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1、1.2 直流电机电枢绕组简介,1.3 直流电机的磁场,本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。,1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,1.5 直流电动机的运行原理,1.6 直流发电机运行原理,1.7 直流电机的换向,1.1 直流电机的基本工作原理与结构,思考题与习题,1.1 直流电机的基本工作原理和结构,1.1.1 直流电机的主要结构,1.1.2 直流电机的工作原理,1.1 直流电机的基本工作原理和结构,一、直流发电机工作原理,右图为直流发电机的
2、物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,电刷A的极性
3、总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,二、直流电动机工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成
4、逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,当电枢旋转到右图所示位置时,直流电动机的工作原理示意图:,1.1.3 直流电机的铭牌数据,电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状
5、态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,1.2.1 直流枢绕组基本知识,1.2 直流电机的电枢绕组简介,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。,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
6、的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,第二节距 ：连至同一换向片上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间的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,1.2.2. 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： 。,单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、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。,单叠绕组的展开图,根据单叠绕
7、组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:,单叠绕组的的特点：,1）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。,2）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。,3）电枢电流等于各支路电流之和。,. 单波绕组,单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。,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。,单波绕组的并联支路图:,单波绕组的特点,1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面
8、上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3）电刷数等于磁极数；,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。,1.3 直流电机的磁场,在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。 一、直流电机的励磁方式： 即：我们要看一下直流电机是如何给他的 励磁绕组通电的。 直流电机的励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励。,1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。满足：2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式： 1）串励式：电
9、枢绕组和励磁绕组相串联，满足：2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：,3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励： 积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：,1.3.1直流电机的空载磁场,1.3 直流电机的磁场,直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。,右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。,当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励磁磁动势为：,直流电机中，主磁通是主
10、要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。,空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。,磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。,空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b) 所示。,空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c) 所示。,为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气
11、隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。,为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中 A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。,1.3.2 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。,右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。,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。,如果认为直流电机电枢上有无穷多
12、整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。,由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。,1.3.3 直流电机的电枢反应,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。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。,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。,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
13、密度分布曲线,由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：,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。电机正常运行于磁化曲线的膝部，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。,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
14、动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。,电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。,1.4.1 直流电机的电枢电动势,1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩和电磁功率,产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。,大小:,性质: 发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).,可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。,1.4.2 直流电机的电磁转矩,产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,大小:,性质: 发电机制动(与转速方向相反)；电动机
15、驱动(与转速方向相同)。,可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比,1.4.3 直流电机的电磁转矩,1.5直流电动机,1.5.1 直流电机的可逆原理,以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。,减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得 ，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。,继续降低原动机的转速，将有 ，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。,同理，上述
16、的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。,1.5.2 直流电动机的基本方程,在这里，首先对正方向进行规定：和交流电机一样，我们令对发电机而言，电流流出为正方向；对电动机而言，电流流入为正方向。,规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下：,1、电动势平衡方程式 （1）电枢回路,转速公式：,（2）励磁回路,第1章 直流电机,2、转矩平衡方程式,直流电动机稳定运行时的电枢电流,理想空载时TZ=0，即,输入的电功率为：,电磁功率PM为：,电机的空载损耗：,3、功率平衡方程式,则,电机的效率,1.5.3 直流电动机的工作特性,1、转速特性,一、他励（并励）直流电动机的工作特性,定义：当 、 时，,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化,2、转矩特性,转矩表达式,考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。,
