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1、第2章 直流电机 DC Machines,结构 基本原理 电磁关系,一、 直流电机的基本结构,1.1 定子 转子 （固定部分） （转动部分）,主磁极 换向极 机座 端盖 轴承 电刷装置,产生磁场、电机的机械支撑,电枢铁心 电枢绕组 换向器 轴 风扇,感应电势，而实现能量转换的部分,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心 由05mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。 铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心 由05mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。 铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。,1.2 直流电
2、机的磁路,磁极铁心 由l-1.5mm厚的钢片叠成，与励磁线圈一起固定在磁轭上 极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极上沿空气隙圆周表面的距离称为极距，极弧与极距比为极弧系数，约0.60.7,极靴 极靴较磁极极芯向外引伸，使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均匀，有利于固定励磁线圈 由于齿槽效应，表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由叠片制成,磁轭 在磁极外围将磁路闭合的部分，磁轭和底座相连 其中磁通不变（当直流励磁电流不变时），由铸刚构成,换向极磁路 换向极，是位于两个主磁极之间的小磁极，用于改善换向。换向极常用整块钢或厚钢板制成 换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数
3、量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极,1.3 直流电机的电路,励磁绕组 套在磁极铁芯上。 并励绕组和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小 串励绕组和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大 从电阻和能量消耗的角度考虑 电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中 叠绕组和波绕组 换向极绕组 与电枢绕组串联，激励换向极磁通。 换向器 将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电势。,1.4 电刷装置,电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路 1.将转动的电枢与外电路相连 2.与换向器配合作用而获得直 流电压,电刷组数一般等于电机极对数,1.5 直流电机的励磁方式,直流电
4、机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响 他励励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接 自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给,自励的形式,励磁回路的功率占总功率的1-5%。,二、 直流电机电枢绕组,二、直流电机电枢绕组,作用：电枢绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。 特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,用环型绕组说明直流绕组
5、的闭合情况 电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端,2.1 双层绕组,线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割磁场而产生感应电势。 两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距。 线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。,虚槽概念,在大型电机中、每层可能有N个并列圈边 为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。,每层有3个圈边,每一元件有两个圈边， 每一换向片上接有两个圈边， 每一虚槽内放置有两个圈边， 元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数
6、每线圈有Nc匝，则总导体数N,2.2 直流绕组的节距,第一节距y1 元件的宽度，虚槽数，两个圈边之间的距离 第二节距y2 联至同一换向片的两个圈边之间的距离 合成节距y 紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距 换向器节距yk 每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示,2.3 单叠绕组,每个元件出线端依次连在相邻的换向片上，后一个绕组元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。,右行 左行,例：绕组20虚槽，四极，双层,为获得对称的绕组，每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合,由右手定则判电流方向 在电枢几何中心线上的元件边感应电势为0,例：绕组20虚槽，四极，双层,直
7、流绕组是闭合绕组,每一极面下的元件串联成一支路,每支路中一个元件被电刷短路， 处于换向状态中,在整个闭合回路中，感应电势总和 为0，绕组内部无环流,电刷数等于极数。 同极性的电刷连接形成一个“极”,电刷之间的引出电势为每一支路个 元件的电势和,电刷放置法,使电刷间导出的电势有最大值 使与电势为零的元件所连接的换向片相连接,当导体转至交轴时，感应电势为零，电刷应与处于交轴位置的导体相连 如导体对称，则磁极的几何中心线处为电刷位置 换向绕组的绕组轴线、磁极轴线和电刷位置在同一位置上。,2.4 单波绕组,每一绕组元件的出发点和终端不在相邻的两换向片上，而相隔近似为一个极距 相邻两元件相隔近似一对极距
