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1、第一章 直流电机,第一章 直流电机,直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。直流发电机：机械能直流电能 直流电动机：直流电能机械能 直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，但结构复杂，成本高，运行维护较困难。主要应用于起动和调速要求较高的生产机械中，如金属切削机床，轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中。 本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性（以直流电动机为重点）。,第一节 直流电机的基本工作原理与结构,一、直流电机的基本工作原理 1、直流发电机的基本工作原理,基于电磁感应原理：右手定则,产生磁场：（N、S极）,运动导线ab、cd切割磁场
2、,线圈感应电动势交变,换向整流电刷间输出直流电动势,直流发电机的工作原理模型,例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的变化？,解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。,由右手定则可知：决定感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。,+,-,N,S,注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。,2、直流电动机的基本工作原理,
3、基于电磁力定律：左手定则,载流导体ab、cd,在磁场中产生电磁力f,形成电磁转矩带动转子旋转,换向器作用： 在发电机中起整流作用，使线圈中的交变电动势电刷间的直流电动势。 在电动机中起逆变作用，使电刷间的直流电线圈内的交变电，保证电动机的转向恒定。,直流电动机工作原理模型,例1-2 电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转)?,解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知：电磁力的方向取决于磁场极性或导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变
4、磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向改变。,注意：两者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。,-,+,f,f,n,改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图,3、电机的可逆原理,任何一台电机既可作发电机运行，也可作 电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。,如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行； 如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。,电机的实际运行方式由外施条件决定：,二、直流电机的基本结构,直流电动机的内部结构图,1-端盖 2-风扇 3-机座 4-电枢 5-主磁极 6-电刷架 7-换向器 8-接线板 9-接线盒,1-电枢铁
5、心 2-主磁极铁心 3-励磁绕组 4-电枢齿 5-换向极绕组 6-换向极铁 7-电枢槽 8-底座 9-电枢绕组 10-极掌(极靴） 11-机座（磁轭),二、直流电机的基本结构,直流电机的径向剖面图,二、直流电机的基本结构,电磁方面：产生磁场和构成磁路。 机械方面：整个电机的支撑。,作用,主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等,作用,感应电动势和产生电磁转矩， 从而实现能量的转换,主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等,主磁极,1、定子部分,产生磁场，N、S 相隔，用p表示极对数,主磁极由图中的1-磁极铁心和2-励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.,反映主极磁场的磁力线
6、经主磁极的N极-气隙-电枢齿-电枢磁轭-电枢齿-气隙-定子齿轭-（回到）N极，形成闭合的磁回路,机座,导磁和机械支撑,作用:改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。 安装在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。,用整块钢制成，也可用厚11.5mm厚钢板或硅钢片叠成,1-刷握 2-铜丝辫 3-压紧弹簧 4-电刷块（石墨材料）,换向极,电刷,作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出,2、转子部分,材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心 用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。,作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。,电枢铁心,铁心冲片,
7、作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。,电枢线圈,电枢绕组：电枢线圈按一定规律连接形成。其并联支路对数用a表示。 单叠绕组：a=p 单波绕组：a=1,单波、单叠绕组联接示意图,换向器,材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。,作用：实现电刷内外 交直流的转换。,由许多燕尾状的铜片间隔绝缘云母片而成,主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。,3、气隙,作用：保证了电机的转子的正常旋转，又是磁路的重要组成部分。,小型电机气隙约为0.75mm；大型电机气隙可达510mm 。,三、直流电机的铭牌数据,电机型号,铭牌数据主要有：,额定功率,额定电压,额定电流,额定转速,额定
