电机学第二章直流电机(完美解析)解析
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电机学(刘颖慧)课件第2章直流电机基本理论
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将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，它是将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。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
Department of Electrical Engineering, HUT
第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
电机学 Electric machinery
2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将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，它是将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。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
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第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
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2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
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电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
《电机学》习题解读
P57，2-20
一台并励直流电动机在某负载转矩时的转速为1000r / min，电枢电流为40A，电枢回路总电阻Rs = 0.045Ω，电网电压为110V。当负载转矩增大到原来的4倍时，电枢电流及转速各是多少？（忽略电枢反应）
解：
由于 ，电网电压U及磁通Φ均不变时，有 。
则电枢电流为
而
于是转速为
P57，2-21
2.对于串励直流电动机，电枢电流的增大会使电枢电压降和磁通同时增大。这两个因素都会使电动机的转速随负载的增大而下降。
P57，2-15
一台并励直流电动机在额定电压UN=220V和额定电流IN=80A的情况运行，该电机的电枢回路总电阻Ra=0.08Ω，2ΔUc=2V，励磁回路总电阻Rf=0.08Ω，额定负载时的效率ηN= 85%，试求：
V
P58，2-23
一台并力直流电动机的数据为：UN= 220V，电枢回路电阻Ra=0. 032Ω，励磁回路电阻Rf= 275Ω。将其装在起重重机上，当使重物上升时，Ua=UN，Ia=350A，；而将重物下降时（重物负载不变，电磁转矩也近似不变），电压及励磁电流保持不变，转速nN=300r/min。问电枢回路要串入多大电阻？
P57，2-13
电动机的电磁转矩是驱动性质大的转矩，当电磁转矩增大时，转速似乎应该是上升的，当从直流电动机的电磁转矩及特性上看，电磁转矩增大时，转矩反而是下降的，这是为什么？
答：
1.对于并励直流电动机，直流电动机的电磁转矩是随电枢电流的增大而增大，电枢电流又随负载的增大而增大。但由转速公式 可知，并励直流电动机的电枢电流会使电阻电压降增大，尽管电枢反应的去磁特性，会使转速呈现增大趋势，但电枢电压降增大的分量要比去磁效应大一些，所以会使电动机的转速随负载的增大而有所下降。
一台并励直流电动机在某负载转矩时的转速为1000r / min，电枢电流为40A，电枢回路总电阻Rs = 0.045Ω，电网电压为110V。当负载转矩增大到原来的4倍时，电枢电流及转速各是多少？（忽略电枢反应）
解：
由于 ，电网电压U及磁通Φ均不变时，有 。
则电枢电流为
而
于是转速为
P57，2-21
2.对于串励直流电动机，电枢电流的增大会使电枢电压降和磁通同时增大。这两个因素都会使电动机的转速随负载的增大而下降。
P57，2-15
一台并励直流电动机在额定电压UN=220V和额定电流IN=80A的情况运行，该电机的电枢回路总电阻Ra=0.08Ω，2ΔUc=2V，励磁回路总电阻Rf=0.08Ω，额定负载时的效率ηN= 85%，试求：
V
P58，2-23
一台并力直流电动机的数据为：UN= 220V，电枢回路电阻Ra=0. 032Ω，励磁回路电阻Rf= 275Ω。将其装在起重重机上，当使重物上升时，Ua=UN，Ia=350A，；而将重物下降时（重物负载不变，电磁转矩也近似不变），电压及励磁电流保持不变，转速nN=300r/min。问电枢回路要串入多大电阻？
P57，2-13
电动机的电磁转矩是驱动性质大的转矩，当电磁转矩增大时，转速似乎应该是上升的，当从直流电动机的电磁转矩及特性上看，电磁转矩增大时，转矩反而是下降的，这是为什么？
答：
