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1、第 3 章 直流电机,重点内容： （1）直流电机的工作原理 （2）直流电机的基本概念 （3）电枢感应电势和电磁转矩 （4）基本方程难点： （1）电枢绕组及电路图 （2）电枢反应,第3章 直流电机,3.1 直流电机的工作原理及结构,3.2 直流电机的电枢绕组,3.3 直流电机的电枢反应,3.4 电流电机的电磁转矩和电动势,3.5 直流电动机的运行分析,3.6 直流电动机的功率和转矩,3.7 直流发电机的运行分析,3.8 直流发电机的功率和转矩,3.1 直流电机的工作原理及结构,1. 直流电动机的工作原理,电刷,换向片,直流电机模型,电刷,转轴,换向片,直流电机模型,线圈 磁极,直流电流,交流电流
2、,电磁转矩 (拖动转矩),换向,机械负载,旋转,电磁关系,2. 直流发电机的工作原理, E , E ,输出 直流电,换向,原动机,感应电动 势、电流,电磁转矩 （阻转矩）,做功,电磁关系,1.直流电机的工作原理,图3-1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分(定子)上，装有一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢。定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装有由A和X两根导体连接而成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片K1和K2，此铜片称为换向片，换向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器，换向器固定在转轴上。换向器上放置着一对静止不动的电刷B1和B2，
3、电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,1.直流电机的工作原理,1.直流电机的工作原理,图3-2 气隙磁场的分布波形,1.直流电机的工作原理,1.直流电机的工作原理,图3-4 电枢上装有6个 线圈(11到66)的情况,图3-5 每条支路有3个串联线圈时， 电刷上的电动势波形,电动势脉动的减小,*实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动,轴承,机座,转子电枢,主磁极,电刷,换向器,接线盒,转子轴,端盖,直流电机的结构,3. 直流电机的基本结构,主磁极 换向磁极 机座 电刷,定子,主磁极,作用：建立主磁场。,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,电刷
4、,构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。,作用：把直流电压、直流电流引入或引出,转子（电枢）, 电枢铁心 电枢绕组, 换向器 转轴与风扇,电枢绕组,作用：直流电机的电路部分。,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下,层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。,换向器,作用：和电刷配合将直流电引入或引出的装置。,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。,4. 励磁方式,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,(1) 直流电动机按励磁方式分类,(2) 直流发电机按励磁方式分类,他 励,串 励,复 励,并 励,1）额定容量（额定功率）PN指电机在铭牌规定
5、的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W” 为量纲单位。,5.直流电机的铭牌数据,电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。,直流电机的额定值主要有下列四项：,2）额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3）额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 4）额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。,对于直流电动机，PN是指输出的
6、机械功率，PNUNINN,对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。,PNUNIN,3.2 直流电机的电枢绕组,1、直流电枢绕组的构成,组成绕组的基本单元称为元件。元件有单匝的，也有多匝的。一个元件由两个元件边和端接线组成。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，仅起到连接作用。,上元件边,下元件边,后端接,前端接,电枢绕组是电机能量转换的枢纽。 构成原则：产生足够的感生电势；允许一定的电流； 结构简单，运行可靠。,电枢绕组元件,两匝元件,单匝元件,叠绕组元件,波绕组元件,元件的一条有效边放在槽的上部，另一条有效边放在另一槽底部，每一槽内有上层和下层
7、两个元件边构成双层绕组。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成一个闭合回路。,二、虚槽,因为每一个元件有两个元件边，而每一换向片连接一个元件的始端和另一个元件的末端；又因为每一个虚槽包含着两个元件边，所以绕组的元件数S、换向片数K和虚槽数Zi三者应相等，即S=K=Zi=uZ,为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽”的概念。设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽看作包含有u个“虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表示u=3时，元件边的布置情况。 若实槽数为Z，虚槽数为Zi，则Zi=uZ,2、直流电枢绕组的节距,电枢绕组的连接规律是通过绕组的节
