第三章-航空直流电机

2、电枢绕组
主要电路部分，通过电流 和感应产生电动势以实现 机电能量转换的关键部件。
由许多按一定规律连接 的线圈组成。
1—槽楔 2—线圈绝缘
3—导体
4—层间绝缘 电枢槽内的绝缘
5—槽绝缘 6—槽底绝缘
3、换向器 电刷端直流电与绕组内交流电之间的转换。 由许多换向片组 成，其间用云母 绝缘。
1—换向片
直流电动机工作的几点结论
外施电压、电流为直流，电枢线圈内电流
是交流； 线圈中感应电动势与电流方向相反； 线圈是旋转的，电枢电流是交变的，电枢 电流产生的磁场在空间上是恒定不变的； 产生的电磁转矩与转子转向相同，是驱动 性质。
直流电机的可逆原理
作为电动机运行——在直流电机的两电刷
•
励磁磁场：由主磁极的励磁磁动势单独建立的电机的主磁场。
•
励磁方式：供给励磁绕组电流、产生励磁磁动势而建立主磁场 的方式。
直流电机磁场是由永久磁铁或励磁绕组通以直流电励磁产生 励磁绕组和电枢绕组不同的联接，决定了不同的励磁方式 不同的励磁方式，电机的性能将不同
• • •
Ua Ia I Ia
Ua Ia
2—连接片
主磁极 换向磁极
磁极铁心 （产生励
励磁绕组
电刷 刷握 绝缘支架
磁磁场）
定子 直 流 电 机 转子
机座 端盖 电刷装置
电枢绕组 电枢铁心 换 向 器 转 轴 （产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）
压紧力调整装置
§3.1.3 直流电机的额定值
额定容量PN（kW）：输出功率 发电机：指电刷间输出的电功率 PN U N I N 电动机：指轴上输出的机械功率 PN U N I N 额定电压UN（V）：额定状态下出线端电压 发电机：是输出额定电压 电动机：是输入额定电压 额定电流IN（A）：额定状态下出线端电流 额定电压下，运行于额定功率对应的电流 额定转速nN（r/min）：额定状态下的电机转速 额定电压、电流下，运行于额定功率对应的转速
，这是由于磁极数（2p）是一个偶数
为了得到最大的直流电势，电刷总是与位
于几何中心线上的导体相接触
单叠绕组和单波绕组的区别

单叠绕组：先串联所有上元件边在同一磁极下的 元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一 对支路。2a=2p。 叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数 少，适应于较大电流、较低电压的电机。 单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件 相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。2a=2。 波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数 多，适用于较高电压、较小电流的电机。
eBA
直流发电机工作的几点结论
电枢线圈内电势、电流方向是交流电，电
刷间为直流电势； 线圈中感应电势与电流方向一致； 从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上 是恒定不变的磁场； 产生的电磁转矩与转子转向相反，是制动 性质。
二、直流电动机的工作原理
载流导体在磁场中受到的 力——安培定律（电磁力定 律），满足左手定则
实例：p=2，Z=S=K=16 数据计算： y=yk=1 y1=τ =Z/2p=16/2×2=4
1.

2.

画绕组展开图：
绕组放置： 元件1：上元件边在1槽，下元件边放在5槽下层 元件2：上元件边在2槽，下元件边放在6槽下层 以此类推
3.

安放电刷和磁极：
磁极安放： 由于电机旋转，磁极与槽位没有对应关系 均匀放置 N、S极交替放置 电刷安放： 磁极位置确定后，电刷与磁极有对应关系 电刷放在被电刷短路的元件电势或转矩为零的位置 在磁极的几何中心线上电势或转矩为零 电刷应使被电刷短路的元件位于磁极的几何中心线上 电刷放置在使电刷中心线与主磁极轴线对准的换向片上
I a 2aia
§3.2.4 单波绕组

波绕组：首末端所连的两换向片相隔很远，两个 元件紧相串联后形似波浪

单波绕组：顺着串联元件绕电枢一周后，元件的 末端与起始元件的上层边所连换向片之间相差一 个换向片的宽度。
py Z 1
y2=y-y1
K 1 pyk K 1 yk p
单波绕组实例分析

§3.2.3 单叠绕组
叠：两个相邻连接的元件，后一 元件的端部紧“叠”在前一元件 的端部 单：元件首末端所连的两换向片 之间的距离为一个换向片的宽度

合成节距y和换向器节距yk： y=yk=1 合成节距与第一、第二节距关系：y=y1-y2 • 特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同


实例：p=2，Z=S=K=15左单波绕组 数据计算：
Z 15 3 y1 3 2p 4 4 K 1 15 1 y yk 7 p 2 y2 y y1 7 3 4
1.
2.

