竞赛直流电机

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1、概述直流电机的磁场直流电动机的基本特性第二章 直流电机直流电机的电枢绕组本章主要内容1、直流电机的工作原理和基本结构3、说明电机的磁动势和磁场 5、分析直流电动机的稳态运行性能4、导出电机的电动势和电磁转矩公式2、学习直流电机的电枢绕组2.1.3 工作原理2.1 概述2.1.1 优缺点2.1.2 用途2.1.4 额定值2.1.4 基本结构作业直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值!2.1.1 优缺点录像电动机的应

2、用电机直流电机交流电机直流电动机直流发电机2.1.2 直流电机的用途电源励磁机测速伺服图2.1 直流电机的用途2.1.3 直流电机的工作原理固定部分（定子）：主磁极N和S；直流电机的物理模型见图2.2。一、直流电机的模型旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷；电枢绕组；换向器。定子与转子之间为气隙。图中表示一台最简单的两极直流电机模型。机械能 电能 二.直流发电机的工作原理如何转换？（动画）原动机拖动转子转动；定子上有磁场; 转子导体将感应电势。大小： EB l v 方向：用右手定则判断。 电势正方向：abcd B+,A-（1）、换流过程ab cdABabcdABdcabAB电势正方向： dcba

3、B+,A-图2.3 换流过程直流发电机运行时的几点结论电枢线圈内电势、电流方向是交流电（图2.4）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流 方向一致（图2.5）从空间看， 电枢电流产生的磁场在空间上 是恒定不变的磁场产生的电磁转矩T与转子转向相反， 是制动 性质U+Sb N acd电枢绕组通直流电U+U+电刷换向片 U+Temn三、直流电动机的工作原理IaIa电枢电流电枢电流 I Ia a电磁转矩电磁转矩T Tememn n 顺时针方向电磁力电磁力F F左手定则左手定则定子磁场定子磁场FF换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 直流电，以保 持转矩方向不 变。图2.6 直流电动机工作原理直流电

4、动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流 是交流线圈中感应电势与电流方向相反线圈是旋转的，电枢电流是交变的。 电枢 电流产生的磁场在空间上是恒定不变的产生的电磁转矩Tem与转子转向相同， 是驱 动性质2.1.4 直流电机的基本结构旋 转 电 机定 子转 子气 隙直流电机定子转子机 座换 向 极主 磁 极电 刷 装 置电 枢 铁 心轴 承换 向 器风 扇转 轴电 枢 绕 组1、主磁极 构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。2、机座构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：建立主磁场。作用 (1)、主磁路的一部分；(2)、电机的结构框架。3、电枢铁心作用 (1)、主磁路的一

5、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DR5304、电枢绕组作用：直流电机的电路部分。构成：绝缘圆形或矩形截面导线绕成，上下层及线圈与电枢铁心间要妥善绝缘，并用槽楔压紧。或DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。5、换向器作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。7、换向极构成：由铁心和绕组组成。作用：改善换向。6、电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。2.1.5、直流电机的额定值额定容量PN： 输出功率额定电压UN：额定状态下出线端电压额定电流IN

6、：额定状态下出线端电流额定转速nN： 额定状态下的电机转速直流发电机： PNUN IN直流电动机： PNUN IN 额定励磁电流 IfN电机在额定状态时的励磁电流值。额定效率额定转矩TN2.2 直流电机的电枢绕组2.2.1 基本特点2.2.2 单叠绕组 作业电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。 对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电气、热）， 运转可靠，结构简单等。 2.2.1 基本特点一.分类：分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过；现代直流电机 均用鼓形

7、绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕 组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线， 运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。图2.8a 叠绕组示意图 图2.8b 波绕组示意图 叠式绕组(单叠复叠)- 图2.8a鼓形绕组 波式绕组(单波、复波)- 图2.8b蛙型绕组(又叫混合绕组)y=y1-y2二、有关电枢绕组名词、术语元件：第一节距y1极距：铁心表面， 一个极所占的距离第二节距y2合成节距y：换向器节距yk：极轴线：磁极中心线几何中心线：磁极之间的平分线虚槽槽内每层有u个元件边，把每个实际的槽看作包 含u个虚槽。实际槽数z,虚槽数zi,则zi= z * u有效边：有效边是指线圈的直线部分。端

