第三章 直流電機(jī)原理

第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)3.3直流電機(jī)的電樞繞組和磁場3.4直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩3.5直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理3.6直流電機(jī)的換向第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理3.1.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景

直流電機(jī)誕生至今已有180多年的歷史了。和其他人類偉大的發(fā)明一樣，直流電機(jī)也經(jīng)歷了漫長而艱苦的歷程。1821年9月法拉第發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線能繞永久磁鐵旋轉(zhuǎn)以及磁體繞載流導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，第一次實(shí)現(xiàn)了電磁運(yùn)動(dòng)向機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，從而建立了電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)室模型，被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)電機(jī)，如圖3-1所示。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后不久，他又利用電磁感應(yīng)發(fā)明了世界上第一臺(tái)真正意義上的電機(jī)-法拉第圓盤發(fā)電機(jī)，如圖3-2所示。1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并制作了世界上第一臺(tái)能產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，如圖3-3所示。后來又經(jīng)過許多科學(xué)家長期改進(jìn)演變，最終形成了現(xiàn)在美觀實(shí)用的直流電機(jī)。有一種常被運(yùn)用在玩具上的電機(jī)如圖3-4所示。第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理圖3-1第一臺(tái)電機(jī)原理圖

圖3-2法拉第圓盤發(fā)電機(jī)

圖3-3斯特金的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)

圖3-4現(xiàn)代直流電機(jī)

第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論以及永磁材料的快速發(fā)展，直流電機(jī)得以迅速發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械一般都用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中也日益廣泛地應(yīng)用各種控制電機(jī)。為了提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，大量的生產(chǎn)機(jī)械要求直流電機(jī)以不同的速度工作。這就要求人們采用一定的方法來改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，即對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣，過程平滑，調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟(jì)。直流電機(jī)在上述方面都具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，使它得到廣泛的應(yīng)用。第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)直流電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械，按照用途可以分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩類。其中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能的電機(jī)稱為直流發(fā)電機(jī)，如圖3-5所示；將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電動(dòng)機(jī)，如圖3-6所示。圖3-5直流發(fā)電機(jī)圖3-6直流電動(dòng)機(jī)

第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理直流電機(jī)的特點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)相比，具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能。直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級(jí)調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。而直流發(fā)電機(jī)則能提供無脈動(dòng)的大功率直流電源，且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。1.調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速。

2.可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)3、過載轉(zhuǎn)矩大。4.易于控制，可靠性較高。第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理但直流電機(jī)也有它顯著的缺點(diǎn)：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運(yùn)行時(shí)由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，因而可靠性較差，維護(hù)比較困難。直流電機(jī)的用途：由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列車、電動(dòng)自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中，圖3-7所示是其應(yīng)用的幾種實(shí)例。第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理(a）地鐵列車(b)城市電車(c）電動(dòng)自行車(d)造紙機(jī)圖3-7直流電動(dòng)機(jī)的用途第3章直流電機(jī)原理3.1直流電機(jī)的應(yīng)用背景及基本工作原理3.1.2直流電機(jī)的基本工作原理(1)直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。如圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型。N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上（由換向片構(gòu)成的圓柱體稱為換向器）。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，線圈的ab、cd兩邊因切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由右手定則可以判斷出感應(yīng)電動(dòng)勢的方向?yàn)閐→c→b→a，電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。D65一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)是根據(jù)導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，從而在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢的電磁感應(yīng)原理制成的。圖3-8直流發(fā)電機(jī)工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)導(dǎo)線在穩(wěn)定磁場中做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體內(nèi)電子受到洛倫茲力的的作用會(huì)在導(dǎo)線兩端產(chǎn)生電勢，電勢方向遵循左手定則，這樣產(chǎn)生的電勢稱為動(dòng)生電動(dòng)勢。發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理來發(fā)電的。一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)中，我們?cè)诰€圈的端處，采用換向器跟電刷鏈接，因此換向之后雖然內(nèi)部線圈的電流方向發(fā)生改變，但是外部輸出的電流方向沒有發(fā)生改變，于是這就是我們所說的直流發(fā)電機(jī)。如果是交流就采用滑環(huán)。單個(gè)線框感生的電勢太弱，可用多圈的繞組代替單個(gè)線框，以產(chǎn)生較高的電勢，電勢為單框的n倍，n為圈數(shù)。圖2是多圈的繞組與單個(gè)線框的對(duì)比圖，在多圈的繞組外包有絕緣帶。一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理D65直流發(fā)電機(jī)的工作原理如下：(1)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子（即電樞）以每分轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)電機(jī)的固定主磁極建立磁場。(3)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)，切割磁力線而感應(yīng)交流電動(dòng)勢，經(jīng)電刷和換向器整流作用輸出直流電勢。注意：某一根轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電勢性質(zhì)是交流電；而經(jīng)電刷輸出的電動(dòng)勢卻是直流電。直流電動(dòng)機(jī)是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中會(huì)受到磁場力作用這一基本原理制成的D65二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

