直流电机工作原理

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1、第二章 直流电机21 概述2.1.1 直流电机的工作原理首先，复习e=B lv公式，说明e正比于B。结合图2.1解释v=2 n Rn/60 (m/s,6 6n(r/min);机械角速度 Q=v/R=2n“/60 ( r/s);电角速度 3 =p Q =p2 n n/60 (rad/s)(记下来)；导体或线圈。将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括：N、S磁极和A、B电 刷静止,换向片、线圈(导体)以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。假设磁力线进入磁极为正方向,离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在 空间得分布曲线B ( 0 )(09=31 W2n)。进而得到导体电势e(31)和线圈电

2、势e (讥)。6 AB 经过合理的多个线圈均匀分布设计,按照一定规律连接起来就组成电枢绕 组,便可以获得近似直流电动势。工作原理：(1) 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出。(发电机惯例)(2) 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。结论：(1)电机内部(电刷为界)，线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流 量。(2) 电机外部(电刷两端)，电动机运行外加直流电；发电机运行输出直 流电(3) 从原理上讲，同一台电机既

3、可以作电动机运行又可以作发电机运行， 是可逆的。(4) 电动机惯例发电机惯例Motor212 直流电机的主要结构部件主磁极、换向极定子起机械支撑，产生磁场的作用机座、端盖、电刷、气隙耦合磁场转子产生电磁转矩、产生感应电势 电枢铁心和电枢绕组 1换向器、转轴、风扇部件名称作用材料结构主磁极励磁绕组通入直流,建立气隙 磁场11. 5mm低碳钢片 叠制，降低涡流损 耗P43 Fig. 2.8换向极改善换向整块钢或11. 5mm 钢片叠制Fig 2.9机座机械支撑并构成磁回路铸钢(小电机)，厚 钢板焊接(大中型 电机)P43 Fig 2.10电枢铁心构成磁路、嵌放电枢绕组0.350概述.5 mm硅 钢

4、片叠制，降低涡 流损耗P44Fig.2.11电枢绕组感应电势，承载电流，产生转 矩圆截面铜线或扁导 线、空心导线Fig. 2.12换向器与电刷配合，用机械换接的方 法引入(出)直流电势铜换向片和片间绝 缘云母构成换向片Fig 2.13电刷装置与换向器配合，实现直流量和 交流量之间的转换石墨碳刷Fig. 2.14 2.15213 直流电机的额定值额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠 载或过载额定功率：指输出功率W, kW。发电机Pn=UnIn电动机PN=n UNIN额定电压UN (V)额定电流IN (A)额定励磁电压UfN (V)额定励磁电流IfN (A) 额定

5、转速 nN(r/min)2.2 直流电机的电枢绕组221 基本特点设计绕组(线圈、电枢)时，主要考虑产生较大的感应电势和通过一定大小的电 流。直流电机有五种：单叠、复叠、单波、复波、蛙绕组。222 单叠绕组单叠绕组：绕制时，任何两个串联的元件都是后一个紧叠在前一个的上面。每绕 一个元件便在电枢表面移过一个虚槽。例题2.3 (p49)已知电机极数2p=4,且Z=Zj=S=K=16。绕制一个单叠右行整距 绕组。1) 节距计算单叠右行，合成节距第一节距第二节距2) 绕组连接表：确定 16 个元件(32 个元件边)的串联次序 编号原则：槽号代表元件号也代表上元件边号连接方法：某号元件m,上元件边号m,

6、嵌放在m槽内，上元件边 接在 m 号换向片上；该元件的下元件边嵌放在编号 m+y1 槽的下面,下元件边接在 m+yk 号换向片上。而 m+y1 槽 接另一个元件的上层边，编号为m+y1+y2。以下类推。连接规律：实线表示一个元件的上、下元件边；虚线表示不同元件的 两个元件边接在同一个换向片上。3) 绕组展开图：首先进行槽编号按照连接规律把各元件边嵌入槽内 所有元件串联自行闭合一判断电动势方向，可见1、5、9、13元件被短路了。4) 电路图：5) 电刷放置：a) 电枢绕组形成一个闭合回路，绕组产生的电动势要靠电刷引出(入)b) 电刷放在换向器上的位置是根据电机空载时，在正、负电刷之间获得最 大电

7、动势为原则。c) 电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触，否则不能保证b)的 要求，并且如果感应电动势不为零的话，还会产生短路电流。d) 只要元件轴线与主磁极轴线重合，元件中的电动势就是零。e) 电刷必须放在换向器的几何中性线上。元件端接对称时，主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合 元件端接不对称时，主磁极轴线、元件轴线重合，但与换向器的几何中 性线不重合，电刷必须放在换向器的几何中性线上。注意：它与电枢上 得几何中性线无关。f) 叠绕组的电刷数=极数g) 根据电路图，将同极性端接在一起，得电枢电动势。6) 绕组并联支路数：单叠绕组 a=p or 2a=2p 双叠绕组 a=m*p

8、 (m=2) or 2a=2mp单叠绕组特点：1) 电枢绕组是一个自行闭合绕组2) 单叠绕组并联支路数 =极数=电刷数 (双叠绕组极数=电刷数=并联支路数/2)3) 电枢电势就是支路电势，电枢电流是 2p 个支路电流的和。4) 电刷放在换向器上的几何中性线上。5) 电刷和磁极是静止的，必须把它们的相对位置合理对称的分布在圆周上。电 枢和换向器旋转。6) 适合于大电流的电机223 单波绕组 单波绕组特点：1) 电枢绕组是一个自行闭合绕组2) 电刷放在主磁极轴线下的换向片上3) 单波绕组的支路数与极数无关，总有两个支路，即 a=1 or 2a=24) 电刷数等于极数(是为了减低电刷下的电流密度)5

