1.繞組節(jié)距 所謂節(jié)距,,是指被聯接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離,,以所跨過的元件邊數或虛槽數或換向片數來表示,如圖1.8所示,。元件的上層邊用實線表示,,下層邊用虛線表示。
(1)第一節(jié)距 一個元件的兩個元件邊在電樞表面所跨的距離(即跨距)是 ,,用所跨虛槽數表示,。選擇 的依據是盡量讓元件里感應電動勢為最大,即 應等于或接近于一個極距 (每個主磁極在電樞圓周上所分得的弧長),。 (1.7) 式中 ——電樞外徑,; ——主磁極對數,。 若極距用虛槽數表示,則 (1.8) 由于 不一定能被極數 整除,,而 又必須為整數,,所以應使 (1.9) 式中 ——小于1的分數。 若 =0,, 稱為整距繞組,; , > 稱為長距繞組,; < 稱為短距繞組,。 圖1.8 單疊繞組的節(jié)距 (2)合成節(jié)距 和換向器節(jié)距 元件1和它相聯的元件2對應邊之間的跨距是 ,,用虛槽數表示。每個元件首,、末端所聯兩個換向片之間的跨距是 ,,用換向片數表示,。對單疊繞組 。當把每一個元件聯成繞組時,,聯接的順序是從左向右進行,稱為右行繞組。圖1.8所示就是這種繞組,。 (3)第二節(jié)距 是聯至同一個換向片的兩個元件邊之間的距離,,或者說,是元件1的下層元件邊在換向器端經過換向片聯到元件2的上層元件之間的跨距,。對單疊繞組有 (1.10) 下面通過一個實例來說明,。 設一臺直流發(fā)電機 , 聯接成單疊右行繞組,。 (1)計算各節(jié)距 第一節(jié)距 合成節(jié)距 和換向器節(jié)距 第二節(jié)距 (2)繪制繞組展開圖 如圖1.9所示,。 所謂繞組展開圖是假想將電樞及換向器沿某一齒(圖1.9中為第16槽與第1槽間的1個齒)的中間切開,并展開成平面的聯接圖,。作圖步驟如下,。 第一步,先畫16根等長等距的實線,,代表各槽上層元件邊,,再畫16根等長等距的虛線,代表各槽下層元件邊,。讓虛線與實線靠近一些,。實際上一根實線和一根虛線代表一個槽(指虛槽),依次把槽編上號碼,。 圖1.9 單疊繞組展開圖 第二步,,放置主磁極。讓每個磁極的寬度大約等于0.7 ,4個磁極均勻放置在電樞槽之上,,并標上 ,、 極性。假定 極的磁力線進入紙面,, 極的磁力線從紙面穿出,。 第三步,畫16個小方塊代表換向片,,并標上號碼,,為了作圖方便,使換向片寬度等于槽與槽之間的距離,。為了能聯出形狀對稱的元件,,換向片的編號應與槽的編號有一定對應關系(由第一節(jié)距 來考慮)。 第四步,,聯繞組,。為了便于聯接,將元件,、槽和換向片按順序編號,。編號時把元件號碼,、元件上層邊所在槽的號碼以及元件上層邊相聯接的換向片號碼編得一樣,即1號元件的上層邊放在1號槽內并與1號換向片相聯接,。這樣當1號元件的上層邊放在1號槽(實線)并與1號換向片相聯后,,因為 =4,則1號元件的下層邊應放在第5號槽( )的下層(虛線),;因 ,,所以1號元件的末端應聯接在2號換向片上( )。一般應使元件左右對稱,,這樣1號換向片與2號換向片的分界線正好與元件的中心線相重合,。然后將2號元件的上層邊放入2號槽的上層( ),下層邊放在6號槽的下層( ),,2號元件的上層邊聯在2號換向片上,,下層邊聯在3號換向片上。按此規(guī)律排列與聯接下去,,一直把16個元件都聯起來為止,。 校核第2節(jié)距:第1元件放在第5槽的下層邊與放在第2槽第2元件的上層邊,它們之間滿足 的關系,。其他元件也如此,。 第五步,確定每個元件邊里導體感應電動勢的方向,。圖2.9中,,所考慮的是發(fā)電機,箭頭表示電樞旋轉方向,,即自右向左運動,,根據右手定則就可判定各元件邊的感應電動勢的方向,即在 極下的導體電動勢是向下,,在 極下是向上的。