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1、第二章 直流电机,第一节 直流电机的工作原理及结构,一.直流电机工作原理：,1.电磁感应定律在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直 (图2-1)，则作用导体中感应的电势大小为：e = Blv,(图2-1),2.电磁力定律,直流电机的工作原理是建立在皮萨电磁力定律的基础上。图2-2 即f=Bil,(一) 直流发电机的工作原理,1.直流发电机的原理模型,1)交变电势产生 (图2-4),下面这段动画可以帮助理解一般发电机是如何产生交变电势的,2)直流电势产生 (图2-4.2),下面这段动画可以帮助理解引入换向器后发电机是如何产生直流电势的,3)发电机工作原理,用原动
2、机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边 a b 和 c d 分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势,直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势,4)换向器(图2-1)和电刷配合(图2-8)的换向作用,(二) 直流电动机的工作原理,因为电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电动势所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷 B 始终有负极性所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉振电动势,5)结论线圈内的感应电动势是一种交变电动势而在电刷 A B 端的电动势却是直流电动势,1.直流电动
3、机的原理模型（图2-3）,下面这段动画可以帮助理解直流电动机的工作原理,(三) 电机的可逆运行原理,要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是直流电动机的工作原理,从上述基本电磁情况来看：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行也可以作为发电机运行这种原理在电机理论中称为可逆原理,旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求的结构旋转电机必须具备静止和转动两大部分,1.直流电机静止
4、部分称作定子作用 - 产生磁场由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成,2.直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢)作用 - 产生电磁转矩和感应电动势由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成,二 .直流电机的结构,二 .直流电机的结构,(一) 直流电机的静止部分,1.主磁极:主磁极是一种电磁铁.用 1-1.5 毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心2.换向极（又称附加极或间极）:作用 - 改善换向换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联,主磁极和换向极示意图,3.机座,机座通常由铸铁或厚铁板焊成有两个作用：1)固定主磁极、换向极和端盖；
5、2)作为磁路的一部分。机座中有磁通经过的部分称为磁轭,4.电刷装置 (图2-8)作用-把直流电压、直流电流引入或引出由电刷（图2-8)、刷握(图2-8)、刷杆座和铜丝辫组成,(二) 直流电机的转动部分 1.电枢铁心,两个用处：1)作为主磁路的主要部分；2)嵌放电枢绕组通常用.厚的硅钢片冲片叠压而成,2.电枢绕组,直流电机的主要电路部分用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换由许多按一定规律联接的线圈组成,3.换向器,直流电机的重要部件作用-将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势,第二节 直流电机的铭牌数据,一.什么是额定值电机制造厂
6、按国家标准的要求，对电机的一些电量或机械量所规定的数据（p23)二.额定工况电机运行时，有关电量和机械量都符合额定值的运行情况三.额定值额定功率 PN (W)额定电压 UN (V)额定电流 IN (A)额定转速 nN (r/min)额定励磁电压 UfN (V)额定励磁电流 IfN (A)和励磁方式等,四.直流电动机的额定功率轴上输出机械功率等于额定电压和额定电流的乘积，再乘以电动机的功率五.直流发电机的额定功率电机出线端输出的电功率等于额定电压和额定电流的乘积,第三节 直流电机的绕组,电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机的一个重要部件 对电枢绕组的要求是:在能通过规定的电流和产生足够的电动
7、势前提下 尽可能节省有色金属和绝缘材料 并且要结构简单、运行可靠等,一、简单的绕组 如果电枢上有四个线圈，换向器由八个换向片组成,因为上述模型如作发电机运行，由于线圈互相不联接，电流不能通过所有线圈,绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上， 它是绕组的一个单元，称为元件 为了使一个元件两个有效边中所感应产生的电动势大小相等或相差不多， 使电动势是叠加的，那么元件的跨距应等于或接近于一个极距,为使线圈端接部分对称，线圈可采用如下连接形式,二、绕组的基本形式,直流电机电枢绕组的基本形式： 1)单叠绕组 2)单波绕组 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般采用双层绕组,1.单叠绕组联接的
