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1、第六章 直流电机Date 1河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院直流电机第一节.直流电机的工作原理 第二节.直流电机的绕组* 第三节.直流电机的励磁方式及磁场 第四节.感应电动势和电磁转矩的计算 第五节.直流电机的运行原理 第六节.直流电机的换向 * Date 2河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第一节.直流电机的 工作原理和结构Date 3河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院一、直流电动机的工作原理 1. 皮萨电磁力定理通电导体在磁场中受力：设 大小：方向：左手定则第一节.直流电机的工作原理和结构Date 4河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院2.电磁力形成转矩 v
2、当电流：a流入，x流出， 逆时针受力 vA边转过中性面后，若电 流不变，顺时针受力 v交变的电磁转矩，转子摆 动，而不转第一节.直流电机的工作原理和结构Date 5河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院v关键：换向： 将流过线圈中的电流方向及时的 加以变换。 当线圈通过中性面时，改变线圈中电流方向 则转矩方向不变。 换向由换向器配合电刷进行第一节.直流电机的工作原理和结构Date 6河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院二、直流发电机的工作原理 本质：导体切割磁力线产生感应电势 图中：导体ab在N极下产生电势：ba 在S极下产生的电势： ab输出电势为交流 第一节.直流电机的工作原理和
3、结构Date 7河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院关键：换向线圈与外电路在适当位置交换连接。图中： A始终“”； B始终“” 电刷输出：大小变化，方向不变的脉振磁势。实质：带换向器的交流发电机。可逆原理：第一节.直流电机的工作原理和结构Date 8河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第一节.直流电机的工作原理和结构Date 9河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第一节.直流电机的工作原理和结构三、结构 两大部分（定子、转子） 1. 静止部分定子 v 作用：(产生磁场) v 组成： 主磁极：铁心线圈，线圈中通入励磁电流(直 流电) 主生磁场 换向极：位置：在两主磁极之间；作用
4、：改善 换向 机座： 固定主磁极、换向极等；磁路的一部分 电刷装置：换向Date 10河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第一节.直流电机的工作原理和结构2. 转动部分转子（电枢） v 作用：产生电磁转矩和感应电势组成： 电枢铁心：作用： 磁路，嵌放绕组 材料：硅钢片 电枢绕组：主电路，机电能量转换关键部件 换向器：直流 交流 发电机中：绕组中的交流电势电刷上 的直流电势输出 电动机中：输入直流电流绕组中的交 流电流Date 11河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第一节.直流电机的工作原理和结构Date 12河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院Date 13河海大学电气工程
5、河海大学电气工程 学院学院Date 14河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第二节.直流电机的铭牌数据Date 15河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第二节.直流电机的铭牌数据v 额定功率： v 额定电压： v 额定电流： v 额定转速： v 额定励磁电压： v 额定励磁电流： v 励磁方式Date 16河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组Date 17河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院序 v电动机： 绕组中流过电流，产生电磁转矩，使线圈在磁 场里转动，在线圈中产生反电动势，吸收功率。 电能 机械能 v发电机： 线圈在磁场里转动产生感应电势，换
6、向引出后 接负载，电流流过线圈产生制动的电磁转矩，吸 收机械功率。 机械能 电能 v关键：电枢 电枢表面开槽，槽内放绕组：电枢绕组第三节.直流电机的绕组Date 18河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组二.绕组的基本形式 v元件：即一个绕组 v直流电机绕组为双层绕组 v一个元件的两个边：一个边放一个槽的上层 ，另一个边放另一槽的下层。两端子接在两 换向片上 v两种基本形式：单叠绕组、单波绕组Date 19河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组 v Date 20河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组v1.单叠绕组特
7、点：单：元件两个端子联接于相邻两个换向片 上。叠：后一绕组叠加在前一绕组上（向后移 一个槽）第一节距：元件跨距 （槽数）换向节距：上层元件边与下层元件边所联接 的两个换向片间的距离。Date 21河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组v单叠绕组：yk=1第k+1元件的首端与第k元件末端连于一点，并连到第k个换向片上 双层绕组：元件数S换向片数K 槽数Q绕组展开图：上层元件边（首端） 实线下层元件边（末端） 虚线相邻元件依次串联，形成闭合回路。Date 22河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组Date 23河海大学电气工程河海大学电气工程 学
8、院学院例：直流电动机， N极：磁力线进入纸面 S极：磁力线穿出纸面 ：电磁转矩方向 编号：元件号元件上层边所放槽号上层边所边换向 片号；所有元件，从某一号换向片出发，绕过电枢 一周，形成一闭合回路。第三节.直流电机的绕组Date 24河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组Date 25河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院瞬间绕组连接电路图要点： 绕组顺次连接 四个支路：a=p 四个元件被电刷短路：1,5,9,13 不同极面下电流方向相反 电刷A1、A2 并联， B1、B2并联Date 26河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院v单波绕组(了解) 特点：绕组“
