第二章直流电机选编

电磁转矩Tc为： Tc

Bx
Ia 2a
l
Da 2
电枢导体总数Z，一个极下的载流导体为
Z/2p,作用在一个极上载流导体上的合成电
磁转矩Tp为：
其中
Tp
Z /2 p
Bx
x1
Ia l 2a
Da 2

Z 2p
Bpj
Ia l 2a
Da 2

Bpj l

Ax
x点处气隙磁密为：
Bax

0 H ax

0
Fax

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电枢反应后磁动势波形
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1)、使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由 于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半 被削弱，物理中性线偏离几何中性线 ，磁通密度的曲线与空 载时不同。
2)、对主磁场起去磁作用
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。
电枢导体中电流为is，电枢直径为D， 电枢上导体总数为Z，则电枢表面单位
圆周长度上的安培导线数A为
A Zis
D
根据安培环路定律，在x点处气隙电 枢磁势为：
Fax

2Ax 2
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第四节 直流电机的励磁方式及磁场
一、直流电机的励磁方式
1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。
2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。
3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。
4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，
另一个与电枢绕组串联。
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（二）单波绕组
单波绕组—把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不 多相对应的元件按首末相连的原则而绕制的一种闭合绕组。
单波绕组绕电枢一周后，经过p对磁极，就有p个元件串联起来，每个 元件在换向器上跨过yc个换向片， p个元件总共跨过pyc个换向片 。 另一方面，绕组绕过一周后，为了能够继续串联下去，须连接到起始 换向片的左（或右）一个换向片，若总的换向片数为k， 则p个元件 共跨过k-1（或k+1）个换向片。单波绕组连接特性可用下式表示：
第二章 直流电机
第一节 直流电机的工作原理及结构
一、直流电机的工作原理 （一）直流电动机的工作原理
载流导体在磁场中受到的力
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)
当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根 据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个 电磁转矩。
8
电刷
电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面 的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路联结起来， 并与换向器配合，起到整流或逆变的作用。电刷装置 一般由电刷、刷握、刷杆座和压紧弹簧组成，
9
端盖
装在机座两侧的端面上，用以保护电机内部免受外界侵害 并保护工作人员人身安全。端盖固定在机座上，其上放置 轴承，支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。
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第三节 直流电机的绕组
一、简单的绕组
右图只是说明原理的示意图。它的缺 点是：随着电枢的转动，始终只有一个 线圈有电流。这样的话，材料没有充分 利用，产生的总转矩或电势均很小。
解决办法：将4个线圈都连接起来，成为一 个闭合绕组。每个线圈的两个边连接2个不 同的换向片，相邻线圈的首端和末端一起 焊接到一个换向片上。共用了4个换向片， 节省了材料，提高了输出转矩。
f
； Ω为机械角速度。
感应电动势的大小与每极磁通和电枢转速的乘积成正比，如不记 饱和影响，它与励磁电流和电枢机械角速度的乘积成正比。
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二、电磁转矩的计算
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。
电枢电流为Ia，支路对数为a，电枢外径为
Da，位于x处且有效长度为l的导体上受到的
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二、直流电机的空载磁场
直流电机的空载磁场是指由励磁磁动势单独建立的磁场。
主磁通
漏磁通
磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电 枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极， 再经定子铁轭回到N极。参加能量转换，是 工作磁通。
磁力线不进入电枢铁心，直接 经过气隙、相邻磁极或定子铁 轭形成闭合回路。不参加能量 转换，不是工作磁通。 32
直流电机的磁化曲线
电机运行时，要求每极下有一 定量的主磁通 ，也就是要求有 一定的励磁磁动势，由于励磁 绕组的匝数已经确定，所以就 要求有一定的励磁电流。反映 主磁通与励磁磁动势或励磁电 流之间的关系曲线称为直流电 机的磁化曲线。
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空载时气隙磁密的分布
空载时，励磁磁动势主要消耗在 气隙上。气隙各处的磁密与该处 的气隙长度成反比，磁极中心及 附近的气隙小且均匀，磁通密度 较大且基本为常数，靠近极尖处， 气隙逐渐变大，磁通密度减小； 极尖以外，气隙明显增大，磁通 密度显著减少，在磁极之间的几 何中性线处，气隙磁通密度为零。
磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每 极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝点， 主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增 加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。
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第五节 感应电动势和电磁转矩的计算
一、感应电动势的计算
位于x处，以匀速v运动，且有效长度为l的导 体，其感应电势为：
当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流 过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋 转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要 处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S 极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。
2
直流电机的额定值有： 1、额定功率PN(kW) 2、额定电压UN(V) 3、额定电流IN(A) 4、额定转速nN(r/min) 5、额定励磁电压UfN(V)
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指轴上输出 的机械功率
电动机
额定功率 PN
额定条件下电机
指电刷间输出的 发电机 额定电功率
所能提供的功率
额定电流 I N
额定电压 U N 在额定工况下，电机
ILN