1.对于并励直流电动机，直流电动机的电磁转矩是随电枢电流的增大而增大，电枢电流又随负载的增大而增大。但由转速公式 可知，并励直流电动机的电枢电流会使电阻电压降增大，尽管电枢反应的去磁特性，会使转速呈现增大趋势，但电枢电压降增大的分量要比去磁效应大一些，所以会使电动机的转速随负载的增大而有所下降。
电机第二章直流电机2
2.6.2 转矩方程
（1）直流发电机
T1 Tem T0
（2）直流电动机
Tem T2 T0
思考：对比上两方程，说明各电磁转矩的不同意义及空载 转矩含义？
2.6.3功率方程（以并励电机为例分析）
（1）并励发电机功率方程
P 1 T 1 (Tem T0 ) P em p0 P em pa pFe pm
当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流Ia， 电枢电流Ia也产生磁动势，叫电枢磁动势。 电枢磁动势对气隙磁通的大小和分布、电机的 运行性能、换向的好坏都有影响。 （1）电枢磁动势的性质 电枢磁动势的空间分布只决定于电枢绕组中电 流的分布，以电刷为界的电枢表面电流在空间上是 不变的，因此其产生的磁场和磁动势的分布也是固 定不变的。
Tem CT I a 28.66 0.02518 12.9N m
单叠： a 2
pZ 2 90 则有： C T 14 .33 2a 2 2
因每条支路的电流不变则： I a 36A
Tem CT I a 12.9N m
可见，如果相同的元件数，如果每条支路电流相等， 则单叠和单波绕组的电磁转矩是相等的。
（2）电枢磁动势波形
由电枢磁动势波形可知，磁极中心线下的气隙处电枢 磁动势为零，在几何中性线处达到最大值。
（3）电枢磁密波形
电枢磁场产生的磁通密度沿着气隙的分布为：
Fa ( x) Ax Bax Ba ( x) 0 H a ( x) 0 0 d ( x) d ( x)
可知，Bax与气隙成反比。在磁极极靴下，气 隙较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与Fax成正比。 而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超
电机学第2章直流电机课件
2.直流电机的基本结构
图2-5 电枢上装有6个线圈 (11′到66′)的情况
2.直流电机的基本结构
图2-7 直流电机剖面图
2.直流电机的基本结构
图2-8 主磁极
2.直流电机的基本结构
图2-9 电枢铁心
2.直流电机的基本结构
图2-10 电枢线圈
2.直流电机的基本结构
图2-12 换向器
3.励磁方式
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
图2-42 并励电动机的机械特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
2.并励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-43 串励电动机的接线图
3.串励电动机的运行特性
3.串励电动机的运行特性
图2-44 串励电动机的工作特性
图2-14 直流电机的励磁方式 a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式
4.直流电机的额定值
(1)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，用千瓦(kW)表示。 (2)额定电压UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以伏(V)表 示。 (3)额定电流IN 指电机在额定电压下运行、输出功率为额定功 率时，电机的线电流，以安(A)表示。 (4)额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以转/分(r/mi n)表示。
2.单叠绕组
2.单叠绕组
图2-19 单叠绕组展开图(2p=4,S=K= =16)
2.单叠绕组
图2-20 图2-19所示瞬间电枢绕组的电路图
3.单波绕组
3.单波绕组
图2-21 单波绕组的展开图(2p=4, =S=K=15) a)部分展开图 b)全部展开图
3.单波绕组
电机学(第三版)第二章 直流电机
直流电机按励磁方式分类
★他励直流电机 ★并励直流电机 ★串励直流电机 ★复励直流电机
长沙理工大学电气工程学院
各种励磁方式的接线图
★他励直流电机 ★ 并励直流电机 ★ 串励直流电机 ★ 复励直流电机
长沙理工大学电气工程学院
直流电机空载磁场
长沙理工大学电气工程学院
空载时电机中的磁场分布是对称的，磁通可以分为两部分。 其中绝大部分从主极铁心经气隙、电枢，再经过相邻主极 下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合，同时交链励 磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势，实现机电 能量转换，称为主磁通；另一部分不穿过气隙进入电枢， 而是经过主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量 转换，称为漏磁通。
Ia
I
rj
ra
Ub
2U b Ra ra Ia 励磁回路电压方程为
U
E
rf
T0
Tem
Ub
U I f (rf rj ) I f Rf
电流方程为
T1
Ia I I f
长沙理工大学电气工程学院
