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1、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，分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。,第一章 直流电机,优点：起动性能和调速性能好，过载能力大。缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，是由有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差。,1.1 直流电机的基本工作原理和结构1.1.1 直流电动机的工作原理,1）直流电动机的物理模型图解释 其中固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。在电枢铁心上电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向
2、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，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,2）直流电动机工作原理 直流电动机与发电机的结构相同。当给电刷AB旋加一直流电压，导体12中就有电流流过，由电磁力定律可知导体会受到电磁力作用。处于N极下的导体与电刷A接触，电流总是向里流，产生电磁力矩为逆时针；处于S极下的导体与电刷B接触，电流总是向外流，产生电磁力矩仍为逆时针。转子在该电磁力矩作用下开始旋转向外输出机械功率。,3）工作原理总结 综上可知，通过换向器配合电刷的机械换向作用将外部的直流电
3、流变成直流电动机电枢绕组大小不变、极性交替变化的交变电流，这才使得电枢绕组在稳恒磁场中受到方向不变的转矩作用，从而带动转子旋转，将电能转化为机械能。,1.1.2 直流发电机原理 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12将产生感应电动势。如下图，导体1在N极下，高电位接电刷A ，；导体2在S极下，低电位接电刷B ；电刷A极性为正，电刷B极性为负。导体转过180度，导体2在N极下，高电位接电刷A ，；导体1在S极下，低电位接电刷B ；仍然是电刷A极性为正，电刷B极性为负，将内部交变的感应电动势变成外部的直流电压，向负载供电。,一台直流电机，原则上既可
4、以做直流电动机运行，又可以做直流发电机运行，这叫做直流电机的可逆原理。,1.1.3 直流电机的结构直流电动机结构：主要由定子、转子（电枢）两大部分组成,一、直流电动机定子部分： 直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。 主磁极 ：主要作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。换向极：主要作用是改善换向，安装在两相邻主磁极之间，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕
5、组构成。 机座 机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座的两端装有端盖。端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成。,直流电动机转子部分： 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。电枢铁心 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽硅钢片叠压夹紧而成。电枢绕组电枢绕组由
6、一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。换向器在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。,三、铭牌数据： 额定值 是制造厂对各种电气设备在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或
7、试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。,1、直流电动机的主要额定值主要有：额定功率 PN：对于直流电动机， PN是指电动机轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。 PN UNINN ，以“w”或马力为单位。额定电压 UN：指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为量纲单位。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” 为量纲单位。额定转速 nN：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。额定励磁电流 If指电机在额定状态时的励磁电流值。,1.2 直流电机的磁场1.2.1直流电机的空载磁场右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。,
8、当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：,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。,1.2.2 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
9、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。,1.2.3 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
10、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
11、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，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。,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 和直轴电枢磁动势 。如图(a)(b)所示。,1.3.1 直流电机的电枢电动势,1.3 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,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。,1.3.2 直流电机的电磁转矩,产生:电枢绕组中有电枢电流流过
12、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。,1.4.1 直流电动机的基本方程,如图规定各物理量的参考方向,电机的基本方程如下：,1.4 直流电动机的运行原理,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。如图所示。,2、转矩特性,定义：当 、 时，,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。如图所示。,1.4.2 直流电
13、动机的工作特性,3、效率特性,定义：当 、 时，,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。,二、串励直流电动机的工作特性,当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：,转速特性,转矩特性,当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。,当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。,1.5.1 换向概述,1.5 直
14、流电机的换向,为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。,直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。,电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。,电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。,电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。,换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。,产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。,元件从开始换向到换向终了所经历的
15、时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。,换向元件中的电动势：,自感电动势 和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。,切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。,换向元件中的合成电动势为：,根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。,换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。,1.5.2 改善换向的方法,除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。,改善换向一般采用以下方法：1、选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻2、装设换向磁极，位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势3、大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势,
