第四章 直流電機之構造、與ㄧ般性質

直流電機的構造 直流發電機與電動機的構造完全相同，主要的構造有靜止部分與轉動部份。

(一)場軛:由鑄鋼、鑄鐵或鍛鋼製成，其功能為作為磁路的ㄧ部份及支持全部的機件。 (二)主磁極:由矽鋼片疊製而成，其上繞製磁場繞組，當繞組有激磁電流時將產生磁通。 (三)中間磁極:由矽鋼片疊製而成，在兩主磁極的中間，其上繞製中間繞組，該繞組與電樞串聯，其功能為改良換向，減少電刷與換向片間的火花。

(四)換向片與電刷:換向片與電刷合稱為整流子，在發電機中使線圈的交流電勢由換向片與電刷整流為直流電壓輸出至負載；在電動機中，將電樞兩端的直流電壓，以產生同方向的轉矩。 (五)電樞:電樞為電機的旋轉部份，表面的槽內裝設電樞導體，經旋轉割切磁極的磁通而產生電勢。 (六)轉軸:用來傳送機械功率。在電動機中將電樞產生的轉矩傳至負載；在發電機中則將外加的機械能送至電樞。 (七)托架:用以支撐電機，以便固定在其他機械上。

電樞繞組 (一)環形繞組 (1)優點:繞組不受極數的限制，即同樣的繞組可供不同極數的電機使用，電樞電流之路徑數與極數相同。 (2)缺點: (a)須以手工繞製、製造費時，且絕緣處理不易。 (b)中空鐵心內側之導體無法割切磁極磁通以產生電勢，浪費材料且增加電樞電阻。 (c)使自感及互感增大致換向不良。

(二)鼓型繞組:(目前普遍使用) (1)優點: (a)可採用成形的繞組，繞置容易及易於絕緣。 (b)自感及互感較環形繞組小，因此換向較環形繞組優。 (2)缺點:不能適用於不相同極數的電機。

電樞繞組的重要名詞 (一)極距(Pole pitch):相鄰兩詞即的中心距離稱為極距，等於180ْ電機角。 (二)線圈(Coil):由單匝或多匝的導體組成，有疊形及波形繞組的線圈。 (三)全節距(Full pitch):線圈的跨距正好為ㄧ個極距，即線圈的ㄧ邊正位於N極下，另ㄧ線圈邊正位於S極下。 (四)短節距(Short pitch):線圈的跨距小於一個極距，又稱為分數節距，可節省線圈的引線及可改善電勢波形與換向，為交、直流機普遍採用。

(五)後節距(Back pitch):同一線圈的兩線圈邊之跨距稱為後節距，通常以相差整數槽或線圈邊數表示，其代號為Yb。 (六)前節距(Front pitch):同ㄧ換向片之兩線圈邊之跨距稱為前節距，以相差整數槽或線圈邊數表示，其代號為Yf。 (七)平均節距(Average pitch): Yb與Yf的平均值稱為平均節距，以Yav表示。 (八)換向片節距(Commutator pitch):同ㄧ線圈兩端所接換向片的距離稱為換向片節距，以號碼差表示之，其代號為Yc。

單層繞組(Single layer winding):每ㄧ電樞槽只放置一線圈邊，適用於小容量的電機。 雙層繞組(Double layer winding):每ㄧ電樞槽放置二線圈邊，一邊置於上層、另一邊置於下層。

疊形繞組(Lap winding) 下圖所示為單分疊繞(Yc=1)，同ㄧ線圈的兩個線圈邊接於兩相鄰的換向片，如線圈A接於換向片1與2，線圈B接於換向片2與3，依此方式作各線圈的接線，則線圈n之兩線圈邊必與換向片n與n+1(第一片換向片)連接。

若換向片節距Yc=2，稱為雙分疊形繞組(Duplex lap winding)，若Yc=m，則稱m分疊形繞組。 雙分疊形繞組中，奇數線圈由積數換向片形成閉合迴路，偶數線圈由偶數換向片型成閉合迴路，因此電樞有兩個閉合的迴路稱為「二次重入」。

疊形繞組的電流路徑數 a=mp

a=1×4=4

均壓線 由於軸承的磨損、電樞軸的輕微跳動、裝配時的校正錯誤或鐵心中含有氣泡或雜質，致使每ㄧ並聯路徑或每ㄧ磁極下的導體所受的磁通不同，因而每ㄧ並聯路徑的感應電勢不同，將在電樞內部引起環流使繞組溫度上昇，且環流亦經過電刷與換向片，使電刷、換向片過熱或在換向時火花之電弧增大造成電刷或換向片之燒損，因此需使用均壓線導通環流，避免環流通過換向片與電刷。

波形繞組(Wave winding) 此繞組聯接的順序為依序地經過一N極與S極，經電樞ㄧ週始回至原N極下與線圈邊a相鄰的a'線圈邊聯接。繞組聯接的方式由一磁極至另ㄧ磁極，宛如波浪狀，稱為波形繞組。

波形繞組又稱為雙路繞或串聯繞，其並聯路徑數a=2m

虛設線圈 波形繞組的換向片數與電樞槽數無法配合時，則有剩餘的空槽，為求機械平衡，將若干線圈放置於空槽中，僅作填空而不作電氣聯接，此空槽的線圈稱為虛設線圈。

疊繞與波繞之比較

蛙腿式繞組(Frog-leg winding) 蛙腿式繞組，每ㄧ線圈含有疊形及波形繞組。 疊形繞組的引線與相鄰兩換向片連接，波形繞組的引線向兩側外伸與相隔約360ْ電機角度的換向片連接。其特性如下:

直流電機的感應電勢與轉矩

感應電勢的推導

直流電機的轉矩 載有電流的電樞導體與磁場相互作用而產生轉矩，在電機中稱感應轉矩或電磁轉矩。

電樞反應 電樞導體有電流通過時，在導體的周圍會產生磁場，稱為電樞磁場。此電樞磁場將使主磁場產生畸變的現象稱為電樞反應(Armature reaction)。

電樞反應對發電機及電動機的影響 電樞反應的交磁作用，將使主磁場扭斜，使磁中性面移動，造成換向困難。 電樞反應使每極有效磁通減少，致發電機的感應電勢下降；電動機轉矩減少，而轉速增快。 發電機中電樞反應會使後極尖的磁通大於前極尖，即前極尖磁通疏，而後極尖磁通密，使磁中性面依轉向前移。 電動機中電樞反應使前極尖磁通大於後極尖，即前極尖磁通密，後極尖磁通疏，使磁中性面往後移。

為改善換向，對發電機將電刷依旋轉方向移動α角度；對電動機則將電刷逆旋轉方向移動α角度。

電樞反應的改善方法 增大磁極尖部的空氣隙 採用單極尖之疊片 楞德爾磁極(Lundall Poll) 設置補償繞組(Compensating winding) 設置中間磁極(Interpole)或換向極(Commutating Pole)

換向 電樞導體旋轉通過電刷的過程中在行經中性面時，會改變其電流方向，此作用稱為換向。 換向時間

理想換向

換向方程式 換向時流經換向線圈、電刷與換向片的旋環電流i為

影響換向之因素 換向線圈的電阻及其引線電阻。 電刷電阻。 換向器與電刷的接觸電阻。 換向線圈割切中間磁極的磁通所產生的換向電壓。