直流电机电枢绕组

    2.3.1　直流电机电枢绕组

    1．相关理论基础

    在实习本课题之前必须学完《电机学》这门理论课，必须对电机的理论知识有一定的了解和掌握，以便更好地开展本课题的实习。

    2．实训目的

    （1）熟悉直流电机电枢绕组的组成及连接规律。

    （2）掌握直流电机电枢绕组展开图的绘制方法。

    3．实训内容

    （1）绕组的有关术语

    ① 绕组元件

    组成电枢绕组的所有线圈都有规律地嵌在电枢表面的槽中。而每一个线圈由一匝或多匝绕成，线圈的两端分别与两个换向片连接，这样的线圈称为绕组元件。绕组元件可用如图2-19所示的符号表示，两直线部分表示嵌在电枢槽中的部分，称为有效边，两端弯曲部分，表示槽外的连接部分。

    

    

    图2-19　绕组元件的图形符号

    ② 单层绕组与双层绕组

    电枢的每个槽中只嵌放一个有效边，一个绕组元件的一个边放在一个槽中，另一边放在另一个槽中，组成单层绕组。电枢每个槽中嵌放两个有效边，元件的一个有效边放在槽的上层，另一个有效边放在另一个槽的下层，组成双层绕组，直流电机的电枢绕组采用双层绕组。

    ③ 实槽与虚槽

    电枢表面实际的槽叫做实槽。在同一实槽中，每一个上层边与一个下层边共称为一个虚槽。如果一个实槽中上、下各只有一个有效边，则虚槽数为1。如果一个实槽中，上、下各放两个有效边，则虚槽数为2，如图2-20（b）所示。如果一个实槽中，上、下各放三个有效边，则虚槽数为3，如图2-20（c）所示。可见虚槽数为实槽数的整数倍，即：

    

    

    图2-20　实槽与虚槽

    Z_V=uZ　　　　　　　　　　　　　　　 （2-1）

    式中，Z_V——虚槽数；

    　　　u——正整数；

    　　　Z——实槽数。

    每个虚槽上、下共有两个元件边，所以元件数等于虚槽数。每个换向片与两元件的一端连接，故换向片数等于元件数。于是有：

    S=K=Z_V　　　　　　　　　　　　　　　 （2-2）

    式中，S——元件数；

    　　　K——换向片数。

    ④ 极距τ

    一个磁极在电枢表面上所占的距离称为极距。可以用圆弧长度表示：

    

    式中，D_a——电枢直径；

    　　　P——磁极对数。

    也可以用虚槽数表示：

    

    ⑤ 节距

    电枢各绕组元件是通过换向片串联起来的，每个元件的两端分别接到不同的换向片上。由于相邻两元件连接规律的不同，分为单迭绕组、双迭绕组、单波绕组、双波绕组等几种。图2-21是单迭绕组的示意图。从图中看到，相邻两元件在电枢表面仅相差1个槽。实线表示槽的上层边，虚线表示下层边，第一个元件从N极出发，绕到相邻的S极，再回到N极，与第二个元件串联，同一元件的两端分别接到相邻的换向片上。把元件一个一个连续接下去，直至全部元件串联起来为止。

    

    

    图2-21　单迭绕组示意图

    （a）第一节距y₁：一个元件两个有效边间的距离称为第一节距，用虚槽数表示。

    当节距y₁等于一个极距时称为全节距。

    

    【例2-1】已知虚槽为 16槽，磁极为 2对，则：

    

    y₁是整数槽，且等于极距则为全节距。当节距y₁小于极距τ时，称为短节距。

    【例2-2】已知虚糟为33糟，磁极2对，则：

    

    由于y₁不能是分数，故取y₁= 8糟，此时：

    

    式中，ε是用来使y₁凑成整数的一个分数。当y₁大于τ时，称为长节距。

    【例2-3】虚槽为35槽，磁极为2对，则：

    

    因接近于9，故取y₁=9槽，此时：

    

    可见，一般情况下，y₁可用下式决定：

    

    ε为零时，为全节距；ε取负值时，为短节距；ε取正值时，为长节距。

    从电机原理可知，当线圈的一个边在N极下，另一个边在相邻S极的对应位置时，可以得到最大的电动势。所以全节距绕组可以获得最大的电动势；短节距和长节距绕组都可以改善换向，但长节距绕组的端部连线较长，为了节约用铜，多采用短节距绕组。

