 2a CT 9.55Ce
⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。
⒌额定励磁电压 UfN 指电机在额定状态时的励磁电压值。 ⒍额定励磁电流IfN 指电机在额定工作状态时的励磁电流值。 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效 率、出厂日期、出厂编号等。
国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母 表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例 如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7” 表 示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表 示短铁心）。 （1） Z2系列是普通中小型直流电机。 （2） ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适 用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或 相关的手册中查到。
3.3 空载和负载时直流电机的磁场
1、空载时直流电机的磁场 直流电机空载时Ia＝0，气隙磁场仅由励磁电流If 产 生的励磁磁动势Ff 建立。
直流电机空载气隙磁场分布情况
漏磁通
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。
主磁通
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。
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。
直流电动机工作原理： 励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。 由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始 终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流 电动机旋转。
3.6 直流发电机的运行特性
3.7 直流电动机的运行特性 3.8 直流电动机的起动、调速和制动
3.9 换向
直流电动机的优点： 1、便于移动。 2、调速性能好。 3、启动转矩大。
直流电动机的缺点： 1、制造工艺复杂，生产成本高。 2、维护较困难。 3、可靠性差。