電機(jī)拖動(dòng)與控制

張勇主編電機(jī)拖動(dòng)與控制青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院面向21世紀(jì)高職高專(zhuān)系列教材第0章電機(jī)概述電機(jī)的定義

電機(jī)是一種能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置，是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的統(tǒng)稱。將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)稱為電動(dòng)機(jī)；將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)稱為發(fā)電機(jī)。工作原理電磁感應(yīng)定律、電磁力定律及電流的磁效應(yīng)。構(gòu)造的一般原則用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁和導(dǎo)電材料構(gòu)成能互相進(jìn)行電磁感應(yīng)的電路和磁路，以產(chǎn)生電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。電機(jī)分類(lèi)：變壓器直流電機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器動(dòng)力電機(jī)微特電機(jī)感應(yīng)電機(jī)同步電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)交流電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步補(bǔ)償機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)靜止電機(jī)特種變壓器：自耦、三繞組、互感器我們周?chē)碾姍C(jī)舉例：我們周?chē)碾姍C(jī)舉例：本章內(nèi)容：直流電機(jī)的基本工作原理直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及銘牌直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的磁場(chǎng)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)中的換向直流電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)第一章直流電機(jī)基本理論及結(jié)構(gòu)第一章直流電機(jī)基本理論及結(jié)構(gòu)直流電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)性能和調(diào)速性能好，過(guò)載能力大。缺點(diǎn)：存在電流換向問(wèn)題，結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，使用有色金屬多，價(jià)格昂貴，運(yùn)行可靠性差。直流電機(jī)發(fā)展形勢(shì)：隨著近年來(lái)電力電子學(xué)和微電子學(xué)的迅速發(fā)展，將逐步被交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)取代，直流發(fā)電機(jī)則正在被電力電子器件整流裝置所取代。但在今后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，直流電機(jī)仍將在許多場(chǎng)合繼續(xù)發(fā)揮作用。

1.1直流電機(jī)的基本工作原理補(bǔ)充：分析電機(jī)常用的基本電磁定律

(1)電磁力定律：垂直于磁力線的導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)，會(huì)受到力的作用。力的方向用左手定則確定：

若與磁力線垂直的導(dǎo)體通過(guò)電流，導(dǎo)體受的力為：F=B·L·IF：力，NB：磁感應(yīng)強(qiáng)度,Wb/m2或T(特斯拉)L:導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，mI：導(dǎo)體中的電流，A

若導(dǎo)體與磁力線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)為：E=B·L·VE：感應(yīng)電勢(shì)，VB：磁感應(yīng)強(qiáng)度,Wb/m2或T(特斯拉)L:導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，mV：導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度，m/s感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定：

1.1直流電機(jī)的基本工作原理(2)電磁感應(yīng)定律：若導(dǎo)體切割磁力線，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

1.1直流電機(jī)的基本工作原理(3)電流磁效應(yīng)：通電的導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的方向用右手螺旋定則確定：

1.1直流電機(jī)的基本工作原理

1.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過(guò)，電流方向a到b到c到d到a。在磁場(chǎng)作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如右圖。a)圖1-1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時(shí)原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。b)圖1-1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理電機(jī)的各組成部件

1.1直流電機(jī)的基本工作原理

1.1.2直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理右圖為直流發(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。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過(guò)放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。圖1-2直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖1.1.2直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理

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。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)，線圈abcd將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如右圖，導(dǎo)體ab在N極下，a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體cd在S極下，c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。圖1-2直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180度后，如右圖。導(dǎo)體ab在S極下，a點(diǎn)低電位，b點(diǎn)高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點(diǎn)低電位，d點(diǎn)高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。可見(jiàn)，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下。1.1.2直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理圖1-2直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖1.1.2直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理?電機(jī)可逆原理：

