李发海电机与拖动基础第四版第三章

空载磁化特性出现饱和现象，如曲线 1 。
为经济使用材料，磁通额定值取在 A点。
图 3.11 空载磁化特性
3.3.4 直流电机的励磁方式 1.他励直流电动机 由其他直流电源单独给励磁绕组供电的电机。如图3.12 （a）。
图 3.12 直流电动机励磁方式
2. 自励直流电机 （1）并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联连接，如图3.12（b）。 （2）串励直流电机
常见的产品系列有：Z 系列，ZF系列，ZT 系列，ZQ系列，
ZA系列，ZU系列，ZKJ系列等。
3.3直流电机的磁路、空载气隙磁密与空载磁化特性
3.3.1 直流电机的磁路 图3.8为一台四极直流电机空载（只有励磁电流）时的磁场 示意图。若N为一个磁极上的励磁绕组匝数，励磁电流为I 时， 每极的励磁磁通势为：F = I N 。
Ze 代表电机总虚槽数,用 u 每个实槽中的虚槽数，见图3.13
(c)。则总虚槽数为：
此时绕组的总导体数为：
直流电机最基本的形式有两种，即单叠绕组和单波绕组。 3.4.1 单叠绕组 1.节距 （见图3.14）
（1）第一节距 y1 ： 指同一元件两元件边的间距，用虚槽数
或换向片数表示。
式中 ε是使Y1凑成整数的一个分数。 （2）合成节距 Y 和换向节距 YK 元件1和它相连的元件2对应边之间的跨距是Y。 每个元件首末端相连的换向片间的跨距是YK 。
第三章 直流电机原理
3.1 直流电机的用途及基本工作原理
3.1.1 直流电机的特点及用途
特点： （1）调速范围广，易于平滑调速； （2）启动、制动和过载转矩大； （3）易于控制，可靠性高。 用途： 广泛用于轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、
纺织机械等调速要求较高的场合。作为发电机，可为
直流电动机和交流励磁机提供电源。 不足： 换向问题限制了其容量。
为空气磁导率，近似真空磁导率，即 图3.10（a）为极靴形状图；图3.10（b）为气隙磁密分图； 图3.10（c）为主磁通的分布情况。
图3.10 气隙磁密分布波形
（b）图中 1 为均匀气隙时的气隙磁密； 2 为不均匀气隙时的气隙磁密
3.3.3 空载磁化特性 一般把空载时气隙每极磁通Φ与与空载励磁磁通势F或空载 励磁电流 I 的关系，即 Φ = f (F)，或 Φ = f (I)，称为空载磁化 特性。如图3.11所示。 电机磁路由气隙和铁磁材料两部分组 成。由于气隙磁导率为常数，故气隙磁 通与磁通势成线性关系，见其隙线 2 。 铁磁材料具有饱和现象，当 Φ 增大 到一定值以后，励磁磁通势急剧增大，使
3.1.2 基本工作原理 线圈 a b 段连接到与电刷A接触的滑
环上，线圈 c d段连接到与电刷B 接
触的滑环上，当原动机以恒定转速 逆时针旋转时，在线圈中产生感应 电动势。其大小为：
e 的单位为V；B的单位为同前； 的
单位为 m 。 其方向是交变的，
图3.1 交流发电机物理模型
在图3.1瞬间，感应电势的方向是 d c b a ，电刷A 端为正是 a b c d ，电刷端 为负、电刷 B 端为正。如此周而复始，形成简单的交流发电机。
励磁绕组与电枢绕组串联，流过相同电流，如图3.1（c）。
（3）复励直流电机 励磁绕组分两部分，一部分与电枢回路串联，另一部分与电 枢回路并联。如图3.12 （d）。连接时，可先串后并，也可先并 后串。 不同励磁方式的直流电机有不同的特性。
3.4
直流电机的电枢绕组
电枢绕组是由多个形状相同的单匝绕组元件（或多匝元件）以
对单叠绕组 Y= YK = 1 。
（3）第二节距 Y2
Y2 是同一换向片上两个元件边间的距离，即
图3.14单叠绕组的节距
2. 单叠绕组的展开图 (举例说明) 已知直流电机极数 2P=4，Z=S=K=16，试画右行单叠绕组展 开图。 解：（1）计算各节距
第一节距
合成节距和 换向节距 第三节距 （2）画绕组展开图
图3.20为电枢反应磁场。尽管电枢是旋转的，而电枢导体中的电
流情况不变，即电枢磁通势的方向不变，电枢反应磁场的轴线 与电刷轴线重合，与励磁主磁场相互垂直。 把图3.10（c）与图3.20所示的两
个磁场合成，其合成轴线偏离了
几何中心线，磁场发生了歪扭。 在每个主磁极下，半个主磁极 内的两种磁力线方向相同；另半 个磁极内的两种磁力线方向相
图 3.7 直流电机的电枢 1—转轴， 2和7—轴承， 3—换向器 4—电枢铁芯，5—电枢绕组，6—轴承
3.2.2电机的名牌数据
根据国标，直流电机的数据有： （1）额定容量（功率） P （kW）；（2）额定电压U N (V) ； （3）额定电流 I N (A) ; (5) 额定励磁电流 PN (A) 。 (4) 额定转速
图3.5 从轴端看的两极电机剖面图 1— 机座，2— 主极，3— 换向极 4— 电枢