    （b）第二节距y₂　前一元件下层边与后一元件上层边之间的距离称为第二节距。用它来确定接在同一换向片的两个有效边的距离。也用虚槽数表示。

    （c）合成节距y　互相串联的两个元件的对应边在电枢表面上的距离称为合成节距。它表示后一个元件比前一个元件在电枢表面上前进或后退了多少槽距。从图2-22知，y₁、y₂和y存在下列关系：

    y₁−y₂=y　　　　　　　　　　　　　　　 （2-6）

    （d）换向器节距y_k　一个元件两个出线端所连接的两个换向片在换向器表面上的距离称为换向器节距。用换向片数表示。由于元件数等于换向片数，元件边在电枢表面前进的虚槽数，必须等于其出线端在换向器上前进的片数，所以换向器节距应该与合成节距相等，即：

    y=y_k　　　　　　　　（2-7）

    （2）单迭绕组

    单迭绕组的特点是：

    y=y_k=±1　　　　　　　　　　　　　　　　（2-8）

    当y=y_k=+1时，绕组为右行，称为右行绕组，其连接规律如图2-22所示。当y=y_k=−1时，绕组为左行，称为左行绕组。左行绕组每元件的末端接到首端左边的换向片上，两端交叉，用铜较多，很少采用。单迭左行绕组如图2-22所示。下面举例说明单迭绕组的连接方法。

    【例2-4】设电枢的虚槽数、换向片数与元件数都等于16，磁极2对，试画出其单迭绕组展开图。

    

    

    图2-22　单迭左行绕组

    解：根据式（2-5），采用全节距，有：

    

    根据式（2-8），采用右行绕组，有：

    y = y_k =1

    根据上述数据可以画展开图如图2-23所示。

    画图的步骤如下：先画16个槽和16个换向片，将第一个元件的首端接在1号换向片上，元件的一边放在1号槽上层（实线），另一边放在5（y₁+1= 4+1=5）号槽下层（虚线），末端接到2（y_k +1=1+1=2）号换向片上；第二号元件的首端接于2号换向片上，上层边放入2号槽。下层边放入6号槽，末端接到3号换向片上，依次把所有元件接下去，最后第16号元件的末端接到1号换向片上。全部元件通过换向片串联成一个闭合回路。

    

    

    图2-23　单迭绕组展开图

    设电枢按图中所示方向旋转，N极的磁力线方向朝里，S极的磁力线方向朝外，用右手定则可以知道有效边中电动势方向如图中所示。元件2、3、4的电动势方向相同，元件6、7、8的电动势方向相同，元件10、11、12和14、15、16的电动势方向也分别相同。

    电枢绕组中的电动势是靠电刷引出外电路的。从图中可以看出，如果在换向1和2、5和6、9和10、13和14之间各放一个电刷，这四个电刷把有感应电动势的元件分成四组，如图2-24所示，每一组叫做一个支路。由于各支路中各元件边在磁场中处在对应的相同位置，所以各支路的总电动势相等。电刷把处在中性面的元件1、5、9、13短路，由于它们的电动势为零，对支路电动势无影响。从图中可见，电刷A₁、A₂为正极，B₁、B₂为负极。

    

    

    图2-24　单迭绕组的并联支路

    单迭绕组中，并联支路的对数等于磁极对数，即：

    a=p　　　　　　　　　　　　　　　　　（2-9）

    式中，a——并联支路对数。

    电刷要与中性面的元件引出端的换向片相接，故实际的几何位置是在磁极的轴线上。一对电刷连接相邻的两条支路，所以电刷对数也等于支路对数。

    （3）单波绕组

    单波绕组的特点是：

    y=y₁+y₂　　　　　　　　　　　　　　　（2-10）

    

    上式中如取“−”号，则为左行绕组；如取“+”号，则为右行绕组。如图2-25所示是单波左行绕组情况。从图中可以看到，两个相串联的元件分别处于两对磁极下，如果有P对磁极，就有P个元件串联，最后的元件端应落在起始换向片的左边相邻的一片上。如果是右行绕组，则落在起始换向片右边相邻的一片上。因右行绕组前端部伸出线交叉，用铜较多，很少采用。下面举例说明单波绕组的连接法。