這是一個(gè)方形導(dǎo)線框，在線端頭焊接兩片半圓周的銅片，兩片半圓周的銅片構(gòu)成換向器，兩個(gè)彈性銅片靠在換向器兩側(cè)是電刷。二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理電源通過電刷向?qū)Ь€框供電，線框中就有電流通過，在線框兩側(cè)放一對(duì)磁極，磁極就會(huì)形成磁場，線框處在磁場中，當(dāng)線框通有電流時(shí)，兩側(cè)導(dǎo)線就會(huì)受到磁場的作用力，方向依左手定則判斷，圖中導(dǎo)線上綠色小球表示流動(dòng)的電流、綠色半透明箭頭是導(dǎo)線受力方向，受到磁場的作用力的線框會(huì)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)90度后，換向器改變了線框電流的方向，于是導(dǎo)線框會(huì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖D65直流電動(dòng)機(jī)工作原理如下。(1)將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過。(2)電機(jī)主磁極建立磁場。(3)載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力f的作用。(4)所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。直流電動(dòng)機(jī)是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中會(huì)受到磁場力作用這一基本原理制成的D65三、直流電機(jī)的可逆原理一臺(tái)直流電機(jī)原則上既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。將直流電源加于電刷，向電樞內(nèi)輸入電能，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動(dòng)勢，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同一臺(tái)電機(jī)，既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能做發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。第3章直流電機(jī)原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)3.2.1直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要由定子（靜止部分）、轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部分或稱電樞）兩大部分組成。定子與轉(zhuǎn)子之間有間隙稱為氣隙。定子部分包括：主磁極、換向磁極、電刷裝置、機(jī)座、端蓋和軸承等裝置；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇和支架等部分。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的組成部件1-端蓋；2-電刷裝置；3-換向器；4-電樞線圈；1-前端蓋；2-風(fēng)扇；3-機(jī)座；4-電樞；5-電樞鐵芯；6-磁軛；7-主磁極；5-電刷架；6-后端蓋8-勵(lì)磁繞組；9-風(fēng)扇；10-軸。

D651.1.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，通常把產(chǎn)生磁場的部分做成靜止的，稱為定子；把產(chǎn)生感應(yīng)電勢或電磁轉(zhuǎn)矩的部分做成旋轉(zhuǎn)的，稱為轉(zhuǎn)子（又叫電樞）。定子與轉(zhuǎn)子間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故有一定的空氣隙，一般小型電機(jī)的空氣隙為0.7～5mm，大型電機(jī)為5～10mm。第3章直流電機(jī)原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)1.定子部分定子的作用是產(chǎn)生磁場和作為電機(jī)的機(jī)械支撐。如圖3-11-圖3-14為電機(jī)的定子組成部分。圖3-11直流電機(jī)主磁極結(jié)構(gòu)

圖3-12直流電動(dòng)機(jī)換向極結(jié)構(gòu)1-機(jī)座；2-主磁極鐵芯；3-勵(lì)磁繞組1-換向極鐵芯；2-換向極繞組圖3-13電刷結(jié)構(gòu)圖3-14機(jī)座1-銅絲辮；2-壓緊彈簧；1-機(jī)座；2-換向磁極3-主磁極3-電刷；4-刷握。

第3章直流電機(jī)原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)2.轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。它包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、軸承和風(fēng)扇等。圖3-15電樞沖片形狀圖3-16換向器結(jié)構(gòu)1-齒；2-槽；3-軸向通風(fēng)孔1-V形套筒；2-云母片；3-換向片；4-聯(lián)結(jié)片。

直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)在前面直流電動(dòng)機(jī)的原理中已對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的基本原理作了介紹，但它距實(shí)際應(yīng)用的直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相差較大，下面介紹一臺(tái)與真實(shí)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相近的原理模型。

