第5講直流電機的電樞繞組與電樞反應

上一講需要掌握的知識點回顧：

1.直流電動機、發(fā)電機工作原理

導體構成的線圈電流、電勢變化，換向片在其中的作用

2.直流電機的結構

定、轉子的組成部分及其作用

3.直流電機銘牌數(shù)據(jù)的定義

思考題

1）磁極固定，電刷與電樞同速同向旋轉時，電刷兩端電壓的性質？

2）電樞固定，電刷與磁極同速同向旋轉時，電刷兩端電壓的性質？第3章直流電機3.2直流電機的電樞繞組3.3直流電機電樞磁勢對電機運行的影響

3.2直流電機的電樞繞組

電樞繞組是電機能量變換的樞紐。3.2.1電樞繞組的特點

直流電機的電樞繞組是由結構形狀相同的元件構成的。所謂元件，是指兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件有兩個引出線，即首端和末端。圖3-12元件圖（a）單匝元件；（b）兩匝元件每一元件有兩個有效部分，稱為元件邊，用于切割磁場感應電動勢。元件在槽外（電樞鐵芯兩端）的部分，不切割磁通，因而不感應電動勢，僅作為連接引線，稱為端部。構成元件線匝的兩個有效邊稱為導體。電機的電樞繞組上開有一定數(shù)量的槽，每個槽的上、下層各放若干個元件邊。在一般情況下，實際的槽數(shù)Z與虛槽Zi的關系為

Zi=uZ

（3-6）一個虛槽按照繞組的連接方法，直流電機的電樞繞組可分為三種類型：疊繞組、波繞組和蛙繞組等。圖3-14單疊繞組的節(jié)距繞組節(jié)距：分為第一節(jié)距y1、第二節(jié)距y2、合成節(jié)距y及換向片節(jié)距yk。3.2.2單疊繞組

1.節(jié)距

節(jié)距是指被連接的元件邊或換向片之間的距離，用槽數(shù)表示。

1）第一節(jié)距y1

y1是指同一元件兩個邊之間的距離，以虛槽數(shù)來計算。為了使元件感應出最大電動勢，就要使y1等于一個極距τ，（3-8）

2）第二節(jié)距y2

y2為元件的下層邊與其相連接的元件上層邊之間的距離，以虛槽數(shù)計。

3）合成節(jié)距y和換向片節(jié)距yk

y是相串聯(lián)的兩個元件的對應邊間的距離。y與y1、y2的關系為

y=y1+y2

（3-10）

2.單疊繞組展開圖

y=yk=±1的直流電機的電樞繞組稱為單疊繞組，y=yk=+1的為右行繞組，y=yk=－1為左行繞組，直流電機通常選用右行繞組。繞組展開圖是將放在鐵芯中的由各元件構成的電樞繞組取出來，畫成一張圖，用來描述槽內(nèi)各元件的連接情況。

右行繞組為

y=yk=1

第二節(jié)距為

y2=y－y1=－3例：2p=4，Zi=S=K=16的直流電機為例，構成右行單疊繞組，并畫出繞組展開圖。

1）計算節(jié)距

第一節(jié)距y1為圖3-15單疊繞組展開圖

2）繞組展開圖

繞組展開圖就是把放在電樞鐵芯槽里的元件構成的電樞繞組畫在一張圖里，用來表示槽內(nèi)各元件在電路上的連接情況。

2）繞組展開圖

繞組展開圖就是把放在電樞鐵芯槽里的元件構成的電樞繞組畫在一張圖里，用來表示槽內(nèi)各元件在電路上的連接情況。

3.單疊繞組的并聯(lián)支路

把相同極性的電刷并聯(lián)起來，并按照其中各元件連接的順序，以及被電刷所短路的元件，可以畫出如圖3-16所示的并聯(lián)支路圖。由圖可以看出：每一個支路所串聯(lián)的元件是位于同一磁極下的全部元件。本例中，磁極數(shù)2p=4，所以共有4個支路并聯(lián)。

單疊繞組的特點：電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)等于電機的極對數(shù)，即

a=p

（3-11）圖3-16單疊繞組的并聯(lián)支路圖當電樞旋轉時，電刷位置不動，并聯(lián)支路圖中的整個電樞繞組在移動，每個元件不斷地順次移到它前面一個元件的位置上，但總的支路情況不變。3.3直流電機電樞磁勢對電機運行的影響

