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1、第三章 直流电机,主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结 构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的起动和调速进行分析。,3-1直流电机的工作原理、基本结构和额定值,2、直流发电机的工作原理,直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电势靠换向器的作用，从电刷端引出时为直流电势的原理，如上图所示模型中,电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢按逆时针方向旋转,根据电磁感应定律导体ab和cd分别切割不同极下的磁力线而感应电势。,插入动态图电机学图33ZHUAN.SWF,当电枢逆时针转过1800时,线圈边中和整个线圈电势反向,随着电枢的旋转线圈中感应出交变电势。
2、由于换向器的作用,电刷B1通过换向片所引出的电势始终是切割N极磁力线的线圈中的电势，因此B1始终是正极性，同理B2始终是负极性.所以电刷端引出方向不变,但大小变换的脉振电势, 这就是直流发电机的工作原理。,4 、脉动的减小,四个线圈组成的转子电 路由B1和B2刷引出的是 两条并联支路的电动势。一条是1、2线圈的串联 电动势，另一条是3、4 线圈的串联电动势,二、直流电机的结构,电机是由两大部分组成1.静止部分定子2.旋转部分转子,1、直流电机的定子,（1）主磁极主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成。铁心是由11.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。极靴的作用是使主
3、磁通在过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。,（2）机座其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。（3）换向极换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。,（4）电刷装置电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。,2、直流电机的转子（电枢）,（1）电枢铁心电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢绕组的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅
4、钢片叠压而成。,（2）电枢绕组电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧。,（3）换向器换向器也是直流电机的重要部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到换向器的两个换向片上。,直流电机换向器,1、额定功率 PN （千瓦KW） 2、额定电压 UN （伏V） 3、额定电流 IN （安A） 4、额定转速 nN (转/分 r/min) 5
5、、额定励磁电压 UfN （伏V） 6、额定励磁电流 IfN （安A） 注、对发电机额定功率为 PN= UN IN对电动机额定功率为 PN= UN INN P1= UN IN,三、直流电机的额定值,每台直流电机铭牌上标注额定数据，若电机运行时,各数据符合额定值,这样的运行情况称为额定工况,在额定下运行,可保证电机可靠的运行,并具有优良的性能。 根据国标，直流电机的额定数据有：,电枢绕组是直流电机的核心部分，是实现机电能量转换的枢纽，无论是电动机还是发电机，它们的电枢绕组在磁场中旋转，都会感应出电势，当电枢中有电流时，又产生电磁转矩，从而实现了机电能量的转换。电枢绕组的构成应能产生足够的感应电势，
6、并允许通过一定的电枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。本节主要介绍单叠和单波绕组的组成及连接规律。,3-2直流电机的电枢绕组,一 、 电枢绕组的基本概念,组成电枢绕组的基本单元称为元件，元件有单匝，也有多匝。 一个元件由两条导体边和端接线组成。元件边置于槽内称为有效边，端接线置于铁心外,不切割磁场，仅起连接线作用。,一条有效边放在上层，另一条有效边放在下层构成双层绕组， 元件首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕 组通过换向片连接城一个闭合回路。,若电枢每槽上、下层只有一个元件边， 则整个绕组元件数S 应等于槽数Q 即S=Q,在大型电机中每槽上、下层包含u个元
7、件，此时 S=UQ u为槽内一层嵌放的元件边数。,二 、电枢绕组的节距,电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的, 下面分别叙述各个节距的定义和计算方法。,1、第一节距y1,一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距用y1表示，,常采用短距绕组,可节省端部用铜。,2、第二节距y2,相串连的两个元件中，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，称为第二节距，用y2表示，也用虚槽数计算。,3、合成节距y,相串连的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离。 不同类型绕组的差别主要表现的合成节距上。,所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上。,波绕组
8、指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件相串连， 像波浪一样向前延伸。,叠绕组,波绕组,4、换向器节距yc,一个元件的两个出线端所连接的两个换向片之间所跨的距离, 其大小用换向片数计算。,三、单叠绕组,单叠绕组的连接规律是，所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个 元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾与第一个元件的首端连在一起构成一个闭合回路。,+1为右行，-1为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多， 很少采用。,例：2P=4 S=K=Qu=16 u=1绘制单叠绕组展开图,解：,由已确定的各节距，可绘出绕组展开图,插入动态绕组展开图电机学图33