定子與轉(zhuǎn)子鐵芯電機(jī)的定子主要用來產(chǎn)生磁場，該模型定子有一對(duì)磁極，由導(dǎo)磁良好的鋼鐵制成，磁極的的磁力由一個(gè)U型永久磁鐵產(chǎn)生,淺藍(lán)色箭頭線表示磁場方向。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部分是轉(zhuǎn)子，在電機(jī)中起著機(jī)械能與電能之間轉(zhuǎn)換的部件稱為電樞，直流電機(jī)的電樞就是轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝在兩個(gè)磁極之間。為減小兩磁極間的磁阻，增強(qiáng)兩磁極間的磁通密度，轉(zhuǎn)子鐵芯（電樞鐵芯）由導(dǎo)磁良好的材料制作，在轉(zhuǎn)子的圓周有多個(gè)線槽（此處為8個(gè)），用來嵌放轉(zhuǎn)子的線圈。由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中通過的磁通方向是不停變化的，為防止渦流損耗，轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成，每片表面涂有絕緣請(qǐng)漆。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電樞鐵芯的8個(gè)線槽里嵌有8個(gè)線圈，組成電樞繞組，為便于觀察，采用一個(gè)單圈線框代表一個(gè)轉(zhuǎn)子線圈，圖4是一個(gè)線框。嵌在槽內(nèi)的稱為有效邊，露在槽外的稱為端部。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)換向器有8個(gè)銅制換向片，排成圓筒形，換向片間留有縫隙，相互絕緣。把轉(zhuǎn)子線圈的引出線按規(guī)律焊接在換向片上，直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)把嵌有繞組的轉(zhuǎn)子插入兩磁極之間，兩個(gè)嵌有石墨塊的電刷靠在換向器兩側(cè)。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)在兩電刷上接通電源，可在圖上看到每個(gè)線槽中線框的電流方向，線框受磁場作用力，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，線框受力方向依左手定則判斷。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第3章直流電機(jī)原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)表征電機(jī)額定運(yùn)行情況的各種數(shù)據(jù)稱為額定值。額定值一般標(biāo)注在電機(jī)的銘牌上，所以又稱為銘牌數(shù)據(jù)，它是正確合理使用電機(jī)的依據(jù)。銘牌數(shù)據(jù)主要包括電機(jī)型號(hào)、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定勵(lì)磁電流和勵(lì)磁方式等，此外還有電機(jī)的出廠數(shù)據(jù)，如出廠編號(hào)、出廠日期等。若電機(jī)的電流正好等于額定值，稱為滿載運(yùn)行；若電機(jī)的電流超過額定值，稱為過載運(yùn)行；若比額定值小得多，稱為輕載運(yùn)行。長期輕載運(yùn)行使電機(jī)的容量不能充分利用。故在選擇電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡可能使電機(jī)運(yùn)行在額定值附近。。

第3章直流電機(jī)原理3.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)

3.2.3直流電機(jī)系列

Z2系列：該系列為一般用途的小型直流電機(jī)系列?！癦”表示直流，“2”表示第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)。系列容量為0.4kW～200kW，電動(dòng)機(jī)電壓為110V、220V，發(fā)電機(jī)電壓為1l5V、230V，屬防護(hù)式。ZF和ZD系列：這兩個(gè)系列為一般用途的中型直流電機(jī)系列?！癋”表示發(fā)電機(jī)，“D”表示電動(dòng)機(jī)。系列容量為55kW～1450kW。ZZJ系列：該系列為起重、冶金用直流電機(jī)系列。電壓有220V、440V兩種。工作方式有連續(xù)、短時(shí)和斷續(xù)三種。ZZJ系列電機(jī)啟動(dòng)快速，過載能力大。此外，還有ZQ直流牽引電動(dòng)機(jī)系列及用于易爆場合的ZA防爆安全型直流電機(jī)系列等。

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第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組是直流電機(jī)的主要電路，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。設(shè)計(jì)電樞繞組要求：能通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠大的電動(dòng)勢；盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料；保證換向良好。為滿足這些要求，電樞繞組必須按照一定的規(guī)律連接。直流電機(jī)電樞繞組為雙層分布繞組，其連接方式有疊繞組和波繞組兩種類型。疊繞組又分為單疊繞組和復(fù)疊繞組；波繞組又分為單波繞組和復(fù)波繞組；此外還有蛙型繞組，即疊繞組和波繞組混合繞組。。

