东北电力大学电机学ppt讲义第24章.ppt

第24章直流电机的绕组和转矩 直流电机的枢绕组直流电机的空载磁场直流电机负载时的电枢反应直流电机的电枢电势和电磁转矩 电枢绕组由许多形状完全相同的元件 也称为线圈 按一定规律排列和连接而成 每个元件有两个出线端 一个称为首端 另一个称为末端 同一个元件的首端和末端分别接到两个不同的换向片上 同一个换向片上 连有一个元件的首端和另一个元件的末端 因此 电枢绕组的元件数等于换向片数 即 其中为换向片数 为元件数 每个元件有两个元件边 一个元件边放在某一个槽的上层 称为上层边 另一个元件边放在另一个槽的下层 称为下层边 所以直流电机的绕组一般都是双层绕组 24 1直流电机的电枢绕组 电枢绕组的基本概念 在直流电机中 常在每个槽的上 下层各放置若干个元件边 为了确切地说明每个元件边所处的具体位置 引入了 虚槽 的概念 设槽内每层有个元件边 则每个实际槽包含个 虚槽 每个虚槽的上 下层各有一个元件边 若用代表槽数 代表虚槽数 则直流电机的电枢绕组有叠绕组 波绕组和混合绕组三种 叠绕组又分为单叠绕组和复叠绕组 波绕组也有单波绕组和复波绕组之分 其中单叠绕组和单波绕组是电枢绕组的基本形式 电枢绕组的节距 第一节距一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离 即跨距 称为第一节距 如图24 1所示 用所跨虚槽数表示 选择时尽量让元件中感应电动势最大 即应等于或接近于一个极距 极距定义为由于不一定能被极数整除 而又必须为整数 可使式中为小于1的分数 称为整距绕组 称为长距绕组 称为短距绕组 因短距绕组有利于换向 对于叠绕组还可节约端部用铜 故常被采用 第二节距第二节距是连至同一个换向片的两个元件边之间的距离 如图24 1所示 用所跨虚槽数表示 合成节距紧接着串联的两个元件的对应边之间在电枢表面所跨的距离 称为合成节距 用虚槽数表示 不同类型绕组的差别主要表现在合成节距上 由24 1图知 对于叠绕组 有对于波绕组 有 换向器节距同一元件首 末端所连两个换向片之间所跨的距离称为换向器节距 用换向片数表示 换向器节距等于合成节距 图24 1绕组的节距 单叠绕组 单叠绕组的连接规律是 所有相邻元件依次串联 后一个元件的首端与前一个元件的末端连在一起并接到同一个换向片上 最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起 构成一个闭合回路 单叠绕组的合成节距等于一个虚槽 换向器节距等于一个换向片 即式中 1 或 1 表示每串联一个元件就 向右 或 向左 移动一个虚槽或一个换向片 分别称为右行绕组和左行绕组 左行绕组中 元件接到换向片的连接线互相交错 用铜较多 故很少采用 通常采用右行绕组 下面以 为例 说明单叠绕组的连接规律和特点 绕组展开图绕组元件连接顺序图绕组电路图单叠绕组的特点 计算各节距第一节距为合成节距和换向器节距为第二节距为绘制绕组展开图所谓绕组展开图就是假想将电枢及换向器沿某一齿的中间切开 并展开成平面的连接图 作图步骤如下 绕组展开图 第一步 先画16根等长等距的实线 代表各槽上层元件边 再画16根等长等距的虚线 代表各槽下层元件边 虚线与实线靠近 画16个小方块代表换向片 并编号 为了绘图方便 使换向片宽度等于槽与槽之间的距离 为了便于连接 将元件 槽和换向片按顺序编号 编号时令元件号 元件上层边所在槽的编号以及元件上层边相连接的换向片号相同 即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相连接 第二步 放置主磁极 让每个磁极的宽度大约等于 4个磁极均匀放置在电枢槽之上 并标上N S极性 假定N极的磁力线进入纸面 S极的磁力线从纸面穿出 第三步 将1号元件的上层边放在1号槽 实线 并与1号换向片相联 其下层边放在第5号槽 的下层 虚线 因 