在圖示這一瞬間,,1,、5、9,、13四個元件正好位于兩個主磁極的中間,,該處氣隙磁密為零,所以不感應電動勢,。 第六步,,放電刷。在直流電機里,,電刷組數也就是刷桿的數目與主極的個數一樣多,。對本例來說,就是四組電刷 ,、 、 ,、 ,,它們均勻地放在換向器表面圓周方向的位置,。每個電刷的寬度等于每一個換向片的寬度。 放電刷的原則是,,要求正、負電刷之間得到最大的感應電動勢,,或被電刷所短路的元件中感應電動勢最小,這兩個要求實際上是一致的,。在圖1.9里,,由于每個元件的幾何形狀對稱,,如果把電刷的中心線對準主極的中心線,就能滿足上述要求,。圖1.9中,被電刷所短路的元件正好是1,、5、9,、13,這幾個元件中的電動勢恰為零,。實際運行時,,電刷是靜止不動的,電樞在旋轉,,但是,被電刷所短路的元件,,永遠都是處于兩個主磁極之間的地方,當然感應電動勢為零,。 實際的電機并不要求在繞組展開圖上畫出電刷的位置,而是等電機制造好,,用試驗的辦法來確定電刷在換向器表面上的位置,。 (3)繞組元件聯接順序圖 繞組元件聯接順序圖用來表示電樞上所有元件邊的串聯次序。根據圖1.9的節(jié)距,,可以直接看出繞組各元件之間是如何聯接的。如第1虛槽上層元件邊經 接到第5虛槽的下層元件邊,,構成了第1個元件,,它的首,、末端分別接到第1,、2兩個換向片上。第5虛槽的下層元件邊經 接到第2虛槽的上層元件邊,,這樣就把第1、2兩個元件聯接起來了,。依次類推,,如圖1.10所示,。 圖1.10 單疊繞組元件聯接順序圖 圖1.10中每根實線所連接的兩個元件邊構成一個元件,兩元件之間的虛線則表示通過換向器上的一片換向片把兩元件串聯起來,。從圖1.10中看出,從第1元件出發(fā),,繞完16個元件后又回到第1元件??梢姡麄€繞組是一個閉路繞組,。 (4)繞組電路圖 在繞組展開圖(圖1.9)所示瞬間,,根據電刷之間元件聯接順序,可以得到如圖1.11所示的電樞繞組電路圖,。 圖1.11 單疊繞組電路圖 從圖1.11可清楚地看到,,從電刷外面看繞組時,電樞繞組由4條并聯支路組成。上層邊處在同一極下的元件中感應電動勢方向相同,,串聯起來通過電刷構成一條支路,;被電刷短路的元件中電動勢等于零,,此時這些元件不參加組成支路,,所以單疊繞組的支路數就等于電機的主磁極數。若以a表示支路對數,,則 (1.11) 可見,,增加電機的主極數便可增加支路數,,從而可使電樞通過較大的電流,。 同時由圖2.11看出,,這種單疊繞組的支路由電刷引出,,所以電刷桿數必須等于支路數,,也就是等于極數,。 綜上所述,對電樞繞組中的單疊繞組,,有以下特點: (1)位于同一個磁極下的各元件串聯起來組成了一條支路,,即支路對數等于極對數,, 。 (2)當元件的幾何形狀對稱,,電刷放在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時,,正,、負電刷間感應電動勢為最大,,被電刷所短路的元件里感應電動勢最小,。 (3)電刷桿數等于極數。 電刷在換向器表面上的位置,,雖然對準主磁極的中心線,,但被電刷所短路的元件,它的兩個元件邊仍然位于幾何中性線處,。為了簡單起見,今后所謂電刷放在幾何中性線上,,就是指被電刷所短路的元件,,它的元件邊位于幾何中性線處,也就是指圖2.9所示這種情況,。初學者要特別注意,。 1.繞組節(jié)距 單波繞組的繞組節(jié)距也分為第一節(jié)距、合成節(jié)距,、換向器節(jié)距和第二節(jié)距等,。它們的定義和單疊繞組的節(jié)距定義相同。 (1)第一節(jié)距 因為 與元件聯接方式無關,,所以單波繞組的第一節(jié)距 的計算方法與單疊繞組的完全相同,。 (2)合成節(jié)距 與換向器節(jié)距 選擇 時,應使相串聯的元件感應電動勢同方向,。為此,,須把兩個相串聯的元件放在同極性磁極的下面,讓它們在空間位置上相距約兩個極距,。其次,,當沿圓周向一個方向繞了一周,經過 個串聯的元件后,,其末尾所聯的換向片 ,必須落在與起始的換向片相鄰的位置,,才能使第二周繼續(xù)往下聯,,即 (1.12) 因此,單波繞組元件的換向器節(jié)距為 (1.13) 式中正負號的選擇,,首先要滿足 是一個整數,。在滿足 為整數時,,一般都取負號。這種繞組當把每一個元件聯成繞組時,,聯接的順序是從右向左進行,,稱為左行繞組。圖1.12所示就是這種繞組,。 合成節(jié)距 ,。 (3)第二節(jié)距 單波繞組各節(jié)距如圖1.12所示,聯接后的形狀猶如波浪一樣向前延伸,,由此而得名,。 圖1.12 單波繞組的節(jié)距 2.繞組展開圖 下面也用一個例子來說明單波繞組的聯接。 設一臺直流電動機 ,, ,,聯接成單波左行繞組。 計算繞組節(jié)距得 為一短距繞組,。 和單疊繞組一樣,,畫出繞組展開圖,如圖1.13所示,。繞組元件聯接順序,,也可用元件聯接順序圖表示,如圖1.14所示,。 圖1.13 單波繞組展開圖 圖1.14 單波繞組元件聯接順序圖 3.繞組電路圖 把圖1.13所示瞬間的各元件聯接情況與電刷的關系整理,、排列,可畫出圖1.15所示的繞組電路圖,。 圖1.15 單波繞組電路圖 由圖可見,,單波繞組是把所有上層邊在 極下的元件串聯起來構成一條支路,把所有上層邊在 極下的元件串聯起來構成另一條支路,。由于主磁極只有 ,、 之分,所以單波繞組的支路對數與磁極對數無關,,總是等于1,,即 (1.14) 單波繞組有以下特點: (1)同極性下各元件串聯起來組成一個支路,支路對數 ,,與磁級對數 無關,。 (2)當元件的幾何形狀對稱時,電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線,,正,、負電刷間感應電動勢最大。 (3)電刷桿數也應等于極數(采用全額電刷),。 直流電機的電樞繞組除單疊,、單波兩種基本型式外,,還有復疊、復波以及混合繞組等,,這里就不一一介紹,,讀者可參閱電機學方面的書籍。 直流電機中除主極磁場外,,當電樞繞組中有電流流過時,,還將會產生電樞磁場。電樞磁場與主磁場的合成形成了電機中的氣隙磁場,,它是直接影響電樞電動勢和電磁轉矩大小的,。要了解氣隙磁場的情況,就要先分析清楚主磁場和電樞磁場的特性,。 直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小,,且可以不計其影響的一種運行狀態(tài),此時電機無負載,,即無功率輸出,。所以直流電機空載時的氣隙磁場可以看作就是主磁場,即由勵磁磁通勢單獨建立的磁場,。 當勵磁繞組通入勵磁電流,,各主磁極極性依次呈現為 極和 極,由于電機磁路結構對稱,,不論極數多少,,每對極的磁路是相同的,因此只要分析一對極的磁路情況就可以了,。 圖1.16是一臺四極直流電機空載時的磁場分布示意圖(一對極的情形),。從圖中看出,由 極出來的磁通,,大部分經過氣隙進入電樞齒部,,再經過電樞磁軛到另一部分的電樞齒,又通過氣隙進入 極,,再經過定子磁軛回到原來出發(fā)的 極,,成為閉合回路。這部分磁通同時匝鏈著勵磁繞組和電樞繞組,,電樞旋轉時,,能在電樞繞組中感應電動勢,或者產生電磁轉矩,,把這部分磁通稱為主磁通,,用φ0表示。此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合回路,這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈,,稱為漏磁通,用φ 表示,。