电机学多媒体课件系列,福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组,2006.10,第五篇 直流 电 机,第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系,目 录,第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系 16.1 直流电机的基本结构 16.2 直流电枢绕组 16.3 直流电机的磁场和电枢反应 16.4 电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式 16.5 电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式,§16.1 直流电机的基本结构,优点：1．良好的起动和调速性能 2．方便、可靠、波形好、对电源的干扰小缺点：结构复杂、价格高、维护不便,特点：换向器，旋转电枢,用途：1．直流电源——励磁机（如同步机） 2．调速性能要求高的场所——电车、电力机车,直流电机模型,固定部分（定子）：主磁极、电刷转动部分（转子）：铁心和绕组（电枢）,直流电机工作原理,换向器的作用： 1、实现电刷与换向片的滑动接触，使电枢旋转回路与外电路（静止）相连 2、改变电势、电流的方向（机械式整流）,实际的电枢有多个线圈、多对磁极(减小脉冲，提高功率）,理论上一台电机既可以作电动机又可以作发电机(可逆),外部电刷两端电动势为直流量,内部线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量,结论：,定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置 转子：电枢铁心 、电枢绕组、换向片、转轴、风扇,直流电机的基本结构,一、定子部分,主磁极 作用：建立主磁场。
构成：叠片铁心和套装在铁心上的励磁绕组,机座作用：1、主磁路的一部分 2、电机的结构框架构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成,换向极：作用: 是改善直流电机的换向情况，不产生有害的火花构成：铁心和绕组构成，固定在机座上，对数同主磁极,电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置构成：电刷(石墨)、刷握、刷杆和连线等二、转子部分,电枢铁心 作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件 构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的 硅钢片叠压、夹紧而成,电枢绕组作用：产生感应电势，承载电流，产生转矩构成：圆截面铜线或扁导线、空心导线 （槽楔、绝缘材料）,换向片：作用：与电刷配合，以机械方式输入（出）直流电动势 构成：许多鸽尾形的换向片排成一个圆筒，之间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成直流电机的换向片,交流电机的集电环,三、励磁方式,励磁绕组的供电方式称为励磁方式直流电机按励磁方式分类,,他励,自励(发电机）,永磁,,并励串励复励,积复励差复励,,,他励励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连以发电机为例,并励励磁绕组与电枢绕组并联。
他励,并励,串励励磁绕组与电枢绕组串联,串励,复励并励和串励两种励磁方式的结合两励磁绕组产生的磁场方向相同则为积复励，反之为差复励长分接法,短分接法,四 、直流电机的额定值,（1）额定功率：指电机在铭牌规定的额定状态下运 对电动机，额定功率是指输出的机械功率； 对发电机，额定功率是指输出的电功率行时，电机的输出功率，以kW表示2）额定电压：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示3）额定电流：指电机运行在时，电机的电流，以A表示4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示5）额定励磁电压: （仅对他励电机）课时小结,1、直流电机的优点？结构特点？换向器的作用？2、直流发电机（电动机）的工作原理？3、直流电机的换向器和交流电机集电环的异同点？4、直流电机的励磁方式及其特点？接线图？5、额定值：PN，UN，IN,§16.2 直流电枢绕组,一、直流电枢绕组的基本知识,,1、电枢绕组的基本要求：产生足够的感应电势；允许通过规定的电流；节约材料、工艺简单、运行可靠,2、相关术语,元件(线圈)：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种实槽Z：实际槽数Z,元件数S 、换向片数K 、总导体数N,叠绕组：后一个元件紧叠在前一个元件，整个绕组成折叠式前进。
