直流电机电枢绕组 电动势 电磁转矩.
第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组 成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
直流电机
直流电机一、填空1. 直流电机的电枢绕组的元件中的电动势和电流是 。
答：交流的。
2. 直流发电机的电磁转矩是 转矩，直流电动机的电磁转矩是 转矩。
答：制动，驱动。
3. 串励直流电动机在负载较小时，a I ；当负载增加时，T e ，a I ；n 随着负载增加下降程度比并励电动机要 。
答：小，增加，增加，严重。
一台p 对磁极的直流发电机采用单迭绕组，其电枢电阻为a r ,电枢电流为a I ,可知此单迭绕组有 条并联支路，其每条支路电阻为 。
答：a 2,2r p p4. 并励直流电动机改变转向的方法有 ； 。
答：励磁绕组接线不变，将电枢绕组的两个接线端对调；电枢绕组接线不变，将励磁绕组的两个接线端对调。
5. 串励直流电动机在电源反接时，电枢电流方向 ，磁通方向 ，转速n 的方向 。
答：反向，反向，不变。
6. 当保持并励直流电动机的负载转矩不变，在电枢回路中串入电阻后，则电机的转速将 。
答：下降。
7. 直流电机若想实现机电能量转换，靠 电枢磁势的作用。
答：交轴。
8. 直流发电机，电刷顺电枢旋转方向移动一角度，直轴电枢反应是 ；若为电动机，则直轴电枢反应是 。
答：去磁作用，增磁作用。
二、选择填空1. 一台串励直流电动机，若电刷顺转向偏离几何中性线一个角度，设电机的电枢电流保持不变，此时电动机转速 。
A ：降低，B ：保持不变，C ：升高。
答：C2. 一台直流发电机，由额定运行状态转速下降为原来的30%，而励磁电流及电枢电流不变，则 。
A ：E a 下降30%B ：T 下降30%C ：E a 和T 都下降30%D ：端电压下降30%答：A3. 一台他励直流发电机希望改变电枢两端正负极性，采用的方法是 。
Ａ：改变原动机的转向Ｂ：改变励磁绕组的接法Ｃ：改变原动机的转向或改变励磁绕组的接法答：C4. 把直流发电机的转速升高２０℅，他励方式运行空载电压为01U ，并励方式空载电压为02U ,则 。
Ａ：01U = 02UＢ：01U < 02UＣ：01U > 02U答：B5. 起动直流电动机时，磁路回路应 电源。
2.3电枢反应、电动势和电磁转矩
2 直流电机的电磁转矩
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 ΦI a CT ΦI a 大小: Tem 2 πa pN 其中C T 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
极身
极靴 几何中性线
（a）气隙形状
为了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 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。
0
N
A
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 N 设定在图中 A点，即在磁化特 性曲线饱和与未饱和的转折点,又称 为膝点。
1、当电刷在几何中性线上时，将 主磁场分布和电枢磁场分布叠加， 可得到负载后电机的磁场分布情况， 如图（a）所示。
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bx
主磁场的 磁通密度 分布曲线 两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场 的磁通密度分布曲线
磁感应强度零点发 生偏移
B0 x
Bax
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
二 直流电机的电枢电动势和电磁转矩
1
直流电机的电枢电动势
枢电动势。
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
大小:
pN Ea Φn C e Φn 60 a
pN 其中 C e 为电机的结构常数 (电动势常数 ) 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。