第3章直流電機(jī)原理3.3.1直流電機(jī)電樞繞組的基本知識(shí)1.電樞繞組元件繞組元件是指一個(gè)由一匝或多匝導(dǎo)線繞制成的、兩端分別與換向片相連的線圈，它是構(gòu)成繞組的基本單元。一個(gè)元件邊放在槽的上層，另一邊放在另一個(gè)槽的下層，因此一個(gè)槽里總有上、下層兩個(gè)線圈邊，稱為雙層繞組。圖3-17電樞繞組元件在槽內(nèi)的放置1-上層元件邊；2-端接部分；3-下層元件邊；4-末端；5-始端第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

2.實(shí)槽和虛槽圖3-18時(shí)的槽內(nèi)元件布置圖實(shí)槽是電樞鐵芯上實(shí)際存在的槽。在許多電機(jī)中由于元件數(shù)較多，若在鐵芯上開相同數(shù)目的槽是根困難的，甚至是不可能的，這時(shí)只有在每個(gè)槽的上、下層放置u個(gè)(u>1)有效邊，形成實(shí)槽與虛槽第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

電樞繞組的特點(diǎn)，我們通常采用虛槽數(shù)、元件數(shù)、換向片數(shù)及各種節(jié)距來表征。每一個(gè)元件有兩個(gè)元件邊，每一個(gè)換向片同時(shí)接有一個(gè)上元件邊和一個(gè)下元件邊，所以元件數(shù)S一定與換向片數(shù)K相等。每一個(gè)虛槽也包含上下層兩個(gè)元件邊，則虛槽數(shù)也與元件數(shù)想等，因此有：第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

3.繞組繞組中，主要研究單疊繞組與單波繞組（a）兩匝的疊繞元件（b）兩匝的波繞元件第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

名詞、術(shù)語的概念1、磁極中心線：極軸線2、幾何中心線：磁極之間的平分線3、極距τ：鐵心表面一個(gè)磁極所占的距離，槽數(shù)4、線圈：一匝5、元件：多匝第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

極距τ是指相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，換言之，對(duì)應(yīng)于一個(gè)磁極在電樞外圓上所占有的弧長稱為極距。極距τ用一個(gè)主磁極所占有的虛槽數(shù)表示，即名詞、術(shù)語第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

名詞、術(shù)語第一節(jié)距y1：一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過的距離第二節(jié)距y2：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中相鄰有效邊的距離合成節(jié)距y：連至同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離換向器節(jié)距yk：同一元件首末端連接的換向片之間的距離第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

4.單疊繞組的特點(diǎn)單疊繞組是指相串聯(lián)的后一個(gè)元件端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分的上面，整個(gè)繞組成褶疊式前進(jìn)。單疊繞組是指合成節(jié)距=土1的疊繞組單：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個(gè)換向片的寬度疊：兩個(gè)相鄰的元件，后一元件的端部緊疊在前一元件的端部,合成節(jié)距=土1槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D655．單疊繞組的連接方法例已知電機(jī)的極數(shù)2p=4，實(shí)槽與虛槽數(shù)相同，且z=s=k=16，繞制一個(gè)單疊右行整距繞組。解基本過程分為三大步5小步(1)計(jì)算極距和節(jié)距第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65第一節(jié)距y1的選取原則：（1）y1必須是整數(shù)（2）為了輸出電勢最大，y1≈τ1)計(jì)算極距和節(jié)距第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D652)、畫槽，編號(hào)，畫繞組及換向片用y1畫出一個(gè)元件，推而廣之繞組端部對(duì)稱繞組放置規(guī)則：元件1：上元件邊在1槽，下元件邊放在相距y1=4即5槽下層元件2：上元件邊在2槽，下元件邊放在相距y1=5即6槽下層。以此類推…第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65畫槽，編號(hào)，畫繞組及換向片第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65畫槽，編號(hào)，畫繞組及換向片第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65畫槽，編號(hào)，畫繞組及換向片第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65畫槽，編號(hào)，畫繞組及換向片第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D653)、安放磁極

對(duì)稱分布，N、S交替寬度一般為0.7τ左右第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65

4)、安放電刷，完成連線

電刷寬度略小于換向片寬度

單疊：電刷數(shù)=磁極數(shù)

