电机与拖动：第1章 直流电机的原理与结构

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1、第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.1第1章 直流电机的原理与结构 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.2直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 直流电机的换向直流电机的换向 本本 章章 小小 结结习题与思考题习题与思考题本章内容本章内容第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.31.1 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理 图图1.1是一台直流电机的最简单模型。是一台直流电机的最简单

2、模型。N和和S是一对固定的磁极，可以是电是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片换向片)上，它们的组合在一起称为换向上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和和B，线圈

3、，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。通过换向器和电刷接通外电路。 图1.1 直流电动机工作原理示意图 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.41.1 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理 一、直流电动机工作原理一、直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷将外部直流电源加于电刷A(正极正极)和和B(负极负极)上，则线圈上，则线圈abcd中流过电中流过电流，在导体流，在导体ab中，电流由中，电流由a指向指向b，在导体，在导体cd中，电流由中，电流由c指向指向d。导体。导体ab和和cd分别处于分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体极磁场中，受到电

4、磁力的作用。用左手定则可知导体ab和和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图1.1(a)所示。当电枢所示。当电枢旋转旋转180，导体，导体cd转到转到N极下，极下，ab转到转到S极下，如图极下，如图1.1(b)所示，由于电流仍所示，由于电流仍从电刷从电刷A流入，使流入，使cd中的电流变为由中的电流变为由d流向流向c，而，而ab中的电流由中的电流由b流向流向a，从电，从电刷刷B流出，用左手定则判别可知，电

5、磁转矩的方向仍是逆时针方同。流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。 由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。流电动机的基本工作原理。 实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器实际的直流电动机

6、，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。电动机的转速也就比较均匀。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.51.1 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理 二、直流发电机工作原理二、直流发电机工作原理 直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机(如汽轮如汽轮机等机等)拖动电枢朝某一方向拖动电枢朝某一方向(例如逆时针方向例如逆时针方向)旋转，如图

7、旋转，如图1.2(a)所示。这时导所示。这时导体体ab和和cd分别切割分别切割N极和极和S极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向用右手定则确定。可知导体用右手定则确定。可知导体ab中电动势的方向由中电动势的方向由b指向指向a，导体，导体cd中电动势中电动势的方向由的方向由d指向指向c，在一个串联回路中相互叠加的，形成电刷，在一个串联回路中相互叠加的，形成电刷A为电源正极，为电源正极，电刷电刷B为电源负极。电枢转过为电源负极。电枢转过180后，导体后，导体cd与导体与导体ab交换位置，但电刷的交换位置，但电刷的正负极性不变，如图正负极性不变，如图1.

8、2(b)所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷用，在电刷A、B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。工作原理。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.61.1 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理

9、 图1.2 直流发电机工作原理示意图 从以上分析可以看出：一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可从以上分析可以看出：一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行

10、。同一台电机，既能作电动电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.71.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 一、直流电机的结构一、直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定

11、子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图1.3所示。直流所示。直流电机的纵向剖视图如图电机的纵向剖视图如图1.4所示。所示。 1. 定

12、子定子 1) 主磁极主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用

13、螺钉固定在机座上，用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图如图1.5所示。所示。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.8图1.3 直流电机装配结构图 图1.4 直流电机纵向剖视图 1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心 1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.9 2) 换向极换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间

14、可能产生换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如成，如1.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。极的数目与主磁极相等。 3) 机座机座 电机定子的外壳称为机座，见图电机定子的外壳称为机座，见图1.4中的中的3。机座的作用有两个：一是用。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座来固定主磁极

15、、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。由钢板焊接而成。 4) 电刷装置电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1.7所示。电刷所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等

16、组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。置可以调整，调好以后加以固定。1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.10图1.5 主磁极的结构 图1.6 换向极 图1.7 电刷装置 1主磁极 2励磁绕组 3机座 1换向极铁心 2换向极绕组 1刷握

17、 2电刷 3压紧弹簧 4刷辫 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.112. 转子转子(电枢电枢)1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 1) 电枢铁心电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图冲片的形状如图1.8(a)所所示示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心，以降低电机运行时电枢铁

18、心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 2) 电枢绕组电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件以下称元件)按一定规律连接按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢

19、槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图1.9所所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 3) 换向器换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以中的交变电流，使电磁转矩的方向恒

20、定不变；在直流发电机中，换向器配以第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.121.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 图1.8 转子结构图 图1.9 电枢槽的结构 1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘 电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固通常如图的紧固通常如图1.10所示，换向片的下部做成鸽

21、尾形，两端用钢制所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和形套筒和V形形云母环固定，再用螺母锁紧。云母环固定，再用螺母锁紧。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.131.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 4) 转轴转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。钢加工而成。图1.10 换向器结构 图1.11 单叠绕组元件 图1.12 单波绕组元件 1换向片 2连接部分 1首端 2末端 3元件边4端接部分 5换向片 1首端 2末端 3元件边4端接部分 5换向片 第

22、第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.141.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 二、直流电机的电枢绕组二、直流电机的电枢绕组 按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组(见图见图1.11)、单波绕组、单波绕组(见见图图1.12)、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型。本节先介绍元件的基本、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型。本节先介绍元件的基本特点，再以单叠绕组和单波绕组为例阐述电枢绕组的构成原理和连接规律。特点，再以单叠绕组和单波绕组为例阐述电枢绕组的构成原理和连接规律。 1. 元件与节距元件与节距 1) 电枢绕组元件

23、电枢绕组元件 电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽电枢绕组元件由绝缘漆包铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽内、能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。元件的槽外部内、能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。元件的槽外部分亦即元件边以外的部分称为端接部分。为便于嵌线，每个元件的一个元件分亦即元件边以外的部分称为端接部分。为便于嵌线，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层，称为上层边，画图时以实线表示；另一个元件边则边嵌放在某一槽的上层，称为上层边，画图时以实线表示；另一个元件边则嵌放在另一槽的下层，称为下层边，画图时以虚线表示。每个元件有两个出

24、嵌放在另一槽的下层，称为下层边，画图时以虚线表示。每个元件有两个出线端，称为首端和末端，均与换向片相连。如图线端，称为首端和末端，均与换向片相连。如图1.11、图、图1.12所示。每一个所示。每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数下层边，所以元件数S总等于换向片数总等于换向片数K，即，即S=K；而每个电枢槽分上下两层；而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数嵌放两个元件边，所以元件数S又等于槽数又等于槽数Z，即，即S=K=Z。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原

25、理与结构 1.15 2) 节距节距 节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电节距是用来表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。直流电机电枢绕组的节距有第一节距机电枢绕组的节距有第一节距y1、第二节距、第二节距y2、合成节距、合成节距y和换向器节距和换向器节距yk 4种，如图种，如图1.13所示。所示。1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 (a) 单叠绕组 (b) 单波绕组 图1.13 电枢绕组节距 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.161.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 (1) 第一节距。同一元件的两个元件边