直流电机
直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件构成的。
所谓元件，是指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线 圈。元件有两个引出线，即首端和末端。
第3章 直流电机
图 3-12 元件图 （a） 单匝元件；（b） 两匝元件
第3章 直流电机
每一元件有两个有效部分，称为元件边，用于切割磁场
感应电动势。元件在槽外（电枢铁芯两端）的部分，不切割 磁通，因而不感应电动势，仅作为连接引线，称为端部。构 成元件线匝的两个有效边称为导体。
电刷及换向器的作用：
①把旋转电路与外电路联系起来
②把电枢绕组中的交流电整流为外电路 中的直流电
第3章 直流电机
3.1.2
直流电机的主要结构部件
图 3-5 直流电机的剖面图
第3章 直流电机
图 3-6 直流电机横截面示意图
第3章 直流电机
定子
主磁极 换向磁极 电刷装置
电机结构
转子
机座 端盖
电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
若PN的单位为kW，则系数9.55应改为9550。
第3章 直流电机
【例3-1】
一台直流电动机的额定值为PN=160 kW，
UN=220 V，nN=1500 r/min，ηN=90%，求该电机的额定输入 功率P1N、额定电流IN、额定输出转矩T2N。 解：额定输入功率为
P1 N PN
N
160 0 .9
第3章 直流电机 3.3.1 直流电机的磁路、磁密与磁通
图 3-20 直流电机的磁路
第3章 直流电机
主磁通所经过的磁路应分为以下几段：磁极极身、气隙、
转子齿、转子铁轭、定子铁轭。根据磁路欧姆定律有
2 Ff 2 R m 2 R m p 2 R m t R m yr R m yt
直流电机电枢电动势与电磁转矩公式的推导过程 -回复
直流电机电枢电动势与电磁转矩公式的推导过
程 -回复
直流电机的电枢电动势（Ea）与电磁转矩（T)之间的关系可以通过以下公式推导得出：
1.考虑一个直流电机的电枢回路，假设电枢绕组的绕组电
阻为Ra，电枢绕组中的电流为Ia。
2.根据欧姆定律，电枢绕组的电压可以表示为Ea = Ia *
Ra。
3.根据电磁感应定律，电枢电动势Ea与电磁转矩T之间存
在以下关系：Ea = k * φ * N。
其中，k为比例常数，φ为磁通量，N为导体绕组的匝数。
4.磁通量φ可以表示为φ = B * A * cos(θ)。
其中，B为磁感应强度，A为磁场作用的面积，θ为磁场与垂直方向的夹角。
5.将磁通量的表达式代入电动势的公式中，可以得到Ea =
k * B * A * cos(θ) * N。
6.电磁转矩T可以表示为T = k * B * Ia * A * N。
其中，Ia为电枢电流。
7.将电枢电动势Ea和电磁转矩T的表达式进行整理和简化
，可以得到Ea = k * T / Ia。
这样，我们得到了直流电机的电枢电动势Ea与电磁转矩T之间的关系公式。
该公式表明，电枢电动势和电磁转矩之间存在一个比例关系，其中比例常数k与电机的设计和特性有关。
这个公式是直流电机理论中的基本关系，可以用于分析和设计直流电机的性能。
请注意，该推导过程中做了一些简化假设和近似，实际的电机模型和特性可能更加复杂。
DC电机讲解
几何中性线
（a）气隙形状
1.3 直流电机的电枢反应
1.3.1 直流电机的空载磁场
空载时的气隙磁通密度为一平 顶波，如下图(b) 所示。
Bx
（b）气隙磁密分布
空载时主磁极磁通的分布情况， 如右图(c) 所示。
1.3 直流电机的电枢反应
1.3.1 直流电机的空载磁场
为了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 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。 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 N 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。
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.2 直流电动机的工作原理