由于主磁通磁路的氣隙較小,,磁導較大,漏磁通磁路的氣隙較大,,磁導較小,,而作用在這兩條磁路的磁通勢是相同的,所以漏磁通在數量上比主磁通要小得多,,大約是主磁通的20%左右,。 圖1.16 直流電機空載時的磁場分布示意圖 1— 極靴;2—極身,;3—元子磁軛,;4—勵磁繞組;5—氣隙,;6—電樞齒,;7—電樞磁軛 由于主磁極極靴寬度總是比一個極距要小,在極靴下的氣隙又往往是不均勻的,,所以主磁通的每條磁力線所通過的磁回路不盡相同,,在磁極軸線附近的磁回路中氣隙較小,;接近極尖處的磁回路中氣隙較大,。如果不計鐵磁材料中的磁壓降,則在氣隙中各處所消耗的磁通勢均為勵磁磁通勢,。因此,,在極靴下,氣隙小,,氣隙中沿電樞表面上各點磁密較大,;在極靴范圍外,氣隙增加很多,,磁密顯著減小,,至兩極間的幾何中性線處磁密為零。不考慮齒槽影響時,,直流電機空載磁場的磁密分布如圖1.17所示,。 圖1.17 直流電機空載磁場的磁密分布 在直流電機中,為了感應電動勢或產生電磁轉矩,,氣隙里要有一定數量的主磁通φ0,,也就是需要有一定的勵磁磁通勢 ,或者當勵磁繞組匝數一定時,需要有一定的勵磁電流 ,。把空載時主磁通φ0與空載勵磁磁通勢 或空載勵磁電流 的關系,,即φ0= 或φ0= ,稱為直流電機的磁化曲線,,它表明了電機磁路的特性,。電機的磁化曲線可通過電機磁路計算來得到。 直流電機磁路計算內容是:已知氣隙每極磁通為φ0,,求出直流電機主磁路各段中的磁壓降,,各段磁壓降的總和便是勵磁磁通勢 。對于給定的不同大小的φ0用同一方法計算,,得到與φ0相應的不同 ,,經多次計算,便得到了空載磁化曲線φ0 ,。 直流電機主磁通的磁回路從圖1.16中可看出主要包括這樣幾段:兩段主磁極,、兩段氣隙、兩段電樞齒部,、電樞磁軛,、定子磁軛。對于每一段磁路,,都是根據已知的φ0,,算出磁密B,再找出相應的磁場強度H,,分別乘以各段磁路長度后便得到磁壓降,。氣隙部分的磁導率是常數,不隨φ0而變,,或者說氣隙磁壓降與φ0成正比,。但其它各段磁路,都是鐵磁材料構成,,它們的B與H之間是非線性關系,,具有磁飽和的特點,也就是說它們的磁壓降與φ0不成正比,,也具有飽和現象,,當φ0大到一定程度后,出現飽和,,φ0再增大,,H或磁壓降就急劇增大。因此,,造成了直流電機φ0大到一定程度后,,磁路總磁壓降即勵磁磁通勢 急劇增大,電機的磁化曲線具有飽和現象,如圖2.18所示,。 圖1.18 電機的磁化曲線 考慮到電機的運行性能和經濟性,,直流電機額定運行的磁通額定值的大小取在磁化曲線開始彎曲的地方(稱為膝部),如圖1.18中的a點(稱為膝點),,對應的φN系指在空載額定電壓時的每極磁通,,對應的勵磁磁通勢為FfN。 1.4.2 直流電機負載時的磁場和電樞反應(返回頂部) 當電機帶上負載后,,電樞繞組中就有電流流過,在電機磁路中,,又形成一個磁通勢,,這個磁通勢稱為電樞磁通勢。因此,,負載時的氣隙磁場將由勵磁磁通勢和電樞磁通勢共同作用所建立,。電樞磁通勢的出現,必然會影響空載時只有勵磁磁通勢單獨建立的磁場,,有可能改變氣隙磁密分布及每極磁通量的大小。通常把負載時電樞磁通勢對主磁場的這種影響稱為電樞反應,電樞反應對直流電機的運行性能影響很大,。 電樞磁通勢如何影響電機中的主磁場呢,? 下面先分析清楚電樞磁通勢和電樞磁場的特性,然后把兩種磁場合成起來,,再考慮到飽和問題,,就可以看清楚電樞磁通勢對主磁場的影響了。 1.電樞磁通勢和電樞磁場 電樞磁通勢是由電樞電流所產生的,,從對電樞繞組的分析可知,,不論什么型式的繞組,其各支路中的電流是通過電刷引入或引出的,。在一個極下元件邊中電流方向是相同的,,相鄰的不同極性的磁極下元件邊中電流方向總是相反的。