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2017.04.04
1．绕组节距
所谓节距，是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示，如图1.8所示。元件的上层边用实线表示，下层边用虚线表示。
（1）第一节距
若极距用虚槽数表示，则
图1.8单叠绕组的节距
下面通过一个实例来说明。
（1）计算各节距
（2）绘制绕组展开图如图1.9所示。
所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿（图1.9中为第16槽与第1槽间的1个齿）的中间切开，并展开成平面的联接图。作图步骤如下。
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。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。
图1.9单叠绕组展开图
放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或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。在图1.9里，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。图1.9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，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是，被电刷所短路的元件，永远都是处于两个主磁极之间的地方，当然感应电动势为零。
实际的电机并不要求在绕组展开图上画出电刷的位置，而是等电机制造好，用试验的办法来确定电刷在换向器表面上的位置。
（3）绕组元件联接顺序图
图1.10单叠绕组元件联接顺序图
图1.10中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器上的一片换向片把两元件串联起来。从图1.10中看出，从第1元件出发，绕完16个元件后又回到第1元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。
在绕组展开图（图1.9）所示瞬间，根据电刷之间元件联接顺序，可以得到如图1.11所示的电枢绕组电路图。
图1.11单叠绕组电路图
从图1.11可清楚地看到，从电刷外面看绕组时，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，所以单叠绕组的支路数就等于电机的主磁极数。若以a表示支路对数，则
同时由图2.11看出，这种单叠绕组的支路由电刷引出，所以电刷杆数必须等于支路数，也就是等于极数。
综上所述，对电枢绕组中的单叠绕组，有以下特点：
（2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。
（3）电刷杆数等于极数。
电刷在换向器表面上的位置，虽然对准主磁极的中心线，但被电刷所短路的元件，它的两个元件边仍然位于几何中性线处。为了简单起见，今后所谓电刷放在几何中性线上，就是指被电刷所短路的元件，它的元件边位于几何中性线处，也就是指图2.9所示这种情况。初学者要特别注意。
单波绕组的绕组节距也分为第一节距、合成节距、换向器节距和第二节距等。它们的定义和单叠绕组的节距定义相同。
因此，单波绕组元件的换向器节距为
单波绕组各节距如图1.12所示，联接后的形状犹如波浪一样向前延伸，由此而得名。
图1.12单波绕组的节距
2．绕组展开图
下面也用一个例子来说明单波绕组的联接。
计算绕组节距得
和单叠绕组一样，画出绕组展开图，如图1.13所示。绕组元件联接顺序，也可用元件联接顺序图表示，如图1.14所示。
图1.13单波绕组展开图
图1.14单波绕组元件联接顺序图
把图1.13所示瞬间的各元件联接情况与电刷的关系整理、排列，可画出图1.15所示的绕组电路图。
图1.15单波绕组电路图
单波绕组有以下特点：
（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，正、负电刷间感应电动势最大。
（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。
直流电机的电枢绕组除单叠、单波两种基本型式外，还有复叠、复波以及混合绕组等，这里就不一一介绍，读者可参阅电机学方面的书籍。
1.4.1直流电机的空载磁场
图1.16直流电机空载时的磁场分布示意图
1—极靴；2—极身；3—元子磁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。因此，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，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.17所示。
图1.17直流电机空载磁场的磁密分布
图1.18电机的磁化曲线
当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小。通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。
电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢？
下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性，然后把两种磁场合成起来，再考虑到饱和问题，就可以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了。
1．电枢磁通势和电枢磁场
电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线。在电枢磁通势的作用下，电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图1.19所示。
图1.19电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布
由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。
现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况。首先讨论一个元件所产生的电枢磁通势。
图1.20一个元件所产生的电枢磁通势
a)磁力线分布b）磁通势分布
图1.21四个元件所产生的电枢磁通势
如果电枢表面均匀分布的元件数目较多，那么总的电枢磁通势波形会接近图1.21中所表示的三角形波。由于实际电机中，电枢上元件很多，可近似地认为电枢磁通势分布波形为一三角形波，其轴线即位于三角形的顶点上。
图1.22磁场分布和电枢反应
2．负载时的合成磁场和电枢反应
以直流电动机为例，把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，便可看出电枢反应的作用。
总的来说，电枢反应的作用不仅使电机内气隙磁场发生畸变，而且还会呈去磁作用。
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
1．他励直流电机
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图1.23（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图1.23（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图1.23（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。
图1.23直流电机的励磁方式
a)他励；b)并励；c)串励；d）复励
产生火花的原因是多方面的，除电磁原因外，还有机械的原因，换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们互相交织在一起，所以相当复杂，至今还没有完全掌握其各种现象的物理实质，尚无完整的理论分析。
从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。由于换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势均与电枢电流成正比，所以换向极绕组中应通以电枢电流，即换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组一般用截面较大的矩形导线绕成，而且匝数较少。
图1.24换向极绕组联接与极性
1.5.2直流电机的补偿绕组
图1.25环火
为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放补偿绕组，如图1.26所示。补偿绕组与电枢绕组串联，并使补偿绕组磁通势与电枢磁通势相反，以保证在任何负载下电枢磁通势都能被抵削，从而减少了因电枢反应而引起气隙磁场的畸变，也就减少了产生电位差火花和环火的可能性。但是装置补偿绕组使电机的结构变得复杂，成本较高，所以一般直流电机不采用，仅在负载变动大的大、中型电机中才用。
还应指出的是环火的发生除了上述的电气原因外，因换向器外圆不圆，表面不干净也可能形成环火，因此加强对电机的维护工作，对防止环火的发生有着重要作用。
图1.26补偿绕组
小结
任何类型的旋转电机都由定子部分和转子部分组成，在这两部分之间存在着一定大小的气隙，使电机中磁场和电路能发生相对运动。直流电机的主要结构部件除定子部分的主磁极和转子部分的电枢外，还有一些其他主要的部件，如换向器。这些主要的结构部件有其结构形式和作用。
电机的磁场是机电能量转换的媒介，不仅需要理解电机的磁场是怎样产生的，而且更重要的是理解其性质。直流电机的磁场由励磁磁通势和电枢磁通势共同产生，属于双边励磁的电机。因此存在电枢磁通势对气隙磁场的影响，即所谓电枢反应。电枢反应的作用不仅使气隙磁场发生畸变，而且还会呈一定的去磁作用。电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。
换向是直流电机在制造和运行中必须予以重视的问题。特别是在运行中需经常观察直流电机的换向是否良好。不良换向将会使电机遭到损坏。换向过程是相当复杂的，至今还未完全掌握其各种现象的物理实质，主要的电磁现象在于换向元件中存在两种电动势（即电抗电动势和电枢反应电动势）阻碍电流变化，导致换向延迟。当换向元件离开一条支路最后的瞬间具有一定的电磁能量释放出来，可能产生火花。改善换向的主要方法是装设换向极。换向极绕组通以电枢电流，使换向极磁通势不仅抵削在几何中性线处作用的电枢磁通势，而且产生换向极电动势去抵削电抗电动势。为了防止电位差火花与环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上嵌放补偿绕组。