原則：

-引出來的電勢最大（2，3，4）

-被電刷短路的元件電勢最小（1，5）-端部對(duì)稱時(shí)，電刷放在主極中心線下面的換向片上規(guī)律：第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組由于元件結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，因此，無論是整距、短距或是長距元件，只要元件軸線與主極軸線重合，元件中的電動(dòng)勢便為零。而元件所接兩片換向片間的中心線稱為此時(shí)換向器上的幾何中性線，如圖。（a）對(duì)稱端接元件（b）不對(duì)稱端接元件

圖3-24電刷放置原則。

第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D654)、安放電刷，完成連線第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65D655)、繞組鏈接順序表單疊繞組元件連接順序圖單疊繞組連接順序圖

繞電樞一周，所有原件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)閉合回路第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65D655、畫繞組電路圖（并聯(lián)支路圖）單疊繞組電樞支路圖特點(diǎn)：每個(gè)磁極下的元件組成一條支路第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65單疊繞組電樞支路圖第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65二、單疊繞組總結(jié)整個(gè)電樞繞組為一個(gè)閉合回路，無頭無尾-感應(yīng)電動(dòng)勢總和為零元件的兩個(gè)出線端要連接于相鄰兩個(gè)換向片上并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p;電刷數(shù)等于磁極數(shù)，每條支路由不相同的電刷引出電樞電壓等于每一個(gè)支路的電壓由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和Ia=2a?ia第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65D65l.單波繞組的特點(diǎn)三、單波繞組單波繞組示意圍單波繞組是指相串聯(lián)的兩個(gè)元件按波浪式推進(jìn)，其換向節(jié)距接近二倍極距的繞組第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65D65說明三、單波繞組為了使串聯(lián)的元件的電勢同向相加，合成節(jié)距應(yīng)當(dāng)滿足：第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D652.單波繞組的連接方法例已知電機(jī)極數(shù)2p=4，實(shí)槽與虛槽數(shù)相同，且z=s==15，繞制單渡左行繞組。解(1)計(jì)算有關(guān)節(jié)距。根據(jù)左行繞組及節(jié)距公式，有第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D652.單波繞組的連接方法(2)作繞組連接順序圖單波繞組連接順序圖第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組。

D65畫單波繞組展開圖

D65單波繞組的連接方法單波繞組展開圖第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組D65第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組放置主磁極和電刷主磁極的放法與單疊繞組的相同。確定出電樞的旋轉(zhuǎn)方向后，再根據(jù)右手定則判定每根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢方向。電刷的放置原則也和單疊繞組的相同，即電刷的中心與主磁極的軸線重合。D65第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組繞組的并聯(lián)支路單渡繞組并聯(lián)支路圖

D65第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組單渡繞組并聯(lián)支路圖

D65第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組單波繞組同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路-支路對(duì)數(shù)a＝1，與磁極對(duì)數(shù)p無關(guān)?電刷組數(shù)應(yīng)等于極數(shù)?電樞電流與支路電流的關(guān)系為：Ia=2iaD65第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組總結(jié)：直流電機(jī)電樞繞組的要點(diǎn)?所有的直流電機(jī)的電樞繞組總是自動(dòng)閉合的，無頭無尾?電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠(yuǎn)是成對(duì)出現(xiàn)的-因?yàn)榇艠O(2p)也是成對(duì)出現(xiàn)的?為了得到最大電勢，電刷總是短接位于幾何中心線上的元件D65第3章直流電機(jī)原理3.3直流電機(jī)的電樞繞組單疊繞組與單波繞組的區(qū)別單疊繞組?先串聯(lián)所有在同一極下的元件，形成一條支路每增加一對(duì)主極就增加一對(duì)支路，總支路數(shù)為2a＝2p?并聯(lián)支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適用于較低電壓較大電流的電機(jī)單波繞組?把全部相同極性下的元件相連，形成一條支路整個(gè)繞組只有一對(duì)支路，總支路數(shù)為2a＝2?并聯(lián)支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，適用于較高電壓較小電流的電機(jī)第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場3.4.1直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的聯(lián)結(jié)方式稱為勵(lì)磁方式。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四類，如圖所示。為電樞電壓，為勵(lì)磁電壓，為電樞電流，為勵(lì)磁電流，為主電源電流，正方向假定采用電動(dòng)機(jī)慣例。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