二、直流电动机工作原理 直流电动机是将电能转变成机 械能的旋转机械。 把电刷A、B接到直流电源上， 在磁场作用下，N极性下导体 电刷A接正极，电刷B接负极。此时 ab受力方向从右向左，S 极下导体 电枢线圈中将电流流过。如右图。 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。
1.3 直流电机的电枢反应
1.3.2 直流电机负载时的负载磁场
如果认为直流电机电枢上 有无穷多整距元件分布，则电 枢磁动势在气隙圆周方向空间 分布呈三角波，如图中 Fax 所 示。 由于主磁极下气隙长度基 本不变，而两个主磁极之间， 气隙长度增加得很快，致使电 枢磁动势产生的气隙磁通密度 为对称的马鞍型，如图中Bax 所示。
y y1 y2 y y1 y2
换向节距 ky ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。
直流电机的电枢电动势与电磁转矩
直流电机的电枢电势与电磁转矩一．直流电机的电枢电势如前述，直流电机的电枢电势是指电刷两端的直流电势E a ，E a ＝支路电势，它是电枢旋转时导体切割磁力线感生的。
不要以为只有发电机才有E a ，电动机旋转时，电枢导体同样切割磁力线，同样会感生电势E a 。
所不同的是：发电机的电枢电流I a 是E a 产生的，因此I a 与E a 同向；电动机是由于通进了I a 电枢才会旋转、才会感生电势E a 的，因此E a 与I a 反向，故电动机的电势又称为反电势。
由于E a ＝支路电势，设电枢绕组的总导体数为N ，并联支路数为2a ，则每条支路的导体数为2N a ，若能求出每根导体的平均电势av e ，则E a ＝2Naav e 。
一根导体的平均电势av e ＝av B lv ，其中av B 为一个极下的平均磁密，可用每极磁通量Φ除以每个极的面积l τ表示，故av B ＝l φτ；v 是导体切割磁力线的速度，即电枢的转速，电枢每分钟n 转，每秒钟n/60转，每转一圈的长度是2p 个τ，故v ＝260p nτ。
∴E a ＝2N a av e ＝2N a av B lv ＝2N a l φτ260p nl τ＝60pN aφn ＝e C φn 其中：e C ＝60pNa对做好的电机为常数，称为电势常数。
电枢电势公式反映了导体切割磁力线感生电势的电磁现象，这是直流机一个非常重要的公式。
二．直流电机的电磁转矩如前述直流电动机工作原理：载流导体在磁场中受电磁力的作用，电磁力乘以半径就是电磁转矩。
但并不是只有电动机才有电磁转矩，发电机只要带上负载，就会有电枢电流就成为载流导体，就会在磁场中受电磁力的作用，就会有电磁转矩。
所不同的是：电动机是因为有电磁转矩才会转动，因此电磁转矩是驱动转矩，T 与n 方向相同；而发电机转起来才会感生电势产生电流，才会有电磁力和电磁转矩，因此电磁转矩是制动转矩，T 与n 方向相反。
第06直流电机的感应电势和电磁转矩
直流电动机的转矩平衡方程
N
nT
T0 T2
T T0 T2
Ia
S
Ia
U
直流发电机的转矩平衡方程
N
T T0
T1
n
Ia
T T0 T2
Ia
S
本讲小结
1. 电枢绕组产生的感应电势 2. 电枢绕组产生的电磁转矩 3. 电势平衡与转矩平衡
p= 2
a= 1
pN 2´ 372 Ce = = = 12.4 60a 60´ 1
Ea 250 F= = = 7.07? 10- 3 Wb Ce n 12.4´ 2850
2 电磁转矩
一、 电磁转矩的概念
电磁转矩是电枢每个导体所产生的平均电磁转矩之和。 每个导体的平均电磁转矩为其平均电磁力与电枢半径乘积。
此式是公式 Blv 的宏观表达式。在电机学中具有重要地位。 它把电量Ea、机械量 n 通过磁场 联系起来了。
【例题】一台10KW、4极、2850r/min的直流发电机，电枢绕 组为单波绕组，整个电枢总导体数为372。当发电机发出的电 动势Ea=250V时，求气隙每极域的磁通量。 【解】 极对数 支路对数 电动势常数 每极域磁通量
pN 2´ 186 CT = = = 59.2 2ap 2创 1 3.14
3 PN 100´ 10 额定电流 I N = = = 331A U N hN 330´ 0.915
额定电磁转矩
TN = CT F N Ia = 59.2创 6.98 10- 2 ? 331 1367.7Ngm