画绕组展开图：
绕组放置： 元件3：上元件边在3槽，下元件边放在6槽下层 首末端所连的换向片相距yk=7 元件3上层边所连的换向片定为3号换向片 依次连接
支路对数与磁极对数p无关，永远为a=1 当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器 表面上的位置对准主磁极轴线，支路电动 势或转矩最大 电刷数应等于磁极数 电枢电流等于两条支路电流之和
I a 2aia 2ia
直流电机绕组的归纳
所有直流电机的电枢绕组总是自成闭路 电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现
气隙中主磁场磁密的分布
2、换向极
改善换向
1—换向极铁心
2—换向极绕组
3、机座
用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁 路的一部分。有磁通经过的部分称为磁轭。
4、电刷装置
引入或引出直流电
1—刷握
2—电刷
3—压紧弹簧
4—铜丝辫
（二）旋转部分 1、电枢铁心 • 主磁路的主要部分； • 嵌放电枢绕组 a)—电枢铁心 冲片 b)—电枢铁心
极靴
主磁极由钢板 冲片叠压而成
空载气隙磁场
在一个磁极的范围内，励磁磁 动势大小一样，若不计铁磁材 料中的磁压降，气隙磁密Bδ 大 小与气隙长度δ 成反比
在磁极轴线附近的气隙较小， 并且气隙均匀，磁阻小，此位 置的主磁场较强；在此位置以 外，气隙逐渐增大，主磁场也 逐渐减弱；到两极之间的几何 中性线处时，磁密等于零
端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产 机械旋转，输出机械能 作为发电机运行——用原动机拖动直流电 机的电枢旋转，电刷端引出直流电动势， 作为直流电源，输出电能 同一台电机既能作为电动机又能作为发电 机运行的原理，称为可逆原理。
§3.1.2 航空直流电机结构
1、转子部分 1）轴；2）电枢铁心；
§3.1.1 直流电机的工作原理
一、直流发电机的工作原理
电磁感应定律，满足右手定则：
e Blv
直流发电机的工作原理
直流发电机的工作原理
换向器配合电刷对电流的换向作用：将内
部的交流电变成了外部的直流电 换向器配合电刷对电流的换向作用，以及 图中电刷相对于磁极的位置，保证了：每 磁极下电流方向一致输出直流电动势； 电刷端输出方向不变但大小变化的脉振电 动势，每极下线圈增多减小脉振程度；
2 1
1
8
3
2
3
4
4
5
3）电枢绕组；4）换向器； 5）风扇等。 2、定子部分
A B
7 6
8 7
5 6
1）机座；2）主磁极；
3）励磁绕组；4）换向极； 5）电刷装置等。
（一）定子主要部件 1、主磁极 产生主磁通
1—主磁极铁心
2—励磁绕组 3—机座
励磁绕组套在 主磁厚）
F Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A) l — 导体的有效长度(m)
直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理
换向器配合电刷对电流的换向作用：将外部
的直流电变成了内部的交流电 换向器配合电刷对电流的换向作用，以及图 中电刷相对于磁极的位置，保证了：每磁极 下电流方向一致转矩方向一致连续旋转 线圈边输出方向一致但大小变化的脉振电磁 转矩，多个线圈边的合成转矩稳定旋转
3.

