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1、第二章 直流电机,2.1 概述 2.2 直流电枢绕组 2.3 直流电机的磁场 2.4 直流发电机的基本特性 2.5 直流电动机的基本特性 2.6 直流电力传动 2.7 直流电机的换向,2.1 概述,一、直流电机的工作原理 1、直流发电机的工作原理 直流电机的物理模型,右图为直流发电机的物理模型，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。,导体ab在N极下时，根据右手定则，a点为高电位，b点低电位；导体cd在S
2、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。,导体ab在S极下，根据右手定则，此时a点为低电位，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。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 180后，如右图。,直流发电机工作原理图,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，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。,如气隙磁场沿气隙的分布为平顶波，如图所示，根据电动势的计算公式,可知感应电动势与气隙磁密成正比。导体和电刷AB间的电动势e和eAB如右图所示。,线圈abcd中的电
3、动势是交流的，通过电刷和换向器机械整流作用，将线圈中的交变电动势整流为电刷A和电刷B之间的直流电动势。,增加导体数目可以减小感应电动势脉动。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。,二、直流电动机工作原理,直流电动机的基本结构与发电机完全相同。电动机是将直流电能转化为机械功率，因此，电刷接至直流电源，如图所示。,当导体ab在N极下时，根据左手定则，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
4、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。,当转子旋转180后，如下图所示,直流电动机工作原理示意图,直流电动机电枢绕组通过电刷与直流电源相联接，通过电刷和换向器的逆变作用，将外电源的直流变为线圈中的交流，使N极下的导体中的电流方向不变，S极下的导体电流方向不变，而N、S极下导体中的电流方向始终相反，以保证电磁转矩的方向不变。,同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,二、直流电机的主要结构部件,1、主磁极,主磁极铁心：1mm1.5mm厚的 低碳钢板,励磁绕组：铜导线,产生气隙磁场,主磁极 励磁绕组,主磁极钢板冲片（1-
5、1.5mm厚）,主磁极由钢板冲片叠压而成,励磁绕组套在主磁极极身上,换向极铁心：1mm1.5mm厚的低碳钢板,作用：改善换向,换向极绕组：与电枢绕组串联,2、换向极,p=2 即4极电机,3、机座,作用：固定主磁极和换向极； 主磁路的一部分。,铸钢或薄钢板,电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚) （硅钢片）,涂绝缘漆冲片叠压而成,4、电枢铁心,作用：构成主磁路以及嵌放电枢绕组,5、电枢绕组,产生感应电动势和电磁转矩,6、換向器,将电枢绕组内的交流电动势用机械换向的方法转换为电刷间的直流电动势。,7、电刷装置,把转动的电枢与外电路相连接； 与换向器配合作用获得直流电压。,铜丝辨,压紧弹簧,电刷,
6、刷盒,普遍刷握和刷杆如右图所示。,三、直流电机的额定值,1、额定功率 PN,指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W”为单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。,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、额定功率时的负载电流值，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,5、额定励磁电流 IfN,指电机在额定状态时的励磁电流值，以“A”为单位。,对于直流发电机，PN 是指输出的电功率。,对于直流电动机，PN 是指输出的机械功率。,2.
7、2 直流电机的电枢绕组,一、基本特点,1、基本要求 （1）能产生尽可能大的电动势，并具有良好的波形； （2）能通过尽可能大的电流，并承受由此产生的电磁力和 电磁转矩； （3）结构简单，连接可靠； （4）便于维护和检修； （5）换向良好。,2、电枢绕组的类型,（1）单叠绕组 （2）单波绕组 （3）蛙形绕组,元件边,元件边,后端接,后端接,前端接,前端接,换向片,换向片,3、有关直流电枢绕组的术语 （1）元件 两端分别与两片换向片联接的单匝或多匝线圈。,(2)实槽数Z、虚槽数Zi、元件数S和换向片数K,为了改善电机的性能，一个槽中一般放置不止一条上层边和一条下层边，如图所示。,一条上层边和一条下层
8、边即为一个虚槽，因此,一个元件有两条边，而一个虚槽中放置两条边，因此,每个换向换向片联接两条不同的元件边，因此,（3）极距,每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主磁距离，用所跨弧长或该弧长所对应的虚槽表示。,（4）第一节距y1,每个元件的两条元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示。,小于1的分数。,（5）第二节距y2,同一片换向片上相联的两个元件中的第一个元件的下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距。,对于单叠绕组 ，对于单波绕组 。,（6）合成节距y和换向器节距yK,合成节距：相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面的跨距。,换向器节距：与每元件的两个端相联的两个换向片在换向器表面的跨