H


B
0

B

IL N 0
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三、直流电机负载时的磁场及电枢反应
电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势， 电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢 反应。 假设励磁电流为零，只有电枢电流。 由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场 在空间的分布情况。 电枢磁动势的轴线与电刷轴线重合。
35
yc

k
1 p
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28
原则上，电流较大、电压较低的直流电机多采用叠绕组； 电压较高、电流较小的直流电机多采用波绕组。
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1）单波绕组只可能有两条支路，与极对数无关。
2）电刷数理论上可以是一对，但是通常采用电刷数等于磁 极数的办法。 3）电枢电流等于两条支路电流之和，电刷间电动势等于支 路电动势。
（1） 定子部分 定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械 方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电 刷装置、端盖和轴承等组成。
5Hale Waihona Puke Baidu
机座
机座通常由铸钢或厚钢板焊成，它有两个用处。一是作 为电机的机械支撑，用来固定主磁极、换向极和端盖。 二是作为主磁路的一部分，机座中有磁通经过的地方称 为磁轭。

pZ 60a
n

Cen
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Ea Cen
对制成的电机，Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数
若不计饱和影响，有 Kf If
其中Kf 为比例常数
感应电动势的计算公式又可表示为
Ea Cen Ce K f I f n Gaf I f
其中
Gaf

60
2
Ce
K
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（2） 转子部分 转子用来产生感应电动势和电磁转矩，是机电能量转换的 枢纽，因此称为电枢。它包括电枢铁芯、换向器、电机转 轴、电枢绕组、轴承和风扇等。
电枢铁芯
电枢铁芯是主磁路的一 部分，同时用来嵌放电 枢绕组，固定在转轴上。
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电枢绕组
电枢绕组是用绝缘铜线绕制的线圈按一定规律放置在 电枢铁芯槽内，并与换向器联结。电枢绕组是直流电 机的重要组成部分，电机工作时线圈中产生感应电动 势和电磁转矩，实现机电能量的转换。
流电动势，作为直流电源，输出电能。
3
二、直流电机的结构
1—电枢绕组；2—电枢铁芯；3—机座； 4—主磁极铁芯；5—励磁绕组；6—换向绕组； 7—换向极铁芯；8—主磁极极靴；9—机座底脚
4
直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有 可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部 分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。
特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端 与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一 个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合 回路。
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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）电刷数等于支路数和主磁极数，因为每个电刷与两条支 路相连，而每条支路两端又各接一个电刷。 3）电枢电流等于各支路电流之和，电刷间电动势等于并联 支路电动势。
（二）直流发电机的工作原理
用原动机拖动电枢逆时针方向恒速 转动，线圈边ab和cd就分别切割不同 极性磁极下的磁场，线圈中产生了交 变的电动势。由于换向器配合电刷对 电流的换向作用，在电刷A、B端的 电动势确是直流电动势。
一台直流电机 作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，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，电刷端引出直
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换向器
对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势 转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它 是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电 机旋转。电枢绕组的各线圈的引线分别焊接到相应的换向 片上，因此换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母 绝缘。
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第二节 直流电机的铭牌数据
此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、 出厂编号等。
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状 态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额 定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载 运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态 附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
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电枢绕组构成原则
绕组元件的跨距应等于或略小于极距。
每个绕组元件的两端应按一定规律联接在两个换向片上，并且所有的元 件都要通过换向片串联构成回路。 从制造工艺考虑，每个槽中的元件边分上下两层叠放，元件的一个边放 在一个槽上层，叫上层边；另一个边放在另一个槽下层，叫下层边。
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二、绕组的基本形式 （一）单叠绕组
1-2、3-4、5-6、7-8 分别构成4个线圈
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元件：构成绕组的线圈称为绕组元件。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离。
D （弧长表示）
2p
Z （槽数表示）
2p
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元件跨距y1：同一元件的两个元件边在电枢表面上所跨的距离，用电枢 表面相隔的槽数来表示。 换向器节距yc：每个元件的首、末两端所接的两片换向片在换向器圆周 上所跨的距离，用换向片数表示。
ex B xlv
设电枢导体总数Z，支路对数为a,平均磁密 为Bpj,电枢电势Ea为
Ea

Z /2a x 1
B xlv

Z 2a

Bpjlv

Bpj l
电枢表面周长为 2 p n的单位为r/min
v 2 p n
60
Ea

Z 2a

l
l 2 p
n 60
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主磁极
主磁极主磁极的作用是在定子与 转子之间的气隙中建立磁场。主 磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯 上的励磁绕组构成。主磁极铁芯 分成极身和极靴两部分，极靴的 作用是使气隙磁通密度的空间分 布均匀并减小气隙磁阻，同时极 靴对励磁绕组也起支撑作用。
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换向极
1—换向极铁芯；2—换向极绕组
换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用 来改善直流电机的换向。
在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流
出线端的电压
额定转速 nN
发电机：是指输出额定电压； 电动机：是指输入额定电压。
在额定电压、额定电流下，运 行于额定功率时对应的转速
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额定励磁电流 IfN
对应于额定电压、额定电流、额
励磁方式
定转速及额定功率时的励磁电流
指直流电机的励磁线圈与电枢线
圈的连接方式