电机拖动第二章.

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1、第二章 直流电机 本章重难点 n重点 n直流电机的工作原理及额定数据；直流 电机的励磁方式及电枢反应；直流电机 的基本方程式，包括感应电动势、电磁 转矩、电压平衡方程、转矩平衡方程式 及功率平衡方程式；直流电机的工作特 性；直流电动机的固有机械特性和人为 机械特性； n难点： n直流电机电枢绕组的设计；直 流电机带负载后的磁场；直流 电机换向不良产生的原因。 n电机是利用电磁作用原理进行能量转 换的机电装置。直流电动机的功能是 将直流电能转换成机械能带动机械负 载，而直流发电机的功能是将机械能 转化成直流电能供给电负载。 n直流电动机具有良好的起动和宽广平 滑的调速性能，因而被广泛应用于对 起

2、动和调速性能要求较高的生产机械 上，如电力机车、轧钢机、船舶机械 、造纸机和纺织机等。 n直流发电机主要用作直流电源，供给 直流电动机及电解、电镀设备等所需 要的直流电能。 n下面重点讲直流电动机和直流发电机 的工作原理。 一、直流发电机的工作原理 n要解决的问题是直流发电机是如何发起电来 的？ 依据定理： 方向由右手定则 判定 假设原动机拖动电枢逆时针恒速旋转 原动 机拖 动 目前位置： ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下 ab边：感应电势（电流）ba cd边：感应电势（电流）dc 线圈电势方向： dcba 电刷电势方向：A+；B- n所以，直流发电机原理（原理三部曲） （1）原动机使转子

3、以每分钟n转旋转 （2）发电机内部有磁场存在（图中给出的是 永久磁铁） （3）当电枢被原动机驱动，线圈abcd按逆时 针方向转动后，线圈的有效边ab和cd切割 磁力线产生感应电动势e，大小为Blv，用 右手定则判断出感应电势的方向。于是， 对外电路来说，电刷A极性为“+”，电刷B 极性为“-”。 二、直流电动机工作原理 n要解决的问题是怎样转起来的？ 依据：电磁力定律 B磁密，l导体有效长度，i电流 方向由左手定则判定 磁 极 电 枢 换向器 电 刷( 静 止 ） 目前位置： ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下 线圈中电流方向Aabc dB 电枢逆时针方向旋转 ab边:电流ab ,电磁力方向

4、逆时针 cd边:电流cd ,电磁力方向逆时针 目前位置： cd线圈边在N极下，ab线圈边在S下 线圈中电流方向Adcb aB 电枢逆时针方向旋转 ab边:电流b a ,电磁力方向逆时针 cd边:电流d c ,电磁力方向逆时针 n直流电动机工作原理（三步曲）： n（1）将直流电源通过电刷和换向器接入电 枢绕组，使电枢导体有电流流过。 n（2）电机内部有磁场存在。 n（3）载流的转子（即电枢），将受到电磁 力 的作用(左手定则)，所有导体 产生的电磁力作用于转子产生的电磁转矩 ，以便拖动机械负载旋转。 n（1）在直流电动机中，虽然外加电压 和电流都为直流，但在电枢绕组内部 ，电流是交变的，靠换向器

5、和电刷的 作用将外部直流转变成内部交流，从 而得到方向固定的电磁转矩，使得电 枢朝一个方向连续旋转。这时，电刷 和换向器起到了机械式逆变器的作用 。 结论： n（2）在直流发电机中，电枢内的感应 电动势和电流都是交变的，靠换向器 和电刷的作用将内部交流电动势转变 成外部电刷间的直流电动势，从而使 外部电路得到直流电流。这时电刷和 换向器起到了机械式整流器的作用。 n（3）虽然电枢线圈是旋转且其中的电 流是交变的，但它们在N极下和S极下 的电枢电流方向是不变的，因此，电 枢电流所产生的磁场从空间上看也是 恒定不变的。 三、直流电机的结构、额定值及主 要系列 静止部 分 定子 旋转部分转子（电枢）