波绕组：相隔约一对极距的相应元件串联起来，象波浪式的前进特点：相邻两元件（串连）在电枢表面仅差一个虚槽（换向片）,特点：相邻两元件相隔约为一对极距,,第二节距y2：前一元件下层边与后一元件上层边的距离,合成节距y：相串连的两元件对应圈边在电枢表面跨过的距离,换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离,3、直流电枢绕组的基本型式闭合绕组：从电枢上某一导体出发，按一定的规律串连所有导体后，仍回到出发点，自成闭合回路五种连接型式：单迭、复迭、单波、复波、混合绕组基本型式：单迭、单波,一、单叠绕组,2）第一节距：,3）合成节距：,4）第二节距：,（y>0右行；y<0左行）,以 Ze=20、2p=4、S=K=20为例画绕组连接展开图步骤如下：,1、计算：1）极距：,2、作图,开始演示展开图,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20,19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18,,,,,,,,,,,,1）标槽号、换向片号,3）画磁极、电刷,4）标电流方向。
电刷极性,5）画并联支路，引出出线,2）连接各元件,(2p=4、τ=5、y1=5、y=1、y2= - 4 ),3、元件连接图,4、小结：,7）电刷位置在三线合一处，使得引出电势最大,1）单迭绕组中：,（固定）,4）电刷数＝极数,5）电刷间引出电势＝支路电势,叠绕组是一种并联支路数较多、电枢电流较大、而电刷间电动势较小的并联绕组,二、单波绕组,2）合成节距：,3）第一节距：,4）第二节距：,以 Ze=19、2p=4、S=K=19为例画绕组连接展开图步骤如下：,1、计算：1）极距：,2、作图,开始演示展开图,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19,18 19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17,,,,,,,,,1）标槽号、换向片号,3）画磁极、电刷,4）标电流方向电刷极性,5）画并联支路，引出出线,2）连接各元件,,,,,,,,,(2p=4、τ=4.75、y1=5、y=9、y2= 4 ),3、元件连接图,4、结论,3)、电刷数＝极数理论上两条并联支路仅需一对电刷，实际上仍使用全额电刷，目的是保持流过电刷的电流密度不变。
2)、2a＝2 （a=1）即单波绕组只有两条支路 第一条支路：N极下所有元件串连 第二条支路：S极下所有元件串连,单波绕组是具有最少并联支路数（2条）、电枢电流较小、电刷间电动势较大的串联绕组,三、其它形式的绕组,1、双叠绕组：y=2（两个单叠） 并联支路数为4p,3、复叠、复波、混合绕组等,课时小结,1、直流绕组的基本要求？2、虚槽和各类节距的概念？3、单叠绕组展开图的画法及其特点？4、单波绕组展开图的画法及其特点？5、书面作业：16-4、16-5、16-6,§16.3 直流电机的磁场和电枢反应,一 、空载时直流电机的磁场,1、产生：,2、波形：平顶帽状,3、性质： 直流励磁→恒定磁场,τ,边缘磁通,主磁路：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭,,,二 、负载时的电枢磁场,电枢磁场：负载时电枢电流产生的磁场,2）、三个元件,磁动势为阶梯波,幅值：,,1、电枢磁动势 Fa 产生及波形,3)、N个元件磁动势近似为三角波幅值：,,电枢绕组支路电流:,一个极内的导体数为：,4)、电枢磁动势表达式,对照图,——线负荷（100～600 ),任意点处：,幅值位置：在磁极中心线，Fa=0 在τ/2 处，Fa最大值,,电刷在q轴，Fa Ba（马鞍波）,2、电枢磁场,不考虑主磁极磁场时的电枢磁场,,气隙不均匀,三、交轴电枢反应,电枢反应: 电枢磁场对主磁极磁场产生的影响,交轴电枢反应：电刷处于交轴时，电枢磁场仅有交轴分量，此时的电枢反应称之,交轴电枢反应的影响：,1）不考虑饱和 从 Bδ 的分布:,产生畸变，总磁通量不变,,几何中性线,物理中性线,3）产生换向火花→引起环火,2）若考虑饱和：分布不均→产生畸变→呈去磁作用,四、直轴电枢反应,1、电刷移过β角,电枢电流分布改变,Fad呈去磁作用,,Fad呈助磁作用,电刷移过β角时：,,,2、交直轴电枢反应磁势大小,当电刷在交轴时：,课时小结,1、直流电机空载时气隙磁场的产生及分布？主磁路的组成？2、直流电机电枢磁动势Fa及磁通密度Ba的分布波形？Fa的计算公式？3、直流电机的电枢反应对电机运行性能的影响（直轴、交轴）？Fad、Faq的计算公式？,,§16.4 电枢绕组的感应电动势 和电压、功率平衡方程式,式中: Bx－导体所在气隙磁密 l －导体有效长度 v －导体切割气隙磁场速度,,一、电枢绕组的感应电动势Ea,每根导体的感应电动势ex为,Ea = E电刷 = E支路，则有：,令 为平均气隙磁密，则上式改写为,将 代入上式得,电枢绕组电动势公式 ：,式中:,2、电刷间的电势仅和极面下的总磁通有关，与磁密分布无关。
负载的感应电动势比空载时略小3、上式为电刷接交轴导体位置导出，若将电刷移至直轴导体位置时，则 Ea=0,结论：,5、电刷间为直流电动势，而导体电动势却是交变的,6、电刷间电动势并非几个固定导体的电动势之和，而是位于电刷间一定位置的各导体的感应电动势之和7、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),二、电压平衡式,1、发电机情况下（并励机为例）,特点：Ea>U Ea方向与Ia方向一致,2、电动机情况下,特点：Ea