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1、第五篇 直流电机第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系目录第一节 直流电机的基本结构1第二节 直流电枢绕组4第三节 直流电机的磁场和电枢反应8第四节 电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式14第五节 电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式19小 结22思考题23习 题24第一节 直流电机的基本结构直流电机是旋转电机的主要类型之一。直流发电机供电质量较好，常作为直流电源用。直流电动机具有良好的起动、调速性能，常用在调速要求较高的场合。但是它与交流电机相比，由于有换向器，结构较复杂，造价较高，运行维护和可靠性较差。近年来电力电子技术发展较快，在某些场合，半导体整流电源已替代直流发电机；由电子换向线
2、路实现无接触换流的直流无刷电动机（仍具备直流电动机的各种优异运行特性），有取代传统有刷换向器直流电动机的趋势。尽管如此，目前直流换向器电机（习惯简称直流电机）仍有相当高的实用价值。直流电机与其它旋转电机的结构基本类同。直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成，定子用来固定磁极和作为电机的机械支撑。转子有用来感应电动势而实现能量的转换部件称为电枢和实现交流电变成直流电的换向器。 一 、定子部分直流电机的定子由主磁极、电刷装置、机座等组成。直流电机的结构图如图16-1所示。主磁极的作用是产生主磁场。主磁极由磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组构成。如图16-2所示。当励磁绕组中通有直流励磁电流时，气
3、隙中会形成一个恒定的主磁场，示意图如16-3所示。图中极芯下面截面较大的部分称为极靴，极靴表面沿圆周的长度称为极弧，极弧与相应的极距之比称为极弧系数，通常为左右。极弧的形状对电机运行性能有一定影响，它能使气隙中磁通密度按一定规律分布。为了减少电枢旋转时齿、槽依次掠过极靴表面，而形成磁密变化造成铁芯涡流损耗，主磁极铁芯通常用厚的导磁钢片叠压而成，然后再固定在磁轭上。各主磁极铁芯上套有励磁绕组，励磁绕组之间可串联，也可并联。主磁极成对出现，沿圆周是N、S极交替排列。容量较大的直流电机还有换向极（位于两个主磁极之间的较小磁极），如图16-3中5为换向极，常用厚钢板或整块钢制成，极上装有换向极绕组，换
4、向极下的空气隙较主磁极下的空气隙大。换向极数目一般与主磁极相同，但是小功率直流电机中，换向极的数目可以少于主磁极，甚至不装换向极。一般直流电机的机座既是电机的机械支撑，又是磁极外围磁路闭合的部分，即磁轭，因此用导磁性能较好的钢板焊接而成，或用铸钢制成。极座两端装有带轴承的端盖。电刷固定在机座或 端盖上，一般电刷数等于主磁极数。电刷装置有电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧和汇流条等组成，见图16-4所示。电刷一般用碳-石墨制成，装于刷握中，并有弹簧压住，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。电刷装置将电枢电流由旋转的换向器通过静止的电刷与外部直流电路接通。 二、 转子部分转子由电枢铁芯、电枢绕组和
5、换向器组成。电枢铁芯是主磁路的组成部分，为了减少电枢旋转时铁芯中磁通方向不断变化，而产生的涡流和磁滞损耗，电枢铁芯通常用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，叠片间有一层绝缘漆。见图16-5所示。图中环绕轴孔的一圈小圆孔为轴向通风孔，较大的电机还有径向通风系统，即将铁芯分为几段（图16-5（a）为两段），段与段之间留有约为10mm的通风槽，构成径向通风道。电枢铁芯的外缘，均匀地冲有齿和槽，一般为平行矩形槽。电枢绕组有绝缘导体绕成线圈嵌放在电枢铁芯槽内，每一线圈有两个端头，按一定规律连接到相应的换向片上，全部线圈组成一个闭合的电枢绕组。电枢绕组是直流电机的功率电路部分，也是产生感应电动势、电磁转矩和进行