從上述基本電磁情況來(lái)看，一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只是其輸入輸出的條件不同而已。如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，將機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，而電刷上不加直流電壓，則從電刷端可以引出直流電動(dòng)勢(shì)作為直流電源，可輸出電能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而成為發(fā)電機(jī)；如在電刷上加直流電壓，將電能輸入電樞，則從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而成為電動(dòng)機(jī)。這種同一臺(tái)電機(jī)，既能作發(fā)電機(jī)又能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)學(xué)理論中稱為電機(jī)的可逆原理。

1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及銘牌

1.2.1結(jié)構(gòu)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)：主要由定子、轉(zhuǎn)子（電樞）兩大部分組成。定子的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

1.2.1結(jié)構(gòu)圖1-4直流電機(jī)橫剖面示意圖1.定子直流電機(jī)的定子由主磁極、機(jī)座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。(1)主磁極：主要作用是建立主磁場(chǎng)。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來(lái)建立磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場(chǎng)分布，并使勵(lì)磁繞組容易固定。(2)換向極：主要作用是改善換向，安裝在兩相鄰主磁極之間，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成。

(3)機(jī)座：機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。機(jī)座中作為磁通通路的部分稱為磁軛。機(jī)座的兩端裝有端蓋。(4)端蓋：端蓋裝在機(jī)座兩端并通過(guò)端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時(shí)端蓋對(duì)電機(jī)內(nèi)部還起防護(hù)作用。

1.2.1結(jié)構(gòu)

1.2.1結(jié)構(gòu)(5)電刷裝置：電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷、刷握、刷桿和連線等部分組成。

圖1-7換向極

1.2.1結(jié)構(gòu)

1.2.1結(jié)構(gòu)

2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風(fēng)扇等。(1)電樞鐵心：電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽硅鋼片疊壓夾緊而成。(2)電樞繞組：電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，是直流電機(jī)的電路部分，也是感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。(3)換向器：在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多換向片排成一個(gè)圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個(gè)V形環(huán)夾緊而構(gòu)成。

1.2.1結(jié)構(gòu)

1.2.1結(jié)構(gòu)

1.2.1結(jié)構(gòu)圖1-9直流電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1.轉(zhuǎn)軸2.軸承3.換向器4.電樞鐵心5.電樞繞組6.風(fēng)扇7.軸承

1.2.1結(jié)構(gòu)電機(jī)的銘牌上標(biāo)明了電機(jī)的型號(hào)及額定數(shù)據(jù)，供用戶選擇和使用時(shí)參考。

額定值是制造廠對(duì)各種電氣設(shè)備（本章指直流電機(jī)）在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以保證各電氣設(shè)備長(zhǎng)期可靠地工作，并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)或試驗(yàn)的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。

1.2.2電機(jī)的銘牌

1.

銘牌數(shù)據(jù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有：

⒈額定功率PN

指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以"W"為量綱單位。若大于1kW或1MW時(shí),則用kW或MW表示?！飳?duì)于直流發(fā)電機(jī)，PN是指發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)，電刷輸出的功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PN＝UNIN

★對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，PN是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，所以公式中還應(yīng)有效率ηN存在。PN＝UNINηN(ηN額定效率）

1.2.2電機(jī)的銘牌⒉額定電壓UN

指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以“V”為量綱單位。⒊額定電流IN

指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以“A”為量綱單位。

⒋額定轉(zhuǎn)速nN

指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。⒌額定勵(lì)磁電流If

指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。

1.2.2電機(jī)的銘牌額定條件下電機(jī)所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機(jī)指軸上輸出的機(jī)械功率電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)：是指輸出額定電壓；電動(dòng)機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速