3 电势平衡与转矩平衡
N
n
fx
N
fx
n
fx fx
Sห้องสมุดไป่ตู้
1.1直流电机的工作原理和结构
2
§1-1 直流电机的工作原理和结构
一、直流电机的工作原理
直流电机是直流发电机和直流 电动机的总称。直流电机具有可 逆性，既可作直流发电机使用， 也可作直流电动机使用。
14
§1-1 直流电机的工作原理和结构
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生 感应电势和通过电流产生 电磁转矩，实现机电能量 转换。它是直流电机的主 要电路部分。
电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定 规律嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁心之间都要 妥善地绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔 将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部分用玻璃丝带绑紧。绕组端 头则按一定规律嵌放在换向器钢片的升高片槽内，并用锡焊或氩 弧焊焊牢。
12
（3）换向极
§1-1 直流电机的工作原理和结构
换向极又称附加极，安装在相邻两主磁极的几何 中心线上。 Why？在1.7讲
换向极的作用是改善直流电机换向。在小容量电 机（1kw以下）中，有时换向极只有主磁极的一半， 或不安装换向极。 （4）电刷装置
电刷与换向器相配合，在电动机中起到逆变（将 直流变为交流）作用；而在发电机中则起到整流 （将交流变为直流和结构
（3）换向器 换向器的作用是
在电刷间得到直流电 动势，并保证每个磁 极下电枢导体电流方 向不变，以产生恒定 方向的电磁转矩。
16
§1-1 直流电机的工作原理和结构
3、气隙
气隙是定子和转子（电枢）之间自然形成的间 隙。它是电机主磁路的一部分,是电机能量转换的 媒介。气隙的大小对电机运行的影响很大。小容 量电机约为1-3mm，大容量电机可为几毫米。
电磁转矩和感应电动势
第四节 直流电机的电磁转矩和感应电动势重点：直流电机电枢绕组的电磁转矩和感应电动势的计算公式一、直流电机的电磁转矩当直流电机带上负载时，电枢绕组中就有电流流过，载流的电枢绕组在气隙磁场中将受到电磁力作用而产生电磁转矩，电磁力的大小可以利用电磁力定律来计算。
假定电刷放在几何中性线上，元件为整距，则一个极下载流导体的电流方向均相同；另外，每个极下的气隙磁场，除极性不同外，其分布情况也相同。
因此，只要计算一根导体在一个磁极范围内气隙磁场中所受到的平均电磁力和电磁转矩，然后再乘以总导体数，就可得到作用在整个电枢上的电磁转矩。
假定一个磁极下的平均气隙磁通密度为av B ,导体中流过的电流为a i ，则一根导体在一个磁极范围内气隙磁场中所受到的平均电磁力为：a av av li B F =式中av F 为平均电磁力，单位为N ；l 为导体的有效长度，单位m 。
于是，每根导体产生的平均电磁转矩为av a av F D T 21= 式中av T 为平均电磁转矩，单位为N.m ；a D 为电枢直径，单位为m ，又τp 2也代表电枢周长，因此有πτ/2p D a =。
设电枢表面共有a Z 根导体，则电枢电流为a a ai I 2=，则总的电磁转矩为a av a a av a a av a I l B Z ap li B Z p D F Z T τππτ22221=== 又一个磁极下的面积为l τ，则平均气隙磁通密度av B 与每极下总磁通Φ的关系为)/(l B av τΦ=则可得a T a a I C I apZ T Φ=Φ=π2 式中apZ C a T π2=，称为转矩常数，它由电机的结构参数决定。
上式为直流电机电磁转矩的计算公式，由此可见，直流电机的电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。
二、直流电机的感应电动势直流电机的电枢旋转时，电枢导体切割气隙磁场，电枢绕组中就会感应电动势。
感应电动势是指电机电枢绕组的一对正、负电刷间引出的电动势，也就是每条支路的感应电动势。
直流电机（12）直流电机的共同问题（二）直流电机的电枢反应感应电动势电..