图 3.6 主磁极装置 1— 极靴，2— 励磁线圈， 3— 极身， 4— 机座，5—框架， 6—电枢。
极靴的作用是让沿电枢圆周方向的气隙磁密分布更合理。 1KW 以上的直流电机还要在两主极间安装换向极，用以改 善换向。 电刷的作用是将电机旋转部分的电流引出到静止电路中， 或将静止电路里的电流引入到旋转电路中。 2. 转子部分 直流电机转子部分包括电枢 铁芯、电枢绕组、换向器、换 向器、转轴和轴承，如图 3.7 所示。
图 3.4 小型直流电机的结构
1. 定子部分 定子部分包酷机座、主磁极、换向极、和电刷装置等。 机座具有导磁和支撑的双重功能，一般由铸钢材料制成。 主磁极简称主极。它由1-1.5厚的极靴状的低碳钢板叠成， 它的外面套有励磁线圈，主极的作用是在电枢表面气隙空间 产生一定形状的磁密，结构如图3.6 所示。
相反的两个力，形成了逆时针的电
磁力矩。
图 3.3 直流电动机物理模型
3.2 直流电机的主要结构与型号
3.2.1 主要结构 小型直流电机的结构如图3.4所示。其中： 1— 换向器； 2—电刷杆； 3—机座； 4—主磁极； 5—换向极； 6—端盖； 7— 风扇； 8— 电枢绕组； 9— 电枢铁心。
直流电机由定子和 转子两部分组成，定 子和转子间靠两个端 盖连接。
综上所述，单叠绕组有如下特点：
（1）支路对数等于极对数，A=P；
（2）当电刷在换向器的位置对准主极中心线时，正负电刷间感 应电势最大。 （3）电刷杆数等于极数。
3.4.2 单波绕组
1. 节距 （1）第一节距 y1 定义同单叠绕组。 （2）合成节距Y和换向器节距 YK
结构特点：绕组形状像波浪如图3.18，绕电枢一周，经过 P 个元
件后，回到起始换向片相邻的位置。故换向节距为：
式中的正负号在满足YK为整数时，一般取负号，连接顺序从右
向左，故称左行绕组。合成节距
（3）第二节距 Y2
。
2. 单波绕组的展开图 （举例说明） 已知某直流电机的数据为 单波绕组时的各节距为 ： 连成
图3.19 为单波绕组展开图 其磁极、电刷位置及电刷极
nN
(r/min) ;
除外，铭牌上还有额定效率、额定功率等。
关于额定容量： 对直流发电机来说，是电刷上的输出电功率，即 PN = U N I N 。
PN = U N I N 对直流电动机而言，是转轴上的输出机械功率，
电动机轴上输出的额定转矩为：
3.2.3 国产电机的主要系列产品
产品型号的命名由大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。 如 的含义为：
图 3.2 为直流发电机的物理模型，它用两个互相绝缘的半圆
的导电铜片代替图3.1中的两个滑环，a b 连接到一个半圆的导电
铜片上，c d 连接到另一个半圆的导电铜片上，两个电刷上、下 位置不动且与铜片滑动接触，这就是最简单的换向器。
若线圈逆时针旋转，无论怎样
转动，总是 N 极下的导体及换向 片与电刷 A 接触， S 极下的导体
及换向片与电刷 B 接触。故而，
电刷 A 永远为正极性，电刷 B 永 远为负极性。这样就获得了直流 电动势。
图3.2 直流发电机物理模型
若线圈不由原动机拖动，将电刷接到直流电源上，如图3.3 所示，
在线圈 a b c d 中就有电流流过，则导体受到的 电磁力 式中，f 的单位为 N m 其余物理 量的单位同前。按照左手定则，线 圈 ab 和 cd 上得到大小相等、方向
式中 D = 2 p τ/π 为电枢直径。
总电磁转矩为
将 Bav
代入式（3-14）得 li
（3-15）
式中
为转矩常数。若 Φ 的单位为Wb, 电流的单位
为A, 则转矩 T 的单位为 N〃m
转矩常数与电动势常数的关系为
3.5.3 直流电机的电枢反应
。
电机负载运行时，电枢电流就产生电枢磁通，必然对励磁磁 通磁单独作用形成的磁场产生影响，这种现象称为电枢反应。
3.单叠绕组元件连接次序 分析图3.15 可得图3.16的连接次序表。从表中可看出，从第一 元件开始，绕电枢一周，又回到第一元件，是一个闭合绕组。
4. 单叠绕组的并联支路数
按照图 3.15 中各元件的连接次序可得图 3.17 的并联支路图。 可见，单叠绕组并联支路对数等于极对数，即
图 3.17 单叠绕组并联支路图
其中 分别为气隙、电枢齿、电枢轭、主 磁极和定子轭等段的磁阻。 如果只考虑气隙磁阻，（3-1） 可写为：
则磁管气隙段的磁阻为：
式中 δ为磁极内表面与电枢外表面间的长度。 将（3-3）代入（3-2）得：
若气隙中处的磁场用磁密 B 表示，则有：
式中 F 为每极励磁磁通势，单位为 A ;
为气隙长度，单位为 mm ;
一定的规律连接起来的。一个绕组就是一个线圈，简称元件。 （1）元件匝数 N ：指圈数多少。 (2）首端、尾端： 指一个元件的两根引出线，见图3.13（a）
图3.13 电枢绕组元件及嵌放方法