所以1号元件的末端应连接在2号换向片上 然后将2号元件的上层边放入2号槽的上层 下层边放在6号槽的下层 2号元件的上层边连在2号换向片上 下层边连在3号换向片上 按此规律连接 一直把16个元件都连起来为止 并构成一条闭合回路 第四步 放置电刷 假设电刷的宽度等于换向片的宽度 将四组电刷 均匀地布置在换向器表面 放置电刷的原则是 要求正 负电刷之间得到最大的感应电动势 同时被电刷所短路的元件中感应电动势最小 这两个要求实际上是一致的 由于每个元件的几何形状对称 如果把电刷的中心线对准主极的中心线 就能满足上述要求 在24 2图中 被电刷所短路的元件正好是1 5 9 13 这几个元件中的电动势恰为零 实际运行时 电刷静止不动 电枢旋转 但被电刷所短路的元件总是处于两个主磁极之间的地方 其感应电动势为零 绕组展开图 图3 11单叠绕组展开图 图24 2单叠绕组展开图 绕组元件连接顺序图 绕组元件连接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序 根据图24 2可以画出绕组元件连接顺序图 如图24 3所示 每根实线所连接的两个元件边构成一个元件 两元件之间的虚线则表示通过换向片把两元件串联起来 可以看出 从第1元件出发 连接完16个元件后又回到第1元件 整个绕组是闭合的 图24 3单叠绕组元件连接顺序图 绕组电路图 在图24 2所示的瞬间 根据电刷之间元件连接顺序 可以得到如图24 4所示的电枢绕组电路图 可以看出 电枢绕组由4条并联支路组成 上层边处在同一极下的元件中的感应电动势方向相同 串联起来通过电刷构成一条支路 被电刷短路的元件中电动势等于零 此时这些元件不参加组成支路 单叠绕组的并联支路对数等于电机的极对数 即 由于组成各支路的元件在电枢上处于对称位置 各支路电动势大小相等 故从闭合电路内部来看 各支路电动势恰巧互相抵消 不会产生环流 此外 单叠绕组的支路电动势由电刷引出 所以电刷组数必须等于支路数 也就是等于磁极数 图24 4单叠绕组电路图 单叠绕组的特点 位于同一个极下的各元件串联起来组成了一条支路 即并联支路对数等于极对数当元件几何形状对称时 电刷应放在主极中心线上 此时正 负电刷间感应电动势最大 被电刷所短路的元件内感应电动势为零电刷组数等于磁极数 单波绕组 单波绕组的连接规律是 从某一换向片出发 把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来 沿电枢和换向器绕一周之后 恰好回到出发换向片的相邻一片上 然后从该换向片出发 继续绕连 直到全部元件串联完 最后回到开始的换向片 构成一个闭合回路 连线特点是元件两出线端所连换向片相隔较远 相串联的两元件也相隔较远 形状如波浪一样向前延伸 所以称为波绕组 选择时 应使相串联的元件感应电动势同方向 为此 须把两个相串联的元件放在同极性磁极的下面 空间位置上相距约两个极距 其次 如果有对极 当沿圆周方向绕过一周 就有个元件串联起来 从换向器上看 每连一个元件前进片 连接个元件后所跨的总换向片数为 单波绕组在换向器上绕一周后 回到出发换向片的相邻一片上 总共跨过 即或式中 1 表示绕连完一周后后退一片 称为左行绕组 1 表示绕连完一周后前进一片 称为右行绕组 右行绕组因端部交叉 较少采用 以 直流电机的绕组为例 说明单波绕组的连接规律和特点 计算绕组各节距得 采用与单叠绕组相同的步骤 画出绕组展开图和元件连接顺序图 如图24 5所示 与图所示瞬间各元件连接情况对应的绕组电路图如图24 6所示 图24 5单波绕组展开图和绕组连接顺序图图3 15单波绕组元件连接顺序图 图24 6单波绕组电路图由图24 6可得出单波绕组具有以下3个特点 同极性下各元件串联起来组成一条支路 并联支路对数 与极对数无关当元件的几何形状对称时 电刷放在主极中心线上 正 负电刷间感应电动势最大电刷组数也应等于极数 励磁方式是指励磁绕组的供电方式 