1. 理解直流电机的磁动势和磁场2.掌握直流电机的电枢反应3.掌握直流电机电枢绕组的感应电动势4.掌握直流电机的电磁转矩本章基本要求直流电机的共同问题（二）直流电机的电枢磁动势和磁场 直流电机的电枢反应直流电机电枢绕组的感应电动势 直流电机的电磁转矩主要内容直流电机的共同问题（二）内容回顾直流电机绕组小结◆直流电机的电枢绕组总是自成闭路,为闭合绕组;◆电刷放置的一般原则是空载时正、负电刷间的电动势最大,或者说,被电刷短路的元件中的电动势为零;◆对于端接对称的元件,电刷放置在主极轴线下的换向片上,且总是与位于几何中性线上的导体相接触;内容回顾直流电机绕组小结◆电枢绕组的支路数(2a )永远是成对出现,因为磁极数(2p )是一个偶数;且至少有2条并联支路; 单叠绕组: a = p (并联支路对数恒等于电机极对数)单波绕组:a = 1(并联支路对数恒等于1)◆单叠绕组适应于较大电流、较低电压的电机;单波绕组适用于较高电压、较小电流的电机。
23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场1.主磁通和漏磁通◆磁场是电机实现机电能量转换的媒介;◆主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生;◆空载时电机中的磁场分布是对称的。
0f f I F s ìF -ïï F íïF -ïïî主磁通，经气隙进入电枢。
主极漏磁通(15-25%)φ0不进入电枢,只增加磁极的饱和程度。
内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场主磁通路径：气隙→电枢齿→电枢轭→电枢齿→气隙→主磁极→定子轭→主磁极→气隙。
内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场直流电机空载时的磁场分布内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场2.气隙主极磁场的分布◆磁动势: 磁极范围内,励磁磁势大小相同。
◆磁密波形: 空载时的气隙磁通密度为平顶波。
直流电机中的励磁绕组跟电枢绕组的作用分别是什么1
direct current motor，DC motor中文名称：直流电动机英文名称：direct current motor，DC motor定义：将直流电能转换为机械能的转动装置。
电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。
直流电机中的励磁绕组跟电枢绕组的作用分别是什么？电动机的作用是将电能转换为机械能。
电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。
(一) 交流电动机及其控制交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。
异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。
三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。
1. 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的构造也分为两部分：定子与转子。
（1）定子：定子是电动机固定部分，作用是用来产生旋转磁场。
它主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。
（2）转子：转子是重点掌握的部分，转子有两种，鼠笼式与绕线式。
掌握他们各自的特点与区别。
鼠笼式用于中小功率（100k以下）的电动机，他的结构简单，工作可靠，使用维护方便。
绕线式可以改善启动性能和调节转速，定子与转子之间的气隙大小，会影响电动机的性能，一般气隙厚度为0.2-1.5mm之间。
掌握定子绕组的接线方法。
2. 三相异步电动机的工作原理掌握公式n1=60f/P、S=(n1-n)/n1、n=(1-S)60f/P，同时明白它们的意义（很重要），要能够灵活运用这些公式，进行计算。
同时记住：通常电动机在额定负载下的转差率SN约为0.01-0.06。
书上的例题要重点掌握。
3. 三相异步电动机铭牌上的数据（1）型号：掌握书上的例子。
（2）额定值：一般了解，掌握额定频率和额定转速，我国的频率为50赫兹。
（3）连接方法：有Y型和角型。
（4）绝缘等级和温升：掌握允许温升的定义。
（5）工作方式：一般了解。