功率平衡方程
2. 功率平衡方程 电磁功率
PN a PN a Pem nI a I a Tem 60a 2 a 30 Pem EI a Tem 电功率平衡方程就是
接下来分别考虑交轴分量和直轴分量对励磁磁场的作用 与影响，前者称之为交轴电枢反应，后者称之为直轴电 枢反应。
长沙理工大学电气工程学院
交轴电枢反应
长沙理工大学电气工程学院
交轴电枢反应对气隙磁场的影响
（1） 使物理中性线偏离几何中性线一个α角。对发电 机，偏移为顺电枢转向，对电动机则是逆电枢转向。 （2) 不计饱和影响，对每个主极下的磁场，一半被削 弱， 但另一半被加强，总的磁通不变。 （3） 记及饱和影响，对被削弱的一半来说，波形与 不计饱和时相同；但对于被加强的一半，由于实际磁路 中铁磁材料的饱和影响，磁密曲线会下降，因此，每极 磁通量也会减少。 综上述，实际电机中，交轴电枢反应不但使气 隙磁场畸变，而且还有去磁作用。
直流电机讲解
电动机：T与n方向相同，为拖动转矩。
第23页/共69页
直流电机
(2) 感应电动势
1) 产生
电枢旋转 n
磁 场Φ 2) 大小
e →∑e →E
每个导体：e=Blv
导体切割磁场线的线速度： 电动势：E=2Ne=2NBlv
v=
2R 60
n=
2p
60
n
= 2N·Φl
·l ·26p0
n
=
4pN 60
Φn
第24页/共69页
直流电机
电磁关系
直流电
交流电
流 换向 流 Φ
克服
电磁转矩 (拖动转矩)
机械负
旋转
载
反电动 势
做功
在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用： ①将刷间的直 流 电 逆 变 成 线圈 中 的 交 流第电2页；/共69页
直流电机
直流发电机的工作原理
N － E ＋
S
N
－ E ＋
S
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直流电机
电磁关系
第19页/共69页
直流电机
第20页/共69页
直流电机
4. 电磁转矩和感应电动势
(1)电磁转矩
1)产生
电枢电流 i
磁
场Φ
2) 大小 电磁力：F = B l i
F →T
平均磁密：
每根导线上电磁力所形成的
电磁转矩：FR
Φ
B= l
B
极距
R
l
第21页/共69页
直流电机
电枢绕组串联总匝数：N 电枢绕组并联支路数：2a 总导体数：2N· 2a = 4aN 电枢的周长：2R = 2p 电磁转矩：T = 4aN ·FR
《电机学》课件 第二章直流电机6
1）此时电动机的转速是多少（磁路不饱和） 2）发电机额定运行时的电磁转矩是多少 3）电动机运行时的电磁转矩是多少
直流电动机的起动、调速和制动
例3：两台完全相同的并励直流电机，同轴相联，并接于230V的 电网上，空载运行，在1000r/min时，空载数据如下： 现已知电机A的励磁电流为1.4A，B的为1.3A。电枢回路总电阻 为0.1Ω,转速为1200r/min，忽略电枢反映的影响，试问：
If/A U0/V
1.3 186.7
1.4 195.9
1）哪台是发电机，哪台是电动机？ 2）两机的总机械损耗和铁耗是多少？ 3）只调节励磁电流是否可改变两机的运行状态（保持转速不变） 4）是否可以在两机在1200r/min时都为发电机或电动机运行？
直流电动机的起动、调速和制动
例4：一台他励直流发电机由一台并励直流电动机拖动发电，它 们的额定数据为：发电机：Pn=19kW,Un=230V,nN=1450r/min, η=85%, Ufn=220V，Ifn=2.0A，ra=0.177Ω,2ΔUb=2V。电动机： Pn=22kW,Un=220V,nN=1450r/min,η=86%, Ifn=3.82A， ra=0.107Ω,2ΔUb=2V。
直流电动机的起动、调速和制动
例1：一台并励直流电动机，Pn=10kW,Un=220V,nN=1000r/min, η=83%,Ra=0.283Ω,2ΔUb=2V,Ifn=1.7A。设负载总转矩Tl恒定， 在电枢回路串入一电阻使转速降低到500r/min，试求：
1）电枢电流
2）电枢回路串入调节电阻的大小
Ia U E Ra
产生很大的与旋转方向相反 的电磁转矩，使电机制动。
反接制动时，会产生很大的冲击电流，因此电枢回路中应串 入适当的电阻，限制电流；当电机转速降低到零时，应把电 源切除，否则电机将反转。
电机学第二章直流电机(完美解析)
W
-
并励发电机等效电路
2.4.1 基本方程
1、电动势平衡方程
E U I a Ra
电枢回路
2U b I a Ra I a ra 2 ΔU b I a ra Ia 2U b Ra ra Ia
Ub — 电刷接触电阻电压降，0.3 ~ 1V
励磁回路 U I f rf rj I f Rf 电流方程
ห้องสมุดไป่ตู้
Ia I If
2.4.1 基本方程
2、功率平衡方程
电磁功率：电枢绕组感应电动势E与电枢电流Ia的乘积
Pem EI a pN a pN a π ΦnI a ΦI a n Tem Ω Pem 60a 2πa 30 2 Pem UI UI f I a Ra P2 pCuf pCua P2 pCu
直轴电枢反应
38
直轴电枢反应对气隙磁场的影响
直轴电枢磁场轴线与主机轴线重合；
直轴电枢磁场对励磁磁场起去磁或助磁的作用；
2.3.5 感应电动势和电磁转矩
感应电动势E：支路中各串联元件感应电动势的代数和。
电磁转矩 Tem：所有导体产生的电磁转矩的代数和。
