第7章 直流电机的磁路和电枢绕组

7-1 概 述
1.磁场
•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在励磁绕组中通入直流电流产生。 •直流电机的磁化特性对电机的运行性能有很大影响。
2.电枢绕组
•电枢绕组是电机实现机电能量转换的枢纽。 •电枢绕组的构成应能产生足够的感应电动势，并允许通过一 定的电枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简 单，运行可靠。
7-2 直流电机的磁路和磁化特性
1.直流电机的空载磁场
•励磁绕组通以直流电流产生的磁场，也称为主磁场。 •空载磁场的分布是对称的，磁通分为主磁通和漏磁通。
漏磁通： 主磁通 定义：不进入电枢，而是直接经过相邻主极间或定子磁轭闭 定义：经过气隙进入电枢，同时与励磁绕组和电枢绕组相交 合的磁通。 链的磁通。 作用：只增加主极和定子磁轭磁路的饱和程度，不参与机电 作用：能在旋转的电枢绕组中感应电动势、并和电枢电流相 能量转换。 互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换。 每极总磁通
ei = bδ i lv
设电枢总导体数为Z，有2a条并联支路，则每一支路中的 串联导体为Z／2a。 电枢电动势
Ea = ∑ ei =
i =1
Z 2a
∑ bδ lv = lv ∑ bδ
i =1 i
Z 2a
Z 2a
i =1
i
S
引入气隙平均磁密Bav，
虚槽 实槽
假设每个实槽包含u个虚槽，则电机的虚槽数Qu与实槽数 Q之间的关系为：
Qu=uQ
虚槽数Qu 与元件数S、换向片数 K之间的关系为：
Qu=S=K
3.直流电机电枢绕组的节距
节距：相关的两个元件边之间的距离，通常以所跨过的槽 数或换向片数来表示。 极距τ：相邻两个主磁极沿电枢表面之间的距离，用所跨弧 长或虚槽数表示。 设电机的极对数为p，电枢外径为Da，则
第七章 直流电机的磁路和电枢绕组
7-1 概 述 7-2 直流电机的磁路和磁化特性 7-3 电枢绕组的一般知识 7-4 单叠绕组 7-5 单波绕组 7-7 直流电机电枢绕组的感应电势 7-8 直流电机电枢绕组的电磁转矩 小 结
第七章 直流电机的磁路和电枢绕组
基本要求： 1.了解直流电机空载气隙磁场的分布 2.了解直流电机的磁化曲线 3.了解单叠绕组和单波绕组的特点 4.掌握单叠绕组节距的计算方法 5.掌握直流电机的感应电动势和电磁转矩公式
k
1 2 3
yk
例7-1 一台直流电机，2p=4，Qu=S=K=16，绘制右 行单叠整距绕组。 1.计算单叠绕组的节距
y = yk = 1
16 ±ε = = 4 y1 = 4 2p
（右行单叠绕 组）
Qμ
y2 = y − y1 = 1 − 4= − 3
2.绘制单叠绕组的展开图
y1 = 4，y2 = −3，y = 1
7-5 单波绕组
主要内容：单波绕组的节距、绕组展开图、元件联结次序 图、并联支路图。 单波绕组 •每一元件两出线端所连换 向片相隔约一对极距。 •相串联的两元件相隔约一 对极距。
N S
y1
y2
y
N S
yk = 2τ ?