6、 电机由两大 部分组成 n定子由主磁极、换向磁极、机座以及 电刷装置等组成，如图所示。 n（1）主磁极 n主磁极用来产生主磁场，使电枢绕组感应电动 势，它由铁心和主磁极绕组（励磁绕组）组成 ，铁心用0.51.5mm的低碳钢板叠压而成的， 主磁极N，S交替布置，均匀分布并用螺钉固 定在机座上。为使主磁通在气隙中分布更合理 ，铁心的下部比套绕组的部分更宽些。 n（2）换向极 n用来改善直流电机的换向，它由铁芯和套在铁 芯上的换向极绕组构成。铁芯常用整块钢或厚 钢板制成的，匝数不多的换向与电枢绕组串联 。换向极的极数一般与主磁极的极数相同。 n（3）机座 n定子机座即是电机的外壳，又是电机磁路的 一

7、部分。一般用低碳钢铸成或用钢板焊接而 成。机座的两端有端盖。中小型电机前后端 盖都装有轴承，用于制成转轴。大型电机则 采用座式滑动轴承。 n（4）电刷装置 其作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接 通，将直流电压、电流引出或引入电阻绕组 。它与转换器相配合，起整流或逆变器作用 。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和汇流条 等零件组成，如下图所示： n转子部分 n转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器 等部件组成，如图所示。 n（1）电枢铁芯 电枢铁芯是电机磁路的一部分，电枢绕组 放置在铁芯的槽内，为减少磁滞损耗及涡 流损耗，电枢铁芯通常用0.35mm或0.5mm 的硅钢片叠装而成。 n（2）电枢绕组 电枢绕

8、组是由许多按一定规律连接的 线圈组成，它是直流电机的主要电路部 分。它的作用是产生感应电动势和电磁 转矩，从而实现机电能量的转换。电枢 绕组是用绝缘铜线制成的元件，然后嵌 放在电枢铁芯槽内，每个线圈有两个出 线端，分别接到换向器的两个换向片上 。所有线圈按一定规律连接成一个闭合 回路。 n（3）换向器 n换向器是直流电机的重要部件。在直 流发电机中，它将电枢绕组内部的交 流电动势转换为电刷间的直流电动势 ；在直流电动机中，它将电刷上的直 流电流转换为绕组内的交流电流。如 下图，换向器由许多梯形铜排制成的 彼此绝缘的换向片组成。换向片数与 线圈元件数相同。 n四、直流电机的额定值 （1）额定功率

9、 ： 电机按规定的工作方式运行时所能提供的 输出功率。 对于电动机，额定功率是指转子轴上输 出的机械功率； 对于发电机，额定功率则是指电刷输出 端输出的电功率。 （2）额定电压： 电枢绕组能够安全工作的最大电压。 对于电动机是电刷输出端的输入电 压； 对于发电机是电刷输出端的输出电 压。 （3）额定电流： 电机按规定的工作方式运行时，电枢 绕组允许通过的最大电流。（并励机 和复励机指得是总电流） （4）额定转速 ： 在额定电压、额定电流、和输出额定 功率运行时，电机的转速。 （5）额定效率： 在额定条件下电机的输出功率与输 入功率之比。 直流电动机： 直流发电机： 电动机轴上输出的额定转矩：

10、（上式中 的单位为kw ） 五、直流电机的电枢绕组 n从直流电机的工作原理可知，直流电机 必须有能在磁场中转动的绕组才能正常 工作。对于电动机，处在磁场中的载流 电枢绕组产生电磁转矩，拖动机械负载 ；对于发电机，原动机拖动电枢旋转时 ，电枢绕组切割磁场从而产生感应电动 势，作为直流电源带动电负载，电枢绕 组是直流电机实现机电能量转换的重要 部分。 n电枢绕组的一般知识 n对电枢绕组的主要要求：正、负电刷间 所感应的电势应尽量大；绕组所用的导 线和绝缘材料尽可能节省；结构简单运 行可靠。 1电枢绕组的元件 电枢绕组是由若干个线圈按照一定的 规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈 称为元件，一个元件有

11、两个有效边，其 匝数为NY，见下图，其中一个有效边嵌 放在电枢槽的上层，称为上层边；另一 个有效边放在相距约一个极距的电枢槽 的下层，称为下层边。电枢槽外的部分 称为元件的端部，如下图所示。 一个元件有两根引出线，称为首端和尾端 ，它们分别接到两个换向片上，而每个换 向片又与不同元件的两根引出线相连接， 所以整个电枢绕组的元件数S应等于换向片 数K，即：S=K 每个元件有两个有效边，而每电枢槽分 上下两层嵌放两个有效边，所以元件 数S应等于电枢的槽数Z，即 S=Z n对于小容量的电机，电枢直径较小， 其外圆不可能冲有很多槽，往往在一 个槽的上层和下层各放u个元件边，把 一个上层边和一个下层边看