8、励磁电流,励磁方式,出厂数据如出厂编号、出厂日期等,例：直流电机的铭牌,Z 4-112/2-1,第四次系列设计,机座中心高,mm,极数,1、电机型号,型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。,Z 4-180-21,第四次系列设计,机座中心高,mm,电枢铁心长度代号,1、电机型号,端盖代号(1:短端盖,2:长端盖),另一种Z4型号示例,2、额定值,(1)额定功率PN PN(kw) 是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。 (2)额定电压N UN(V)对发电机来说
9、，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。 (3)额定电流IN IN(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。,对于发电机，三个额定值之间的关系为 PN=UNIN 对于电动机，三个额定值之间的关系为 PN=UNINN,(4)额定转速nN nN (r/min)是指电机额定运行时的转速。,额定效率； N =（PN/P1）*%,例1-3 一台直流发电机， PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。,解,例1-4 一台直流电动机，PN=17KW，UN=220V，n
10、N=1500r/min，N=83%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。,解,电枢绕组与励磁绕组并联,励磁绕组单独供电,电枢绕组与励磁绕组串联,有并励又有串励绕组,3、励磁方式,直流电机运行性能与励磁方式密切相关，因此直流电机的分类以励磁方式分类,（1）Z4系列电动机： 中心高100355mm，是JBT6316-2006Z4系列直流电机技术条件所规定的标准系列小型直流电动机；广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工业轧机传动，金属切削机床、造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出机械等。Z4系列直流电动机比Z2、Z3系列具有更大的优越性，它不仅可用直流机组电源供电，更适用于静止整流电源供电。而且转动
11、惯量小，具有较好的动态性能，并能承受较高的负载变化率，特别适用于需要平滑调速、效率高、自动稳速、反应灵敏的控制系统。Z4系列励磁方式为他励，励磁电压为180V。,四、直流电机的主要系列简介,（2）Z系列中型直流电动机 中心高355mm710mm是我国机械行业标准JBT9577-2011Z系列中型直流电动机技术条件所规定的标准系列中型直流电动机。共有A、B、C三类，分别是普通工业用电动机、金属轧机用电动机、可逆轧机用电动机。除一般的直流电动机要求外，第二类电动机要求有连续过载能力、有较强的机械结构、有较高的短时过载能力。第三类要求有适合传动快速逆转和突然施加重负荷的能力、有高的短时过载能力。,四
12、、直流电机的主要系列简介,还有:ZT、ZZJ、ZQ、Z-H系列等,第二节 电磁转矩和电枢电动势,一、电磁转矩T 在直流电机中, 电磁转矩T是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示： TCT Ia 式中 T 转矩常数；T=Np/(2a)取决于电机的结构，即 在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、 a均为定值； 每极下的合成磁通(Wb)； 当Ia为(A)时, 电磁转矩单位为N.m。 可见对已制成的电机, 电磁转矩T正比于气隙每极磁通及电枢电流Ia。,第二节 电磁转矩和电枢电动势,二、电枢电动势Ea 在直流电机中, 感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对
13、运动, 即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得： EaCe n 式中 Ce电动势常数，Ce Np/(60a)。取决于电机的结构 当每极磁通、转速n的单位分别是Wb、r/min时, 电枢电动势的单位为V。 可见：对已制成的电机, Ea正比于每极磁通和转速n； 另：转矩常数CT与电势常数Ce之间有固定的比值关系： CTCe(Np/2a)/(Np/60a)=9.55,例1-5 一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469r/min，每极磁通=2.2 10-2Wb，求： 1）此发电机电枢绕组的感应电动势。 2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电
14、流为800A时，能产生多大电磁转矩？,解,先求出电动势常数,Pem= EaIa= (pN/60a)n Ia =(pN/2a)Ia (2n/60) =T,第二节 电磁转矩和电枢电动势,三、电磁功率Pem,对电动机而言电动势Ea是反电动势，电源电压U必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem ，所以Pem是机电能量转换的桥梁。,第三节 直流电动机的运行原理,一、直流电动机的基本方程式,他励直流电动机的结构示意图及电路图,电动机惯例：Ea与Ia反向, T与n同方向 TL与n反
15、方向,电动机稳定运行时的基本方程式： 电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、 功率平衡方程式,一、直流电动机的基本方程式,1、电动势平衡方程式 根据电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式： U=EaIaRa 式中 Ra 电枢回路总电阻 Ia他励电动机 Ia=I ； 并励电动机 Ia=I-If 对于电动机：U Ea，Ea与Ia反方向,一、直流电动机的基本方程式,2、功率平衡方程式 电机在机电能量转换中，一部分能量不能被利用，这部分能量称为损耗。直流电机的损耗可分为： pm：由各类摩擦引起的机械损耗 pFe：铁心损耗(磁滞与涡流之和) pcua：电枢回路铜耗pcua = Ia2Ra pf： 励磁回路铜耗pf（=UIf=RfIf2）； ps： 附加损耗,空载损耗p0即不变损耗,因此，功率平衡方程式，就是扣除损耗的过程。,可变损耗,一、直流电动机的基本方程式,2、功率平衡方程式 P1=UI=UIa =(EaIaRa)Ia= EaIaIa2Ra =Pempcua 上式说明：当他励直流电动机接上电源U时,电枢绕组中流过电流Ia, 电网向电动机输入的电功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于电枢铜耗，大部份作为电磁功率转换成了机械功率。 但转变成机械属性的Pem还要扣除铁耗、机械损耗、附加损耗才是输出的机械功率P2 P2=Pem