（a）他勵(lì)；（b）并勵(lì)；（c）串勵(lì)；（d）、（e）復(fù)勵(lì)。

第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

勵(lì)磁繞組里有勵(lì)磁電流，其它繞組無電流時(shí)的磁場情況。這種情況叫做電機(jī)的空載運(yùn)行，又叫做無載運(yùn)行。直流電機(jī)的空載磁場，即時(shí)建立的勵(lì)磁磁場，也叫主磁場。?電機(jī)空載—是指電樞

電流等于0或者很小，可以忽略不計(jì)?空載時(shí)直流電機(jī)內(nèi)的磁場由勵(lì)磁繞組的磁動(dòng)勢單獨(dú)激磁空載時(shí)磁場分布第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

?磁通分成主磁通和漏磁通?主磁通通過氣隙

-交連定轉(zhuǎn)子-在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢

-或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

?漏磁通不通過氣隙-只交連定轉(zhuǎn)子單方-浪費(fèi)磁勢-大約是主磁通的20%空載時(shí)磁場分布第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場示意圖以四極電機(jī)為例，當(dāng)勵(lì)磁繞組流過勵(lì)磁電流時(shí)，每極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢建立的空載磁場的分布如圖：第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

主磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢的計(jì)算每極主磁通記為，漏磁通記為，則通過每個(gè)主極鐵心中的總磁通為：式中，稱為主極漏磁系數(shù)，其大小與磁路結(jié)構(gòu)即磁場分布情況有關(guān)，通常。

設(shè)產(chǎn)生主磁通的每極勵(lì)磁磁動(dòng)勢為，當(dāng)勵(lì)磁繞組通過勵(lì)磁電流時(shí)，有式中，為每極主極上的勵(lì)磁繞組匝數(shù)。

第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場根據(jù)安培環(huán)路定律求得磁動(dòng)勢為

為了簡化計(jì)算，忽略鐵心飽和，且假定鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣隙的磁導(dǎo)率，即不考慮鐵心磁阻的影響，于是有。

因此，氣隙磁密為第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場3.4.3直流電機(jī)空載氣隙磁通密度的分布空載時(shí)的氣隙磁通密度分布為一平頂波，如圖為空載時(shí)直流電機(jī)氣隙磁密分布。

氣隙磁密波形

?空載時(shí)，磁動(dòng)勢主要消耗在氣隙上。?忽略鐵心磁阻時(shí)，氣隙磁密的分布就取決于氣隙的大小和形狀。

。

空載時(shí)直流電機(jī)氣隙磁密第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

3.4.4直流電機(jī)的空載磁化曲線直流電機(jī)的磁化曲線是指電機(jī)的主磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢的關(guān)系曲線

，如圖3-31所示。這條曲線可由磁路計(jì)算方法求得。?空載氣隙磁通與空載勵(lì)磁電流

的關(guān)系?為了合理地利用材料，一般額

定運(yùn)行點(diǎn)設(shè)定在拐點(diǎn)（圖中A點(diǎn)）?斜直線是氣隙消耗的磁通勢，

稱氣隙線。空載特性第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場3.4.5直流電機(jī)的負(fù)載磁場和電樞反應(yīng)直流電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，電樞繞組中有電流通過，電樞繞組的電流也會(huì)產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主磁極磁場一起，在氣隙中建立一個(gè)合成磁場。下面以兩極電動(dòng)機(jī)為例分析合成磁場分布情況。。

負(fù)載特點(diǎn)?負(fù)載后，電樞繞組中有電流，電樞磁勢第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場電刷在幾何中性線上時(shí)第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

圖3-32直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁場分布示意圖（a）主磁極磁場；（b）電樞磁場；（c）合成磁場第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

電樞磁動(dòng)勢

在氣隙圓周方向空間分布是三角波電樞磁動(dòng)勢產(chǎn)生的氣隙磁密

是對(duì)稱的馬鞍型負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場為電樞磁場產(chǎn)生的氣隙磁密分布，為空載氣隙磁密分布，為合成氣隙磁密波形。由圖可知，電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變（2）對(duì)主磁場起去磁作用（3）使物理中性線逆著電樞轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)a角。

(因?yàn)橥ㄟ^疊加，使磁場強(qiáng)度為零的地方前移。)。

第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

四、電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)：電樞磁場對(duì)主極磁場的影響說明：電樞反應(yīng)包括直軸電樞反應(yīng)和交軸電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)和電刷的位置有關(guān)當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)，電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：?只有交軸電樞磁場?使氣隙磁場發(fā)生畸變，物理中性線偏離幾何中心線?不計(jì)磁飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)既無增磁也無去磁作用?飽和時(shí)交軸電樞反應(yīng)有一定的去磁作用第3章直流電機(jī)原理3.4直流電機(jī)磁場。

