直流测速发电机

图 2 - 6 描绘了电刷A、 B之间输出电势随时间变
化的曲线。 图中曲线 1 和 2表示相邻两个元件的电势， 因为元件空间位置夹角90°， 则元件电势时间相位差 90°。 电刷电势是支路中两个元件电势曲线之合成， 即曲线 3。 与图 2 - 2(b)比较可见， 此时输出电势平均 值变大， 脉冲相对来说变小。 可以推论， 如果电枢表 面槽数增多， 元件数增多， 则电刷间串联的元件数增 多， 输出电势的平均值将更大， 脉动更小， 就得到大 小和方向都不变的直流电势。
定子由定子铁心、 励磁绕组、 机壳、 端盖和电刷装置
等组成。 转子由电枢铁心、 电枢绕组、 换向器、 轴 等组成。 一般小型电机的轴是通过轴承支撑在端盖上
的。 直流电机的基本结构示意图如图 2 - 8 所示。
第2章 直流测速发电机
图 2 - 8 直流电机结构简图
第2章 直流测速发电机
电机主要零部件的基本结构和作用如下：
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当励磁电流流过励磁绕组时， 磁通便由N极出来，
经过空气隙及电枢， 进入S极， 然后分别从两边的磁 轭回到N极， 形成闭合回路。 在直流电机中， 磁极和 电枢之间的气隙是不均匀的， 在极中心部分最小， 在 极尖处较大， 因此， 电枢表面各点的磁通密度也不同。 在极中心下面磁通密度最大， 靠近极尖处逐渐减小， 在极靴范围以外则减小很快， 在几何中心线上则等于 零。 若不考虑电枢表面齿槽的影响， 在一个磁极下面， 电枢表面各点磁通密度的分布情况如图 2 - 14 所示。
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2.2 直流电势的关系式
在讨论直流发电机工作原理时曾经指出， 当电刷 A、 B通过换向片与几何中心线上的导体相连接时， 电刷A、 B就把处于一个磁极下元件的电势串联起来， 因此电刷间的电势应该等于正负电刷所连接的导体的 电势之和， 即
s
En ei
i 1
(2 - 2)
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式中， ei为每一导体的感应电势； s为一对电刷间的串 联导体数。由式(2 - 1)可知， 电枢导体感应电势值除了 与导体在磁场中的长度l, 导体切割磁通的线速度v有关 外， 还与导体所在点的磁通密度有关。 为此要研究磁 极下各点磁通密度的分布。 图 2 - 13 表示一对磁极时励磁磁通所经过的路径。
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励磁绕组由铜线绕制而成， 包上绝缘材料以后套 在磁极上(见图 2 - 9)。 当励磁绕组通以直流电时， 就 产生磁通， 形成N、 S极。 直流电机可以做成多对极， 但控制用的直流电机一般做成一对极。上述的励磁方 式称为电磁式。 此外， 定子磁极还可以用永久磁钢做 成， 称为永磁式。
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由于电枢表面不同位置上的导体的感应电势ei 不同， 不妨取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为 Bp， 一个 磁极下所有导体的平均电势为ep， 这样， 电刷间的电 势 Ea便等于一个磁极下导体的平均电势乘上一对电刷 所串联的导体数s, 即 Ea=sep 而其中 ep=Bplv 因此 Ea=sBplv (2 - 5) (2 - 4) (2 - 3)
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图 2 - 9 定子结构简图
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图 2 - 10 电枢铁心冲片
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2. 电枢铁心和电枢绕组 电枢铁心用厚为 0.35～0.5 mm的电工钢片的冲片
叠压而成， 冲片形状如图 2 - 10 所示。 铁心上的槽是
安放绕组的， 电枢铁心又作为主磁通磁路的组成部分。 由于转子在旋转， 所以电枢铁心也切割磁通。 为了减
少铁心中的涡流损耗， 铁心冲片要涂绝缘漆， 作为片
间绝缘。 电枢绕组的组成方法是： 将绝缘铜导线预先制成 元件， 并嵌在槽内， 然后将元件的两个端头， 按照一 定的规律接到换向器上， 如图 2 - 11 所示。
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3. 换向器和电刷 换向器是由许多换向片(铜片)叠装而成的。 换向
2p E a s n 60
(2 - 9)
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因为一对电刷所串联的导体数s应等于电刷间每条 并联支路中的导体数， 所以s值等于电枢绕组总导体数 N除以电刷间的并联支路数2a(a为支路对数。 在图 2 3 中支路对数为 1， 支路数为 2)， 即s=N/(2a)。 支路 数2a与绕组的具体结构有关， 这里不作深究。 这样式(2 - 9)便可写成
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图 2 - 6 电刷输出电势
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图 2 - 7 直流电机示意图
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2.1.3 直流电机基本结构 各种型号直流电机的基本结构都是一样的， 这里 简述小型直流电机结构的主要部分。直流电机总体结 构可以分成两大部分： 静止部分(称为定子)和旋转部 分(称为转子)。 定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。
变。 这就是直流发电机的最基本工作原理。
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2.1.2 直流电势的形成 前面的讨论， 只是得出了电刷电势极性不变的结
论， 但其大小是否随时间变化， 还需进一步分析。 根
据法拉第电磁感应定律， 导体切割磁通产生的电势为 ei=Bxlv (2 - 1)