他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无连接关系 由其他直流电源对励磁绕组供电 其接线如图24 7 a 所示 并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联 接线如图24 7 b 所示 串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联 励磁电流就是电枢电流 接线如图24 7 c 所示 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组 接线如图24 7 d 所示 若串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁动势方向相同 称为积复励 若两个磁动势方向相反 则称为差复励 24 2直流电机的电枢绕组 直流电机的主要励磁方式是并励 串励和复励 直流发电机的主要励磁方式是他励 并励和复励 励磁方式不同 直流电机的特性也不同 图3 17直流电机的励磁方式 图24 7直流电机的主要励磁方式 空载磁场的分布直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小 可以不计其影响的一种运行状态 直流电机空载时的气隙磁场可以认为就是主磁场 即由励磁绕组产生的磁动势 称为励磁磁动势 单独建立的磁场 图24 8是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图 一对极 图中 同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通 称为主磁通 用表示 此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合磁路 仅与励磁绕组交链 称为漏磁通 用表示 由于主磁通经过的磁路中气隙较小 磁导较大 漏磁通经过的磁路中气隙较大 磁导较小 而作用在这两条磁路的磁动势是相同的 所以漏磁通比主磁通小得多 图24 8直流电机空载磁场分布 在极靴下 气隙小 气隙中沿电枢表面上各点磁密较大 在极靴范围外 气隙增加很多 磁密显著减小 至两极间的几何中性线处磁密为零 不考虑齿槽影响时 直流电机一个极下的空载磁密分布如图24 9所示 图3 19直流电机的空载磁场分布 图24 9空载磁密分布图 当直流电机带负载时 电枢绕组中有电流通过 该电流也会产生磁场 称之为电枢磁场 它与主磁场相互作用 产生电磁转矩 实现能量转换 电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应 图24 10表示由电枢电流单独产生的电枢磁场 图中没有考虑齿槽影响 认为转子光滑 元件均匀分布在电枢表面 电刷位于相邻两极之间的中心线 即几何中性线上 根据电枢电流方向和右手螺旋定则 可判断电枢磁动势的轴线与几何中性线重合 并与主磁极轴线正交 称为交轴电枢磁动势 与主极轴线正交的轴线称为交轴 24 3直流电机的电枢磁场 图24 10直流电机的气隙磁场 线负荷是指电枢表面单位长度上的安培导体数 用表示 设为电枢绕组的总导体数 为导体内的电流 为电枢直径 则线负荷为将电枢外表面从几何中性线处展开 如图24 10所示 并设主磁极轴线与电枢表面的交点处为坐标原点 该点的电枢磁动势为零 在离原点处作一矩形闭合回路 根据安培环路定律 当不考虑铁心内的磁压降时 每个气隙上的磁压降为 可以看出 与成正比 电枢磁动势沿电枢表面的分布为三角波 根据可推出气隙磁密为在磁极下 气隙均匀 则 在磁极之间处 气隙很大 很小 电枢磁密沿电枢表面分布为马鞍形 如图24 10所示 电枢反应的存在对气隙磁场产生以下影响 使气隙磁场发生畸变对发电机而言 前极尖磁场被削弱 后极尖磁场被加强 对电动机而言 