6、机电能量转换的核心部件，绕组的构成对电机的性能关系密切，其具体连接方法和功能，将在下一节中讨论。 换向器由许多彼此绝缘的换向片组合而成，见图16-6所示。它的作用是将电枢绕组中的交流电动势用机械换向的方法转变为电刷间的直流电动势，或反之。换向片可以为燕尾形，升高部分分别焊入不同线圈两个端点引线，片间用云母片绝缘，排成一个圆筒形，目前小型直流电机改用塑料热压成形，简化了工艺，节省了材料。 三 、励磁方式直流电机的电路主要有两个部分，一个是套在主磁极铁芯上的励磁绕组，另一个是嵌在电枢铁芯槽中的电枢绕组。此外还有换向极绕组。电机的运行特性与励磁绕组获得励磁电流的方式，即励磁绕组与电枢绕组间的连接方式
7、关系很大，按励磁方式直流电机可分为他励和自励两大类。直流电机的各种励磁方式如图167所示。（1）他励式 他励式励磁绕组与电枢绕组不相连接，而由另一个独立的直流电源供给励磁。（2）自励式 自励式励磁绕组与电枢绕组按一定的规律相联接。直流发电机中，励磁电流由发电机本身供给；直流电动机中，励磁电流和电枢电流同由一个直流电源供给。自励式按两个绕组的连接方法不同又可分为：并励、串励和复励。1）并励 励磁绕组与电枢绕组并联，两个绕组上的电压相等，即电机的端电压。2）串励 励磁绕组与电枢绕组串联，两个绕组中电流相同。 3）复励 励磁绕组分两部分，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联。如串联绕组所产生的磁
8、动势与并联绕组所产生的磁动势方向相同，称为积复励；若两者相反，则称为差复励。通常应用的直流电机为积复励。先将串联绕组与电枢绕组串联，然后再与并联绕组并联，称长分接法复励；反之，先将并联绕组与电枢绕组并联，然后再与串联绕组串联，称短分接法复励。（3）永磁式 直流电机的励磁方式除了有以上电励磁方式外，还有永磁式，它是由永久磁铁建立励磁磁场，而无励磁绕组。第二节 直流电枢绕组电枢绕组是直流电机重要组成部分，也是构成比较复杂，变化比较多的部件。本节仅介绍其基本构成原则和两种最基本的绕组形式单叠和单波绕组。电枢绕组的基本要求是能产生足够的感应电动势，允许通过规定的电流，从而产生所需电磁转矩，并尽可能节约
9、材料、工艺简单、运行可靠。电枢绕组由结构形状相同的线圈单元组成，每一线圈的两端分别接至两个换向片，每个换向片又与两个线圈的端头相连，所以电枢绕组是各线圈通过换向片串联起来的，是一个闭合绕组。而交流电机的绕组是开启绕组，它是从一导体出发，依次连接该相所有线圈，每相都有首端与终端。为了便于分析直流电枢绕组，这里介绍几个绕组的术语，其中有些在交流绕组中已经讲过。电枢绕组均为双层绕组见图16-8（a），一个线圈有两个圈边分别处于不同极面下，放在电枢铁芯的槽中，一个在槽的上层位置，另一个必定在下层位置，跨距约等于一个极距，如图16-8（a）所示。对于一般的小型电机，每一槽中仅有上、下两个圈边，而大型电机
10、每一槽中上层和下层并列嵌放了几个圈边，如图16-8（b）所示，每层有C=3个圈边。在这种情况下，常引入虚槽的概念，即取一个上层圈边与一个下层圈边为一个虚槽，这样虚槽数Ze、实槽数Z和并列圈边数C之间的关系为 （16-1）电机的线圈数S、换向片数K也等于虚槽数Ze，即（16-2）设每个线圈有Nc匝，电枢总的导体数N为（16-3）直流电机电枢绕组分为叠绕组和波绕组两大类，各种绕组在电枢及换向器上的连接规律可由几个绕组“节距”来确定。1 第一节距 一个线圈的两个圈边之间的距离，称第一节距。通常用虚槽数表示，为了获得较大的感应电动势，应等于或接近于一个极距，必须是整数，故（16-4）式中 为使凑成整数
