第1章 - 直流电机的结构和原理 - 图文

2）按节距y1连接一个元件。例如将1号元件的上层边放在1号槽的上层，其下层边应放在l +y1＝1+ 4＝5号槽的下层。由于一般情况下，元件是左右对称的，为此，可把1号槽的上层（实线）和5号槽的下层（虚线）用左右对称的端接部分连成1号元件。注意首端和尾端之间相隔一片换向片宽度（yk?1），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1号元件首端相连的1号换向片，尾端和相邻的2号换向片相连，可以依次画出2至16号元件，从而将16个元件通过16片换向片连成一个闭合的回路。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。

本例单叠绕组的联接顺序表如图1-32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，下排带“'”的数字代表下层元件边所在的槽号。

图1-32 单叠绕组连接顺序表 单叠绕组的展开图已经画成，但为了帮助理解绕组的工作原理和确定电刷的位置，一般在展开图上还应画出磁极和电刷。

本例有4个主磁极，在圆周上应该均匀分布，即相邻磁极中心之间应间隔4个槽。设某一瞬间，4个磁极中心分别对准3、7、 11、15槽，并让磁极宽度约为极距的60%~70%，画出4个磁极，如图11-28所示，依次标上极性N、S，一般假设磁极在电枢绕组的上面。

电刷组数（也就是刷杆数）等于极数，本例中为4。电刷必须均匀分布在换向器表面圆周上，相互间隔16／4＝4片换向片。为使被电刷短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1-31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，根据左手定则可知，应将电刷A1、A2连起来作为电枢绕组的“＋”端，接电源正极；将电刷B1、B2连起来作为“－”端，接电源负极。根据右手定则，电枢绕组各元件中反电动势的方向应如图1-31所示。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与电动机状态时的反电动势的方向相同，因此电刷的正负极性不变。

3）保持图1-32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，

可以得到如图1-33所示的并联电路。对照图1-33和图1-31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支路。因此，单叠绕组的并联支路对数a总等于极对数p，即

a?p

(0.19)

图1-33 单叠绕组并联电路 2. 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，并联支路对数等于极对数； 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；

3）电刷组数等于极数。

1.5.3 单波绕组的特点及两种绕组的应用

通过同样的分析可知，单波绕组是将上层边位于同一极性磁极下的所有绕组元件串联组成一条支路，不论极数为多少，单波绕组的并联支路数总等于2；当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位置对准主磁极中心线时，支路电势最大；单从支路对数来看，单波绕组可以只要两根刷杆，然而在实际电机中，为缩短换向器长度以降低成本，仍使电刷杆数等于极数，即采用全额电刷。

单叠绕组和单波绕组的主要差别在于并联支路对数的多少。由于在同样元件数的情况下，单叠绕组的并联支路多，但各支路的元件数较少，因而单叠绕组的电压低于单波绕组，而允许通过的电枢电流却大于单波绕组。因此，单叠绕组适用于低电压、大电流的电机，单波绕组适用于高电压、小电流的电机。 1.6 电枢反应和改善换向的方法

1.6.1 电枢反应的含义

1. 励磁绕组的接线 直流电机的励磁绕组通电后，在电动机内产生磁场，形成若干个磁极，以N极和S极成对的形式出现，在电动机气隙表面圆周上均匀分布。直流电机相邻主磁极（或相邻换向极之间）必须是相反的极性，相邻主磁极线圈（或相邻换向极线圈）之间，应采用“首-首”或“尾-尾”接法，即“反串”接法，励磁绕组的接线如图1-34所示。

a) b) 图1-34 励磁绕组接线图（箭头表示电流方向） a) 接线示意图 b) 展开图 2. 电枢反应 直流电机在实际使用时，实际磁场是主磁极磁场（见图1-35a）和电枢磁场（见图1-35b）互相叠加得到的合成磁场（见图1-35c）。由于电枢磁场的出现，主磁极磁场受到了影响，磁场发生畸变引起磁场中性面（即物理中性面）改变位置，这种现象称为电枢反应。

a) b) 图1-35 电枢反应 a) 磁极磁场 b) 电枢磁场 c) 合成磁场 c) 由以上分析可以得知，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，半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强； 2）磁路饱和时有去磁作用，使每个极下部总的磁通有所减小。

1.6.2 改善换向的方法

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。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，要采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。

从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势，限制换向元件中的附加电流，就可以有效地改善换向。

1. 选用合适的电刷 电机用电刷的型号规格很多，其中碳－石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜－石墨电刷的接触电阻最小。

直流电机如果选用接触电阻大的电刷，则有利于换向，但接触压降较大，电能损耗大， 发热厉害，同时由于这种电刷允许的电流密度较小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大，因而设计制造电机时必须综合考虑两方面的因素，选择恰当的电刷。为此，在使用维修中欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷，如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相接近的电刷并全部更换。

2. 移动电刷 因为电枢反应，主磁场的扭曲变形引起物理中性面位置的改变，这将使电刷在电枢没有感应电压时不与换向器片接触，导致功率损耗和电刷上出现弧光与火花，从而因过热损坏换向器片与电刷。

旋转电刷与物理中性面移动相同的角度，可以矫正电枢反应。对发电机，电刷旋转方向与电枢旋转方向一致。对电动机，电刷旋转方向则与电枢旋转方向相反。由于主磁场的扭曲变形与电枢电流成正比，所以如果负载发生一次变化，物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化，则电刷也不得不再调整一次，这在实际中很难做到。因此，这种方法只有在小容量电机中才采用。

3. 装设换向极 换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图1-36所示。换向极的作用是建立一个换向极磁场，其方向与电枢反应磁场方向相反，从而恢复被扭曲的磁场。为此，对发电机，换向极的极性应与顺电枢旋转方向下一个主磁极的极性相同；对电动机，换向极的极性应与顺电枢旋转方向下一个主磁极的极性相反。

电枢磁场的强弱与电枢电流的大小成正比，而电枢电流的大小又取决于负载的大小，所以换向磁极的励磁绕组必须与电枢绕组串联，使换向极磁场正比于电枢电流。当电枢电流增大时，电枢反应增强，换向极磁场也随着增强，这样，在各种不同的负载下，换向极都能起到改善换向的作用。装设换向极是改善换向最有效的方法，容量在1kW以上的直流电机几