直流电机电枢绕组

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。
在磁场作用下，N极性下导体 ab受力方向从右向左，S 极下导体 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。
把电刷A、B接到直流电源上， 电刷A接正极，电刷B接负极。此时 电枢线圈中将电流流过。如右图。
为对称的马鞍型，如图中Bax
所示。
Bax Fax
电枢磁场磁通 密度分布曲线
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
Bx
Bax
B0 x
三、直流电机的电枢反应
当励磁绕组中有励磁电流，电 机带上负载后，气隙中的磁场是励 磁磁动势与电枢磁动势共同作用的 结果。电枢磁场对气隙磁场的影响 称为电枢反应。电枢反应与电刷的 位置有关。
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。
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
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
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
电动机——驱动(与转速方向相同)。
+
3.5 直流电机的基本方程
一、电动势平衡方程: Ea U I a Ra 2U b
+
+
Ia
Uf
Ea
Ra
U Uf
Ea
－
If
－
If
－
+
Ia
Ra
U
－
式中：Ra ：电枢回路总电阻；2Ub 正、负电刷电压降，一般为 0.6～2伏；发电机：取“+”；电动机：取“-”；
极身

极靴 几何中性线
（a）气隙形状
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。
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 ，空0 载时，气隙磁通 与空0
载磁动势 或F空f 0载励磁电流 的I关f 0 系，称为直流电机的空载磁化特性。
右图为一台电刷放在几何中性线 的两极直流电机的电枢磁场分布情况。
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 为交轴磁动势。
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
e
O
O
电枢绕组输出电压波形
e
O
可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触 的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的 极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。
实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈 分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来， 构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。
一、直流电机的空载磁场
右图为一台四极直 流电机空载时的磁场示 意图。
当励磁绕组的串联匝数 为 N f ，流过电流为 I f ， 每极的励磁磁动势为：
Ff I f N f
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得 多，大约是主磁通的20%。
0
如右图所示。
N
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 N 通 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。
0
A
If0 I fN Ff 0
二、 直流电机负载时的负载磁场
直流电机带上负载后，电枢绕组 中有电流，电枢电流产生的磁动势称 为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使 电机的磁场发生变化。
3.4.2 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。
大小:
pN
Tem 2a Ia CT I a
其中CT
pN为电机的转矩常数，有
2a
CT

30

Ce
9.55Ce
可见直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。
3.1 直流电机的基本工作原理和结构
3.1.1直流电机的主要结构
电枢
定子
主磁极 换向磁极 电刷装置
铁心和绕组 机座
风扇
机座
端盖
转子
电枢铁心 电枢绕组 换向器
转轴
轴承
端盖
主磁极 励磁绕组
电刷 换向器
接线板 接线盒
3.1.2直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理
右图为直流发电机的物理模型， N、S为定子磁极，abcd是固定在 可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈 连同导磁圆柱体称为电机的转子或 电枢。线圈的首末端a、d连接到两 个相互绝缘并可随线圈一同旋转的 换向片上。转子线圈与外电路的连 接是通过放置在换向片上固定不动 的电刷进行的。
15 16 1 2 3
A1
+
45
B1
6_ 7
89
A2
10 11 12 13
+
B2
14_ 15
+
_
绕组的并联支路电路图
单叠绕组的的特点： 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。电刷放置在几何中性线上
第三章 直流电动机的稳态运行
本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法。
3.1 直流电机的基本工作原理与结构 3.2 直流电机电枢绕组 3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 3.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 3.5直流电机的基本方程 3.6直流电机的运行特性 3.7直流电动机的起动、调速和制动 3.8 直流电机的换向
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 阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。
如右图 (a) 所示
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。
额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指 直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的 一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各 电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。 额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验 的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故 又叫铭牌值。
⒈额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，
S
换向片之间的距离。
y
y2
1 23
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 。
n




15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 2 N 4 5 6 S 8 9 10 N 12 13 14 S 16
发电机： Pem P1 p0 P2 Pem pCua pCuf pb P1 p
电动机：Pem P1 pCua pCuf pb P2 Pem p0 P1 p
P2 100 %
P1
p
机械损耗
pFe铁耗
p 杂散损耗
pCua电枢铜耗 pS 电刷损耗
当原动机驱动电机转子逆时针
旋转1800 后 ，如右图。
导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位； 电刷A极性仍为正，电刷B极性 仍为负。
可见，和电刷A接触的导体总 是位于N极下，和电刷B接触的导 体总是位于S极下，
气隙磁场的分布波形
b
电枢线圈电动势波形
⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A”
为量纲单位。
⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。
⒌额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。
3.2 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。
以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定 电流的乘积。PN＝UNIN
对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效 率ηN存在。PN＝UNINηN
⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为量纲单位。
第一节距 y1 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。
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。
y 合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。
单叠绕组
y y1 y2
单波绕组
y y1 y2
y1
换向节距 yk：同一元件首末端连接的 N