26、在电枢圆周上所跨的距离，用槽数第一节距。同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离，用槽数来表示，称为第一节距来表示，称为第一节距y1。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距 ，当用槽数表示时，极距的表达式为当用槽数表示时，极距的表达式为 (1.1) 式中式中 p磁极对数。磁极对数。 为使每个元件的感应电动势最大，第一节距为使每个元件的感应电动势最大，第一节距y1应等于一个极距应等于一个极距 ，但，但 往往不一定是整数，而往往不一定是整数，而y1只能是整数，因此，一般取第一节距只能是整数，因此，一般取第一节距 (1.2) 式中式中 小于小于1分数。分数。

27、 y1 的元件称为整距元件，由整距元件构成的绕组就称为整距绕组；的元件称为整距元件，由整距元件构成的绕组就称为整距绕组；y1 的元件，的元件，称为长距元件，相对应的绕组称为长距绕组。由于长距绕组的电磁效果与短称为长距元件，相对应的绕组称为长距绕组。由于长距绕组的电磁效果与短距绕组相似，但端接部分较长，耗铜较多，因此一般不采用。距绕组相似，但端接部分较长，耗铜较多，因此一般不采用。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.171.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 (2) 第二节距。第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之第二节距。第一个元件的下层边与直

28、接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为第二节距间在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为第二节距 ，如图，如图1.13所示。所示。 (3) 合成节距。直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽合成节距。直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为合成节距数表示，称为合成节距y，如图，如图1.13所示。所示。 (4) 换向器节距。每个元件的首、末两端所连接的两片换向片在换向器圆换向器节距。每个元件的首、末两端所连接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数表示，称为换向器节距周上所跨的距离，用换向片数表示，称为换向器节距 。由图。由图1.1

29、3可见，换可见，换向器节距向器节距 与合成节距与合成节距y总是相等的，即总是相等的，即 (1.3) 2. 单叠绕组单叠绕组 后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上，这种绕组称为叠后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上，这种绕组称为叠绕组。当叠绕组的换向器节距绕组。当叠绕组的换向器节距 =1时称为单叠绕组，如图时称为单叠绕组，如图1.13(a)所示。所示。 1) 单叠绕组的连接规律单叠绕组的连接规律 有一台直流电机，有一台直流电机，Z=S=K=16，2p4，现要接成单叠绕组。，现要接成单叠绕组。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.181.2 直流电机的结构和额

30、定值直流电机的结构和额定值 第一节距第一节距 换向器节距和合成节距换向器节距和合成节距 = y = 1 第二节距，由图第二节距，由图1.13(a)可见，对于单叠绕组可见，对于单叠绕组 = -y = 4-1=3 假想把电枢从某一齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为假想把电枢从某一齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为绕组展开图，如图绕组展开图，如图1.14所示。所示。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.191.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 图1.14 单叠绕组展开图(Z=S=K=16，2p4) 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机

31、的原理与结构 1.201.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 绘制直流电机单叠绕组展开图的步骤如下。绘制直流电机单叠绕组展开图的步骤如下。 (1) 画画16根等长等距的平行实线代表根等长等距的平行实线代表16个槽的上层，在实线旁画个槽的上层，在实线旁画16根平根平行虚线代表行虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线合起来代表一个槽，按顺序个槽的下层。一根实线和一根虚线合起来代表一个槽，按顺序编上槽号，如图编上槽号，如图1.14所示。所示。 (2) 按节距连接一个元件。例如将按节距连接一个元件。例如将1号元件的上层边放在号元件的上层边放在1号槽的上层，号槽的上层，其下层边应放在其

32、下层边应放在1+1+45号槽的下层。由于一般情况下，元件是左右对称号槽的下层。由于一般情况下，元件是左右对称的，因此可把的，因此可把1号槽的上层号槽的上层(实线实线)和和5号槽的下层号槽的下层(虚线虚线)用左右对称的端接部用左右对称的端接部分连成分连成1号元件。注意首端和末端之间相隔一片换向片宽度号元件。注意首端和末端之间相隔一片换向片宽度(1)。为使图形规。为使图形规整起见，取换向片宽度等于一个槽距，从而画出与整起见，取换向片宽度等于一个槽距，从而画出与1号元件首端相连的号元件首端相连的1号换号换向片和与末端相连的向片和与末端相连的2号换向片，并依次画出号换向片，并依次画出3至至16号换向片

33、。显然，元件号、号换向片。显然，元件号、上层边所在槽号和该元件首端所连换向片的编号相同。上层边所在槽号和该元件首端所连换向片的编号相同。 (3) 画画1号元件的平行线，可以依次画出号元件的平行线，可以依次画出2至至16号元件，从而将号元件，从而将16个元件个元件通过通过16片换向片连成一个闭合的回路。片换向片连成一个闭合的回路。 (4) 画磁极。该电机有画磁极。该电机有4个主磁极，在绕组展开图圆周上应该均匀分布，个主磁极，在绕组展开图圆周上应该均匀分布，即相邻磁极中心线之间相隔即相邻磁极中心线之间相隔4个槽。设某一瞬间，个槽。设某一瞬间，4个磁极中心分别对准个磁极中心分别对准3、7、11、15

34、槽，并让磁极宽度约为极距的槽，并让磁极宽度约为极距的0.60.7，画出，画出4个磁极，如图个磁极，如图1.14所示。所示。依次标上极性依次标上极性N1、S1、N2、S2，一般假设磁极在电枢绕组上面。，一般假设磁极在电枢绕组上面。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.211.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 (5) 画电刷。电刷组数也就是刷杆数目等于极数。本电机中画电刷。电刷组数也就是刷杆数目等于极数。本电机中2p为为4，必须，必须均匀分布在换向器表面圆周上，相互间隔均匀分布在换向器表面圆周上，相互间隔16/44片换向片。为使被电刷短路片换向片。为使被电刷短

35、路的元件中感应电动势最小、正负电刷之间引出的电动势最大，由图分析可以的元件中感应电动势最小、正负电刷之间引出的电动势最大，由图分析可以看出：当元件左右对称时，电刷中心线应对准磁极中心线。图中设电刷宽度看出：当元件左右对称时，电刷中心线应对准磁极中心线。图中设电刷宽度等于一片换向片的宽度。等于一片换向片的宽度。 设此电机工作在电动机状态，并欲使电枢绕组向左移动，根据左手定则设此电机工作在电动机状态，并欲使电枢绕组向左移动，根据左手定则可知电枢绕组各元件中电流的方向应如图可知电枢绕组各元件中电流的方向应如图1.14所示，为此应将电刷所示，为此应将电刷A1、A2并并联起来作为电枢绕组的联起来作为电枢

36、绕组的“+”端，接电源正极，将电刷端，接电源正极，将电刷B1、B2并联起来作为并联起来作为“”端，接电源负极。如果工作在发电机状态，设电枢绕组的转向不变，端，接电源负极。如果工作在发电机状态，设电枢绕组的转向不变，则电枢绕组各元件中感应电动势的方向用右手定则确定可知，与电动机状态则电枢绕组各元件中感应电动势的方向用右手定则确定可知，与电动机状态时电流方向相反，电刷的正负极性不变。时电流方向相反，电刷的正负极性不变。 绕组展开图虽然比较直观，但绘制起来比较麻烦。为简便起见，绕组连绕组展开图虽然比较直观，但绘制起来比较麻烦。为简便起见，绕组连接规律也可用连接顺序表表示。本例的连接顺序表如图接规律也