4. 三相异步电动机的机械特性掌握额定转矩、最大转矩与启动转矩的关系。
2.4-2.5电枢电动势与电磁转矩
§2.5电枢电动势与电磁转矩
转矩，是表示力对物体作用时，使物体发生转动或 改变转动状态的物理量。 转矩的大小等于力与从转轴到力的作用线的垂直距 离之乘积
§2.5电枢电动势与电磁转矩
掌握直流电动机的电枢电动势和电磁转 矩计算方法。
§2.5电枢电动势与电磁转矩
一、电枢电动势 电枢电动势：直流电机正负电刷之间的感应电动势， 也就是电枢绕组每个支路里的感应电动势。 先求一根导体在一个极距范围内切割气隙磁 密的平均电动势，再乘上一个支路里总导体 数N/2a，即为电枢电动势。一个磁极极距范 围内，平均磁密用 Bav 表示，极距为τ ，电枢 的轴向长度为 l ，每极磁通为φ ，则
§2.5电枢电动势与电磁转矩 转矩常数。 题目中已知极对数、电枢总导体数、并联支 路对数，可根据 CT pN 求得转矩常数
2 a
已知额定功率、额定电压、额定效率，可根 据P 求出额定电流。 N U N I NN 于是求出 TN CT N I N
§2.5电枢电动势与电磁转矩 解：转矩常数
§2.5电枢电动势与电磁转矩 二、电磁转矩 1)先求一根导体的平均电磁力
f av Bav l iaaIa是支路对数 电枢总电流 导体里流过的电流
Ia ia 2a
§2.5电枢电动势与电磁转矩 2)一根导体受到的平均电磁力fav乘以电枢的 半径D/2，即得一根导体受到的平均电磁转 矩
T1 f av
式中 势常数。
Ce
pN 60a
是一个常数，称为电动
§2.5电枢电动势与电磁转矩
N N n Ea e av 2 p 2a 2a 60 pN n C e n 6 0a
对于已经制造好的电机，它的电枢电动 势正比于每极磁通Φ和转速n
第5章 直流电机的运行分析
第5章直流电机的运行分析本章主要介绍直流电机的空载和负载磁场分布、直流电机的电枢绕组、电枢绕组的感应电动势和电磁转矩、直流电机的换向问题和电机稳态运行时的基本方程。
5.1直流电机的磁场磁场是电机感应电动势和产生电磁转矩，从而实现机电能量转换的重要因素之一。
电机的运行性能很大程度决定于电机的磁场特性。
因此，要掌握电机的运行原理必须了解电机的磁场，了解电机空载和负载运行时磁场的建立过程和磁场波形特点。
5.1.1空载时直流电机的磁场在直流电机空载运行时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁磁动势F f建立，由于励磁电流是直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。
这一磁场在一个极面下的空间分布如图5-1（a）所示，磁极面下气隙小且较均匀，故磁通密度较高，幅值为Bδ，而两极之间的气隙增加，磁通密度显著降低，从磁极边缘至几何中心线处，磁通密度沿曲线快速下降。
电机主磁极产生的磁通分成两部分，主磁通Φ通过气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组，是电机中产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。
另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气隙，总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向相邻的磁极，它只与励磁绕组交链，不与电枢绕组交链，故称磁极漏磁通Φσ。
（a）（b）图5-1直流电机的磁路（a）空载时极面下的磁通密度；（b）四极直流电机两极下的磁路直流电机的主磁路包括以下部分：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。
除气隙外，其它部分均由铁磁材料组成。
主磁路和漏磁路如图5-1（b）所示。
5.1.2负载时电枢电流的磁场当直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也将产生磁场，称作电枢磁场。
为了分析方便，认为电枢表面光滑（无齿槽），磁场分析略去换向器只画主磁极、电枢绕组和电刷。
电机空载磁场、电枢反应磁场和两者的合成磁场分布图如图5-2（a）、（b）、（c）所示，图5-2（c）的扭曲磁通清楚地表明了电枢反应磁场对磁通分布的影响。
4.3-直流电机原理-电枢绕组