15 1
8
15
yk
1.单波绕组的节距
y1
y2
y
N S N S
15 1
8
15
yk
bi
bδ
π Da
2p
Bav
Bδ
；
bi = α ′τ
τ
Bav = 。 τ Bδ
空载时直流电机的气隙磁密分布
4.磁化特性曲线
直流电机的磁化曲线是指电机的 主磁通Φ0与励磁磁动势F0之间的关 系曲线Φ0=f(F0)。
Φ0
气隙线 磁化曲线
空载磁场的分布情况
气隙线：把磁化曲线的起始直
0
F (I f ) 0
线延长，即为电机的气隙磁化 曲线Φ0=f(2Fδ)，简称气隙线。
S
N
S
8
15
2）第二节距y2 ：相串联的两个元 件中，第一个元件的下层边与第 二个元件的上层边在电枢表面上 所跨的距离，用虚槽数计算。 节距的正方向：从换向器端观 察电枢时，从左至右的行进方向 为正。 •叠绕组：y2＜0 •波绕组：y2＞0
1
y1 y2
1
2
N
S
2
3
y1
y2
N
S
N
S
15 1
8
15
y1
15 1 y1 = ± ε = + = 4 （长距元件） 2p 4 4
Qμ
k − 1 15 − 1 yk = = =7 p 2
（左行绕组）
y = yk = 7
y2 = y − y1 = 7 − 4 = 3
2.单波绕组的展开图
电枢转向
电枢转向
τ
τ
τ
τ
τ
12 13 14 15
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13
Hδ ≈ N f if lδ
磁场强度
磁通密度
bδ = μ0 H δ ≈ μ0
N f if lδ
磁通密度 每极磁通
bδ = μ0 H δ ≈ μ0
N f if lδ
Φ 0 = ∫ bδ ldx = l ∫ bδ dx
0
τ
τ
0
= α ′τ lB δ
式中，τ −电机的极距，τ =
α ′ − 极弧系数，α ′ =
电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换 的关键部件。
直流电机电枢绕组的分类：
•叠绕组：单叠绕组、复叠绕组。 •波绕组：单波绕组、复波绕组。 •混合绕组：叠绕和波绕混合的绕组。
1.元件
定义：元件就是两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝 定义： 线圈。元件是构成绕组的基本单元。
元件边 后端接
3)合成节距y：相串联的两个元件 对应边在电枢表面上所跨的距离， 用虚槽数计算。
1 2
y2
N
y
S
y = y1 + y2
4)换向器节距yk ：每个元件所联的 两片换向片在换向器表面的跨距， 用换向片数表示。
y1
y2
1 2 3
yk
yk = y
N S
y
N S
yk>0 yk<0
右行绕组 左行绕组
15 1 8 15
7-7 直流电机电枢绕组的感应电动势
1.电枢电动势的定义
电枢绕组的感应电动势是指电机正、负电刷之间的电动势， 即每一条并联支路的电动势。简称电枢电动势。
2.电枢电动势的计算公式
设电刷位于磁极的中心线上，电枢线圈是整距的，电枢导 体有效长度为l，导体切割气隙磁场的速度为v，则每根导 体的感应电动势为
= 2Fδ + 2Fp + 2Ft + Fyr + Fys
= 2 Ff = 2 N f i f
3. 空载时气隙磁密的分布曲线
空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料 的磁阻和电枢表面的齿槽效应时，主磁极下气隙磁通密度 的分布取决于气隙的大小和形状。 气隙磁压降
2 H δ lδ ≈ F0 = 2 N f i f
Φ m = Φ 0 + Φσ
2.直流电机的主磁路
主磁路的组成部分： 定子磁轭、主磁极、气隙、 电枢齿和电枢磁轭。
定子磁轭 S极(主磁极) 气隙 电枢齿 电枢磁轭 N极(主磁极) 气隙 电枢齿
每对主极的励磁磁势
F0 = ∫ H ⋅ dl = ∑ H x l x
= 2Hδ lδ + 2H pl p + 2Ht lt + H yrl yr + H ysl ys
pyk = k ∓ 1
k ∓1 yk = p
1.单波绕组的节距
k ∓1 换向器节距 yk = p
合成节距
k −1 yk = p
k＋1 yk = p
左行绕组 右行绕组
k ∓ 1 Qu ∓ 1 y = yk = = p p
第一节距
y1 =
Qμ 2p
±ε
第二节距
y2 = y − y1
2.单波绕组的展开图 例7-2 一台直流电机，2p=4，Qu=S=K=15，绘制左行 单波绕组。 解：计算单波绕组的节距
2.绘制单叠绕组的展开图
电枢转向
放置电刷
τ τ
τ
τ
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
N
S
N
S
15 16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
电刷的放置原则：空载时，正负电刷之间引出的电动势 最大。
2.绘制单叠绕组的展开图
电枢转向
放置电刷
τ τ
τ
τ
1
2
3
4
5
S
N
S
N
S
14 15
1
A1
+
2
3
4
5
B1
−
6
7
8
9
A2
B
+
10 11 12 13 14
B2
−
A
+
−
3.单波绕组的元件联结次序图
+y 上层边 1
+ y1
y1 = 4, y2 = 3, y = yk = 7
11 3 10 2 9 1
8
+ y2
15 7
14
6
13
5