37、可用连接顺序表表示。本例的连接顺序表如图1.15所示。表中上排所示。表中上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换向片号，下排数字代表下层元数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换向片号，下排数字代表下层元件边所在的槽号。件边所在的槽号。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.221.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 图1.15 单叠绕组连接顺序表 保持图保持图1.14中各元件的连接顺序不变，将此瞬间不与电刷接触的换向中各元件的连接顺序不变，将此瞬间不与电刷接触的换向片省去不画，可以得到图片省去不画，可以得到图1.16所示的并联支路图。对照图所示的并联支路

38、图。对照图1.16和图和图1.14，可，可以看出单叠绕组的连接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条以看出单叠绕组的连接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路。所以，单叠绕组的并联支路对数支路。所以，单叠绕组的并联支路对数a总等于极对数总等于极对数p，即，即ap。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.23 2) 单叠绕组的特点单叠绕组的特点 (1) 位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，并联支路对数等位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，并联支路对数等于极对数，即于极对数，即ap。 (2) 当元件形状左右对称、电刷在换向器表面的位置对准磁极中心

39、线时，当元件形状左右对称、电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。正、负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。 (3) 电刷杆数等于磁极数。电刷杆数等于磁极数。 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 图1.16 图1.14所示瞬间绕组电路图 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.24合成节距合成节距 y第二节距第二节距 =y-第一节距第一节距 的确定原则与单叠绕组相同。的确定原则与单叠绕组相同。1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 3. 单波绕组单波绕组 单波

40、绕组的元件如图单波绕组的元件如图1.13(b)所示，元件首、末端之间的距离接近两个极所示，元件首、末端之间的距离接近两个极距，距， ，两个元件串联起来形成波浪形，故称波绕组。，两个元件串联起来形成波浪形，故称波绕组。p个元件串联后，个元件串联后，其末尾应该落在起始换向片其末尾应该落在起始换向片1前一片的位置，才能继续串联其余元件，为此，前一片的位置，才能继续串联其余元件，为此，换向器节距应满足以下关系：换向器节距应满足以下关系： K1 换向器节距换向器节距 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.251.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 1) 单波绕组的结构单

41、波绕组的结构 有一台直流电机，有一台直流电机，Z=S=K=15，2p4，欲接成单波绕组。，欲接成单波绕组。 (1) 计算节距。计算节距。 (2) 绘制展开图。绘制单波绕组展开图的步骤与单叠绕组相同。本例的展绘制展开图。绘制单波绕组展开图的步骤与单叠绕组相同。本例的展开图如图开图如图1.17所示。电刷在换向器表面上的位置也是在主磁极的中心线上。所示。电刷在换向器表面上的位置也是在主磁极的中心线上。因为本例的极距因为本例的极距 不是整数，所以相邻主磁极中心线之间的不是整数，所以相邻主磁极中心线之间的距离不是整数，相邻电刷中心线之间的距离用换向片数表示时也不是整数。距离不是整数，相邻电刷中心线之间的

42、距离用换向片数表示时也不是整数。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.261.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 图1.17 单波绕组展开图(Z=S=K=15，2p4) 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.27 (3) 单波绕组的连接顺序表。按图单波绕组的连接顺序表。按图1.17所示的连接规律可得相应的连接顺所示的连接规律可得相应的连接顺序表，如图序表，如图1.18所示。所示。 1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 图1.18 单波绕组连接顺序表 按图按图1.17中各元件的连接顺序，将此刻不与电刷按触的换向片省去不画，中

43、各元件的连接顺序，将此刻不与电刷按触的换向片省去不画，可以得此单波绕组的并联支路图，如图可以得此单波绕组的并联支路图，如图l.19所示。将并联支路图与展开图对照所示。将并联支路图与展开图对照分析可知，单波绕组是将同一极性磁极下所有元件串联起来组成一条支路，由分析可知，单波绕组是将同一极性磁极下所有元件串联起来组成一条支路，由于磁极极性只有于磁极极性只有N和和S两种，所以单波绕组的并联支路数总是两种，所以单波绕组的并联支路数总是2，并联支路对数，并联支路对数恒等于恒等于1，即，即a1。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.281.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定

44、值 图1.19 图1.17所示瞬间绕组电路图 2) 单波绕组的特点单波绕组的特点 (1) 上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并联支路对数恒等于联支路对数恒等于1，与极对数无关。，与极对数无关。 (2) 当元件形状左右对称、电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心当元件形状左右对称、电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大。线时，支路电动势最大。 (3) 单从支路对数来看，单波绕组可以只要两根刷杆，但在实际电机中，单从支路对数来看，单波绕组可以只要两根刷杆，但在实际电机中，为缩短换向器长度，以降低成本

45、，仍使电刷杆数等于极数，亦即所谓采用全为缩短换向器长度，以降低成本，仍使电刷杆数等于极数，亦即所谓采用全额电刷。额电刷。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.291.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 设绕组每条支路的电流为设绕组每条支路的电流为ia，电怄电流为，电怄电流为Ia，无论是单叠绕组还是单波绕，无论是单叠绕组还是单波绕组，均有组，均有 Ia=2aia (1.4) 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数，适用于低电压大电流的电机；

46、单波绕组通过增加极对数来增加并联支路对数，适用于低电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数的并联支路对数a=1，但每条并联支路串联的元件数较多，故适用于小电流较，但每条并联支路串联的元件数较多，故适用于小电流较高电压的电机。高电压的电机。 三、直流电机的励磁方式三、直流电机的励磁方式 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下分为以下4类。类。 1) 他励直流电机他励直流电机 励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图1.20(

47、a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图无关。图1.20中电流正方向是以电动机为例设定的。中电流正方向是以电动机为例设定的。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.30 2) 并励直流电机并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联。如图励磁绕组与电枢绕组并联。如图1.20(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。压。 以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%5%，所以励磁绕组的，所以励磁绕组的导线细而匝数多。导线细而匝

48、数多。 3) 串励直流电机串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联，如图励磁绕组与电枢绕组串联，如图1.20(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。以励磁绕组的导线粗而匝数较少。 4) 复励直流电机复励直流电机 每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图1.20(d)所示。两个绕组产生的磁动所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复

49、励势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。方式。 直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.311.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 (a) 他励电动机 (b) 并励电动机 (c) 串励电动机 (d) 复励电动机 图1.20 直流电动机的分类 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.321.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值 四、直流电机的额定值

50、四、直流电机的额定值 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要性能指标称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明的主要性能指标称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明书上。书上。 直流电机的额定值主要有下列几项：直流电机的额定值主要有下列几项： 1) 额定功率额定功率PN 额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是动机来说，

51、额定功率是指转轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是指电枢输出的电功率。单位为指电枢输出的电功率。单位为kW(千瓦千瓦)。 2) 额定电压额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出额定电压额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为电压，单位为V(伏伏)。 3) 额定电流额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流额定电流额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为过的最大电流，单位为A(安培安培)。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.331.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值