因此,,電刷是電樞表面電流分布的分界線,。在電樞磁通勢的作用下,電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布如圖1.19所示,。 圖1.19 電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布 由于電刷和換向器的作用,,盡管電樞是旋轉的,但是每極下元件邊中的電流方向是不變的,,因此電樞磁通勢以及由它建立的電樞磁場是不動的,。電樞磁場的軸線總是與電刷軸線重合,并與勵磁磁通勢產生的主磁場軸線相互垂直。 現在研究電樞磁通勢的大小和電樞磁場的磁密沿電樞表面分布的情況,。首先討論一個元件所產生的電樞磁通勢,。 設電樞槽內僅嵌放一個元件,該元件軸線(即元件的中心線)與磁極軸線垂直,,即元件邊位于磁極軸線上,,如圖1.20(a)所示。元件有 匝,,元件中的電流為 ,,則元件邊所產生的磁通勢為 安培導線數。由該元件所建立的磁場的磁力線的路徑如圖1.20(a)所示,。設想將電機從 處切開,,展平如圖1.20(b)所示。根據全電流定律可知,,每個磁回路的磁通勢均為 ,。每根磁力線通過兩次氣隙,若不計鐵磁材料中的磁壓降,,則磁通勢全部消耗在氣隙中,。在直流電機中,與磁極軸線等距離處的氣隙大小相等,,所以磁力線通過一次氣隙所消耗的磁通勢則為磁力線所包圍的全電流的一半,,即1/2 。若以幾何中性線為縱軸,,電樞周長為橫軸,,但規(guī)定磁通勢方向與磁力線方向一致,即正磁通勢表示由它產生的磁通方向從電樞到主磁極,,負磁通勢則為從主磁極到電樞,。作這些規(guī)定后,一個元件所消耗于氣隙的磁通勢的空間分布為 (1.15) 將式(1.15)用曲線形式表示,,如圖1.20(b)中所示,。從圖中看出,一個寬度為一個極距 的元件所產生的電樞磁通勢在空間的分布為一個以2 為周期,,幅值為1/2 的矩形波,。 圖1.20 一個元件所產生的電樞磁通勢 a)磁力線分布 b)磁通勢分布 若電樞表面均勻分布四個元件,如圖1.21所示,。根據上面分析,,每個元件的磁通勢空間分布均為一個高為1/2 、寬度為 的矩形波,。把這樣的四個矩形波疊加起來,,可得一個每級高度為 ,、階梯級數為2的階梯形波。 圖1.21 四個元件所產生的電樞磁通勢 如果電樞表面均勻分布的元件數目較多,,那么總的電樞磁通勢波形會接近圖1.21中所表示的三角形波,。由于實際電機中,電樞上元件很多,,可近似地認為電樞磁通勢分布波形為一三角形波,,其軸線即位于三角形的頂點上。 設 為電樞繞組的總導線數,, 為元件數,, 為極對數, 為極距,, 為電樞直徑,,則階梯級數為 ,且階梯形波或三角形波的幅值為 (1.16) 把 和 代入式(2.16)得 (1.17) 式中 ——電樞表面單位長度上的安培導體數,,稱為線負荷(A/m)。 知道了電樞磁通勢分布曲線,,在忽略鐵心中磁阻的情況下,,即可求出電樞磁場的磁密沿電樞表面的分布曲線。這條曲線表示為 (1.18) 式中 ——氣隙長度(m),; ——真空中的磁導率,, 。 如果氣隙是均勻的,,即 為常數,,則在極靴范圍內,磁密分布也是一條直線,。但在兩極極靴之間的空間內,,因氣隙長度大為增加,磁阻急劇增加,,雖然此處磁通勢較大,,磁密卻反而減小,因此磁密分布曲線是馬鞍形,,如圖1.22中所示,。 圖1.22 磁場分布和電樞反應 2.負載時的合成磁場和電樞反應 以直流電動機為例,,把主磁場與電樞磁場合成,,將合成磁場與主磁場比較,,便可看出電樞反應的作用,。 在圖2.22中,,表明了磁極極性和極下元件邊中的電流方向,。根據左手定則,,決定轉動方向為由右向左。再按磁力線方向與磁通勢方向一致的原則,,分別畫出主磁場分布曲線 及電樞磁場分布曲線 。