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1、第五篇直流电机第十九章直流电机的基本原理和电磁关系电气工程与自动化学院主讲黄灿水2016.3配套教材：电机学，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.1目录第十九章直流电机的基本原理和电磁关系19.1直流电机的工作原理19.2直流电机的基本结构19.3直流电机的额定值19.4直流电枢绕组19.5直流电机磁场与电枢反应19.6感应电动势和电磁转矩第一节直流电机的工作原理优点：1良好的起动和调速性能2方便、可靠、波形好、对电源的干扰小缺点：结构复杂、价格高、维护不便特点：换向器，旋转电枢用途：1直流电源（如同步机励磁机）2调速性能要求高的场所电车、电力机车直流电机模型固定部分（定子）：主磁极
2、、电刷转动部分（转子）：铁心、电枢绕组和换向片直流电机工作原理换向器的作用：1、实现电刷与换向片的滑动接触，使电枢旋转回路与外电路（静止）相连2、改变电势、电流的方向（机械式整流或逆变）实际的电枢有多个线圈、多对磁极(减小脉冲，提高功率）理论上一台电机既可以作电动机又可以作发电机(可逆性)（外部）电刷间电动势和电流为直流量（内部）线圈中的电势和电流是交流量结论：定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置转子：电枢铁心、电枢绕组、换向片、转轴、风扇第二节直流电机的基本结构一、定子部分主磁极作用：建立主磁场。构成：叠片铁心和套装在铁心上的励磁绕组机座作用：1、主磁路的一部分2、电机的结构框架构成：
3、用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成换向极：作用:是改善直流电机的换向情况，不产生有害的火花构成：铁心和绕组构成，固定在机座上，对数同主磁极电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷(石墨)、刷握、刷杆和连线等。二、转子部分电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的硅钢片叠压、夹紧而成电枢绕组作用：产生感应电势，承载电流，产生转矩构成：圆截面铜线或扁导线、空心导线（槽楔、绝缘材料）换向片：作用：与电刷配合，以机械方式输入（出）直流电动势构成：许多鸽尾形的换向片排成一个圆筒，之间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。换向片垫圈绝缘层
4、套筒直流电机的换向片交流电机的集电环第三节直流电机的额定值（1）额定功率PN：电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以kW表示。对电动机，额定功率是指输出的机械功率；对发电机，额定功率是指输出的电功率。（2）额定电压UN：额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。（3）额定电流IN：电机运行在时，电机的电流，以A表示。（4）额定转速nN：额定状态下运行时转子转速，以rmin表示。（5）额定励磁电压UfN:（仅对他励电机）。第四节直流电枢绕组一、直流电枢绕组的基本知识1、电枢绕组的基本要求：产生足够的感应电势；允许通过规定的电流；节约材料、工艺简单、运行可靠2、相关术语元件(线圈)：构成
5、绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。实槽Z：实际槽数Z虚槽Ze：一个槽的每一层有C个线圈边并列，ZecZC=2C=3元件数S、换向片数K、总导体数N叠绕组：后一个元件紧叠在前一个元件，整个绕组成折叠式前进。波绕组：相隔约一对极距的相应元件串联起来，象波浪式的前进。特点：相邻两元件（串连）在电枢表面仅差一个虚槽（换向片）特点：相邻两元件相隔约为一对极距第一节距y1：指线圈的跨距第二节距y2：前一元件下层边与后一元件上层边的距离合成节距y：相串连的两元件对应圈边在电枢表面跨过的距离换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离3、直流电枢绕组的基本型式闭合绕组：从电枢上某一导体出发，按一
6、定的规律串连所有导体后，仍回到出发点，自成闭合回路。五种连接型式：单叠、复叠、单波、复波、混合绕组基本型式：单叠、单波二、单叠绕组2）第一节距：3）合成节距：4）第二节距：（y0右行；y0左行）以Ze=20、2p=4、S=K=20为例画绕组连接展开图步骤如下：1、计算：1）极距：2、作图开始演示展开图12345678910111213141516171819201920123456789101112131415161718NNSS-+-+-+1）标槽号、换向片号3）画磁极、电刷4）标电流方向。电刷极性5）画并联支路，引出出线2）连接各元件(2p=4、=5、y1=5、y=1、y2=-4)B263