52、 4) 额定转速额定转速 额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为行时，电机的旋转速度，单位为r/min(转转/分分)。额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩额定转矩TN、额定效率、额定效率 N等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。牌上的数据计算得到。 额定功率与额定电压和额定电流之间有如下关系：额定功率与额定电压和额定电流之

53、间有如下关系： 直流电动机直流电动机 PN=UNIN N103 kW (1.5) 直流发电机直流发电机 PN=UNIN103 kW (1.6) 直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用行；电机的电枢电

54、流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.341.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 一、直流电机的磁场一、直流电机的磁场 由直流电机基本工作原理可知，直流电机无论作发电机运行还是作电动由直流电机基本工作原理可知，直流电机无论作发电机运行还是作电动机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。因此，在分析直流电机的运行原理

55、以前，必须先对直流电机中磁场的媒介。因此，在分析直流电机的运行原理以前，必须先对直流电机中磁场的大小及分布规律等有所了解。大小及分布规律等有所了解。 1. 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 直流电机不带负载直流电机不带负载(即不输出功率即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。空载时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁势运行时电枢电流为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁势单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布示单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图意图如图1.21所示，

56、为方便起见，只画一半。所示，为方便起见，只画一半。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.35图1.21 直流电机空载磁场分布图 1.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1) 主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通 图图1.21表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极出来，极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭(电枢磁轭电枢磁轭)，到，到S极下的电枢齿，又通过极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的气隙回到定子的S极，再经机座极，再经机座(定子磁轭定子磁轭)形成

57、闭合回路。这部分与励磁绕组和电形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用 0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。另有然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以 0表示。漏磁通路径主要为空气，磁阻很表示。漏磁

58、通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。左右。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.361.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 2) 直流电机的空载磁化特性直流电机的空载磁化特性 直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通通 ，当励磁绕组的匝数，当励磁绕组的匝数Wf一定时，每极磁通一定时，每极磁通 的大小主要决定于励磁电流的大小主要决定于励磁电流If。空载时每极磁通空载时每极磁通 0与空载励磁电流与空

59、载励磁电流If (或空载励磁磁势或空载励磁磁势 )称为电机的空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材称为电机的空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的料，铁磁材料磁化时的B-H曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性性 较大时也出现饱和，如图较大时也出现饱和，如图1.22所示。为充分利用铁磁材料，又所示。为充分利用铁磁材料，又不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分饱和的部分(图中

60、图中A点附近点附近)。图1.22 直流电机铁心空载磁化曲线 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.371.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 3) 空载磁场气隙磁密分布曲线空载磁场气隙磁密分布曲线 主磁极的励磁磁势主要消耗在气主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，当近似地忽略主磁路中铁磁性隙上，当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙分布就取决于气隙大小分布情况。大小分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距一般情况下，磁极极靴宽度约为极距的的75%左右，如图左右，如图1.23(a)所示

61、。磁极所示。磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数，靠近两磁通密度较大且基本为常数，靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小，超出极尖以外，气隙明显增大，减小，超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零，因何中性线处，气隙磁通密度为零，因此，空载气隙磁通密度分布为一个平此，空载气隙磁通密度分布为一个平顶波，如图顶波，如图1.23(b)所示。所示。 图1.23 空载气隙磁密分布曲线 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理

62、与结构 1.381.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 2. 直流电机的电枢反应及负载磁场直流电机的电枢反应及负载磁场 1) 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，如图直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，如图1.23(b)所示，负载时，电枢绕组流过电枢电流所示，负载时，电枢绕组流过电枢电流Ia，产生电枢磁势，产生电枢磁势Fa，与励磁磁，与励磁磁势势Ff共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁

63、势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。化。通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。 下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气隙磁场合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以磁场与空载气隙磁场合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。了解电枢反应的影响。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.391.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 2) 直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场图 图图1.24表示一台两极直流电

64、机电枢磁表示一台两极直流电机电枢磁势单独作用产生的电枢磁场分布情况，圈势单独作用产生的电枢磁场分布情况，圈中没有画出换向器，所以把电刷直接画在中没有画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的，与处在几何中性线上的元件边相接触的，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路，电枢元件下部所有元件构成另一条支路，电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为分界。图中边中电流的方向以电刷轴线为分界。图中设上部元件边中电流为出来，下部元件边设上部元件边中电流为出

65、来，下部元件边电流是进去，由右手螺旋定则可知，电枢电流是进去，由右手螺旋定则可知，电枢磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电刷轴线相重合，在几何中性线上，亦即与刷轴线相重合，在几何中性线上，亦即与磁极轴线相垂直。磁极轴线相垂直。图1.24 电刷在几何中性线 处的电枢磁场 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.401.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 下面进一步分析电枢磁势和电枢磁场气隙磁密的分布情况。如果假设图下面进一步分析电枢磁势和电枢磁场气隙磁密的分布情况。如果假设图1.24所示电机电枢绕组只有一个整距元件，

66、其轴线与磁极轴线相垂直，如图所示电机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁极轴线相垂直，如图1.25所示。该元件有所示。该元件有Wc匝。元件中电流为匝。元件中电流为ia，每个元件的磁势为，每个元件的磁势为iaWc安匝，安匝，由该元件建立的磁场的磁力线分布如图由该元件建立的磁场的磁力线分布如图1.24所示，如果假想将此电机从几何所示，如果假想将此电机从几何中性线处切开展平，如图中性线处切开展平，如图1.25所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁势等于它所包围的全电流电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁势等于它所包围的全电

67、流iaWc，当，当忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙均匀时，则每个气隙所消耗的磁忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙均匀时，则每个气隙所消耗的磁势为势为 ，一般取磁力线自电枢出，进定子时的磁势为正，反之为负，一般取磁力线自电枢出，进定子时的磁势为正，反之为负，这样可得一个整距绕组元件产生的磁势的分布情况如图这样可得一个整距绕组元件产生的磁势的分布情况如图1.26所示。可以看出所示。可以看出一个整距元件所产生的电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距一个整距元件所产生的电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距2 为周为周期、幅值为期、幅值为 的矩形波。的矩形波。第第1章章 直流电机的原理与结构直流

68、电机的原理与结构 1.411.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 图1.25 绕组元件的磁势 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.421.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的磁势仍是幅值为磁势仍是幅值为 的矩形波，把这许多个矩形波磁势叠加起来，可得的矩形波，把这许多个矩形波磁势叠加起来，可得电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距2 为周期的多级阶梯形波，为分析简为周

69、期的多级阶梯形波，为分析简便起见或者元件数目足够多时，可近似地认为电枢磁势空间分布为一个三角形波，便起见或者元件数目足够多时，可近似地认为电枢磁势空间分布为一个三角形波，三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图1.26所示。所示。 如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁势全都消耗在气隙上，则根据磁路的欧如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁势全都消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为：姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为： (1.7) 式中式中 Fax气隙中气隙中x处的磁势；处的磁势；Bax气隙中气隙中x