前极尖磁场被加强 后极尖磁场被削弱 使物理中性线发生偏移通常把通过电枢表面磁密等于零处称为物理中性线 直流电机空载时 几何中性线与物理中性线重合 负载时物理中性线与几何中性线不再重合 对发电机 物理中性线顺电机旋转方向移过角 对电动机 物理中性线逆旋转方向移过角 当磁路饱和时有去磁作用不计磁饱和时 交轴电枢磁场对主极磁场的去磁作用和增磁作用恰好相等 考虑磁饱和时 增磁边将使该部分铁心的饱和程度提高 磁阻增大 从而使实际的气隙磁磁比不计饱和时略低 如24 10图中虚线所示 去磁边的实际气隙磁密则与不计饱和时基本一致 因此负载时每极下的磁通量将比空载时少 换言之 饱和时交轴电枢反应具有一定的去磁作用 电刷偏离几何中性线时的电枢反应 当电刷偏离几何中性线时 除存在交轴电枢磁动势外 还有直轴电枢磁动势 以电动机为例 电刷逆电枢旋转方向偏离角 如图所示 产生的电枢磁动势为 可以认为电枢磁动势由两部分组成 一部分由角度范围内的导体产生 另一部分由角度范围外的导体产生 角度范围外的导体产生的磁动势为交轴电枢磁动势 其最大值为角度范围内的导体产生直轴电枢磁动势 其最大值为 直轴电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合 但方向相反 使主磁通削弱 故有去磁作用 同理 当电刷顺电枢旋转方向偏离角时 产生的直轴电枢磁动势有助磁作用 发电机的情况与电动机恰好相反 图24 11电刷偏离几何中线时的电枢反应 24 4直流电机的感应电动势和电磁转矩 无论是电动机还是发电机 电枢导体相对于磁场运动 就会产生感应电动势 载流导体在磁场中受力 将产生电磁转矩 本节将讨论直流电机感应电动势和电磁转矩的计算公式 为便于分析 作以下假设 1 电枢表面光滑无槽 2 电枢绕组的元件在电枢表面均匀连续分布 3 线圈为整距 4 电刷位于几何中性线上 直流电机的感应电动势 图24 12为一个极距内气隙磁密沿电枢表面的分布曲线 当一根长度为的导体以线速度垂直于磁场方向运动时 导体中的感应电动势为其中 为导体所在位置的气隙磁密 图24 12气隙磁密和导体的分布 电枢绕组总导体数为 组成条并联支路 则每支路的串联导体数为 电枢转动时 组成一条支路的导体处于变化中 但每条支路内串联导体数保持不变 一条支路的感应电动势就是电枢绕组的感应电动势式中 是支路中第根导体中的感应电动势 在计算支路感应电动势时 可以认为这根导体等效于在一个磁极下均匀连续分布 只要求出一根导体在一个极下感应电动势的平均值 乘以根导体数 即得绕组的感应电动势 因此上式可以写成 而一根导体的平均电动势为式中 是每极下的平均气隙磁密 导体的线速度为 其中是转速 单位是r min 每极总磁通量为代入上式得每根导体的平均电动势为式中 是电枢每转一周导体切割的总磁通量 从上式可知 导体平均电动势与气隙磁密分布的形状无关 将导体平均电动势的表达式代入感应电动势中可得式中 的单位是韦伯 Wb 是常数 称为电动势常数 负载大小会影响每极磁通量 进而影响感应电动势的大小 计算负载感应电动势时 为负载时的每极气隙磁通 计算空载感应电动势时 为空载时的每极气隙磁通 直流电机的电磁转矩 当电枢绕组中有电流流过时 每一导体中流过的电流为 这些载流导体在磁场中受力 并在电枢上产生转矩 称为电磁转矩 用表示 一个极距内电枢表面的磁密分布曲线如图24 13所示 当一根长为的导体中流过电流时 所受的电磁力为力的方向由左手定则决定 图24 13理想化电枢的电磁转矩 导体距电枢轴心的径向距离为 所产生的转矩为全部根受力导体所产生的转矩总和就是电机的电磁转矩式中 是第根导体所产生的转矩 每一条支路中的根导体可以认为均匀连续分布在一个极距内 因此 可以用一根导体所产生的平均电磁转矩来表示 即 全部根导体受力所产生的电磁转矩的总和就是电机的电磁转矩 为将及代入上式可得式中是一个常数 称为直流电机的转矩常数 比较电动势常数和转矩常数的表达式 可以看出