    

    

    图2-25　单波绕组（左行）

    【例2-5】设Z_V= S=15，2P=4，试画出单波绕组展开图，说明其连接规律。

    解：根据式（2-5），采用短节距，得：

    

    根据式（2-11），采用左行绕组，得：

    

    根据式（2-10）得：

    y₂ = y−y₁=7−3=4

    如图2-26所示，第一个元件首端与1号换向片连接，上层边放于1号槽，下层边放于4号槽（因y₁=3），末端与8号换向片连接（因y_K = 7）；第二个元件（8号）的首端与8号换向片连接，上层边放于8号槽（因y=7），下层边放于11号槽，末端则与15号换向片连接。这时串联了两个元件，沿电枢和换向器绕了一周。按此规律继续连接下去，最后第9号元件末端接到1号换向片上，所有元件串联成一个闭合回路。

    

    

    图2-26　单波绕组展开图

    电枢按图中所示方向旋转，处在N极的元件边的电动势方向朝下，处在S极的元件边的电动势方向朝上。电刷的位置和单迭绕组相同，元件端部对称时，放在磁极轴线下的换向片上，把元件的连接、电动势方向和电刷位置画成图2-27。从图中可见，元件5、12被电刷A₁短路，元件1、8、9被电刷B₁、B₂短路，元件15、7、14、6、13串联构成一条支路，元件2、10、3、11、4串联构成另一条支路。电枢不停地旋转，但电刷的位置不变，所以被短路的元件号虽变了而短路的元件数不变。支路中的元件号变了而支路中的元件数不变，同时支路数也不变，恒为两条支路。

    

    

    图2-27　单波绕组电路图

    单波绕组只有两条并联支路，从理论上说，只用一对电刷便可以了，但电刷少了则电刷上的电流密度就要增大，为了保持电刷的电流密度不变，需要增大每个电刷的截面积，实际上并不省铜，而且对换向不利。因此，只有小型电机才仅用两个电刷。

    对于单迭绕组，并联支路数与磁极数相等；对于单波绕组，无论磁极数为多少，并联的支路数总是等于2。另从式（2-11）中可以看出：由于合成节距y必须为整数，所以单波绕组电机的换向片数K不能是偶数，只能是奇数。

    （4）均压线

    直流电机的电枢绕组由两条和两条以上的并联支路构成。理想情况下，各支路的电动势相等，绕组回路无环流，接上负载时，各支路的电流相等，但实际情况下，往往由于磁极材料内部结构不很一致；装配时不可能使每极下的空气隙绝对相等；运行中由于轴承磨损而使空气隙发生变化等，结果各极面的磁通不完全对称，使各并联支路的电动势不平衡，支路中产生环流。环流大将使绕组中铜耗增加，引起绕组过热，接上负载时，各支路和电刷的电流不相等，容易产生过大的电刷火花。

    为了避免上述不利情况，采用了均压线，就是在电枢绕组各并联支路上选取对应的“等位点”，用导线把它们连接起来，这些连接线称为均压线。等位点是指处在相同的磁场情况的点。如图2-27中1与9槽、2与10糟、3与11糟……都是两两对应的等位点，把它们对应的换向片1～9、2～10、3～11等用导线连接起来。这些连线叫做均压线，这种连接叫做均压连接。

    采用均压线后，环流可在均压线通过而不经电刷，大大地改变了换向条件，减小换向火花。同时由于均压线把绕组的一部分元件构成局部闭合回路，此局部回路内，如果由于磁的不对称而引起电动势的不平衡，产生环流，此环流为交变的。根据楞次定律，环流的磁通有阻碍原磁通变化的作用，使原磁通变化的程度降低。原磁通变化程度降低了，环流就相对减小，不会影响电机的正常工作。

    在单迭绕组中，如果把各支路的等位点全部对应连接起来，称为全额均压线。实际上，为了节约铜线，在电机换向不太困难的情况下，制造时并不需用全额均压线，而只需每隔一个或数个换向片装一条均压线即可。

    在单波绕组中，仅有两条并联交路，每条支路中的元件分布在所有相同极性的磁极下，所以磁场分布的不对称不会引起各支路中电动势的不平衡。因此，单波绕组不需要连接均压线。