11、的一个分数。为整距，为短距，为长距，一般取整距或短距绕组。2 第二节距联至同一换向片上两个圈边之间的距离，即前一个线圈的下层圈边与后一个线圈上层圈边之间所跨的虚槽数，称第二节距。 3 合成节距紧相串联的两个线圈对应圈边之间的距离，称合成节距，同样用虚槽数表示。之间关系可由图16-9所示，其表达式为 （16-5）式中 对叠绕组为负值；对波绕组为正值。4 换向器节距 每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面上所跨的距离，称为换向器节距，用换向片数表示，换向片数与虚槽数相同，故（16-6）一、单叠绕组单叠绕组是指一个绕组元件相对于前一绕组元件仅仅移过一个槽，同时每个线圈的出线端依次连在相邻的换向片
12、上，所以(16-7）式中 “+1”和“-1”分别表示右行和左行绕组；图16-9（a）y=+1为右行绕组，而左行绕组连接线相互交错，用铜较多，故很少采用。现举例说明单叠绕组的连接。设绕组的极数2p=4，电枢有20槽，c=1，单叠右行绕组。则 第一节距 为整距绕组第二节距 根据已知的各个节距，可以画出电枢绕组的展开图。如图16-10所示。图中电枢绕组和换向器是旋转的，而磁极和电刷是不动的，因此，只须将磁极均匀分布在绕组上，电刷的中心线对着磁极中心线。按照主磁极的磁性和电枢旋转方向，可以确定圈边中的感应电动势的方向以及电刷的极性。可见，每个极面下各线圈元件中感应电动势的方向相同，在整个电枢绕组的闭合
13、回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流。由于有四个电刷（电刷数等于磁极数）均匀分布在换向器圆周上，各个电刷都将一个线圈元件短路，该元件的电动势恰为零，这样每个极面下的线圈元件串联成一个支路，本例中有四条并联支路，如图16-11所示。 由上可见，单叠绕组电刷数应该与磁极数相同，并联支路数等于电机极数，即 （16-8）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即（16-9）故叠绕组是一种并联支路数较多，电枢电流较大，而电刷间电动势较小的并联绕组。二 、单波绕组波绕组与叠绕组不同，单波绕组的每一绕组元件的出发点和终端不是在相邻的换向片上，而是相隔近似一对极距，经过p个绕组元件串联后，回到原出发
14、换向片的相邻一片上，所以（6-10）式中“+1”和“-1”分别表示右行和左行绕组，图16-9（b）为左行绕组，为了避免连线交错，节约铜线，常采用左行绕组。现举例说明单波绕组的连接。设极数2p=4，电枢有19槽，C=1，单波左行绕组。则合成节距 第一节距 第二节距 由于合成节距必须为整数，所以波绕组的换向片数和极数之间应该有一合理配置，如一个4极电机，换向片为18或20都不能绕成单波绕组。依据确定的各个节距，可以排出各绕组元件连接次序图和单波绕组的展开图，见图16-12和图16-13。由图可见，单波绕组只有两条并联支路，它的每一条支路包含了同一极性下的所有元件，所以它与电机的极数无关。即(16-
15、11） 展开图中电刷的安放与单叠绕组相同，照理两条并联支路只需要一对电刷，便可将电动势导出，但是流过电刷的电流密度有一定限制，若减少电刷个数，必定增加每个电刷的截面积，因此一般仍取电刷数等于极数。由上分析可见，单波绕组与单叠绕组各有特点，单波绕组具有最少的并联支路数，即a=1，因此电刷间的电动势较大，而电枢电流较小，故又称串联绕组。 实用中直流电枢绕组除单叠和单波绕组外，还有复叠、复波和混合绕组。双叠绕组y=2，可以看成是两个单叠绕组组合而成，并联支路数为极数的2倍。双波绕组，可以看成是两个单波绕组组合而成，并联支路数2a=4。混合绕组由一套波绕组和一套叠绕组按一定规律组合而成。就使用而言，各种绕组的主要区别是并联支路数的多少。通常根据电机的所需电流的大小和电压的高低来选择绕组的形式。第三节 直流电机的磁场和电枢反应一 、空载时直流电机的磁场在空载时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁电流所产生，由于励磁电流是直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。这一磁场在空间分布，即一个极面下磁场分布如图16-14（a）所示，磁极面下磁阻较小且较均匀，故磁密较高为，而两极之间的气隙处，磁密显著降低，从磁极边缘至几何中线处，磁密沿曲