直流电机的电枢绕组简要回顾 直流电机重点内容： （1）直流电机的工作原理 （2）直流电机的基本概念 （3）电枢感应电势和电磁转矩 （4）基本方程 难点： （1）电枢绕组及电路图 （2）电刷位置放置 （3）电枢反应简要回顾简要回顾主磁极 定子 电刷装置 换向磁极 机座 端盖 电枢铁心 转子 电枢绕组 换向器 转轴 风扇Ø电枢绕组作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用 槽楔（xiē ）压紧。
直流电机的电枢绕组Ø直流电枢绕组的构成原则：(1)产生足够的感生电势； (2)允许一定的电流； (3)节省有色金属和绝缘材料； (4)结构简单，运行可靠。
Ø直流电枢绕组的基本概念元件电枢绕组由许多形状完全相同的元件（也称为线圈）按一定 规律排列和连接而成。
每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为前端 ，另一根称为后端。
每个元件有两个元件边，一个元件边放在某一个槽的上层(上 层边)，另一个元件边放在另一个槽的下层(下层边)。
绕组元件在槽中的位置 1-上元件边 2-后端接线 3-下元件边 4-前端接线 有效部分:元件钳放在槽内部分，切 割气隙磁通，感生电动势。
同一个元件的首端和末端分别接到两个不同的换向片上。
同 一个换向片上，连有一个元件的首端和另一个元件的末端。
因此，电枢绕组的元件数等于换向片数，即S=K，其中 K为 换向片数，S为元件数。
虚槽• 为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽” 的概念。
设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽看作包含有u个 “虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表 示u=3时，元件边的布置情况。
若实槽数为 Z ，虚槽数为 Ze ，则Ze =uZ。
• 因为每一个元件有两个元件边 ，而每一换向片连接一个元件 的始端和另一个元件的末端； 又因为每一个虚槽包含着两个 元件边，所以绕组的元件数 S、 换向片数K和虚槽数Ze三者应相 等，即S=K= Ze =uZ1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体 4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘l 极距：沿电枢圆周表面相邻两磁极之间的距离，用表示。
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在电路上的连接情况。只是原理图，并非实际电枢绕组的结
构图，有助于理解电枢绕组在电路上的连接情况。
单叠电枢绕组连接
下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点？ 例:已知某直流发电机的极对数2p=4 ，电枢槽数Z=16，
极距
Z 2p
，元件数S等于及换向片数K也等于电枢槽数
Ze，S=K=Ze=16，试画出右行单叠绕组展开图。
二、电枢绕组分类
叠绕组：串联的两个元件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。 Y2 当把每一个元件连接成绕组 Y1 时，连接的顺序是从左向右 进行，称为右行绕组。反之， Y 称为左行绕组。
1 2 N S
1
2
3
YK
二、电枢绕组分类
波绕组：把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应
Y1 Y
1 2 N SΒιβλιοθήκη Y2y y1 y2
y y1 y2
1
2
3
YK
一、电枢绕组的常用概念
Y1 Y
1 2 N S
Y2
2
y
Z 1 p
N S
N
S
1
1 2 3
YK
yk
K 1 p
单叠绕组
单波绕组
二、电枢绕组分类
电枢绕组主要分为两类：
(1)叠绕组：单叠 (2)波绕组：单波 复叠 复波
直流电机电枢绕组
主要内容：
1、电枢绕组常见概念; 2、单叠绕组；
3、单波绕组；
一、电枢绕组的常用概念
作用：
是直流电机的核心部分； 在磁场中旋转产生感应电动势、 通过电流产生电磁转矩；电动 势与电流的乘积就是电磁功 率；电磁转矩与电枢旋转机械 角速度的乘积就是电磁功率， 是实现能量转换的重要部分。
组成:
槽的上、下层各有一个元件边。虚槽数用 Ze 表示。 设槽内每层有u个虚槽，虚槽数和实槽的关系： 极 轴 线：磁极的中心线。
Ze Z
几何中性线：是指主磁极 N 极和 S 极的机械分界线。