當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí)實(shí)際電機(jī)中，由于裝配誤差或其它原因，電刷難以恰好在幾何中性線上。設(shè)電刷偏離幾何中性線的電角度為，相當(dāng)于在電樞表面移過弧長為的距離，如圖3-35所示。

圖3-35電刷偏離幾何中性線的電樞反應(yīng)第3章直流電機(jī)原理3.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩。

3.5.1電樞電動(dòng)勢

電樞電動(dòng)勢是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢，也就是電樞繞組每個(gè)支路里的感應(yīng)電動(dòng)勢。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，就某一個(gè)元件來說，其感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和方向都在變化著。但是，各個(gè)支路所含元件數(shù)相等，各支路的電動(dòng)勢相等且方向不變。于是，可以先求出一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均電動(dòng)勢，再乘上一個(gè)支路里總導(dǎo)體數(shù)(為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù))，

一個(gè)磁極極距范圍內(nèi)，平均磁密用表示，極距為，電樞的軸向有效長度為，每極磁通為，則

一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢為

線速度可以寫成第3章直流電機(jī)原理3.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩。

可得導(dǎo)體平均感應(yīng)電動(dòng)勢的大小只與導(dǎo)體每秒所切割的總磁通量有關(guān)，與氣隙磁密的分布波形無關(guān)。于是當(dāng)電刷放在幾何中線上，電樞電動(dòng)勢為式中是一個(gè)常數(shù)，稱電動(dòng)勢常數(shù)。第3章直流電機(jī)原理。

3.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩3.5.2電磁轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場里的受力原理，一根導(dǎo)體所受的平均電磁力為式中是導(dǎo)體里流過的電流；是電樞總電流；是支路對(duì)數(shù)。第3章直流電機(jī)原理。

3.5直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)一根導(dǎo)體受的平均電磁力乘電樞的半徑為轉(zhuǎn)矩，即總電磁轉(zhuǎn)矩表示為

把帶入上式得直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的一般公式為

式中是一個(gè)常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。第3章直流電機(jī)原理3.6直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理3.6.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式直流電動(dòng)機(jī)基本方程式可以根據(jù)能量守恒，導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率、轉(zhuǎn)矩和電壓平衡方程式。它們是分析直流電動(dòng)機(jī)各種特性的基礎(chǔ)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各物理量采用電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)的正方向如圖3-36所示，各物理量采用電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)的正方向：如果乘積為正，就是向電機(jī)送入電功率；和都為正，電磁轉(zhuǎn)矩就是拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩

也為正。電機(jī)軸上帶的是制動(dòng)性的阻轉(zhuǎn)矩。。

圖3-36電動(dòng)機(jī)慣例第3章直流電機(jī)原理3.6直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理1.直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式電樞電動(dòng)勢是反電勢，與電樞電流方向相反，直流電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，作用在軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)：一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩，方向與轉(zhuǎn)速方向相同，為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)矩；一個(gè)是電動(dòng)機(jī)空載損耗形成的轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速n方向相反；還有一個(gè)是軸上所帶生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，一般為制動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，在大小上也等于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)中驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩總是等于制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，據(jù)此可得直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式。

第3章直流電機(jī)原理3.6直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理2.直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢平衡方程式根據(jù)電路的基爾霍夫電壓定律，可以寫出電樞回路的電動(dòng)勢平衡方程式3.直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡關(guān)系將上式兩邊都乘以，得到

改寫成

把上式兩邊都乘以機(jī)械角速度，得改寫成。

第3章直流電機(jī)原理3.6直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理總損耗電動(dòng)機(jī)的效率。

第3章直流電機(jī)原理3.6直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理

當(dāng)時(shí)，的關(guān)系就稱為轉(zhuǎn)速特性。額定勵(lì)磁電流的定義是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞兩端加額定電壓，拖動(dòng)額定負(fù)載，即，轉(zhuǎn)速也為額定值時(shí)的勵(lì)磁電流。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性公式為

圖3-37他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。

3.6.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性第3章直流電機(jī)原理3.6直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理2.轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)時(shí)