7、、元件连接图B261234967811165101213141517181920绕组展开图元件连接图4、小结：7）电刷位置在三线合一处，使得引出电势最大1）单叠绕组中：（固定）6）总电流（支路电流之和）3）在整个电枢闭合回路中内部无环流4）电刷数极数2）每支路有个元件5）电刷间引出电势支路电势叠绕组是一种并联支路数较多、电枢电流较大、而电刷间电动势较小的并联绕组B26B24三、单波绕组2）合成节距：3）第一节距：4）第二节距：以Ze=19、2p=4、S=K=19为例画绕组连接展开图步骤如下：1、计算：1）极距：2、作图开始演示展开图1234567891011121314151617181918
8、191234567891011121314151617NNSS-+-+-+1）标槽号、换向片号3）画磁极、电刷4）标电流方向。电刷极性5）画并联支路，引出出线2）连接各元件(2p=4、=4.75、y1=5、y=9、y2=4)B313、元件连接图B3111019916817715318651441312211绕组展开图元件连接图4、结论3)、电刷数极数理论上两条并联支路仅需一对电刷，实际上仍使用全额电刷，目的是保持流过电刷的电流密度不变。1)、2)、a2即单波绕组只有两条支路第一条支路：N极下所有元件串连第二条支路：S极下所有元件串连单波绕组是具有最少并联支路数（2条）、电枢电流较小、电刷间电动
9、势较大的串联绕组B31四、其它形式的绕组1、双叠绕组：y=2（两个单叠）并联支路数为4p2、双波绕组：并联支路数为43、复叠、复波、混合绕组等第五节直流电机磁场与电枢反应一、直流电机空载气隙磁场1、产生：2、波形：平顶帽状3、性质：直流励磁恒定磁场边缘磁通主磁通磁极漏磁通主磁极磁通(K)场漏系数：主磁路：气隙、电枢齿hZ、电枢磁轭La、主磁极hm、定子磁轭Lj二、直流电机的电枢磁场电枢磁场：负载时电枢电流产生的磁场2）、三个元件磁动势为阶梯波幅值：1、电枢磁动势Fa产生及波形1）、一个元件磁动势为矩形波，幅值：ia2x3ia2x3)、N个元件磁动势近似为三角波幅值：电枢绕组支路电流:一个极内的
10、导体数为：4)、电枢磁动势表达式线负荷（100600)任意点处：幅值位置：在2处，Fa最大值在磁极中心线，Fa=0Fa电刷接q轴导体，Fa（三角）Ba（马鞍波）2、电枢磁场不考虑主磁极磁场时的电枢磁场气隙不均匀励磁磁场Ff电枢磁场Fa气隙合成磁场F电刷接交轴导体时B26直轴：磁场最强交轴：磁场为零直轴：磁场为零交轴：磁场最强磁场分布发生畸变三、电枢反应电枢反应:电枢磁场对主磁极磁场产生的影响交轴电枢反应：电刷接交轴导体时，电枢磁场仅有交轴分量，此时的电枢反应称之F0(x)+Fa(x)=F(x)B0(x)+Ba(x)=B(x)-产生畸变1、交轴电枢反应1）不考虑饱和从B的分布:一半加强G：后极尖
11、M：前极尖一半削弱G：前极尖M：后极尖产生畸变，总磁通量不变几何中性线物理中性线3）产生换向火花引起环火2）若考虑饱和：分布不均产生畸变呈去磁作用2、直轴电枢反应1）电刷移过角电枢电流分布改变Fad呈去磁作用Fad呈助磁作用电刷移过角时：电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机直轴去磁直轴助磁电动机直轴助磁直轴去磁2）交直轴电枢反应磁势大小当电刷在交轴时：第六节感应电动势和电磁转矩式中:Bx导体所在气隙磁密l导体有效长度v导体切割气隙磁场速度一、电枢绕组的感应电动势每根导体的感应电动势ex为Ea=E电刷=E支路，则有：令为平均气隙磁密，则上式改写为将代入上式得电枢绕组电动势公式：式中:2、电刷间的电
12、势仅和极面下的总磁通有关，与磁密分布无关。负载的感应电动势比空载时略小。3、上式为电刷接交轴导体位置导出，若将电刷移至直轴导体位置时，则Ea=0适用于所有形式的电枢绕组。1、结论：5、电刷间为直流电动势，而导体电动势却是交变的6、电刷间电动势并非几个固定导体的电动势之和，而是位于电刷间一定位置的各导体的感应电动势之和。7、性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向)电动机反电势(与电枢电流反方向)a)电枢绕组中某一导体的所受电磁力为:该电磁力所产生的电磁转矩为:b)总电磁转矩:二、直流电机的电磁转矩DaFjc)为简化计算设每极平均磁通密度为:则总电磁转矩:则一根导体的平均电磁转矩为:d)电磁转矩也可以利用电磁功率来求:直流电机最重要的两个表达式:例：1234567891011121314151616123456789101112131415NNSS-+-+-+(2p=4、Ze=16、=4、y1=4、y=1、y2=-3)B26单叠绕组例：123456789101112131415234567891011121314151NNSS-+-+-+(2p=4、Ze=15、=4.75、y1=4、y=7、y2=3)B31单波绕组