9、-19.SWF,编号方法： 元件号、元件上层边所放槽号、上层边连接换向片号一致,由绕组电路图可清楚地看出，从电刷外面看电枢绕组是由四条支路并联组成。 1，5，9，13号元件被电刷短路，同极下元件电流方向一致。,综上所述，单叠绕组有以下特点：1. 单叠绕组的并联支路数2a应等于电机的极数2P；2. 当元件几何形状对称时，电刷应放在主极中心线上，此 时正、负电刷间感应电势最大，被电刷所短路元件感应电势为零； 3. 电刷数等于极数； 4. 电刷间引出的电势为每一支路电势，正、负电刷间引出的电流为各支路电流之和。,插图,四、单波绕组,单波绕组的连接规律是:从某一换向片出发把相隔约为两个极距的同极性磁场
10、中对应位置的所有元件串连起来。这种绕组连接的特点是相串连的两元件也相隔较远，形状如波浪一样向前延伸，所以称为波绕组。,“-1”表示左行，“+1”表示右行。上式的含义是，绕组绕电枢一周后，经过P对极，就由P个元件串联起来，每个元件在换向器上跨过yc换向片，绕一周后需接到换向片的左边（k-1），或右边（k+1）一个换向片上。,例：2P=4 S=K=Qu=15 u=1 绘制单波绕组展开图,解：,插入动态绕组展开图电机学图33-21A.SWF,按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图,去掉一组电刷不影响支路电势的引出，但每刷承受的电流加大， 一般取电刷数等于极数。,单波绕组有以下特点1. 同极性下各元
11、件串连起来组成一条支路。2. 几何形状对称时电刷应放在主磁极中心线上 3. 电刷数也应等于极数，可减小每组电刷上的电流，改善换向。 4. 电刷间引出的电势为每一支路电势，正、负电刷间引出的电流为各支路电流之和。,除单叠和单波外，还有复叠、复波和混和绕组。,五、各种绕组的应用范围,各种绕组的差别主要在于它们的并联支路数上，支路数越多，相应的每条支路所串联的元件数越少，原则上电流大、电压低的直流电机采用叠绕组。若电流小，电压高采用波绕组。,综上所述，直流电枢电路是一个有源多支路电路。当电机旋转时元件中感应电势。从内部看是一个闭合回路， 从外部看通过电刷组成多支路电路。,3-3 直流电机的磁场,一、
12、空载时直流电机的磁场,本节研究直流电机空载和负载磁场，以便掌握直流电机的电磁过程,励磁绕组与电枢绕组无联接关系， 而由其他直流电源供电的直流电机电枢电流等于负载电流 Ia=I,励磁绕组与电枢绕组并联 后加同一电压对发电机: Ia=I+If 对电动机: I=Ia+If,（1）他励直流电机,（2）并励直流电机,空载时主磁极的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。,在极靴下气隙较小，所以极靴下沿电枢表面主磁场较强，极靴以外，气隙加大，主磁场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。不计齿槽影响气隙磁场磁密分布波形为下图,气隙磁场磁密分布波形,二、负载时直流电机的电枢磁场,负载时电机中的气隙磁场是由励磁磁动
13、势和电枢磁动势共同建立，电枢磁动势的出现使气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现了机电能量的转换。,1、交轴电枢磁动势,当电刷位于几何中性线时，电枢磁动势的轴线与主极轴线正交故称交轴电枢磁动势。,取一经过原点为+X及-X的 闭合回路，设Za为电枢绕组 总导体数，D为电枢直径 根据安培环路定律 此回路所包围的总电流为,作用在X点处每个气隙磁势为,在几何中性线处，即 ,交轴电枢磁势达到最大值,2、直轴电枢磁动势,若电刷从几何中性线移过角，将电枢磁势分为两部分,交轴电枢磁动势的最大值为：,直轴电枢磁动势的最大值为：,当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用每极下元件中电流方向不变，所以
14、电枢磁势在空间固定不动，即它与主磁场相对静止。,三、电枢反应,负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应如果电枢磁动势有交轴和直轴分量， 则电枢反应相应的称为交轴电枢反应 和直轴电枢反应,1、交轴电枢反应,电刷处于几何中性线上,电枢磁场,当电枢在几何中性线时，由电枢磁势波（三角波） 可得电枢磁密波形波形呈“马鞍”形分布,将主磁场与电枢磁场合成，合成后磁场与主磁场比较得出两点结论：, 气隙磁场畸变一半削弱，一半加强，电枢表面磁密为零处离开几何中性线 顺电机转向移过角（发电机），对于电动机逆电机转向移过角。 去磁作用磁路不饱和时,主磁场削弱数量和增加数量相同，图中 实线所示，磁路饱和时，图中虚线所示
15、。所以磁路饱和时交轴电枢反应呈去磁作用,2、直轴电枢反应,若电刷不在几何中性线上 除交轴电枢磁动势外，还有 直轴电枢磁动势。发电机电刷顺电枢旋转方向移动角，则直轴电枢反应是去磁的；若逆转向转过角则直轴电枢反应是增磁的。电动机与发电机恰好相反。,3-4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,本节推导电枢的感应电动势和电磁转矩的计算公式,一、电枢绕组的感应电动势,感应电动势指一条支路的电势（也就是电刷间的电势） 称电枢电势。,每根导体的电势为：,设电枢总导体数为Za，支路数为2a，则每条支路串联导体数,则支路电势为：,不计饱和时，,当磁路饱和时，Ea与磁通和转速成正比 当磁路不饱和时，Ea与励磁电流和转
16、速成正比,运动电动势系数,二、直流电机的电磁转矩,当电枢内有电流时，载流导体与气隙磁场相作用产生电磁转矩,首先计算一个导体的电磁转矩，再计算一个极下所有导体产生 的电磁转矩，最后乘2P即得整个电枢产生的电磁转矩,导体的电磁转矩为：,一极下导体数为Za/2p 一极下导体产生的电磁转矩为：,作用于整个电枢上的转矩为：,一极下导体产生的电磁转矩,当磁路饱和时，Te与磁通和电枢电流成正比 当磁路不饱和时，Te与励磁电流和电枢电流成正比,电磁功率,不计饱和时，,3-5 直流电机的基本方程式,直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励 的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入） 转矩和转速的机械端口。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。基本方程式：1、电端口的电压平衡方程式 2、机械端口的转矩平衡方程式3、功率平衡方程式,