若磁路不飽和,,可用迭加原理,將 沿電樞表面逐點相加,,便得到負載時氣隙內合成磁場分布曲線 (如圖2.22中實線所表示)。將 和 比較,,得出: (1)使氣隙磁場發(fā)生畸變,。每一磁極下,因為電樞磁場使主磁場一半被削弱,,另一半被加強,,并使電樞表面磁密為零的位置由空載時在幾何中性線逆轉向移動了一個角度 。稱通過電樞表面磁密為零的這條直線為物理中性線,。故在空載時,物理中性線與幾何中性線重合,;負載時,,由于電樞反應的影響,氣隙磁場發(fā)生畸變,,物理中性線與幾何中性線不再重合,,而且磁場的分布曲線也與空載時不同。 (2)對主磁場起去磁作用,。在磁路不飽和時,,主磁場被削弱的數量恰好等于被加強的數量(圖2.22中表示出面積 ),,因此負載時每極下的合成磁通量與空載時相同。但在實際電機中,,磁路總是飽和的,。因為在主磁極兩邊磁場變化情況不同,一邊是增磁的,,另一邊是去磁的,。主極的增磁作用會使飽和程度提高,鐵心磁阻增大,,從而使實際的合成磁場曲線(圖中用虛線表示)比不計飽和時要低些,,與不飽和時相比,增加的磁通要少些,;主極的去磁作用可使飽和程度降低,,鐵心磁阻減小,,結果使實際的合成磁場曲線(圖中用虛線表示)比不計飽和時略高些,與不飽和時相比,,減少的磁通要少些,。由于磁阻變化的非線性,磁阻的增大比磁阻的減小要大些,,增加的磁通就會小于減少的磁通(圖2.22中表示出面積 < ),,因此負載時合成磁場每極磁通比空載時每極磁通略有減少,,這就是電樞反應的去磁作用,。 總的來說,,電樞反應的作用不僅使電機內氣隙磁場發(fā)生畸變,,而且還會呈去磁作用,。 1.4.3 直流電機的勵磁方式(返回頂部) 直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電,、產生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題,。根據勵磁方式的不同,直流電機可分為下列幾種類型,。 1.他勵直流電機 勵磁繞組與電樞繞組無聯接關系,,而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機,接線如圖1.23(a)所示,。圖中M表示電動機,,若為發(fā)電機,則用G表示,。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。 2.并勵直流電機 并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯,,接線如圖1.23(b)所示,。作為并勵發(fā)電機來說,,是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電,;作為并勵電動機來說,勵磁繞組與電樞共用同一電源,,從性能上講與他勵直流電動機相同,。 3.串勵直流電機 串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯后,,再接于直流電源,,接線如圖1.23(c)所示,。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流,。 4.復勵直流電機 復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組,,接線如圖1.23(d)所示,。若串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反,,則稱為差復勵,。 不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性,。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式,、串勵式和復勵式,直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式,、并勵式和和復勵式。 圖1.23 直流電機的勵磁方式 a)他勵,; b)并勵,; c)串勵,; d)復勵 直流電機的換向問題和換向極繞組
