第四章直流电机电枢绕组

1） 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路 数相同。 2）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。
一、节距计算
y1
Z 2p
y= =1yk
y2 y1 y
二、绕组展开图
Z为电枢槽数 P为电机的极对数
三、元件连接顺序及并联支路图
空载时气隙磁磁通密度的分布图形
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如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均
为励磁磁通势。
在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范
围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为
零。
为一平顶波
直流电机空载磁场的磁密分布
直流电机的空载磁化特性
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立 电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。
1、自励条件
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻R f 特性曲线， 也称场阻线 U f I f R f 。
增大R f ，场阻线变为曲线3时，R f 称为临界 电阻Rcr 。如图所示。
N pN Ea 2a e 60a n Cen
Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、 气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数
Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速 和磁通均可改变电枢电动势的大小。
三，直流电机的电磁转矩 定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流
3）电刷数等于磁极数； 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。
2.3直流电机的磁场
2.3.1直流电机的励磁方式
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
永磁铁磁场 电磁铁磁场
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
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。
yk
叠绕组示意图
图 1.9 单叠绕组的节距
图 1.10 单波绕组的节距
波绕组示意图
二、单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节
距均为1，即：y yk 1 。
单叠绕组的的特点：
绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。
单叠绕组元件联接顺序图 从图中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1 元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。
单迭绕组并联支路图
单叠绕组有以下特点： （1）位于同一个磁极下的各元件 串联起来组成了一条支路，即支 路对数等于极对数 2a=2p 。 （2）电刷杆数等于极数2b=2p。 当元件的几何形状对称，电刷放 在换向器表面上的位置对准主磁 极中心线时，正、负电刷间感应 电动势为最大，被电刷所短路的 元件里感应电动势最小。 （3）电枢电流等于个并联支路电 流之和。
二、直流电动机
（一）、直流电机的可逆原理
以他励电机为例说明可逆原理：
把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行，U 保持不变。
保持发电机的U 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转
速下降。当 n下降到一定程度时，使得Ea U ，此时I 0，发 电机输出的电功率P2 0，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿 电机的空载损耗。继续降低原动机的n ，将有Ea U ， I a反向，
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf
MU U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
2.3.2直流电机的空载磁场
直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时， 还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的 气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解 气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。
2、并励：发电机的励磁绕组与电 3、串励：励磁绕组与电枢绕组
枢绕组并联。且满足 Ia I I f 。 串联。满足 Ia I f I 。
U
I Ia G
F
If
U I
Ia G
If F
4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组， 一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。
U
I
Ia G
每极气隙磁通 f (Ia, I f )
4、功率平衡方程
原动机输入给发电机的机械功率 P1
空载损耗P0 包括：机械摩擦损耗Pmec 、铁损耗 PFe 、附加损耗Pad 。
电磁功率Pem P1 P0 Tem Ea Ia
电磁功率一方面代表电动势为Ea的电源输出电流I a 时发出的电
功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。
流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该
力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。
Ia
:
pN Tem 2 πa ΦIa CTΦIa
式中Ct 为转矩常数，仅与电机结构有关。从Ce与Ct的 表达式可以看出Ct =9.55Ce。
由 Tem=CtΦIa 可看出，制造好的直流电机其电磁转 矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。
直流电机的运行特性
一 直流发电机
（一） 直流发电机的励磁方式
供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大 类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。
1、他励：直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。如图 所示。
他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同，即：
I Ia
U
I Ia G
If F U
达到稳定的平衡工作点A。
32 A
1 If0 If
可见，并励直流发电机的自励条件有：
（1）电机的主磁路有剩磁 （2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确 （3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻
2、空载特性
并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁 化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第 一象限。
于 Ea 正比于 ，所以空载特性曲线的形
状与空载磁化特性曲线相同。
直流发电机的空载特性是非线性的 的，上升与下降的过程是不相同的。实 际中通常取平均特性曲线作为空载特性 曲线。
空载特性曲线上升分支
U
平均空载特性曲线
If
空载特性曲线下降分支
2、外特性
U
他励
定义：当n nN 、I f I fN 时，U f (I ) U 0
定义：当 n C1 、U C2 时，I f f (I ) I f
外特性曲线如图所示
由曲线可见，在负载电流变化时，若保持
端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反 应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。
（四）、 并励发电机的自励条件和外特性0
I
并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励
若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自 励。
U
原动机带动发电机旋转时，如果主磁 U 0
极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电
动势。在电动势作用下励磁回路产生 I f 。 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，I f 产
生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通
增加，电动势增大，I f 增加。如此不断增 0
长，直到励磁绕组两端电压与I f Rf 相等时，
2.2 直流电机的电枢绕组
一、直流枢绕组基本知识
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
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。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。
D
2p 叠绕组：指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。
电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗PCua 输出的电功率 P2 Pem PCua
自励发电机中还应减去励磁损耗Pf
（三） 他励发电机的运行特性
1、空载特性
定义：当 n C1 、I 0 时，U f (I f )
空载时，U Ea 。由于 Ea Cen，
因此空载特性实质上就是 Ea f (I f ) 。由
I f1
If2 F
U
I Ia
If1 F
G
If2 F
（二）、 直流发电机的基本方程
如图规定各物理量的参考方向 1、电枢电动势和电动势平衡方程
电枢电动势：Ea Cen
Ia
Ra为电枢回路总电阻，2Ub 为正负电
刷与换向器表面的接触压降。则电动势平 衡方程为：
U
T1
T0
n
G
Tem
I f Ea
Ea U Ia Ra 2Ub U Ia Ra
3、外特性 并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。
对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用 和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由 于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一 步下降。
4、调节特性
并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁 电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。
二、电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形 为一三角波（气隙是均匀）