安放电刷和磁极：
磁极放置：N、S极磁极均匀交替放置 电刷放置：放在与主磁极轴线对准的换向片上


得到单波绕组的瞬时电路图：

相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路 。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路 对数与极对数无关，永远为1。
单波绕组的特点
同极性下各元件串联起来组成一条支路，

§3.3直流电动机的空载磁场及电枢电动势
一、直流电机的磁场（空载运行）：
以四极电机为例 空载运行指仅有 I f 无
Ia
1、主磁路：
N 极主磁极
电枢齿部
气隙
电枢齿部
电枢磁轭
气隙
S 极主磁极
定子磁轭
2、漏磁路：
注：1）主磁路计算分段
S
N
气隙、电枢齿、电枢磁 轭、主磁极、定子磁轭五段 2）负载运行时电机磁 场由各绕组共同产生
36

结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图：

每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的 并联支路数等于电机的极数——单叠绕组的重要 特点之一。
单叠绕组的特点

元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上 同一磁极下的元件串联成一条支路，并联支路数 等于磁极数：2a=2p 整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和 为零，绕组内部无环流 每条支路由不相同的电刷引出，电刷数等于主磁 极数 电刷引出的电动势为每一支路的电动势，电枢电 压等于支路电压 电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和

额定励磁电压UfN（V）、额定励磁电流
IfN（A）、励磁方式等等
额定值：能够保证电机长期、正常、安全
运行的数值 额定工况：电机运行于额定值的工作状态 欠载运行：电机的运行电流小于额定电流 过载运行：电机的运行电流大于额定电流
§3.2 直流电机的绕组
§3.2.1 直流励磁绕组



直流电机的结构、基本工作原理 绕组类型 直流电机基本方程式 直流电机运行特性 换向
§3.1 直流电机的工作原理和结构
直流电机的特点
• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的 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； • 由于存在换向器，其制造复杂、价格较高、 维护困难。
Ua I
Ua
If If If
Ia If1
If2
Uf

他励：励磁绕组与电枢绕组无联接，由独立电源供电 并励：励磁绕组与电枢绕组并联 串励：励磁绕组与电枢绕组串联 复励：一个励磁绕组与电枢绕组并联，另一个串联 积复励：串励绕组和并励绕组产生的磁动势方向相同 差复励：串励绕组和并励绕组产生的磁动势方向相反
定义： 主磁通：同时链接励磁绕组和电枢绕组的磁通。 它产生电磁转矩。 漏磁通：指链接一个绕组本身的磁通。
它仅增加磁路的饱和程度。
二、空载运行时气隙磁通密度的分布波形：

B
B
磁场方向：穿出电枢表面为正 1、磁极中心部分：气隙小，磁密大。 2、两极靴尖部：磁密小。 3、两极靴外：磁密迅速减小。
• 为使元件端接部分平整排列，每个槽中的元件边分上下 两层叠放 • 一个元件边放在一个槽的上层，另一个元件边放在另一 个槽的下层
（二）绕组名词术语


极轴线：磁极中心线 D Z 几何中性线：磁极之间的平分线 2p 2p 极距τ ：铁心表面，一个极所占的距离 元件：构成绕组的单个线圈 第一节距y1（元件跨距）： 一个元件两个边的距离 Z y1 整数 2p 第二节距y2： 元件下层边与相连元件上层边的距离 合成节距y： 相连两个元件对应边的距离 向器节距yk： 一个元件首末端所连换向片的距离
§3.2.2 直流电枢绕组构成
电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部
件之一，是直流电机的电路部分，亦是实 现机电能量转换的枢纽
对电枢绕组的要求：
在通过规定的电流和产生足够的电势和电 磁转矩的前提下，所消耗的有效材料最省 ，强度高，运转可靠，结构简单等。
（一）绕组的元件
双层绕组
槽数Z；元件数S；换向 片数K；每槽元件边数u； 虚槽数Z1=uZ
⑤
⑥
放磁极：磁极均匀分布在圆周上，N极磁力线垂直向里， S极磁力线向外。 放电刷，对准在磁极轴线上，画一个换向片宽（实际K很 多，电刷宽2-3个换向片），并把相同极下的电刷并联起 来。

安放电刷原则：
要求正、负电刷之间得到最大感应电动势，或
被电刷所短路的元件感应电动势最小。
单叠绕组实例分析