70、处的磁密。处的磁密。 由式由式(1.7)可知，在磁极极靴下，气隙可知，在磁极极靴下，气隙较小且变化不大，所以气隙磁密较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与电枢磁势成正比，而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过与电枢磁势成正比，而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax增加的程度，使增加的程度，使Bax反而减小，所以，电枢磁场磁密分布波形为马靴形，如图反而减小，所以，电枢磁场磁密分布波形为马靴形，如图1.26中曲线中曲线3所示。所示。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.431.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 图1.26 直流电机电

71、枢反应磁密分布 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.441.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 3) 负载时的气隙合成磁场负载时的气隙合成磁场 如果磁路不饱和或者不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载如果磁路不饱和或者不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载磁场的气隙磁密分布曲线磁场的气隙磁密分布曲线1和电枢磁场的气隙磁密分布曲线和电枢磁场的气隙磁密分布曲线3相加，即得负载时相加，即得负载时气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图1.26中的曲线中的曲线4所示。对照曲线所示。对照曲线l和和4可见：可见：电枢反

72、应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，电枢反应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，另半个极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁另半个极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁通通维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等于零的物理中性线偏离维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等于零的物理中性线偏离了几何中性线，如图了几何中性线，如图1.26所示。利用图所示。利用图1.26可以分析得知，对发电机，物理中可以分析得知，对发电机，物理中性线顺着旋转方向性线顺着旋转方向(nF的方向的方向)偏离几何中

73、性线；而对电动机，则是逆着旋转方偏离几何中性线；而对电动机，则是逆着旋转方向向(nD的方向的方向)偏离几何中性线。偏离几何中性线。 考虑磁路饱和影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，考虑磁路饱和影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，气隙磁密的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值；另半个极下磁场减弱，饱气隙磁密的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值；另半个极下磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，实际的气隙合成磁场磁密分布曲线如图实际的气隙合成磁场磁密分布

74、曲线如图1.25中的曲线中的曲线5所示。由于铁磁性材料所示。由于铁磁性材料的非线性，曲线的非线性，曲线5与曲线与曲线4相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个极下相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个极下减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.451.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 由以上分析可以知电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为：由以上分析可以知电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为： (1) 使气隙磁场发生畸变。半

75、个极下磁场削弱，半个极下磁场加强。对使气隙磁场发生畸变。半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强。对发电机，是前极端发电机，是前极端(电枢进入端电枢进入端)的磁场削弱，后极端的磁场削弱，后极端(电枢离开端电枢离开端)的磁场加的磁场加强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对发电机，是顺旋转方向偏离；对电动机，是逆旋转方向偏离。对发电机，是顺旋转方向偏离；对电动机，是逆旋转方向偏离。 (2) 磁路饱和时，有去磁作用。因为磁路饱和时，半个极下增加的磁通磁路饱和时，有去磁作用。因为磁路饱和时，半个极下增加的磁通

76、小于另半个极下减少的磁通，使每个极下总的磁通有所减小。小于另半个极下减少的磁通，使每个极下总的磁通有所减小。 二、电枢绕组的感应电动势二、电枢绕组的感应电动势 电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢旋转时，电枢绕组元件边内的导就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢旋转时，电枢绕组元件边内的导体切割电动势，由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，如图体切割电动势，由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，如图1.27所示，所示，所以导体中感应电动势的大小是变化的。为分析推导方便起

77、见，可把磁密看所以导体中感应电动势的大小是变化的。为分析推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值Bav，从而可得一根导体在，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为，其表达式为 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.461.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 式中式中 Bav一个极下气隙磁密的平均值，称平均磁通密度；一个极下气隙磁密的平均值，称平均磁通密度； l电枢导体的有效长度电枢导体的有效长

78、度(槽内部分槽内部分)； v电枢表面的线速度。电枢表面的线速度。 图1.27 气隙合成磁场磁密的分布 由于由于 因而，一根导体感应电动势的平均值因而，一根导体感应电动势的平均值 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.471.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 设电枢绕组总的导体数为设电枢绕组总的导体数为N(N2SW)，则每一条并联支路总的串联导体，则每一条并联支路总的串联导体数为数为N/2，因而电枢绕组的感应电动势，因而电枢绕组的感应电动势 (1.8) 式中式中 对已经制造好的电机，是一个常数，故称直流电机对已经制造好的电机，是一个常数，故称直流电

79、机的电动势常数。的电动势常数。 每极磁通每极磁通的单位用的单位用Wb(韦伯韦伯)，转速单位用，转速单位用r/min时，电动势时，电动势Ea的单位的单位为为V。 式式(1.8)表明：对已制成的电机，电枢电动势表明：对已制成的电机，电枢电动势Ea与每极磁通与每极磁通和转速和转速n成成正比。推导式正比。推导式(1.8)过程中，假定电枢绕组是整距的过程中，假定电枢绕组是整距的(y1 )，如果是短距绕，如果是短距绕组组(y1 )，电枢电动势将稍有减小，因为一般短距不大，影响很小，可以不，电枢电动势将稍有减小，因为一般短距不大，影响很小，可以不予考虑。式予考虑。式(1.8)中的中的一般是指负载时气隙合成磁

80、场的每极磁通。一般是指负载时气隙合成磁场的每极磁通。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.481.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 三、电枢绕组的电磁转矩三、电枢绕组的电磁转矩 电枢绕组中流过电枢电流电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支路电流时，元件的导体中流过支路电流ia，成为载流，成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图的方向按左手定则确定，如图1.27所示。一根导体所受电磁力的大小为所示。一根导体所受电磁力的大小为 如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气

81、隙磁密用平均值如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密用平均值Bav表示，表示，则每根导体所受电磁力的平均值为则每根导体所受电磁力的平均值为 一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为式中式中 D电枢外径。电枢外径。 (1.9) 不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩方向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁的电磁转矩方向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.49转矩

82、的平均值转矩的平均值Tav乘以电枢绕组总的导体数乘以电枢绕组总的导体数N，即，即 1.3 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 (1.10) 式中式中 对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。 磁通的单位用磁通的单位用Wb，电流的单位用，电流的单位用A时，电磁转矩时，电磁转矩T的单位为的单位为Nm(牛牛米米)。式。式(1.10)，表明：对已制成的电机，电磁转矩，表明：对已制成的电机，电磁转矩T与每极磁通与每极磁通和电枢电流和电枢电流Ia成正比。成正比。 电枢电动势电枢电动势 和电磁转矩和电磁转矩 是直流电机两个重要

83、是直流电机两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势常数的公式。对于同一台直流电机，电动势常数Ea和转矩常数和转矩常数CT之间具有确定之间具有确定的关系：的关系：或者或者 (1.12) 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.501.4 直流电机的换向直流电机的换向 换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换向的因素以及产生电火花的原因，进而采取有效的方法改善换向，

84、保障电机向的因素以及产生电火花的原因，进而采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。的正常运行。一、换向的过程一、换向的过程 直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经过固定不动的电刷直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向，如短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向，如图图1.28所示。图所示。图1.28是电机中一元件是电机中一元件K的换向过程，设的换向过程，设bS为电刷的宽度，一般等为电刷的宽度，一般等于一个换向片于一个换向片bK的宽度，电枢以恒速的宽度，电枢以恒速Va从