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图 2 - 2 磁场分布和电刷电势
第2章 直流测速发电机
第2章 直流测速发电机
2.1 直流发电机工作原理和结构
2.2 直流电势的关系式 2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.4 直流测速发电机误差及其减小的方法 2.5 直流测速发电机的应用
2.6 直流测速发电机的性能指标
2.7 直流测速发电机的发展趋势 思考题与习题
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相对的槽中， 且一个有效边放在槽的上层 (靠近槽口)， 另一个有效边放在槽的下层(靠近槽底)， 并用上层边
所在的槽号表示元件号。
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图 2 - 3 实际电机模型
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图 2 - 4 电枢元件
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图 2 - 5 等值电路
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电枢连续旋转， 导体ab和cd轮流交替地切割N极和 S极下的磁力线， 因而ab和cd中的电势及线圈电势是交 变的。 在两极情况下， 线圈每转一圈， 电势交变一次。 但是， 电刷电势的极性始终不变。 这是由于通过换向 器的作用， 无论线圈转到什么位置， 电刷通过换向片 只与处于一定极性下的导体相连接， 如电刷A始终与 处在N极下的导体相连接， 而处在一定极性下的导体 电势方向是不变的， 因而电刷两端图 2 - 1中， 磁极产生的磁通由N极出发经过电枢
铁心进入S极。 用原动机拖动电枢以转速n逆时针方向 旋转， 则导体ab, cd切割磁力线而产生电势。 根据右手 定则， 在图示瞬时， N极下导体ab中电势的方向由b指 向a, S极下导体cd中电势由d指向c。 在图 2 - 1(b)中分别 用⊙、 线圈两个有效边中的电势大小相等方 向相反， 因此， 整个线圈电势是两个有效边电势之和， 即为一个有效边电势的两倍， 电势方向是由d指向a, 故a 为正， d为负。 电刷A通过换向片与线圈的a端相接触， 电刷B与线圈的d端相接触， 故此时A电刷为正， B电刷 为负， 电刷两端电势E BA=eda=e dc+e ba。
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图 2 - 3 是一个实际电机的模型， 电枢铁心表面有 齿有槽， 槽中安放元件， 元件形状如图 2 - 4 所示。 匝数等于 1 的元件称为单匝元件， 匝数大于 1 的称为 多匝元件。 直流测速发电机一般都采用多匝元件。 放 在槽中的元件边为有效边， 连接有效边的导线称为端
部连线。 元件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个

D
60
n
(2 - 7)
式中， D为电枢直径， 单位为米(m)； n为电枢转速， 单位为转/分(r/min)。
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这样式(2 - 4)便可写成
D ep n 60
由于πD/τ=2p(p为电机的极对数)， 所以上式变成
2p ep n 60
(2 - 8)
把式(2 - 8)代入式(2 - 3)便得电刷间的总电势
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图 2 - 13 直流电机磁路
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图 2 - 14 气隙中磁通密度分布图
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现在来研究导体的电势。 对于已制成的电机， l
为常数， 当速度v一定时， 导体的感应电势ei便正比于 该导体所在处的磁通密度Bx， 即ei∝Bx。 因此图 2 - 14 也可以看成是当导体连续分布在电枢表面时， 在一个 磁极下电枢导体感应电势的分布曲线。
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实际工作中， 使用转速n和每极总磁通Φ比用电枢 表面圆周速度v和平均磁通密度Bp来得方便， 故把v, Bp 转化成n、 Φ。Bp等于一个磁极的总磁通除以磁极的面 积， 即
Bp l
(2 - 6)
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式中， Φ为每极总磁通， 单位为韦伯(Wb); τ为极距， τ=电枢圆周长/极数， 单位为米(m); l为电枢铁心长， 单位为米(m)。 电枢表面圆周速度
片之间用塑料或云母绝缘， 各换向片和元件相连。 常
用的换向器有金属套筒式换向器与塑料换向器。 图 2 12 是塑料换向器的剖面图。
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图 2 - 11 电枢铁心和绕组
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图 2 - 12 塑料换向器剖面图
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电刷放在电刷座中， 用弹簧将它压在换向器上， 使之和换向器有良好的滑动接触(见图 2 - 8)。 在直流 电机中， 电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变 电势转换成电刷间的直流电势。
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当电枢转过180°以后， 导体cd处于N极下， 导体 ab处于S极下， 这时它们的电势与前一时刻大小相等方 向相反， 于是线圈电势的方向也变为由a到d, 此时d为 正， a为负， 而两电刷间电势E BA=e ad=e ab+e cd， 仍然 是A刷为正， B刷为负。