物理中性线：把 N 极与 S 极磁场为零处的分界线称为物理
中性线。
一、电枢绕组的常用概念
图2 a)元件 b)绕组元件在槽内的放置 c）实槽与虚槽 b）1—上层边； 2—下层边； 3—端接部分； 4—首、末端 c）1—槽楔； 2—线圈绝缘；3—导线； 4—层间绝缘； 5 —槽绝缘；6 —槽底绝缘
一、电枢绕组的常用概念
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用
表示为（距离）
D
2p
若用槽数表示为（槽数）
Z 2p
式中：D—电枢外径(m)；
p—磁极对数。
极距位置示意图 图 3 极距位置示意图
一、电枢绕组的常用概念
绕组节距：
指被连接起来的两个元件 边或换向片之间的距离，通常 用虚槽数或换向片数表示。 (1)第一节距y1： 同一个元件的两个有效边
Y1 Y
1 2 N S
Y2
在电枢表面跨过的距离。 (2)第二节距y2： 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。
1
2
3
YK
一、电枢绕组的常用概念
(3)合成节距y： 连接同一换向片上的两个 元件对应边之间的距离。 (4)换向器节距yK： 同一元件首末端连接的 换向片之间的距离。 单波绕组 单叠绕组
y
Z 1 p
N
S
N
S
1
yk K 1 p
二、电枢绕组分类
K 1 Ze 1 y yk p p
N
2
y
Z 1 p
N S
式中正负号的选择，应首先 满足换向器节距yk或合成节 距y等于整数。当取正号时， 1 第p个元件的末端落在起始 K 1 y 换向片的右边称为右行绕组； p 若取负号，第p个元件的末端 落在换向片的左边称为左行绕 组，左行绕组短接线不交叉，制造工艺简单，用得较多。
k
N
S
二、电枢绕组分类
设电机有p对磁极，单波电枢绕组一周串联了p个元件，第 p+1个元件的位置不能与第一元件重叠，只能放在第一个 元件相邻的电枢槽里。因此， 2 py Z 1
k e
同样，从换向器上看，第p个 元件的末端不能直接连到与 第一个元件始端相连的换向 片上，只能连到与起始换向 片商，即 pyk K 1 由上面两式得：
由许多形状完全一样的单匝绕 组元件（或多匝元件）以一定 的规律嵌放在电枢铁心的槽内。 绕组元件称为线圈或元件。
图1 电枢绕组 1—上层边； 2—下层边； 3—端接部分； 4—首、末端
一、电枢绕组的常用概念
元件（线圈）：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和
多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组成，元件边放 在槽内，能切割磁力线而产生感应电动势，叫“有效边”， 端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用。每个元 件的一个元件边放在某一个槽的上层，另一个元件边则放在 另一槽的下层。
元件串联起来，象波浪式的前进。 直接相连的两个单波绕组不是在同一个 2 Z 1 磁极下，而是分别处于相邻的 y p 两对主磁极下。两个元件的 N S 对应边在电枢表面的距离 合成节距y约等于两个极距。 也就是说这两个元件在磁场中 1 相对位置基本相同，因此，电 K 1 动势方向相同，电磁转矩方向 y p 也相同。
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。每一个元件的两个端 点分别接在不同的换向片上，每个换向片接两个不同的线圈 端头,由此可见，整个电枢的元件数S等于换向片数K，即 S=K。
一、电枢绕组的常用概念
实槽：电机电枢上实际开出的槽叫实槽。实槽数用Z表示。 虚槽：即单元槽(每层元件边的数量等于虚槽数)，每个虚
k
S
电枢绕组分类
单叠绕组：
指相邻元件(线圈)相互叠压，第一元件的出线端接到相 邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个 元件的上层边，第二个元件的上层边放在第一元件上层边相 邻的第二个槽内。合成节距与换向节距均为1，即：y=yk=1
绕组展开图
绕组展开图就是把放在电枢铁心里的、由元件构成的电 枢绕组单独取出来，画在一张图里，以表示槽里各元件彼此
解: 1．计算绕组数据
选择Y1的依据是尽量让元件里感应电动势最大，即Y1 应接近与或等于极距，有：
Z 16 y1 4; 2p 2 2 y yk 1; y2 y1 y 3
单叠电枢绕组连接
是使Y 为整数的小数，如果 0 ，该线圈为整距线圈