85、左向右移动，从左向右移动，TK为换向周期，为换向周期，S1、S2分别是电刷与换向片分别是电刷与换向片1、2的接触面积。的接触面积。 (1) 换向开始瞬时换向开始瞬时(图图1.28(a)所示所示)，t =0，电刷完全与换向片，电刷完全与换向片2接触，接触，S1=0，S2为最大，换向元件为最大，换向元件K位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件K中流中流的电流的电流i=+ia，由相邻两条支路而来的电流为，由相邻两条支路而来的电流为2ia，经换向片，经换向片2流入电刷。流入电刷。 (2) 在换向过程中在换向过程中(图图1.28(b)所示所示)，t =TK/

86、2，电枢转到电刷与换向片，电枢转到电刷与换向片1、2各接触一部分，换向元件各接触一部分，换向元件K被电刷短路，按设计希望此时被电刷短路，按设计希望此时K中的电流中的电流i=0，由相，由相邻两条支路而来的电流为邻两条支路而来的电流为2ia，经换向片，经换向片1、2流入电刷。流入电刷。第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.51 (3) 换向结束瞬时，换向结束瞬时，(图图1.28(c)所示所示)，t=TK，电枢转到电刷完全与换向片，电枢转到电刷完全与换向片1接触，接触，S1为最大，为最大，S2=0，换向元件，换向元件K位于电刷右边，属于右侧支路元件之一，位于电刷右边，属于右侧支路

87、元件之一，K中流过的电流中流过的电流i=-ia，相邻两条支路电流，相邻两条支路电流2ia经换向片经换向片1流入电刷。流入电刷。 随着电机的运行，每个元件轮流经历换向过程，周而复始，连续进行。随着电机的运行，每个元件轮流经历换向过程，周而复始，连续进行。 1.4 直流电机的换向直流电机的换向 (a) 换向开始瞬时 (b) 换向过程中某一瞬时 (c) 换向结束瞬时 图1.28 换向元件的换向过程 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.521.4 直流电机的换向直流电机的换向 二、影响换向的因素二、影响换向的因素 影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁影

88、响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。机械方面可通过改善加工工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。因素。机械方面可通过改善加工工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向元件电磁方面主要是换向元件K中，附加电流中，附加电流iK的出现而造成的，下面分析产生的出现而造成的，下面分析产生iK的原因。的原因。 1. 理想换向理想换向(直线换向直线换向) 换向过程所经过的时间换向过程所经过的时间(即换向周期即换向周期TK)极短，只有几豪秒，如果换向过极短，只有几豪秒，如果换向过程中，换向元件程中，换向元件K中没有附加其它的电动势，则换向元件中没有附加其它

89、的电动势，则换向元件K的电流的电流i均匀地从均匀地从+ia变化到变化到-ia(+ia0-ia)，如图，如图1.29曲线曲线1所示，这种换向称为理想换向，也所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。称直线换向。 2. 延迟换向延迟换向 电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素电磁因素的电磁因素的存在，使得换向不能达到理想，而出现了延迟换向，引起火花。电磁因素的存在，使得换向不能达到理想，而出现了延迟换向，引起火花。电磁因素的影响有电抗电动势以及电枢反应电动势两种情况。影响有电抗电动势以及电枢反应电动势两种情况。第第1章章 直流电机的原理与结

90、构直流电机的原理与结构 1.531.4 直流电机的换向直流电机的换向 (1) 电抗电动势电抗电动势eX：电抗电动势又可分为自感电动势：电抗电动势又可分为自感电动势eL与互自感电动势与互自感电动势eM。由于换向过程中，元件由于换向过程中，元件K内的电流变化，按照棱次定律将在元件内的电流变化，按照棱次定律将在元件K内产生自感内产生自感电动势电动势eL=-Ldia/dt；另外，其它元件的换向将在元件；另外，其它元件的换向将在元件K内产生互感电动势内产生互感电动势eM=-Mdia/dt，则，则 eX=eL+eM (1.12) eX总是阻碍换向元件内电流总是阻碍换向元件内电流i变化的，即变化的，即eX与

91、换向前电流与换向前电流+ia方向相同，即方向相同，即阻碍换向电流减少的变化。阻碍换向电流减少的变化。图1.29 直线换向与延时换向 图1.30 换向元件K中产生的 电枢反映电动势 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.541.4 直流电机的换向直流电机的换向 (2) 电枢反应电动势电枢反应电动势(旋转电动势旋转电动势)eV：电机负载时，电枢反应使气隙磁场：电机负载时，电枢反应使气隙磁场发生畸变，几何中性线处磁场不再为零，这时处在几何中性线上的换向元件发生畸变，几何中性线处磁场不再为零，这时处在几何中性线上的换向元件K将切割该磁场，而产生电枢反应电动势将切割该磁场，而产生电枢

92、反应电动势eV；电动机时物理中性线逆着旋转方向；电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，按右手定则，可确定偏离一角度，按右手定则，可确定eV的方向，如图的方向，如图1.30所示，所示，eV与换向前电流与换向前电流ia方向相同。方向相同。 (3) 附加电流附加电流iK：元件换向过程中将被电刷短接，除了换向电流：元件换向过程中将被电刷短接，除了换向电流i外，由于外，由于eX与与eV的存在，产生了附加电流的存在，产生了附加电流iK。 iK=(eX+eV)/(R1+R2) (1.13) 式中，式中，R1、R2分别为电刷与换向片分别为电刷与换向片1、2的接触电阻。的接触电阻。 iK与与eX+eV方向一

93、致，并且都阻碍换向电流的变化，即与换向前电流方向一致，并且都阻碍换向电流的变化，即与换向前电流+ia方方向相同。向相同。iK的变化规律如图的变化规律如图1.29中曲线中曲线2所示。这时换向元件的电流是曲线所示。这时换向元件的电流是曲线1与与2的叠加，即如图的叠加，即如图1.29中曲线中曲线3所示。可见，使得换向元件中的电流从所示。可见，使得换向元件中的电流从+ia变化到变化到零所需的时间比直线换向延迟了，所以称作延迟换向。零所需的时间比直线换向延迟了，所以称作延迟换向。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.551.4 直流电机的换向直流电机的换向 (4) 附加电流对换向的

94、影响。由于附加电流对换向的影响。由于iK的出现，的出现，破坏了直线换向时电刷下电流密度的均匀性，从而破坏了直线换向时电刷下电流密度的均匀性，从而使后刷端电流密度增大，导致过热，前刷端电流密使后刷端电流密度增大，导致过热，前刷端电流密度减小，如图度减小，如图1.31所示。当换向结束，即换向元件所示。当换向结束，即换向元件K的换向片脱离电刷瞬间，的换向片脱离电刷瞬间，iK不为零，换向元件不为零，换向元件K中储存的一部分磁场能量中储存的一部分磁场能量LKi2K/2就以火花的形式就以火花的形式在后刷端放出，这种火花称为电磁性火花。当火花在后刷端放出，这种火花称为电磁性火花。当火花强烈时，将灼伤换向器材