E CE n pN a CE 60a
U0 U N U 100% UN
2.4.2 他励发电机的运行特性
4、调节特性
当n=常值、U=常值时， If =f (I)的关系曲线。
If IfN If0
励磁电流随负载电流增 加而增加，以补偿电枢反 应的去磁作用。 铁磁材料的饱和，使励 磁电流增加的速率还要高 于负载电流。
O
IN
I
电枢绕组设计的基本要求
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✓ 合成节距y：串联的两个元件对应边在电枢表面的跨距，用 虚槽数表示。y= y1+ y2
✓ 换向器节距yK：与每个元件相连的两个换向器在换向器表面 的跨距，用换向片数表示。 y= yK
单叠绕组元件
右行
左行
第一节距 y1 第二节距 y2 合成节距 y 换向节距 yK
y1
Zi 2p
ε
整数
y y1 y2 yK
左行
y
yK
K 1 p
单波绕组元件
右行
y右 行yK
K 1 p
17
2.2.2 单叠绕组
✓ 4极电机，
✓ Z=Zi=S=K=16 ✓ 单叠右行整距绕组
y1
Zi 2p
ε 16 4 4
y 1
y2 y y1 1 4 3
✓ 单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路
19
✓并联支路数等于极数，并联支路对数a=2 ✓ 电刷放置
➢电枢绕组中的电流产生的磁场。
➢主磁极的中心线称为直轴，相邻N极 和S极的分界线称为交轴。
➢一般情况下，直流电机电枢磁场方向 总是对准交轴，称为交轴电枢反应。
电刷位于几何中性线上
34
电刷偏离几何中性线
✓ 两个气隙 ✓ 两个齿 ✓ 两个主极 ✓ 一个定子轭 ✓ 一个转子轭
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 主磁场分布
B0 (x)
μ0 Fδ δ(x)
Bδ
气隙磁密为平顶波
➢ 磁化曲线
起始阶段为直线 其延长线为气隙线 铁磁饱和导致磁化 曲线的弯曲
kμ
F0 Fδ
1
FFe Fδ
32
2.3.3 直流电机的电枢磁场
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通：空载是电机中的磁场是对称分布的，分为两部分
✓ 主磁通：经气隙、电枢、相邻主极下的气隙、主极铁芯、定 子磁轭闭合。
主磁通同时交链与励磁绕组和电枢绕组； 在电枢绕组中产生感应电动势，实现机电能量交换；
用0表示。
✓ 漏磁通：经主极间的空气或定子磁轭闭合。 不穿过气隙； 不参与机电能量交换；
电机学 Electric Machinery
（第2章 直流电机）
2.1 概述
➢ 直流电机工作原理 ➢ 直流电机的主要结构部件 ➢ 直流电机额定值
2.1.1 直流电机工作原理
2.1.2 直流电机的主要结构部件
风扇 机座 电枢
主磁极 刷架 换向器
端盖
接线板
出线盒 换相极
直流电机整体结构
2.1.2 直流电机的主要结构部件
用表示。 ✓ 总磁通：为主磁通与漏磁通之和，用m表示。
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通间的关系
Φm
Φ0
Φσ
Φ0
1
Φσ Φ0
kσΦ0
k—主极漏磁系数，一般取值1.15~1.25
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁动势
F0 H dl 2Nf If
F0 — 每对极励磁磁动势 Nf — 每极主极上的励磁绕组匝数 ➢ 主磁路结构 —五段式
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 槽内每层元件边数：u ✓ 槽数Z与虚槽数Zi： Zi =uZ ✓ 元件数S、换向片数K与虚槽数Zi：S=K= Zi
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第一节距y1：两个元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示
✓ 极距：每个主磁极在电枢表面占据的距离，或相邻两主极
直流电机主磁极与换向极
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机机座
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电枢冲片和电枢绕组
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机换向器
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电刷装置
2.1.3 直流电机的额定值
➢ 额定功率：PN，单位 W或kW ➢ 额定电压：UN，单位 V ➢ 额定电流：IN，单位 A ➢ 额定励磁电压：UfN，单位 V ➢ 额定励磁电流：IfN，单位 A ➢ 额定转速：nN，单位 r/min
➢ 电枢绕组类型
➢ 叠绕组：单叠叠绕组与波绕组的组合
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 绕组元件：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。 ✓ 元件边：放在槽中切割磁力线、感应电动势的有效边。 ✓ 上（下）元件边：放在某一槽上（下）层。 ✓ 端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。
