直流电机11直流电机的共同问题一电枢绕组磁势和磁场.ppt
第十六章直流电机的共同问题,第五篇 直流电机,1.了解直流电机电枢绕组的构成及其连接2.掌握直流电机电枢绕组的特点3.了解直流电机的磁路4.理解直流电机的磁动势和磁场,本章基本要求,直流电机的共同问题（一）,直流电机电枢绕组的一般知识单叠绕组单波绕组直流电机的磁动势和磁场,主要内容,直流电机的共同问题（一）,23.1 直流电机电枢绕组的一般知识,作用：电枢绕组是直流电机的关键部件之一，构成直流电机的电路部分，在机电能量转换中起着重要的作用，运行时电枢绕组产生电动势，流过电流并产生电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,电枢绕组的基本要求：,直流电机的共同问题（一）,(1)能产生尽可能大的电动势，并有良好的波形。(2)能通过足够大的电流，以产生并承受所需的电磁力和电磁转矩。(3)节省材料（有色金属和绝缘材料），结构简单，连接可靠。(4)便于维护和检修。(5)对直流电机，应保证换向良好。,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,分类,特点：闭合绕组,直流电机的共同问题（一）,(1)叠绕组：单叠和复叠绕组。(2)波绕组：单波和复波绕组。(3)蛙绕组：叠绕和波绕混合的绕组。,电枢绕组的演变,环形电枢绕组,鼓形电枢绕组,16.1 直流电机电枢 绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,电枢绕组的演变,环形电枢绕组,只有一半的导体产生感应电动势，导体利用率低。,环形绕组,16.1 直流电机电枢 绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,电枢绕组的演变,鼓形电枢绕组,线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中,两边都能切割磁场而产生感应电势。,鼓形绕组,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,N,S,电枢绕组展开图,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,一、叠绕组和波绕组,元件：构成绕组的线圈。电枢绕组的基本单元，单匝和多匝,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,一、叠绕组和波绕组,双层绕组,1）每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,2）一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，一个槽里总有上下层线圈边。,3）线圈的两个元件处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距，两个电势相加。,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,一、叠绕组和波绕组,叠绕组：一个元件的两出线端接在两相邻换向片上（单叠绕组），或相隔数片的换向片上（复叠绕组）。折叠式前进,波绕组,叠绕组,波绕组：一个元件的两出线接在相隔约两个极距的换向片上，绕它一周后回到与起始片相邻的换向片上（单波绕组），或相隔数片的换向片上（复波绕组）。波浪式前进,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,二、实槽和虚槽,为改善电机的性能，希望用更多的元件组成电枢绕组。由于工艺等原因，电枢铁心不能开太多的槽，故在每槽的上下层各放置若干元件边。,若每一实槽中一层并排放置u排元件边，则一个实槽可以看成u个“虚槽”，每一个虚槽的上、下层各有一个元件边。,实槽与虚槽 u=3,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,二、实槽和虚槽,每一元件有两个边；每一换向片上接两个边；每一虚槽内放置有两个边；元件数S等于换向片数K，等于虚槽数 每线圈有Nc匝，则总导体数为N,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,三、节距,第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。,整数,为凑整分数,短距绕组端部接线短、省铜，且利于换向，故常用,换向器节距yk：每元件的两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示。yK y,16.1 直流电机电枢绕组的一般知识,直流电机的共同问题（一）,三、节距,第二节距y2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。,合成节距y：连接同一换向片的两个元件的对应边在电枢表面的跨距。y y1 y2,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。相邻元件(线圈)相互叠压,后一元件的端部紧叠在前一元件的端部（叠）；首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度，合成节距与换向节距均为1（单），即 yK y1槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,单叠左行绕组和单叠右行绕组,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,举例：2p4，u=1，Z Z eSK16，单叠右行整距绕组,一、节距计算,yyk1,展开图展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,单叠绕组展开图,槽展开,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,单叠绕组展开图,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,单叠绕组展开图,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,极轴线：磁极的中心线,磁极的放置：磁极宽度约为,均匀分布，N、S极交替排列,几何中性线：相邻两个主磁极之间的中心线,电刷的放置原则,空载时，正、负电刷间的电动势最大；被电刷短路的元件的感应电动势最小或等于零。,换向器的几何中性线：线圈轴线与主磁极轴线重合时，该线圈所接两换向片的分界线,电刷的位置：换向器的几何中性线，简称几何中性线,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,同一极下导体电流方向相同（同一槽中上下层边不属于同一线圈，但电流的方向一致）；N、S极下导体电流方向相反。,直流电机示意图,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,电路图,16.2 单叠绕组,直流电机的共同问题（一）,单叠绕组的特点,（1）元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上；（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2a=2p（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷数等于主磁极数；（5）电刷位置应使感应电动势最大，正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；Ea=ea（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia（式中 ia为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,首末端所连的两换向片相隔很远，两个元件串联后形似波浪。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。