1.2.2電機(jī)的銘牌對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞線圈的連接方式勵(lì)磁方式此外，電機(jī)銘牌上還標(biāo)有其它數(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電壓、出廠日期、出廠編號(hào)等?！耠妱?dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩用TN表示，其大小等于輸出的額定機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子額定角速度，即TN=PN/ΩN=PN/(2πnN/60)=9.55PN/nN※實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電機(jī)不可能總是工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，如果運(yùn)行時(shí)電機(jī)的負(fù)載小于額定容量，稱為欠載運(yùn)行；而電機(jī)的負(fù)載超過(guò)額定容量，稱為過(guò)載運(yùn)行。長(zhǎng)期的欠載或過(guò)載都不好。

1.2.2電機(jī)的銘牌例題1-1：一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)其額定功率PN=160kW，額定電壓UN=220V，額定效率ηN=90%，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，求該電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的輸入功率、額定電流及額定轉(zhuǎn)矩各是多少？

1.2.2電機(jī)的銘牌解：額定輸入功率P1=PN/ηN=160/0.9=177.8kW額定電流IN=PN/UNηN=160*103/220*0.9=808.1A額定轉(zhuǎn)矩TN=9.55PN/nN=9.55*160*103/1500=1018.7N?m2.國(guó)產(chǎn)直流電機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)：電機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)一般用大寫(xiě)印刷體的漢語(yǔ)拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。其中漢語(yǔ)拼音字母是根據(jù)電機(jī)的全名稱選擇有代表意義的漢字，再?gòu)脑撟值钠匆糁械玫?，例如，ZA—112/2—1其中，Z—直流電動(dòng)機(jī)；A—設(shè)計(jì)系列號(hào)；112—中心高112mm2—極數(shù)；1—1號(hào)鐵心Z2系列是一般用途的中、小型直流電機(jī)，包括發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)及調(diào)壓發(fā)電機(jī)。Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流電機(jī)系列。Z是直流電動(dòng)機(jī)系列；ZF是直流發(fā)電機(jī)系列。ZQ系列是電力機(jī)車(chē)、工礦電機(jī)車(chē)和蓄電池供電電車(chē)用的直流牽引電動(dòng)機(jī)。ZH系列是船舶上各種輔助機(jī)械用的船用直流電動(dòng)機(jī)。ZU系列是用于龍門(mén)刨床的直流電動(dòng)機(jī)。

1.2.2電機(jī)的銘牌

1.3直流電機(jī)的電樞繞組1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

元件（線圈）：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。一個(gè)元件由兩條元件邊和端接線組成，元件邊放在槽內(nèi)，能切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，叫“有效邊”，端接線放在槽外，不切割磁力線，僅作為連接線用。每個(gè)元件的一個(gè)元件邊放在某一個(gè)槽的上層，另一個(gè)元件邊則放在另一槽的下層。元件的首末端：每一個(gè)元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。每一個(gè)元件的兩個(gè)端點(diǎn)分別接在不同的換向片上，每個(gè)換向片接兩個(gè)不同的線圈端頭。

實(shí)槽：電機(jī)電樞上實(shí)際開(kāi)出的槽叫實(shí)槽。實(shí)槽數(shù)用Q表示。虛槽：即單元槽(每層元件邊的數(shù)量等于虛槽數(shù))，每個(gè)虛槽的上、下層各有一個(gè)元件邊。虛槽數(shù)用Qμ表示。設(shè)槽內(nèi)每層有μ個(gè)虛槽，若實(shí)槽數(shù)為Q，虛槽數(shù)為Qμ，則Qμ=μQ。極軸線：磁極的中心線。幾何中性線：是指主磁極N極和S極的機(jī)械分界線。物理中性線：把N極與S極磁場(chǎng)為零處的分界線稱為物理中性線。1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

a)元件b)繞組元件在槽內(nèi)的放置c）實(shí)槽與虛槽b）1—上層邊；2—下層邊；3—端接部分；4—首、末端c）1—槽楔；2—線圈絕緣；3—導(dǎo)線；4—層間絕緣；5—槽絕緣；6—槽底絕緣1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