➢ 额定效率：N
➢ 额定转矩：TN，单位 N·m
➢ 额定温升：，单位 C
2.2 直流电机电枢绕组
➢ 基本特点 ➢ 单叠绕组 ➢ 单波绕组
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 电枢绕组设计的基本要求
➢ 电动势大，波形好 ➢ 电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大 ➢ 结构简单，连接可靠 ➢ 便于维修 ➢ 换向性能好
间的距离，用弧长或虚槽数表示。
✓ y1应接近一个极距 ，且为整数。 ✓ 整距： y1= ✓ 短距： y1< ✓ 长距： y1>
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第二节距y2：与同一换向器相连的两个元件，第一个元件的 下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，也常 用虚槽数表示。叠绕组， y2 <0；波绕组， y2 >0;
20
2.2.3 单波绕组
✓ 4极电机
✓ Z=Zi=S=K=15 ✓ 单波左行短整距绕组
y1
Zi 2p
ε 15 3 3 44
y Zi 1 15 1 7 p2
y2 y y1 7 3 4
✓ 单波绕组：所有处于同极性下的元件串联起来构成一条支路
22
✓ 并联支路数等于2，并联支路对数a=1 ✓ 电刷放置位置
2.3 直流电机的磁场
➢ 磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 ➢ 主极磁场可由永久磁铁产生 ➢ 主极磁场也可由励磁绕组通入直流电流或由产生。
2.3.1 直流电机按励磁方式分类
他励直流电机 并励直流电机 串励直流电机 复励直流电机
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 空载磁场（主磁场）：电枢电流Ia=0，仅由If 建立的励磁磁场。
23
小结
➢ 直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组。 ➢ 直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。
在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数；
单叠绕组，a = p，即并联支路对数恒等于电机极对数；
单波绕组，a = 1，即并联支路对数恒等于1。 ➢ 电刷放置的一般原则：
确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大； 被电刷短路的元件中的电动势为零； 端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。
✓ 换向器节距yK：与每个元件相连的两个换向器在换向器表面 的跨距，用换向片数表示。 y= yK
单叠绕组元件
右行
左行
第一节距 y1 第二节距 y2 合成节距 y 换向节距 yK
y1
Zi 2p
ε
整数
y y1 y2 yK
左行
y
yK
K 1 p
单波绕组元件
右行
y右 行yK
K 1 p
17
2.2.2 单叠绕组
✓ 4极电机，
✓ Z=Zi=S=K=16 ✓ 单叠右行整距绕组
y1
Zi 2p
ε 16 4 4
y 1
y2 y y1 1 4 3
✓ 单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路
19
✓并联支路数等于极数，并联支路对数a=2 ✓ 电刷放置
➢电枢绕组中的电流产生的磁场。
➢主磁极的中心线称为直轴，相邻N极 和S极的分界线称为交轴。
➢一般情况下，直流电机电枢磁场方向 总是对准交轴，称为交轴电枢反应。
电刷位于几何中性线上
34
电刷偏离几何中性线
✓ 两个气隙 ✓ 两个齿 ✓ 两个主极 ✓ 一个定子轭 ✓ 一个转子轭
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 主磁场分布
B0 (x)
μ0 Fδ δ(x)
Bδ
气隙磁密为平顶波
➢ 磁化曲线
起始阶段为直线 其延长线为气隙线 铁磁饱和导致磁化 曲线的弯曲
kμ
F0 Fδ
1
FFe Fδ
32
2.3.3 直流电机的电枢磁场
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通：空载是电机中的磁场是对称分布的，分为两部分
✓ 主磁通：经气隙、电枢、相邻主极下的气隙、主极铁芯、定 子磁轭闭合。
主磁通同时交链与励磁绕组和电枢绕组； 在电枢绕组中产生感应电动势，实现机电能量交换；
用0表示。
✓ 漏磁通：经主极间的空气或定子磁轭闭合。 不穿过气隙； 不参与机电能量交换；
电机学 Electric Machinery
（第2章 直流电机）
2.1 概述
➢ 直流电机工作原理 ➢ 直流电机的主要结构部件 ➢ 直流电机额定值
2.1.1 直流电机工作原理
2.1.2 直流电机的主要结构部件
风扇 机座 电枢
主磁极 刷架 换向器
端盖
接线板
出线盒 换相极
直流电机整体结构
2.1.2 直流电机的主要结构部件
用表示。 ✓ 总磁通：为主磁通与漏磁通之和，用m表示。