合成节距与换向节距相等yK y,整数,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,单波左行绕组和单波右行绕组,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,举例：2p4，u=1，Z Z eSK15，左行短距单波绕组,一、节距计算,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,元件、换向片的放置：1元件上层边1槽，下层边4槽;首末端所连的换向片相距yk7；为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。1元件上层边所连的换向片定为1。依次联接。,磁极放置：N、S极磁极均匀交替的排列。,电刷的放置：放在与主磁极轴线重合的换向片上。即几何中心线上。,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,单波绕组展开图,槽展开,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,单波绕组展开图,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,单波绕组元件连接顺序图,从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：,用联接顺序图表示为：,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,电路图,16.3 单波绕组,直流电机的共同问题（一）,单波绕组的特点,1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，即a1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3）电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷，即电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；,5）电枢电流等于两条支路电流之和。即Ia=2ia,4）电枢电动势等于支路感应电动势；因只有两条支路，元件一定时，可得到较高的电压；,直流电机的共同问题（一）,单叠绕组和单波绕组的主要区别,单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数，每增加一对主极就增加一对支路。2a2p。相同元件数时，叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，称并联绕组，适应于较大电流、较低电压的电机。,单波绕组：全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路，即N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2，整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a2。相同元件数时，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，称串联绕组，适用于较高电压、较小电流的电机。,大容量的电机，可以采用混合绕组。,直流电机的共同问题（一）,单叠绕组和单波绕组的主要区别,直流电机的共同问题（一）,直流电机绕组归纳,直流电机的电枢绕组总是自成闭路;电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶数；且至少有2条并联支路；单叠绕组：a=p即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组：a=1即并联支路对数恒等于1电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。,23.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,一、空载时的主磁场,1、主磁通和漏磁通,磁场是电机实现机电能量转换的媒介。主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。空载时电机中的磁场分布是对称的。,主磁通，经气隙进入电枢,主极漏磁通(15-25%)0,不进入电枢，只增加磁极的饱和程度,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,一、空载时的主磁场,主磁通磁路：气隙1电枢齿电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1 气隙1,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,一、空载时的主磁场,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,一、空载时的主磁场,直流电机空载时的磁场分布,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,一、空载时的主磁场,2、气隙主极磁场的分布,在一个磁极的范围内，励磁磁势大小相同，主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为平顶波，,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,空载时主磁极磁通的分布,2、气隙主极磁场的分布,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,一、空载时的主磁场,3、磁化曲线,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,电枢绕组中的电流产生电枢磁动势，进而产生电枢磁场 IaFa Bax电枢绕组各支路的电流通过电刷引出或引入，电刷是电枢表面电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。电枢磁动势和磁场沿电枢表面的分布与电刷的位置有关主磁极的中心线称为直轴，相邻N极和S极的分界线称为交轴。,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,1、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,电枢磁动势的轴线在几何中性线上，几何中性线为交轴，故电枢磁动势称为交轴电枢磁动势,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,1、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,4 直流电机的电枢反应,1主磁极产生的气隙磁密波2电枢电流产生的气隙磁密波 3磁路不饱和的合成气隙磁密波 4磁路饱和的合成气隙磁密波,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,1、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数 交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波 如沿电枢分布的线圈无限增多，则级形波将趋近于三角形波 主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,1、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,结论：电枢磁动势在空间固定不动，与励磁磁动势相对静止电枢磁动势的极数=主极极数电枢磁动势位于几何中性线（交轴）上，和励磁磁动势在空间相差90电角度电枢磁动势的幅值为A/2电枢磁动势呈三角波分布。电枢磁密呈马鞍形分布。,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,2、电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势,16.4 直流电机的磁动势和磁场,直流电机的共同问题（一）,二、电枢磁动势和磁场,2、电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势,直轴电枢磁动势（2 以内，2b）最大值：,交轴电枢磁动势（2 以外，-2b）最大值：,电刷偏离几何中性线角，相当于在电枢表面移过b 的距离；因电枢导体中的电流方向总是以电刷为分界线，所以电枢磁动势轴线亦随之移动角度,既有交轴磁动势又有直轴磁势,