95、和烧坏电刷，最终导致电强烈时，将灼伤换向器材和烧坏电刷，最终导致电机不能正常运行。机不能正常运行。图1.31 延迟换向时附加电流的影响三、改善换向的方法三、改善换向的方法 产生火花的电磁原因是换向元件中出现了附加电流产生火花的电磁原因是换向元件中出现了附加电流iK，因此要改善换向，因此要改善换向，就得从减小、甚至消除附加电流就得从减小、甚至消除附加电流iK着手。着手。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.561. 选择合适的电刷选择合适的电刷 1.4 直流电机的换向直流电机的换向 从从 可见，当可见，当eX+eV一定时，可以选择接触一定时，可以选择接触电阻电阻(R1,R2

96、)较大的电刷，从而减小附加电流来改善换向。但它又引起了损较大的电刷，从而减小附加电流来改善换向。但它又引起了损耗增加及电阻压降增大，发热加剧，电刷允许流过的电流密度减小，这就要耗增加及电阻压降增大，发热加剧，电刷允许流过的电流密度减小，这就要求应同时增大电刷面积和换向器的尺寸。因此，选用电刷必须根据实际情况求应同时增大电刷面积和换向器的尺寸。因此，选用电刷必须根据实际情况全面考虑，在维修更换电刷时，要注意选用原牌号。若无相同牌号的电刷，全面考虑，在维修更换电刷时，要注意选用原牌号。若无相同牌号的电刷，应选择性能接近的电刷，并全部更换。应选择性能接近的电刷，并全部更换。 2. 移动电刷位置移动电

97、刷位置 如将直流电机的电刷从几何中性线如将直流电机的电刷从几何中性线n-n移动到超过物理中性线移动到超过物理中性线m-m的适的适当位置，如图当位置，如图1.32(a)中中v-v所示，换向元件位于电枢磁场极行相反的主磁极所示，换向元件位于电枢磁场极行相反的主磁极下，则换向元件中产生的旋转电动势为一负值，使下，则换向元件中产生的旋转电动势为一负值，使 ，电机便处于理想换向。所以对直流电动机应逆着旋转方向移动电刷，如图电机便处于理想换向。所以对直流电动机应逆着旋转方向移动电刷，如图1.32(a)所示。但是，电动机负载一旦发生变化，电枢反应强弱也就随之发生所示。但是，电动机负载一旦发生变化，电枢反应强

98、弱也就随之发生变化，物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化，这就要求电变化，物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化，这就要求电刷的位置应做相应的重新调整，实际中是很难做到。因此，这种方法只有刷的位置应做相应的重新调整，实际中是很难做到。因此，这种方法只有在小容量电机中才采用。在小容量电机中才采用。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.571.4 直流电机的换向直流电机的换向 (a) 移动电刷位置改善换向 (b) 安装换向极改善换向 图1.32 改善换向的方法 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.581.4 直流电机的换向直流电机的换向

99、 3. 装置换向极装置换向极 直流电机容量在直流电机容量在1kW以上一般均装有换向极，这是改善换向最有效的方以上一般均装有换向极，这是改善换向最有效的方法，换向极安装在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图法，换向极安装在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图1.32(b)所示。改善所示。改善换向的作用是在换向区域换向的作用是在换向区域(几何中性线附近几何中性线附近)建立一个与电枢磁动势建立一个与电枢磁动势Fa相反的换相反的换向极磁动势向极磁动势FK，它除了抵消换向区域的电枢磁动势，它除了抵消换向区域的电枢磁动势Fa(使使eV=0)之外，还要建之外，还要建立一个换向极磁场，使换向元件切割换向极磁场

100、产生一个与电抗电动势立一个换向极磁场，使换向元件切割换向极磁场产生一个与电抗电动势eX大小大小相等、方向相反的电动势相等、方向相反的电动势eV，使得，使得eV+eX=0，则，则iK=0，成为理想换向。，成为理想换向。为了使换向极磁动势产生的电动势随时抵消为了使换向极磁动势产生的电动势随时抵消eX和和eV，换向极绕组应与电枢绕，换向极绕组应与电枢绕组串联，这时流过换向极绕组上的电流组串联，这时流过换向极绕组上的电流ia，产生的磁动势与，产生的磁动势与ia成正比。且与电成正比。且与电枢磁动势方向相反便可随时抵消。枢磁动势方向相反便可随时抵消。 换向极极性应首先根据电枢电流方向，用右手螺旋定则确定电

101、枢磁动势换向极极性应首先根据电枢电流方向，用右手螺旋定则确定电枢磁动势轴线方向，然后应保证换向极产生的磁动势与电枢磁动势方向相反，而互相抵轴线方向，然后应保证换向极产生的磁动势与电枢磁动势方向相反，而互相抵消，即电动机换向极极性应与顺着电枢旋转方向的下一个主磁极极性相反，如消，即电动机换向极极性应与顺着电枢旋转方向的下一个主磁极极性相反，如图图1.32(b)所示。所示。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.591.4 直流电机的换向直流电机的换向 四、补偿绕组四、补偿绕组 在大容量和工作繁重的直流电机中，在主极极靴上专门冲出一些均匀分在大容量和工作繁重的直流电机中，在主极

102、极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放一种所谓补偿绕组，如图布的槽，槽内嵌放一种所谓补偿绕组，如图1.33(a)所示。补偿绕组与电枢绕组所示。补偿绕组与电枢绕组串联，因此补偿绕组的磁动势与电枢电流成正比，并且补偿绕组连接得使其磁串联，因此补偿绕组的磁动势与电枢电流成正比，并且补偿绕组连接得使其磁动势方向与电枢磁动势相反，以保证在任何负载情况下随都能抵消电枢磁动势，动势方向与电枢磁动势相反，以保证在任何负载情况下随都能抵消电枢磁动势，从而减少了由电枢反应引起气隙磁场的畸变。电枢反应不仅给换向带来困难，从而减少了由电枢反应引起气隙磁场的畸变。电枢反应不仅给换向带来困难，而且在极弧下增磁区域内可使

103、磁密达到很大数值。当元件切割该处磁密时，会而且在极弧下增磁区域内可使磁密达到很大数值。当元件切割该处磁密时，会感应出较大的电动势，以致使处于该处换向片间的电位差较大。当这种换向片感应出较大的电动势，以致使处于该处换向片间的电位差较大。当这种换向片间电位差的数值超过一定限度，就会使换向片间的空气游离而击穿，在换向片间电位差的数值超过一定限度，就会使换向片间的空气游离而击穿，在换向片间产生电位差光火花。在换向不利的条件下，若电刷与换问片间发生的火花延间产生电位差光火花。在换向不利的条件下，若电刷与换问片间发生的火花延伸到片间电压较大处，与电位差火花连成一片，将导致正负电刷之间有很长的伸到片间电压较