9、一路向前走”一元件的两端子所连两换向片相距很远（即： ）绕电枢一周后总的所跨过换向片数为 即：联接到起始换向片的后（或前）一个换向片， 即比较：单叠绕组：一步一回头，恋恋不舍单波绕组：大胆向前走，义无反顾第三节.直流电机的绕组Date 27河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第三节.直流电机的绕组Date 28河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第四节.直流电机的励磁方式及磁场Date 29河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第四节.直流电机的励磁方式及磁场v一.直流电机的励磁方式 v主磁场（磁场磁场）：定子绕组通直流电产 生 v磁场方式：建立磁场的方式 v励磁方式分类：他励
10、：其他直流电源对励磁绕组供电并励：励磁绕组与电枢绕组并联串励：励磁绕组与电枢绕组串联复励：两个励磁绕组Date 30河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院图1-21 直流电机按励磁方式分类a)他励 b)并励 c)串励 d)复励第四节.直流电机的励磁方式及磁场Date 31河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第四节.直流电机的励磁方式及磁场v二.直流电机的空载磁场 v空载电动机：无机械功率输出发电机：无电功率输出 总之：电枢电流为零或者很小 v磁场分布主磁通 ：穿过气隙进入定子绕组。回路气隙小，总磁导率较大漏磁通 ：不穿过气隙，仅与转子绕组交链。回路空间大，总磁导率较小 Date 32
11、河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第四节.直流电机的励磁方式及磁场Date 33河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第五节、直流电机负载时的磁场 及电枢反应*Date 34河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第五节、直流电机负载时的磁场及电枢反应一、电枢磁通势 空载时：气隙磁场仅由励 磁磁通势产生 带负载后： 电枢绕组流过的电 流在电机形成的磁通 势。 气隙磁场励磁磁 通势电枢磁通势Date 35河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第五节、直流电机负载时的磁场及电枢反应二、电枢反应：电枢磁势对励磁磁势产生的气隙磁场的影响。v电枢磁场磁力线分布图（简化）v电刷是电枢表面
12、电流分布的分界线v 电枢磁通势轴线总是与电刷轴线重合，与磁极轴线垂直。Date 36河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院三、电枢反应作用（两 磁场合成） v主磁极磁场分布曲线 ：v电枢磁场分布曲线：v沿电枢表面逐点相加 ，合成磁场分布曲线第五节、直流电机负载时的磁场及电枢反应Date 37河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院四、电枢反应的影响（结果） 比较：可见： 1.负载时气隙磁场发生了畸变物理中性线不再与几何中性线重合 2.呈去磁作用由于磁阻变化的非线性，负载时每极磁通比空载时 略有减少。第五节、直流电机负载时的磁场及电枢反应Date 38河海大学电气工程河海大学电气工程 学院
13、学院第六节 感应电动势和电磁转矩的计算Date 39河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第六节 感应电动势和电磁转矩的计算v 一. 感应电动势的计算 v 指一条支路的电势，即电刷间电势 v 推导过程从略，仅给出推导思路 v 每极磁通 v 一个元件经过一个极面的时间T v 对瞬时电势在时间T内积分得：感应电势平均值 v 乘每支路的元件数得：支路电动势v 其中：电势常数 v 气隙磁密与导线中 v 的感应电动势Date 40河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院v不计饱和影响， 式中Kf为比例常数v式中v 为机械角度 v 即感应电动势Ea的大小与每极磁通（合成磁通）和 电枢转速乘积成正比；
14、如不计饱和影响，它与励磁 电流If和电枢机械角速度乘积成正比。第六节 感应电动势和电磁转矩的计算Date 41河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院第六节 感应电动势和电磁转矩的计算二 .电磁转矩的计算 v 设气隙中某处径向磁密为 ，元件中电流为ia,则此 处元件所受电磁力为 v 一个极距内积分得电机的电磁转矩：v 其中：转矩常数Date 42河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院v不计饱和的影响，式中即：电磁转矩Tem的大小与每极磁通 （ 合成磁通）和电枢电流Ia的乘积成正比，如 不计饱和影响。它与励磁电流If乘积成正比第六节 感应电动势和电磁转矩的计算Date 43河海大学电气工程
15、河海大学电气工程 学院学院第七节 直流电机的运行原理Date 44河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院一 直流电机的基本方程式v 电动势平衡方程式（并励电动机）式中：分别表示电源电压、电枢绕组端电压与励磁绕组端电压分别表示电枢电流、励磁绕组电流 分别表示电枢回路电阻（含电刷、换向器接触电阻）、励磁回路电阻分别表示电枢回路电感、励磁回路电感机械角速度Date 45河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院直流电机的电磁系统一 直流电机的基本方程式Date 46河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院v 稳态：则电路中的电磁量与机械量不是时间的函数，有：v 发电机运行 电磁功率、电枢电流方向与感应电动势方向相同。稳态一 直流电机的基本方程式Date 47河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院2 .转矩平衡方程式 任一瞬间转矩必须平衡： 电动机： 电磁转矩Tem输出机械转矩T2空载转矩T0惯性转矩 即：稳定后（转速恒定）则：电动机稳态运行的转矩平衡方程式为一 直流电机的基本方程式Date 48河海大学电气工程河海大学电气工程 学院学院v发电机 在发电机中，原动机的拖动转矩为T1，转矩平衡 方程式为： 稳定时一