通過對直流電機電樞繞組的分析知道,當電樞旋轉時,,組成電樞繞組的每條支路里所含元件數目是不變的,但組成每條支路的元件都在依次循環(huán)地更換,。一條支路中的某個元件在經過電刷后就成為另一條支路的元件,并且在電刷的兩側,,元件中的電流方向是相反的,,因此直流電機在工作時,,繞組元件連續(xù)不斷地從一條支路退出而進入相鄰的支路,。在元件從一條支路轉入另一條支路這個過程中,,元件中的電流就要改變方向,這就是所謂直流電機的換向問題,。 換向問題是換向器電機的一個專門問題,如果換向不良,,將會在電刷與換向片之間產生有害的火花,。當火花超過一定程度,,就會燒壞電刷和換向器表面,使電機不能正常工作,。此外,電刷下的火花也是一個電磁波的來源,對附近無線電通訊有干擾,。國家對電機換向時產生的火花等級及相應的允許運行狀態(tài)有一定的規(guī)定。讀者可參閱我國有關國家技術標準,。 產生火花的原因是多方面的,,除電磁原因外,還有機械的原因,,換向過程中還伴隨有電化學,、電熱等因素,它們互相交織在一起,,所以相當復雜,,至今還沒有完全掌握其各種現象的物理實質,,尚無完整的理論分析。 就電磁理論方面看,,換向元件在換向過程中,,電流的變化必然會在換向元件中產生自感電動勢,。此外,,因電刷寬度通常為2~3片換向片寬,,同時換向的元件就不止一個,換向元件與換向元件之間會有互感電動勢產生,。自感電動勢和互感電動勢的合成稱為電抗電動勢。根據楞次定律,,電抗電動勢的作用是阻止電流變化的,,即阻礙換向的進行,。另外電樞磁場的存在,,使得處在幾何中性線上的換向元件中產生一種切割電動勢,稱為電樞反應電動勢,。根據右手定則,,電樞反應電動勢也起著阻礙換向的作用。因此,,換向元件中出現延遲換向的現象,造成換向元件離開一個支路最后瞬間尚有較大的電磁能量,這部分能量以弧光放電的方式轉化為熱能,,散失在空氣中,,因而在電刷與換向片之間出現火花。 從產生火花的電磁原因出發(fā),,要有效地改善換向,就必須減小,、甚至抵削換向元件中的電抗電動勢和電樞反應電動勢,。目前最主要的方法是在主磁極之間裝設換向極。由于換向元件中的電抗電動勢和電樞反應電動勢均與電樞電流成正比,,所以換向極繞組中應通以電樞電流,,即換向極繞組與電樞繞組串聯,。換向極繞組一般用截面較大的矩形導線繞成,,而且匝數較少。 換向極繞組產生的磁通勢的方向與電樞磁通勢的方向相反,,大小比電樞磁通勢大,。這樣換向極磁通勢除抵削電樞磁通勢在幾何中性線處的作用外,,剩余的磁通勢在換向元件里產生感應電動勢,這個電動勢抵消換向元件中的電抗電動勢,。只要換向極設計和調整得合適,,就能保證換向元件中總電動勢接近于零,,電機的換向就比較順利了,,使負載運行時電刷與換向器之間基本上沒有火花,。圖2.24表示了一臺直流電機換向極繞組的聯接與換向極的極性布置。在直流電動機中,,換向極極性應和換向元件邊剛離開的那個主磁極極性一樣,,其排列順序為 、 、 、 ( 、 為換向極極性),,而在直流發(fā)電機中,應與將進入的那個主磁極極性相同,,其排列順序為 、 ,、 、 ,。 圖1.24 換向極繞組聯接與極性 在直流電機中,除了上述的電磁性火花外,,有時還因某些換向片的片間電壓過高而產生的所謂電位差火花。在換向不利的條件下,,電磁性火花與電位差火花連成一片,在換向器上形成一條長電弧,,將正,、負電刷連通,如圖2.25所示。