極距：相鄰兩個(gè)主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示為（距離）若用虛槽數(shù)表示為（槽數(shù)）式中D—電樞外徑(m)；p—磁極對(duì)數(shù)。p2t=Qμ1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

極距位置示意圖繞組節(jié)距：繞組節(jié)距通常用虛槽數(shù)或換向片數(shù)表示，見(jiàn)圖1-12。(1)第一節(jié)距Y1：同一個(gè)元件的兩個(gè)有效邊在電樞表面跨過(guò)的距離。(2)第二節(jié)距Y2：連至同一換向片上的兩個(gè)元件中第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊間的距離。(3)合成節(jié)距Y：連接同一換向片上的兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離。

(4)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。單疊繞組單波繞組1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

圖1-12電樞繞組的節(jié)距a)單疊繞組b)單波繞組a)b)繞組主要分類(lèi)：

大的分類(lèi)為環(huán)形和鼓形；環(huán)形繞組只曾在原始電機(jī)用過(guò)；現(xiàn)代直流電機(jī)均用鼓形繞組，它又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導(dǎo)線，運(yùn)行較可靠，經(jīng)濟(jì)性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。環(huán)形繞組示意圖鼓形繞組示意圖1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

疊繞組：指串聯(lián)的兩個(gè)元件總是后一個(gè)元件的端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分，整個(gè)繞組成折疊式前進(jìn)。波繞組：指把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁場(chǎng)下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來(lái)，象波浪式的前進(jìn)。波繞組示意圖疊繞組示意圖1.3.1電樞繞組的常用術(shù)語(yǔ)

單疊繞組：是指相鄰元件(線圈)相互疊壓,元件的出線端接到相鄰的換向片上，第一個(gè)元件的下層邊（虛線）連接著第二個(gè)元件的上層邊，它放在第一元件上層邊相鄰的第二個(gè)槽內(nèi)。合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1,即：Y=Yk=1

下面通過(guò)例子說(shuō)明單疊繞組如何連接，有何特點(diǎn)。例:已知某直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)p=2，虛槽數(shù)Qμ，元件數(shù)S，及換向片數(shù)為K，S=K=Qμ=16,試畫(huà)出單疊繞組展開(kāi)圖。1.3.2單疊繞組解:1．計(jì)算繞組數(shù)據(jù):因?yàn)槭菃委B，所以Y=Yk=1

2．畫(huà)繞組展開(kāi)圖:

假想把電樞從某一槽的中間沿軸向切開(kāi)展示成平面，所得繞組連接圖稱為繞組展開(kāi)圖。（1）先畫(huà)16根等長(zhǎng)、等距的實(shí)線，代表各槽上層元件邊，再畫(huà)16根等長(zhǎng)等距的虛線，代表各槽下層元件邊。1.3.2單疊繞組Qμ（2）根據(jù)Y1，畫(huà)出第一個(gè)元件的上下層邊（1～5槽），令上層邊所在的槽號(hào)為元件號(hào)。（3）接上換向片，1、2片之間對(duì)準(zhǔn)元件中心線，之后等分換向器，定出換向片號(hào)；（4）畫(huà)出第二個(gè)元件，上層邊在第2槽，與第一個(gè)元件的下層邊聯(lián)接；下層邊在第6槽與3號(hào)換向聯(lián)接。按此規(guī)律，一直把16個(gè)元件全部聯(lián)起來(lái)。（5）放磁極：磁極應(yīng)均勻分布在圓周上，N極磁力線垂直向里（進(jìn)入紙面），S極向外（從紙面穿出）；1.3.2單疊繞組（6）放電刷：對(duì)準(zhǔn)在磁極軸線下，畫(huà)一個(gè)換向片寬（實(shí)際上K很多，電刷寬＝2～3片寬）。并把相同極性下的電刷并聯(lián)起來(lái)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷是靜止不動(dòng)的，電樞在旋轉(zhuǎn)，但是被電刷所短路的元件，永遠(yuǎn)都是處于電機(jī)的幾何中性線，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是接近零的。為使正、負(fù)電刷間引出的電動(dòng)勢(shì)最大，我們已知被電刷所短路的元件電動(dòng)勢(shì)為零，在元件端接線對(duì)稱的情況下，電刷的實(shí)際位置應(yīng)在磁極中性線下，所以習(xí)慣上稱為“電刷放在幾何中性線位置”。1.3.2單疊繞組1.3.2單疊繞組1.3.2單疊繞組單疊繞組連接順序表繞組展開(kāi)圖比較直觀，但畫(huà)起來(lái)比較麻煩，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，繞組連接規(guī)律也可用連接順序表來(lái)表示。本例連接順序表如下。上排數(shù)字同時(shí)代表上層元件邊的元件號(hào)、槽號(hào)和換向片號(hào)，下排數(shù)字代表下層元件邊所在的槽號(hào)。圖1-15單疊繞組并聯(lián)支路圖1.3.2單疊繞組取一瞬間（如圖F1-16瞬間），將此瞬間不與電刷接觸的換向片省去不畫(huà)，可以得到圖1-15的并聯(lián)支路圖?？梢钥闯鰡委B繞組的連接規(guī)律是將同一磁極下的各個(gè)元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路。所以，單疊繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a總等于極對(duì)數(shù)p，即a=p。單疊繞組的特點(diǎn)：1）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與并聯(lián)支路數(shù)相同。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電刷間電動(dòng)勢(shì)等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢(shì)。3）電刷個(gè)數(shù)等于極數(shù)。1.3.2單疊繞組

1.3.3單波繞組單波繞組的特點(diǎn)：1）上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，并聯(lián)支路對(duì)數(shù)恒等于1，與磁極對(duì)數(shù)無(wú)關(guān)；2）當(dāng)元件的幾何形狀左右對(duì)稱，電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，支路電動(dòng)勢(shì)最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)（全額電刷）。4）電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于并聯(lián)支路對(duì)數(shù)的多少。單疊繞組可以通過(guò)增加極對(duì)數(shù)來(lái)增加并聯(lián)支路對(duì)數(shù)。適用于低電壓大電流的電機(jī)；單波繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a=1，但每條支路串聯(lián)的元件數(shù)較多，適用于小電流較高電壓的電機(jī)。

1.3.3單波繞組

1.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)

1.4.1空載時(shí)的主磁場(chǎng)直流電機(jī)工作中，主磁極產(chǎn)生主磁場(chǎng)，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)。這兩個(gè)磁場(chǎng)在氣隙中相互影響，相互疊加，合成了氣隙磁場(chǎng)?？蛰d：發(fā)電機(jī)不輸出電功率，電動(dòng)機(jī)不輸出機(jī)械功率，即電樞電流為零的狀態(tài)。那么，這時(shí)的氣隙磁場(chǎng)，只由主極的勵(lì)磁電流所建立，所以直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)，又稱勵(lì)磁磁場(chǎng)。可以看作是主磁場(chǎng)。主磁通：經(jīng)過(guò)主磁極、氣隙、電樞鐵心及機(jī)座構(gòu)成磁回路。它同時(shí)與勵(lì)磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主磁通。漏磁通：僅交鏈勵(lì)磁繞組本身，不進(jìn)入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為漏磁通。主磁通路徑:磁力線由N極出來(lái)，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進(jìn)入S極，再經(jīng)定子鐵軛回到N極漏磁通路徑:磁力線不進(jìn)入電樞鐵心，直接經(jīng)過(guò)氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路1.4.1空載時(shí)的主磁場(chǎng)下圖1-19是一臺(tái)四極直流電機(jī)空載時(shí)的磁場(chǎng)示意圖。圖1-19直流電機(jī)的磁通及其分布幾何中性線

直流電機(jī)中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒(méi)有這個(gè)作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的(15—20)%。