9、) 电枢电势就是支路电势，电枢电流是 2 个支路电流的和。6) 因为每条支路元件数多，可以获得高电势，适合于小电流高电压的电机。7) 单波绕组连接规律X/fm+y1 m+y1+y2绕组总结：1) 要根据电机额定电压或电流要求选择绕组形式。(叠-大电流,波-高电压，蛙 绕组-大型电机)2) 电枢闭合3) 电枢电势就是支路电势4) 电枢电流是各支路电流的总和。5) 电刷放在换向器上的几何中性线上(电刷放在主磁极轴线下的换向片上 对端接对称的绕组)6) 单叠绕组将每个极下的所有元件串联形成一个支路， 2p=2a7) 单波绕组将所有同极性磁极下的所有元件串联形成一个支路， 2a=2224 电枢绕组的均

10、压线为了避免由于电、磁不平衡、不对称导致支路间的环流，将理论上电位相等的点用均压线连 接起来。23 直流电机的磁场231 直流电机按励磁方式分类给励磁绕组的供电方式，即励磁方式，有四种：他励、并励、串励、复励232 直流电机的空载磁场空载磁场也叫主磁场，是当电枢电流为零，仅由励磁电流建立的磁场。（挂图）1）磁通与磁动势主磁通：经过气隙，且同时与励磁绕组和电枢绕组交链的磁通，亦称为工作 磁通。漏磁通：不经过气隙，仅与绕组自身交链的磁通，其不参与机电能量转换。则每极总磁通为：m= 0+ 0。= 0（1+0）=k。0k 为主磁极漏磁系数， 其值范围： 1.151.25。假设每极磁通为0, 则每对极所

11、需要的磁势为F0 =i H -dl = 2IfNf = 2 %+Fj + 2 Fm+Fa + 2 FZ式中各量依次为：气隙磁势、定子轭、定子齿、转子轭、转子齿。（见图2. 28）2）主磁场分布根据B （x）二卩H （x）二卩 隹 知 气隙磁密与气隙长度成反比。根据磁极形 o 5 o 丿 5 5（x）状可以知道磁场分布。气隙磁密在一个极下分布规律为平顶波。3）磁化曲线：指电机的主磁通0与励磁磁动势F0的关系曲线。它与铁磁材料的磁化曲线形状相类似。主磁通。与气隙磁动势F的关系曲线 0。 称为气隙线性磁化曲线。电机磁路的饱和程度用饱和系数反映。它是空载额定转速下运行产生额定电 枢电压时所需要的磁动势

12、与气隙磁动势之比。k =倖（数值范围1.11.35） F5过饱和，浪费铜节省铁磁材料，电阻损耗增加；饱和系数小，浪费铁省铜 材料，铁耗增加。合适的额定工作点应该设计在“膝点”附近。例题 2.5(p59) 233 直流电机的电枢磁场当电枢电流Ia不是零时，绕组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场。 a1. 电刷在几何中性线上（图 2.33）电枢磁势Fa(x) = 2(2 xA)= AxF （x） = A-称其为交轴电枢磁势，另记为F =A t /2 a 丿二2aq2电枢磁场产生的磁通密度沿着气隙的分布为：Ba (X)= %Ha (X)= %F (x)&3 (x)Ax3 (x)B 与 x 成反比）

13、2.电刷偏离几何中性线，电枢电流除了产生交轴电枢磁动势外，同时还出现了直轴电枢磁动势。234 电枢反应电机负载后，电枢电流不是零，产生电枢磁场。此时气隙磁场由直流励磁磁 场和电枢磁场共同建立。并且把电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。 电枢磁场的交轴分量对励磁磁场的作用与影响称为交轴电枢反应。 电枢磁场的直轴分量对励磁磁场的作用与影响称为直轴电枢反应。1. 交轴电枢反应 结合空载时的磁场分布（几何中性线）和负载时的磁场分布（物理中性 线），交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1）使物理中性线偏离几何中性线一个角度（见笔记上的图）2）不考虑饱和影响时，每个主极下的磁场一半被削弱，另一半被加强， 每极

14、下总磁通不变。3）考虑饱和时，由于交轴电枢反应的作用，对被削弱的一半磁场影响 不大，而被加强的另一半的磁场出现了饱和的情况，曲线的尖顶部 分被削弱了，使得每个磁极下的磁通减少了，并且磁场波形发生畸 变。即饱和时，磁场畸变，且有去磁作用。4）通过增加主极磁势补偿电枢反应的去磁影响。2. 直轴电枢反应（以电动机为例）1）电动机时，电刷逆着电枢转向移动，直轴电枢反应磁势与主极磁 势相反，是去磁的；顺转向移动助磁。2) 发电机时，电刷逆着电枢转向移动一个角度，助磁的电枢反应 逆转则去磁。235 感应电动势和电磁转矩1感应电动势设电枢绕组在电枢表面连续分布，总导体数为Na,支路数为2a,则每个支 路有导

15、体个数为Na/2a。图中某点x处，气隙磁密为Bx),单根导体感 ao应电动势为：ek= Bo(x)lv电枢电动势(电刷上引出(入)为：E = e = Iv 宠B” (x) = IvB 悻=Iv Nk&av 2ak=1k=160 It 2al (2 pT )虫 N60a=CEn上式就是直流电机电枢绕组感应电动势的一般计算公式。CE=pN/60a电 动势常数。2电磁转矩设电枢电流为Ia，则支路电流为ia=Ia/2a,第k根导体所产生的电磁转矩aa a为：T = Bx)lia(Da/2)= B(x)l(Ia/2a) p Tn)= B(x)l p t I/2 n a 每极下导体产生的电磁转矩为：5T豆T =吗ZB(x