這種現象稱為“環(huán)火”,是一種十分危險的現象,,它不僅會燒壞電刷和換向器,,而且將使電樞繞組受到嚴重損害,。 圖1.25 環(huán)火 為了防止電位差火花和環(huán)火,,在大容量和工作繁重的直流電機中,,在主磁極極靴上專門沖出一些均勻分布的槽,,槽內嵌放補償繞組,如圖1.26所示,。補償繞組與電樞繞組串聯,,并使補償繞組磁通勢與電樞磁通勢相反,以保證在任何負載下電樞磁通勢都能被抵削,,從而減少了因電樞反應而引起氣隙磁場的畸變,,也就減少了產生電位差火花和環(huán)火的可能性,。但是裝置補償繞組使電機的結構變得復雜,,成本較高,所以一般直流電機不采用,,僅在負載變動大的大、中型電機中才用,。 還應指出的是環(huán)火的發(fā)生除了上述的電氣原因外,因換向器外圓不圓,,表面不干凈也可能形成環(huán)火,因此加強對電機的維護工作,,對防止環(huán)火的發(fā)生有著重要作用,。 圖1.26 補償繞組 直流電機的工作原理是建立在電和磁相互作用的基礎上,。直流電機以及其他旋轉電機都是實現機電能量轉換的裝置,。為此必須熟練地應用所學過的基本電磁定律,結合電刷和換向器的作用去理解,,并且充分注意到直流電機中外電路的電壓(電動勢)和電流都是直流電性質的,,而每個元件的電壓(電動勢)和電流都是交變性質的。 任何類型的旋轉電機都由定子部分和轉子部分組成,,在這兩部分之間存在著一定大小的氣隙,,使電機中磁場和電路能發(fā)生相對運動。直流電機的主要結構部件除定子部分的主磁極和轉子部分的電樞外,,還有一些其他主要的部件,,如換向器,。這些主要的結構部件有其結構形式和作用。 額定值是保證電機可靠地工作并具有良好性能的依據,。尤其對應用人員,,要充分理解額定值的涵義,,以便合理地選擇和使用電機,。直流電機的額定值有額定功率,、額定電壓,、額定電流,、額定轉速和額定勵磁電流等,。 電樞繞組是直流電機的主要電路部分,是實現機電能量轉換的樞紐,。直流電機的電樞繞組是由許多完全相同的元件按一定的規(guī)律排列和聯接起來的一種閉合繞組,。單疊繞組和單波繞組是兩種基本型式。從構成電樞電路的支路來看,,單疊繞組中上層邊處于同一磁極下的元件串聯構成一條支路,,而單波繞組則是將上層邊處于相同極性磁極下的所有元件串聯構成一條支路,,雖然電樞在轉動,每個瞬時構成支路的元件在更換,,但電樞繞組通過電刷并聯的支路數總是不變的,。因此,單疊繞組的支路對數始終等于極對數,,即 ,,而單波繞組的支路對數與極對數無關,永遠等于1,,即 ,。 電機的磁場是機電能量轉換的媒介,不僅需要理解電機的磁場是怎樣產生的,,而且更重要的是理解其性質,。直流電機的磁場由勵磁磁通勢和電樞磁通勢共同產生,屬于雙邊勵磁的電機,。因此存在電樞磁通勢對氣隙磁場的影響,,即所謂電樞反應。電樞反應的作用不僅使氣隙磁場發(fā)生畸變,,而且還會呈一定的去磁作用,。電樞反應對直流電機的運行性能影響很大。 換向是直流電機在制造和運行中必須予以重視的問題,。特別是在運行中需經常觀察直流電機的換向是否良好,。不良換向將會使電機遭到損壞。換向過程是相當復雜的,,至今還未完全掌握其各種現象的物理實質,,主要的電磁現象在于換向元件中存在兩種電動勢(即電抗電動勢和電樞反應電動勢)阻礙電流變化,導致換向延遲,。當換向元件離開一條支路最后的瞬間具有一定的電磁能量釋放出來,,可能產生火花。改善換向的主要方法是裝設換向極,。換向極繞組通以電樞電流,,使換向極磁通勢不僅抵削在幾何中性線處作用的電樞磁通勢,,而且產生換向極電動勢去抵削電抗電動勢,。為了防止電位差火花與環(huán)火,在大容量和工作繁重的直流電機中,,在主磁極極靴上嵌放補償繞組,。 |
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