104、大处，与电位差火花连成一片，将导致正负电刷之间有很长的电弧连通，造成换向器整个圆周上发生环火如图电弧连通，造成换向器整个圆周上发生环火如图1.33(b)，以致烧坏换向器。所，以致烧坏换向器。所以，直流电机中安装补偿绕组也是保证电机安全运行的措施，但由于结构复杂，以，直流电机中安装补偿绕组也是保证电机安全运行的措施，但由于结构复杂，成本较高，一般直流电机中不采用。成本较高，一般直流电机中不采用。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.601.4 直流电机的换向直流电机的换向 (a) 环火 (b) 补偿绕组 图1.33 环火和补偿绕组 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的

105、原理与结构 1.61本本 章章 小小 结结 (1) 直流电动机是根据电磁力定律而工作的，电刷两端引入外加直流电源，直流电动机是根据电磁力定律而工作的，电刷两端引入外加直流电源，与换向器共同作用，变换成交流电供给电枢元件，从而产生方向不变的电磁转与换向器共同作用，变换成交流电供给电枢元件，从而产生方向不变的电磁转矩，拖动转子旋转。矩，拖动转子旋转。 (2) 直流发电机是根据电磁感应定律而工作的，电枢元件产生的电动势交直流发电机是根据电磁感应定律而工作的，电枢元件产生的电动势交流的，通过换向器与电刷的共同作用，变换成直流电，由电刷两端向外引出直流的，通过换向器与电刷的共同作用，变换成直流电，由电刷

106、两端向外引出直流电压。流电压。 (3) 直流电动机中，电流直流电动机中，电流ia与电动势的与电动势的Ea方向相反，方向相反，Ea称为反电动势；电称为反电动势；电磁转矩磁转矩T与转速与转速n方向相同，方向相同，T称为拖动转矩。直流发电机中电流称为拖动转矩。直流发电机中电流ia与电动势的与电动势的Ea方向相同，方向相同，Ea为电源电动势；电磁转矩为电源电动势；电磁转矩T与转速与转速n方向相反，方向相反，T称为制动转矩。称为制动转矩。 (4) 直流电机的结构由定子与转子两部分组成，定子由主磁极、换向极、直流电机的结构由定子与转子两部分组成，定子由主磁极、换向极、机座与电刷组成。主要作用使产生主磁场。

107、转子由电枢铁心、电枢绕组、换向机座与电刷组成。主要作用使产生主磁场。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器与转轴组成，主要作用是产生感应电动势器与转轴组成，主要作用是产生感应电动势Ea和电磁转矩和电磁转矩T，是直流电机机电，是直流电机机电能量转换的主要部件能量转换的主要部件电枢。电枢。 (5) 直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式，单叠绕组是将同一直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式，单叠绕组是将同一个主磁极下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数个主磁极下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数a=P。它适用于。它适用于低电压、大电流电机。单波绕组是将同一极性下所有上层边的元

108、件串联成一条低电压、大电流电机。单波绕组是将同一极性下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数支路；所以支路对数a=1，它适用于高电压、小电流电机。，它适用于高电压、小电流电机。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.62 (6) 直流电机的励磁方式一般有四种，即他励、并励、串励、复励。直流电机的励磁方式一般有四种，即他励、并励、串励、复励。 (7) 磁场是机电能量转换不可缺少的因数。当直流电机空载时，气隙磁场磁场是机电能量转换不可缺少的因数。当直流电机空载时，气隙磁场仅由主磁场磁动势仅由主磁场磁动势Ff单独建立，特点为：首先是对称于主磁极轴线的平顶波，单独建立，特点为

109、：首先是对称于主磁极轴线的平顶波，其次是物理中性线与几何中性线重合。当直流电机负载时，气隙磁场是由主磁其次是物理中性线与几何中性线重合。当直流电机负载时，气隙磁场是由主磁场磁动势场磁动势Ff与电枢磁动势与电枢磁动势Fa共同建立，共同建立，Fa对主磁场的影响称为电枢反应。电枢对主磁场的影响称为电枢反应。电枢的结果为的结果为1它是气隙磁场发生畸变；它是气隙磁场发生畸变；2物理中性线偏离几何中性线物理中性线偏离几何中性线(电动机时物电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，发电机时顺着旋转方向偏离一角度理中性线逆着旋转方向偏离一角度，发电机时顺着旋转方向偏离一角度)；3当当磁路不饱和时，总磁通量不变

110、；当磁路饱和时，总磁通量减少。磁路不饱和时，总磁通量不变；当磁路饱和时，总磁通量减少。 (8) 无论是直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组切割磁力线，都将无论是直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组切割磁力线，都将在电枢绕组中产生感应电动势在电枢绕组中产生感应电动势= n；另外，只要电枢绕组中有电流，在磁场的；另外，只要电枢绕组中有电流，在磁场的作用下就会产生电磁转矩作用下就会产生电磁转矩T= CT Ia。 (9) 影响直流电机换向的主要因素是电磁因素，即换向元件内产生的电抗影响直流电机换向的主要因素是电磁因素，即换向元件内产生的电抗电动势电动势eX和电枢反应电动势和电枢反应电动势eV，进而

111、产生附加电流，进而产生附加电流iK。改善换向的目的是消除。改善换向的目的是消除或降低或降低iK的影响，常用的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安的影响，常用的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安装换向极。装换向极。 (10) 为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，可为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，可在主磁极上安装补偿绕组。在主磁极上安装补偿绕组。本本 章章 小小 结结 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.63习题与思考题习题与思考题1-1 换向器和电刷在直流电动机和直流发电机中分别起什么作用？1-2 单叠绕

112、组和单波绕组的联接规律有什么不同？为什么单叠绕组的并联支路对数a=p，而单波绕组的并联支路对数a=1？1-3 一台四极单叠绕组的直流发电机，若因故取去一组电刷，对电机运行有什么影响？如果电机采用的是单波绕组，若取去一组电刷，对其运行有什么影响？1-4 何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有什么影响？1-5 如何改变他励、并励、串励、复励直流电动机的转向？1-6 何谓直流电机的可逆原理？如何判别直流电机运行于电动机状态还是发电机状态？用什么方法能改变他励直流发电机正负电刷的极性？1-7 一台直流电动机的数据为：额定功率PN=22kW，额定电压UN=220V，额定转速nN1500r/min，额定效率N

113、86%，试求：(1) 额定电流IN；(2) 额定负载时的输入功率P1N。 第第1章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构 1.641-8 一台直流发电机的数据为：额定功率PN=10kW，额定电压UN=230V，额定转速nN1450r/min，额定效率N85%，85%，试求：(1) 额定电流IN；(2) 额定负载时的输入功率P1N。1-9一台直流电机，已知极对数p2，槽数Z和换向片数k均等于22，采用单叠绕组。(1) 计算绕组各节距；(2) 画出绕组展开图、主磁极和电刷的位置；(3) 求并联支路数。1-10已知一台直流电机的极对数p2，元件数SZK21，元件的匝数Wc10，单波绕组，试求当每极磁通I.42 ，转速n1000r/min时的电枢电动势为多少伏？ 习题与思考题习题与思考题