空載時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)主要消耗在氣隙上。當(dāng)忽略鐵磁材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。1.4.1空載時(shí)的主磁場(chǎng)磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度B較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀（b）氣隙磁密分布1.4.1空載時(shí)的主磁場(chǎng)直流電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中有電流流過(guò)，它將產(chǎn)生一個(gè)電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)的磁力線分布如右圖。電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)使電機(jī)的磁場(chǎng)發(fā)生變化。右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的二極直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布情況。假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見(jiàn)電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間的分布情況。1.4.2負(fù)載時(shí)的電樞磁場(chǎng)圖1-21電樞磁場(chǎng)a)將圖1-21a展開(kāi)為圖1-21b。如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無(wú)窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中Fax所示。由于主磁極下氣隙長(zhǎng)度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長(zhǎng)度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖中Bax所示。注意：電樞磁動(dòng)勢(shì)Fax為三角波，電樞磁通密度Bax為馬鞍型。b)圖1-21電樞磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)的分布

1.4.2負(fù)載時(shí)的電樞磁場(chǎng)當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流，電機(jī)帶上負(fù)載后，氣隙中的磁場(chǎng)是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用的結(jié)果。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁極的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)，電樞磁場(chǎng)和主極磁場(chǎng)相互垂直，此時(shí)的電樞反應(yīng)叫交軸電樞反應(yīng)。將主磁場(chǎng)分布和電樞磁場(chǎng)分布疊加，可得到負(fù)載后電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況。1.4.3電樞反應(yīng)主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線

1.4.3電樞反應(yīng)將空載時(shí)主極磁通密度與負(fù)載時(shí)電樞磁通密度逐點(diǎn)相加，便得到負(fù)載時(shí)氣隙中的磁場(chǎng)分布曲線。(紅線所示)交軸電樞反應(yīng)（電刷在幾何中性線）的性質(zhì)：1.使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。2.對(duì)主極磁場(chǎng)起去磁作用磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量恰好等于被加強(qiáng)的數(shù)量，因此負(fù)載時(shí)每極下的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁飽和的影響，比不飽和增加的磁通要少些，從而使合成磁通量比空載時(shí)略為減小，起到了去磁作用。即電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。1.4.3電樞反應(yīng)

2、當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí)電刷從幾何中性線偏移β角，電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線也隨之移動(dòng)β角，如圖(a)(b)所示。這時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。如圖(a)(b)所示。1.4.3電樞反應(yīng)

電刷不在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)可用下列表格說(shuō)明:電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機(jī)交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動(dòng)機(jī)交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁1.4.3電樞反應(yīng)

1.5電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩

1.5.1電樞電動(dòng)勢(shì)電樞電動(dòng)勢(shì):電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是電樞繞組每條支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即一條支路中各元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和。大小:apNnCnEeaF=F=60)(電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中式中N—電樞總導(dǎo)體數(shù)；a—電樞繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)；—電動(dòng)勢(shì)常數(shù)F—?dú)庀睹繕O磁通（Wb）n—電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）可見(jiàn)，直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由電機(jī)轉(zhuǎn)向和主磁場(chǎng)方向決定。性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)(與電樞電流同方向)；電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)(與電樞電流反方向)。1.5.1電樞電動(dòng)勢(shì)電磁轉(zhuǎn)矩:電樞繞組中有電樞電流流過(guò)時(shí),在磁場(chǎng)內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩為：為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中可見(jiàn)，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩、每極磁通及電樞電流成正比；方向由主磁場(chǎng)方向和電樞電流方向決定。性質(zhì):

發(fā)電機(jī)——制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)——驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)。1.5.1電磁轉(zhuǎn)矩大小:aTaICIapNTF=F=p21.5.1電磁轉(zhuǎn)矩

電樞電動(dòng)勢(shì)的方向由電機(jī)的轉(zhuǎn)向和主磁場(chǎng)方