9、距，用 换向片数表示。,右行绕组,左行绕组,二、单叠绕组,任何两个串联元件都是后一个元件叠在前一个的上面。,单叠绕组一般为右行绕组，y=yk=1。,例：已知电机的极数2p4，且Z=ZiSK16。试绕制一单叠右行整距绕组。 解：（1）计算节距,（3）绕组展开图,由于是右行绕组,（2）绕组联接表,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,16,N,N,S,S,A1,A2,B1,B2,电刷放置的原则： （1）空载时被电刷短路的元件的感应电动势尽可能为零。 （2）并联支路的电动势尽可能
10、大。,相邻两主极的中心线称为电枢上的几何的中性线。,电刷应放置在换向器上的几何中性线上。,换向器上的几何中性线：轴线与主极轴线重合的元件的两端所联接的两片换向片的中线。,对于端接对称的元件来说，元件轴线、主极轴线和换向器上的几何中性线重合。,不论是整距绕组还是短距或长距绕组，当元件的轴线与主极的轴线重合时，该元件的感应电动势为0。,单叠绕组是将每一个磁极下的元件依次串联，构成一条并联支路，因此，单叠绕组的并联支路对数a等于极对数p，即： a=p,绕组的并联支路电路图,三、单波绕组,单波绕组是从一个元件出发，串联p个元件后，回到出发换向片的相邻的左边换向片上（左行绕组）或右边换向片上（右行绕组）
11、。单波绕组一般采用左行绕组。因此,单波绕组的合成绕组节距为：,取“”时为左行绕组，取“”时为右行绕组。,例：已知电机的极数2p4，且Z=ZiSK15。试绕制一单波左行绕组。 解：（1）计算节距,左行单波,第一节距,第二节距,（2）绕组联接表,极距,绕组的并联支路电路图,单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路,因此单波绕组的并联支路对数恒等于1。,直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组；通过电刷将电枢绕组分成若干对并联支路，因此直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。,在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数 单叠绕组 a = p 即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组 a =
12、 1 即并联支路对数恒等于1,电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大；被电刷短路的元件中的电动势为零。 对于端接对称的元件，电刷放置在换向器上几何中性线上，也即在主极轴线下的换向片上。,总结：,2.2 直流电机的磁场,一、直流电机的励磁方法,磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。,直流发电机的励方式有：他励、并励和复励,二、直流电机的空载磁场 空载：Ia0,下 图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。,1、主磁通和漏磁通,直流电机中，主磁通 是主要的，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
13、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%。,主极漏磁系数,2、主磁场分布,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。,气隙磁密,气隙磁密在一个极下的分布如图所示，为一平顶波。,3、磁化曲线 磁化曲线指电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线,饱和系数,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。,三、直流电机的电枢磁场,1、电刷在几何中性线上,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
14、流。如图所示为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。,电机的线负荷,当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势沿空间的分布为三角形，三角形最大幅值在电枢的几何中性线上，主极轴线处电枢磁动势为0。最大幅值为,电枢磁密,电枢磁密沿气隙分布为马鞍形分布。,2、电刷偏离几何中性线,直轴电枢磁动势,交轴电枢磁动势,四、电枢反应,电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。,1、交轴电枢反应,当电刷放置在几何中性线上时，电枢磁场只有交轴分量，电枢反应为交轴电枢反应。此时气隙磁场如图所示。,主磁极磁密分布曲线,气隙合成磁密分布曲线,电枢磁密分布曲线,交轴电枢反应对气隙磁场的影响：,1) 使气
15、隙磁场发生畸变 ，一半极面下被加强，一半极面下被削 弱 。 2）使物理中性线偏离几何中性线。 物理中性线：电枢表面磁密为0处。 对于发电机来说，顺电枢旋转方向偏移一定角度。电动机反之。 3）磁路不饱和时，一个极面下的总磁通量不变。 磁路饱和时，略呈去磁作用。,2、直轴电枢反应,当电刷偏离几何中性线时，电枢反应除了交轴电枢反应外还有直轴电枢反应。交轴电枢反应同前所述。,对于发电机来说， 如果电刷顺电枢旋转方向偏离一定角度，直轴电枢反应起去磁作用，如果逆电枢旋转方向偏离一定角度，则电枢反应起助磁作用，如图所示。,五、感应电动势和电磁转矩 1、感应电动势 一根导体的感应电动势,电枢的总导体数为Na，则每条并联支路串联导体数为,支路的电动势为,令,每极磁通,电枢表面的线速度,感应电动势的表达式可写为,电动势常数,2、电磁转矩 如果ia为支路电流，电枢电流Ia，则,导体所受的电磁力为,电磁转矩,合成电磁转矩,转矩常数,3、电动势常数和转矩常数的关系,电动势表达式又可以写成,CT又称为电机常数,2.4 直流发电机的基本特性,一、基本方程,并励直流发电机等效电路如右图所示,1、电动势平衡方程,一组电刷接触电阻的压降，一般取0.31V。,电枢绕