8、 连接p个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽,例：电枢绕组19槽，四极,例：电枢绕组19槽，四极,只有两条并联支路：所有N极下的导体并联为一支路，所有S极下的并联为另一支路。2a=2 电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷 电刷位置：应与电势为零的元件所连接的换向片相连,2.5 单叠绕组和单波绕组的差别,单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数 电枢间电势较下，电枢电流较大，称并联绕组 单波绕组：N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2 电刷间电势较大，电枢电流较下，称串联绕组。,叠绕,波绕,三、 直流电机的简单工作
9、原理,三、直流电机的简单工作原理,旋转电枢式的直流电机 电枢旋转、磁极固定，带有换向器,通过换向片，电刷1总与位于N极下的导体相连，极性为正 电刷2与位于S极下的导体相连，极性为负,3.1 单线圈导体的感应电势,电刷l、2间的电势e12为一含有很大脉动分量的直流电势，如单相全波整流一样。电势和电流脉动的很大,3.2 两线圈串联后的合成电势,与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度，换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角度。 当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相距90电角度,当有足够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电势。
10、若电机每极下的导体数大于8，电势脉动幅度可小于1%,直流发电机实质是带换向器的交流发电机,电枢绕组的感应电动势,电枢绕组的感应电势电机正、负电刷之间的电势，即每一并联支路的电势。,位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电势之和 假设电枢导体是连续均匀分布的，则电势为恒定的直流电势,1 电枢绕组的感应电势,设电枢总导体数为W，有2a条并联支路，则每一支路中的串联导体为W2a 电刷间的感应电势为每一支路中的串联导体的感应电势之和,直流电机的感应电势与每极磁通量及转速有关。 如将每极磁通量保持不变，直流电机的感应电势将和转速成正比。 如将转速保持不变，直流电机的感应电势将和每极磁通量成正比。 电刷间的
11、感应电势仅和极面下的总磁通量有关，而和极面下磁通密度的分布情况无关,n 电刷在交轴，如果移动电刷位置，则支路中一部分导体的感应电势将因方向相反而互相抵消，导致电刷间电势Ea的减小。 n使用负载时的每极磁通，得负载时电刷感应电势Ea。 n当负载时，由于电枢回路的电阻电压降，直流发电机电刷间的端电压U比负载时的电刷电势Ea小,解释电刷位置偏移对电势的影响,电刷偏移后，极面下电刷间包含的磁通量减小,2 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,2 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。,附加损耗产生P的原因 电枢存在齿槽，使气隙磁通
12、发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗 电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗 电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗 由换向电流产生的损耗,3 直流电动机的平衡方程式,电压平衡式,电流平衡式（并励时）,3 直流电动机的平衡方程式,功率平衡式（并励时）,并励回路损耗 电枢回路铜损 电刷接触电损耗 机械损耗 铁损耗 杂散损耗,电枢绕组的电磁转矩,电枢绕组的电磁转矩,设流过电刷的电流为Ia 电枢导体中的电流是Ia2a 设电枢直径为Da，电枢导体的有效长度为l 电枢总的电磁转矩,1 直流发电机的转矩平衡,并励发电机,转矩平衡式,输入机械转矩,电磁转矩,2 直流电动机的转矩平衡,转矩平衡式,
13、思考题,电刷之间的感应电势与某一导体的感应电势有什么不同 各种数量之间的相互关系：导体总数、换向片数、元件数、圈边数、槽数、每元件匝数、每一槽中并列圈边数,思考题,一台六极电机原为单波绕组，加改绕成单叠绕组，并保持元件数、导体数、每元件匝数、每槽并列圈边数不变，问该电机的额定容量要不要改变?其它额定量要不要改变 答：单波时，并联支路数恒为2，设导体额定电流为I，则电刷的电流为2I；电刷间感应电势为Ea=E2。 单叠时，并联支路数等于极数，2a=2p=6，则电刷的电流为6I；电刷间电势为Ea=E6=E2/3。,思考题,有一四极直流电机，电枢为单叠绕组，如发生以下故障： （1）有一主磁极失磁； （
14、2）有一对相邻电刷跌落 试分析电机会发生什么现象？,直流发电机的运行特性,1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。,附加损耗产生P的原因 电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗 电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗 电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗 由换向电流产生的损耗,1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,转矩平衡式,输入机械转矩,电磁转矩,2 他励发电机的特性,励磁电流不随负载电流变化 励磁可调，电压调节范围大，适用于要求电压广泛可
15、调的应用场合。工业上低压（4-24V）及高压（600V）以上均为他励。,如何改变电机端电压极性？ 取决于电枢电势的方向， 改变转向，而磁通方向不变 改变磁通方向，而转向不变,他励时的空载特性,空载特性 通过磁路计算，或空载实验得到。 即电机的磁化曲线 负载特性 假设电枢反应的去磁作用与负载电流成线性正比。 如电枢反应起助磁作用，则特性三角形应翻转，负载曲线比空载曲线高,他励时的外特性,端电压下降的因素： 电枢回路中引起的电压降 电枢反应的去磁作用 通常约为005010,他励时的调节特性,当有负载电流时，为要维持端电压不变，随着负载电流的增大，励磁电流相应增大,U,IN,并励发电机的特性,励磁绕
16、组与电枢绕组并联、励磁电流由发电机电枢绕组自己供给，随电枢电压变化 作为短线路的电源，如同步电机的励磁机、蓄电磁的充电电源等。,如何改变电机端电压极性？ 取决于电枢电势的方向 改变电刷间极性时应注意电压建立的问题。 即改变原动机转向时必须改变绕组的相对连接。 使感应电势与剩磁方向一致,2.3.1 并励时的空载特性,并励发电机在空载时，电枢电流等于励磁电流。由于励磁电流很小，它流过电枢绕组所产生的电阻压降和电枢反应很小，故空载时的感应电势即可认为是与空载端电压相等。所以，并励发电机的空载特性和它的磁化曲线相同,2.3.2 并励时的外特性,端电压下降的因素 电枢回路的电压降； 电枢反应的去磁作用； 端电压下降引起的励磁电流减小。,电压变化率约为20%,当负载电阻不断减小时，负载电流IL增加。 但当降至某一临界数值Icr以后，若负载电阻继续减小，则负载电流IL反将逐渐减小。 当电枢两端直接短路，负载电流将降为微小的短路