8、距来表征的。,（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虚槽数，称为第一节距，用y1表示。 为得到较大的感应电动势和电磁转矩，第一节距应等于或接近一个极距。,极距,N,S,N,S,1,2,3,4,5,（2）第二节距y2,相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为第二节距。，用y2表示，也用虚槽数计算。,3、合成节距y,相串联的两个元件的对应边之间的距离称为合成节距，用虚槽数表示。 合成节距表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，它是反映不同形式绕组的一个重要标志。 单叠绕组 y=y1-y2 单波绕组 y=y1+y
9、2,一个元件的两个出线端所联接的换向片之间的距离称为换向器节距，以换向片数表示。 由于元件数等于换向片数，因此元件边在电枢表面前进（或后退）多少个虚槽，其出线端在换向器上也必然前进（或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成节距，即：yk = y,4、换向器节距yk,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,电枢绕组的常用术语,单叠绕组,单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：y=yc=1。,单叠绕组的展开图是把放在铁心槽
10、里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。,3、直流电枢绕组展开图,3、单叠绕组的元件联结次序,4、单叠绕组的并联支路图,单叠绕组并联支路对数等于电机的极对数，即：,单叠绕组的的特点：,同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。,电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,电枢电流等于各支路电流之和。,单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。,单波绕组
11、,3、单波绕组的元件联结次序,4、单波绕组的并联支路图,单波叠绕组并联支路对数与电机极对数无关，,单波绕组,单波绕组的特点： 1）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并联支路对数恒等于1，与磁极对数无关； 2）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数（全额电刷）。 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数a=1，但每条支路串联的元件数
12、较多，适用于小电流较高电压的电机。,单波绕组,1、直流电机的空载磁场,空载时的气隙磁密为一平顶波,空载时主磁极磁通的分布情况,（b）气隙磁密分布,3.3 直流电机的磁场及电枢反应,（a）主磁通与漏磁通,2、直流电机负载时的负载磁场,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。,3、直流电机的合成磁场及电枢反应,当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢反应与电刷的位置
13、有关。,(1)当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。,电枢反应：,电枢磁通势对主极磁场的影响。,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,几何 中心线,励磁磁场 （空载磁场）,物理 中心线,电枢磁场,合成磁场 （负载时的磁场）,物理 中性线,2)对主磁场起去磁作用,1)使气隙磁场发生畸变,空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。,磁路不饱和
14、时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。,由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：,(2)当电刷不在几何中性线上时,电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角。,这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量:交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。,3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩, U ,一、电枢绕组的感应电动势,1.电枢绕组的感应电动势,图3-27 气隙磁场分布和导体感应 电动势和电磁力的计算,
15、空载时直流电机气隙磁场,平均磁密：,(1) 产生电枢旋转 n磁 场 (2) 大小每个导体：e = B l v导体切割磁场的线速度：电动势：E = N1e,e,e,E,=N1B l v,注意：N1为串联支路的总导体数，而电枢总导体数N=N1*2a,E = CE n CE 电动势常数：,(V),(3) 方向：由 和 n 共同决定。(4) 性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,二、直流电机的电磁转矩,(1) 产生电枢电流 i磁 场 ,F T,(2) 大小电磁力： F = B l i 平均磁密：每根导线上电磁力所形成的电磁转矩： FR,电枢绕组总导体数: N 电枢绕组串联支路总导体数： N1=N/ 2a电枢绕组并联支路数：2a 电枢的周长： 2R = 2p电磁转矩：T = NFR,(2) 大小T = CT Ia CT 转矩常数：(3) 方向由 和 Ia 共同决定。 (4) 性质,(Nm),CT = 9.55 CE,3.5 直流电机基本方程,一、电压方程,基本方程：电压方程，转矩方程，功率方程,1、他励直流电机,他励电动机,电枢电流与线路电流相等：,电压方程：,*电动机惯例：以输入电流作为电枢电流正方向，Ia与Ea方向相反,他励发电机,电枢电流与线路电流相等：,电压方程：,电机向负载供电，电枢感应电势Ea作为电源电势必定大于端电压U，采用发电机惯例。,