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁通间的关系
Φm
Φ0
Φσ
Φ0
1
Φσ Φ0
kσΦ0
k—主极漏磁系数，一般取值1.15~1.25
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 磁动势
F0 H dl 2Nf If
F0 — 每对极励磁磁动势 Nf — 每极主极上的励磁绕组匝数 ➢ 主磁路结构 —五段式
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 槽内每层元件边数：u ✓ 槽数Z与虚槽数Zi： Zi =uZ ✓ 元件数S、换向片数K与虚槽数Zi：S=K= Zi
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第一节距y1：两个元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示
✓ 极距：每个主磁极在电枢表面占据的距离，或相邻两主极
直流电机主磁极与换向极
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机机座
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电枢冲片和电枢绕组
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机换向器
2.1.2 直流电机的主要结构部件
直流电机电刷装置
2.1.3 直流电机的额定值
➢ 额定功率：PN，单位 W或kW ➢ 额定电压：UN，单位 V ➢ 额定电流：IN，单位 A ➢ 额定励磁电压：UfN，单位 V ➢ 额定励磁电流：IfN，单位 A ➢ 额定转速：nN，单位 r/min
➢ 电枢绕组类型
➢ 叠绕组：单叠叠绕组与波绕组的组合
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 绕组元件：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。 ✓ 元件边：放在槽中切割磁力线、感应电动势的有效边。 ✓ 上（下）元件边：放在某一槽上（下）层。 ✓ 端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。
➢ 额定效率：N
➢ 额定转矩：TN，单位 N·m
➢ 额定温升：，单位 C
2.2 直流电机电枢绕组
➢ 基本特点 ➢ 单叠绕组 ➢ 单波绕组
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 电枢绕组设计的基本要求
➢ 电动势大，波形好 ➢ 电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大 ➢ 结构简单，连接可靠 ➢ 便于维修 ➢ 换向性能好
间的距离，用弧长或虚槽数表示。
✓ y1应接近一个极距 ，且为整数。 ✓ 整距： y1= ✓ 短距： y1< ✓ 长距： y1>
2.2.1 电枢绕组基本特点
➢ 基本概念
✓ 第二节距y2：与同一换向器相连的两个元件，第一个元件的 下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，也常 用虚槽数表示。叠绕组， y2 <0；波绕组， y2 >0;
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2.2.3 单波绕组
✓ 4极电机
✓ Z=Zi=S=K=15 ✓ 单波左行短整距绕组
y1
Zi 2p
ε 15 3 3 44
y Zi 1 15 1 7 p2
y2 y y1 7 3 4
✓ 单波绕组：所有处于同极性下的元件串联起来构成一条支路
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✓ 并联支路数等于2，并联支路对数a=1 ✓ 电刷放置位置
2.3 直流电机的磁场
➢ 磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 ➢ 主极磁场可由永久磁铁产生 ➢ 主极磁场也可由励磁绕组通入直流电流或由产生。
2.3.1 直流电机按励磁方式分类
他励直流电机 并励直流电机 串励直流电机 复励直流电机
2.3.2 直流电机的空载磁场
➢ 空载磁场（主磁场）：电枢电流Ia=0，仅由If 建立的励磁磁场。
23
小结
➢ 直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组。 ➢ 直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。
在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数；
单叠绕组，a = p，即并联支路对数恒等于电机极对数；
单波绕组，a = 1，即并联支路对数恒等于1。 ➢ 电刷放置的一般原则：
确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大； 被电刷短路的元件中的电动势为零； 端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。