12、成一个虚 槽，虚槽数Zu与实槽数Z的关系。 n Zu=uZ=S=K 当一个槽的上层和下层各放1个元件边时， u=1 相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆 的对应弧长表示的距离，称为极距，当用 槽数表示时，有； n2 节距 n表征电枢绕组元件本身和元件连接规 律的数据称为节据。 n（1）第一节距Y1 nY1是同一个元件的两个元件边的距离 ，一般用槽数表示，为了使每个元件 的感应电动势最大，应接近或等于极 距，有 称为整距线圈 称为短距线圈 称为长距线圈 短距线圈和整距线圈多被 采用，长距线圈因为端部 长，用铜多而造成浪费， 很少被采用。 （2）第二节距 ：连接同一个换向片的两 个元件边之间的距

13、离。 （3）合成节距 ：直接相连的两个元件 的对应边的距离。 （4）换向器的节距 ：同一线圈的两个首 尾线端所接两个换向片之间的距离。 单叠绕组 n单叠绕组的连接特点是：同一元件的 两个出线端分别连接到相邻的两个换 向片上，即换向片节距Yk=1，相邻元 件通过换向片依次相连，从而组成整 个闭合绕组，后一元件的端部紧紧叠 在前一个元件的端部上，故而称为单 叠绕组，单叠绕组绕制时，每绕过一 个元件便在电枢表面移过一个虚槽。 n例题： 例2-1 一台直流电机的绕组数据为：极对 P=2，槽数Z=16， ，换向片数 K=16，试设计单叠绕组连接图。 1单叠绕组的展开图 （1）计算节距 解 ： 为了得到最

14、大感应电势，取整距绕组。 n（2）连接元件 n先画出16根等长、等距的实线，代表各槽元 件的上层边，再画出16根等长、等距的虚线 ，代表各槽元件的下层边，并编上槽号， 如下图，画16各小方块代表换向片，1号元 件由1号换向片经第1槽上层（实线），根据 Y1=4连到第5槽的下层（虚线），然后回到 2号换向片；2号元件由2号换向片经第2槽上 层（实线），根据Y1=4连到第6槽的下层（ 虚线），然后回到3号换向片；照此方法依 次连接完16个元件，组成一个闭合回路， n（3）画磁极和电刷 首先根据 均匀划分4个极 区，再画出4个主磁极，主磁极的中心线与 极区的中心重合，其厚度应小于元件有效 边的长度，

15、习惯上规定主磁极位于电枢绕 组的上方，对于N极，磁力线的方向是进 入纸面的；对于S极，磁力线的方向是由纸 面穿出的。 n电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为4个。 电刷安放原则是：空载时，正、负电刷间获得 最大感应电动势，或者说被电刷短接的元件中 感应电动势应为最小，即被电刷短接的元件的 两个有效边应处于磁密为零的物理中性线上。 空载时，物理中性线与几何中性线重合，几何 中性线为两个异性磁极的分界线。如果把电刷 中心线对准主磁极的中心线，则被电刷短接的 元件的元件边正好位于几何中心线处，其中的 感应电动势为零。如上图1、5、9、13的元件 边正好处于几何中心线上，这几个元件的感应 电动势为零。

16、单叠绕组的并联支路图 n在绕组展开图所示的瞬间，根据电刷 之间元件连接顺序，可画出相应的电 枢绕组并联电路图， （1）对于单叠绕组，电刷总是把上层 边处于同一主磁极下的元件串联成一 条支路，所以有几个极就有几条支路 ，即2a=2p。 即 式中，a为支路对数，p为极对数。 （2）电刷杆数等于极数。 （3）电枢总电流Ia为支路电流ia的2a倍， 即 结论： 六、直流电机的磁场 n由直流电机的基本工作原理可知，气 隙磁场是直流电机进行电能量转换的 重要介质。无论是发电机还是电动机 ，具有一定强度的磁场是产生足够大 的感应电动势及电磁转矩不可缺少的 必要条件，而且电机气隙内磁场的大 小、分布及产生该磁场的励磁方式， 将直接影响与决定电机的运行性能， n因此，对电机磁场的分析、了解是学 习直流电机运行原理及工作特性的重