8、部：线圈非接触电枢铁心的那个部分。元件数S与换向片数K：S=K=zi第一节距y1:元件的两条有效边在电枢表面上所跨的 距离，用y1表示。第一节矩的大小通常用所跨的虚槽 数来计算。 第二节距y2： 相串连的两个元件第一个元件的下 层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距 离。用y2表示，用虚槽数计算。 合成节距y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面 所跨的距离，称为合成节矩。 换向节距yk:第一个元件的两端所接的两片换向片在 换向器表面上所跨的距离。 数值上y=yk绕组的联接：单叠绕组：相邻联接的两个元件互相交错地重叠。 多相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依次 焊接到相邻的换向片上最后

9、形成闭合回路。单波绕组：相邻联接的两个元件呈波浪形。各种形式直流电机绕组的区别主要表现在合成节矩 上，其公式为：叠绕组：y = y1 - y2单叠右行：y = + 1单叠左行：y = - 1因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。波绕组：y = y1 y22.2.2 单叠绕组 1、 数据计算：yyk1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极一台4极16槽直流电机，换向片数K=16； 电枢绕组的元件数S=16；(z=zi=s=k)试画 出整距右行单叠绕组展开图。1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+图2.9 单叠绕组展开图1112

10、3456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNS+图2.10 单叠绕组展开图2直流电机电刷放置原则是什么？思考题：绕组放置l 元件1：上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层。l 元件2：上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推某一瞬间电刷、磁极放置l电刷的放置原则: 为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产 生最大的电磁转矩,电刷放在被电刷短路的 元件电势为零的位置。磁极：磁极宽度约0.7 , 均匀分布，N、S极交替 安排。电刷：联接内、外电路。 电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势

11、具有相 同的方向。 在磁极的几何中心线上电势为零。几何中性线电枢上的几何中性线：相邻两主极间的中心 线，空载时电枢表面主极磁场径向磁通密度为0处 。几何中性线上元件边感应电动势为0。换向器上的几何中性线：与主极轴线重合。元件电动势为0的元件所接两换向片的中心线 称为换向器上的几何中性线。电刷放在换向器上的几何中性线。元件连接顺序图绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。图2.11 元件连接顺序图2.3 直流电机的磁场2.3.1 直流电机的按励磁方式分类2.3.2 空载和负载时直流电机的磁场2.3.3 感应电动势和电磁转矩作业励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励自励

12、2.3.1 直流电机的按励磁方式分类复励式(图2.15) ： 装有两个励磁绕组，一为与电1、他励式（图2.12）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕 组不相连。2、自励式发电机 ：利用自身发出的电流励磁；电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。并励式(图2.13) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；串励式(图2.14) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。2.3.2 空载和负载时直流电机的磁场一 、空载时直流电机的磁场 (如图2.16)。：空载时的主磁极的磁通：a) 主磁通 ：通过气隙，并形成气隙磁场。b) 主极漏磁通极矩：二 、负载时的电枢磁动势和电枢

13、反应（介绍）电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应影响：1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等2）、不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、亦无去磁作用； 计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。作用。2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。2.3.3 感应电动势和电磁转矩每根导体的感应电动势为一、电枢绕组的感应电动势式中， 导体所在处的气隙磁密； 导体的有效长度； 导体相对气隙磁场的速度。电枢绕组的电动势应为一条支

14、路各串联导体的令 为平均气隙磁密，则上式改写为将 代入上式得出电动势的代数和，则电动势公式 ：式中， 每极的总磁通量； 电动机常数； 电动势公式。二 、直流电机的电磁转矩电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为式中， 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为式中， 气隙平均磁密。 整个电枢上的电磁转矩 则 为可得直流电机的转矩公式为 再考虑到 2.4 直流电动机的基本特性2.4.1 基本方程2.4.2 直流电动机的基本特性 作业电压方程 基本方程转矩方程 2.4.1 基本方程一、电压方程1、他励直流电机 直流电机的稳态电路图（发电机，电动机）他励时，励磁电流由其他电源单独供电

15、，故电动机：发电机：2、并励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁3、串励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。电压为电枢端电压，即发电机：电动机：磁绕组与电枢绕组相串联，有 。二、转矩方程 为电磁转矩。1、发电机情况下 电机本身的机械阻力转矩； 原动机的驱动转矩；电磁转矩为制动转矩，有 电动机轴上的负载转矩。式中，2、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率发电机： 机械能 转化为电能 ；电动机： 电能 转化为机械能 。 电磁功率用 表示，则将 代入上式，得四、直流电机的可逆性电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；电动机运行。发电机、亦可作为电动机运行。2.4.2 直流电动机的基本特性 直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并励电动机的运行特性 1、工作特性指 时， 。特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。（1）、转速特性 据转速公式