8、特点 元件两个端子联接于相邻的两个换向片上 元件跨距： 元件上层元件边与下层元件边之间空间距离（用槽数表示）, 一般等于或约等于电机的极距 换向节距： 元件上层元件边与下层元件边所联接的两个换向片之间的距离（用换向片数表示） 单叠绕组元件的连接情况,（一）单叠绕组,2.单叠绕组连接示例,一台直流电动机的绕组数据为： 极对数，槽数为， 元件数等于换向片数和槽数， 即， 电机极距为：t = Q/2p = 16/2*2 =4 取元件跨距为跨四个槽，, 元件两端子所联换向片之间的距离,1) 单叠绕组元件联接顺序表,2) 单叠绕组展开图,注意：电机在运行过程中，绕组元件、换向器与电机磁极、电刷有相对运动
9、，请看动画,3) 瞬时绕组电路图,3.单叠绕组的电路特点 任一瞬时，处于同一磁极下的元件构成一条支路， 因此采用单叠绕组的电机共有2P条支路,如何理解瞬时绕组电路的组成，可看如下动画,（二）单波绕组,1. 单波绕组元件的连接情况,连接特点: 把相隔约两个极距的元件依次串接.换向节距: yk = (K1)/P,2.单波绕组连接示例 一台直流电动机的绕组数据为： 极对数，槽数为 15， 元件数等于换向片数和槽数， 即15 ， 电机极距为：t = Q/2p = 15/2*2 取元件跨距为跨四个槽，, 元件两端子所联换向片之间的距离c(K 1)/P = (15 1)/2 = 7,3. 单波绕组元件联接
10、顺序表,4. 单波绕组展开图,5. 瞬时绕组电路图,6. 单波绕组的电路特点任一瞬时，处于同一极性磁极下的元件构成一条支路，因此采用单波绕组的电机共有2条支路。,（三）单叠绕组、单波绕组的共同特点,与被电刷短路元件（即换向元件）相邻的两元件电流方向相反。当电刷处于磁极中性线时，某一极性磁极下元件边的电流方向一致,第四节 直流电机的励磁方式及磁场,一、直流电机的励磁方式,1 他励直流电机,2 并励直流电机,3 串励直流电机,4 复励直流电机,直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复励式,二、直流电机的空载磁场,1.直流电机的空载 电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态 2.直
11、流电机的空载磁场 由励磁磁通势单独建立的磁场 以一台四极直流电机空载时为例，由励磁电流单独建立的磁场分布如图示,1)主磁通 m 同时与励磁绕组和电枢绕组相交链 2)漏磁通 1 交链励磁绕组本身，不和电枢绕组相交链 3)空载磁密分布 不计齿槽影响，直流电机空载时，其气隙磁场(主磁场)的磁密分布波形如图所示4)磁化曲线 主磁通 m 与励磁磁通势 Ff0 或励磁电流 If0 的关系称为电机的磁化曲线 表明电机磁路的特性 电机的磁化曲线可以通过电机磁路计算去求得,(1)主磁通所经过的磁回路 由主磁极铁心、气隙、电枢齿、电枢铁心和磁轭等五部分组成 因为铁磁材料的BH曲线是非线性的，磁导率不是常数，使得
12、m = f (Ff0) 的关系也是非线性的(2)磁化曲线 电机磁化曲线的形状和所采用的铁磁材料的 BH 曲线相似,三.直流电机负载时的磁场和电枢反应,1.负载时磁场 电机带上负载以后，电枢绕组内流过电流，还会形成磁通势，该磁通称为电枢磁通势。 所以，负载时电机中气隙磁场是由励磁磁通势和电枢磁通势共同建立。 由此可知，在直流电机中，从空载到负载，其气隙磁场是变化的 2.电枢反应 1)电枢磁通势 对励磁磁通势所产生气隙磁场的影响称为电枢反应 为画图简单起见，元件边只画一层，认为电枢是光滑的， 并考虑某一极性下元件中流过电流同一方向， 得电枢磁场分布，,可见磁极几何中性线处电枢反应磁势最大。,2)单
13、个电枢元件磁势分布展开图,的高度为:,数学表达式为:,3)多个电枢元件磁势分布展开图 讨论时考虑电刷处于几何中性线时，得磁势分布图,三个电枢元件产生的磁场分布,4)电枢反应 再考虑主磁场的作用，可得考虑电枢反应后气隙磁场分布,请借助如下动画理解电枢反应对电机磁场的反应,考虑电枢反应后气隙磁场分布(图2-28),由此可见: 电枢反应磁通势轴线的位置总是与电刷轴线重合 当电刷处于几何中性线时，电枢反应磁势与磁极轴线互相垂直,5)电枢反应使气隙磁场发生了畸变 电枢磁场使主磁场一半削弱，另一半加强 并使电枢表面磁密等于零处离开了几何中性线。,6)电磁反应呈去磁作用,* 在磁路不饱和时 主磁场削弱的量与
14、加强的量恰好相等。,* 结论 电枢反应的另一个结果是电机负载情况下每极磁通有所下降,* 在磁路临界饱和时 增磁会使半个极下饱和程度提高，铁心磁组增大， 另外半个极下饱和程度减小，铁心磁组减小 因磁路临界饱和，从而使实际的合成磁场曲线要比不计饱和时略低 增加的磁通数量就会小于磁通减少的数量,第六节 感应电动势和电磁转矩的计算,一.感应电动势的计算1.运行时感应电动势始终存在直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势,这个感应电动势是指一条支路的电动势,电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向,见图,2.如何计算感应电动势的要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的
15、平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势,(一) 元件平均电势如图所示，元件轴线从某一主极轴线位置转到相邻主极轴线位置时，电枢所转过的电角度为 p ，而与元件交链的磁通由 变到 - 。设以电角度为单位的电枢角速度为 w ，这一过程所经过的时间为,(二）支路电势计算,一个匝数为 N y 的元件中感应电动势的平均值为:,式中: n - 电枢的转速（r/min) p - 极对数电磁感应定律:,串联的元件数 S/2a ( a 为直流电机支路对数) 绕组的全部有效导体数 Z = 2 S Ny ，所以,Ce 称为电动势常数 磁通的单位为 Wb 转速 n 的单位为 r/min 算得感应电动势的单位为 V,比例常数,将 代入上式得,二.电磁转矩的计算,1.元件边所受切线方向电磁力 电磁转矩的计算示意图(图2-32),设气隙中某处的径向磁密为 Bdx ，元件数为 Ny ；元件边中电流为 ia 根据电磁力定律，此处元件边所受的切线方向的电磁力为:fx = NyBdxlia,是一个与气隙磁场饱和有关,即磁密有关的量，其大小主要取决于励磁电流 若忽略饱和影响及电枢反应,2.元件边所产生电磁转矩,