直流電機空載時，電機磁路中只有主極磁場，直流電機負載后，電樞繞組也要產(chǎn)生磁場。圖3-20直流電機的磁路3.3.1直流電機的磁路、磁密與磁通由于空氣的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，因此在分析直流電機特性時，可以忽略鐵磁材料的磁阻認為所有磁勢全部落在氣隙上，則有：（3-14）主磁通所經(jīng)過的磁路應分為以下幾段：磁極極身、氣隙、轉子齒、轉子鐵軛、定子鐵軛。根據(jù)磁路歐姆定律有（3-15）根據(jù)Bδ=μ0Hδ，并在忽略鐵磁材料的磁阻后，有2IfNf≈2Hδδ。此時氣隙磁密為（3-16）可見，當勵磁磁勢一定時，氣隙δ越大（磁阻Rmδ越大），氣隙磁密Bδ（磁通Φ）越??；當電機制成以后，氣隙δ為定值，若勵磁電流If增加，則氣隙磁密Bδ增加，即磁通Φ增加。

3.3.2直流電機的空載磁場及磁化曲線

1.直流電機的空載磁場

對于實際電機，由于主極中心處氣隙均勻，而極尖處氣隙加大，因此主極下的磁密分布均勻，極尖處磁密逐漸減小，兩極之間的幾何中心線處磁密為零。圖3-21空載時直流電機氣隙磁密分布（a）空載磁場分布；（b）空載氣隙磁密波形

2.直流電機空載磁化曲線

直流電機的磁化曲線Φ0=f（F0）。圖3-22直流電機空載磁化曲線If較小時，鐵磁材料和氣隙的磁阻為常數(shù)，得到線性關系；If增大，鐵磁材料進入飽和，磁阻增大，就是非線性的關系。3.3.3直流電機的勵磁方式

直流電機因其勵磁方式不同，它們的基本特性亦不同。圖3-23直流電機的勵磁方式（a）他勵；（b）并勵；（c）串勵；（d）復勵他勵直流電動機并勵直流電動機串勵直流電動機復勵直流電動機I=Ia

，If與Ia無關I=Ia

+IfI=Ia=IfI=Ia

+If

，Ia=If'

3.3.4直流電機負載時電樞磁動勢對電機運行的影響

當直流電機負載以后，電樞繞組中有電流Ia通過。電樞電流Ia產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。此時，直流電機的氣隙磁場由主磁極磁動勢（空載磁動勢）與電樞磁動勢共同建立。電樞繞組產(chǎn)生的磁場對勵磁繞組磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應對氣隙磁通的大小和波形、電機的運行性能、換向能力都有影響。

1.電樞磁場的特點

當不考慮鐵芯飽和影響時。

1）電刷在幾何中心線上

將圖沿電樞圓周表面展開

據(jù)安培環(huán)路定律，該閉合回路所包圍的導體中的總電流，就是作用于該閉合回路的電樞磁動勢f（x）。忽略鐵芯磁壓降，則作用于每段氣隙上的電樞磁動勢為fa（x）=f（x）/2。（3-17）

設電樞繞組的導體總數(shù)為N，導體電流為ia，則可見，當x=τ/2，即在幾何中心線（交軸處）時：可見，每極電樞磁動勢fa（x）沿電樞圓周的分布波形是三角波，在主極極面下，由于氣隙很小且均勻，因此Ba（x）的大小與fa（x）成正比；而在極靴以外的交軸附近，雖然fa（x）很大，但由于氣隙很大，因此Ba（x）較小。可見，Ba（x）在空間呈馬鞍形分布。圖3-25

fa（x）、Ba（x）空間分布曲線將圖沿電樞圓周表面展開正負圖3-26電刷偏離幾何中心線時的電樞磁動勢當電刷偏離幾何中心線β角時，電樞磁動勢的軸線不在幾何中心線上。此時可以將電樞磁動勢分解到直軸和交軸，其直軸分量可引起空載磁通大小發(fā)生變化，直軸分量Fad與主極磁動勢方向相反，可引起主極磁動勢減小。

2.電樞反應

1）直軸電樞反應

直軸電樞磁動勢Fad的軸線與主極磁動勢軸線重合，其作用是直接影響主極下磁通的大小。以發(fā)電機為例，當電刷逆旋轉方向轉動β，其直軸電樞反應磁動勢的方向與主極勵磁磁動勢的方向相反，所以直軸電樞反應是去磁的。如果電刷順旋轉方向轉動β，則直軸電樞反應是增磁的。主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線

2）交軸電樞反應圖3-27負載時合成氣隙磁密示意圖電樞反映總體上是去磁的同時，與空載相比，合成氣隙磁密Bδ（x）的零點不再處于幾何中心線上，而是偏移了一個角度。通常將合成磁密為零的點所在的直線稱為物理中心線，顯然電樞反應使物理中心線偏離幾何中心線。這將造成電機換向惡化，有可能引起環(huán)火損壞電機。綜上所述，直流電機電樞反應對氣隙磁場的影響如下：

（1）物理中心線偏離幾何中心線，氣隙磁場畸變；

（2）氣隙合成磁場被削弱，磁通減少，交軸電樞磁動勢對主極磁通有去磁作用。本講需要掌握的重點：

3.2直流電機的電樞繞組

1.實槽、虛槽等的概念及相互關系