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1、第第1章章 直流电机原理直流电机原理 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 直流电机的主要结构及用途直流电机的主要结构及用途 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机的换向直流电机的换向1直流电机的基本工作原理一切电机都是以电磁感应定律电磁感应定律作为主要依据设计而成的。它的基本功能是实现机电能量的相互转换。直流电机电动机发电机将电能转换成机械能。将机械能转换成电能。.一、直流发电机的工作原理注意：注意：电刷固定在空间不动，而半圆铜片与导体一起旋转。.线圈电动势波形tea刷间电动势波形tEa.结论：结论：在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。通过
2、换向片及电刷的整流整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电动势。虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场。电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为电磁转矩电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动制动性质。.二、直流电动机的工作原理将电刷出线端的负载改成外施直流电源，且将轴上的原动机卸掉，换成生产机械。.结论：结论：虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电枢电流
3、和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的逆变逆变作用，将外部直流变成内部的交流。虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的磁场。当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势反电势。转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。.三、电机的可逆原理对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。.电机的可逆原理，
4、是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。end2直流电机的主要结构及用途一、主要结构直流电机定子转子主磁极换向极机座电刷装置电枢铁心电枢绕组换向器.二、直流电机的铭牌数据1. 额定功率PN：指 输出功率输出功率单位：kW2. 额定电压UN：单位：V3. 额定电流IN：单位：A4. 额定转速nN：单位：r/min5. 励磁方式和额定励磁电流IfN：单位：A注意：注意：对于电动机电动机，PN表示轴上输出输出的的机械机械功率功率； 而UNIN表示输入的电功率。对于发电机发电机，PN表示输出输出的的电电功率功率，PN=UNIN；而输入的机械功率为T。.如果电机的电流小于额定
5、电流，称为欠载欠载或轻载；如果电机的电流大于额定电流，称为过载过载或超载；如果电机的电流等于额定电流，称为满载满载。三、直流电机的用途和分类直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上。优点： 调速范围广，易于平滑调速； 起动、制动和过载转矩大； 易于控制，可靠性较高。直流发电机可用做直流电动机以及同步发电机的励磁直流电源以及化学工业中的电镀、电解等设备的直流电源。直流电机的种类繁多，不同的目的使用不同的直流电机。.end3直流电机的电枢绕组一、有关技术名词1. 极轴线它是将主磁极平分左右两部分的直线。极轴线2. 极距它是相邻两主磁极极轴线之间的距离。3. 几何中线 nn它是在相邻两极轴线之间，
6、并且与这两极轴线等距离的直线。nn.4. 电角度定义在空间相邻两主磁极之间的角度恒为180电角度。注意：注意：电角度与几何角度的区别区别：空间一周的几何角度恒等于360；空间一周的电角度与磁极对数磁极对数p有关，即为p360。5. 绕组元件绕组元件简称元件，又称为线圈。它有两个平行边为有效边有效边，是放在电枢槽中，切割磁通用。绕组元件可以是单匝，也可以是多匝。单匝多匝.6. 绕组所有线圈（元件）按一定规律连接起来就构成绕组。7. 双层绕组一个电枢槽分为上下两层。将一个线圈的两个边分别放在电枢槽的上层和下层而形成的绕组称为双层绕组。8. 实槽与虚槽一个电枢槽的上下两层共放2个元件边称为实槽。一个
7、电枢槽的上下两层可以放4、6、8、个元件边称为虚槽。实槽虚槽虚槽.9. 第一节距 y1它是同一元件的第一元件边(上层边)和第二元件边(下层边)在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。y1选取的原则为：应使元件产生最大电动势应使元件产生最大电动势。故 y1=。虚槽总数虚槽总数.10. 第二节距 y2它是第一元件的第二元件边（下层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。11. 合成节距 y它是第一元件的第一元件边（上层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。12. 换向器节距 yk它是同一元件的首端和末端在换向器表面上
8、的跨距，以所跨换向片数表示。.二、单迭绕组1. 特点单迭绕组是一个线圈压住另一个线圈的一大半。换向器节距等于合成节距，且恒为1。即 yk= y = 12. 展开图设一电机 S=K=Qu=16，2p=4线圈是通过换向片串联串联起来的，使整个单迭绕组在电枢上形成一个一个 闭合电路闭合电路。注意：注意：换向片本身是互不相通的。.将展开图简化表示为换向片上层边上层边下层边5674538121163154123161154一个线圈旋转一周产生的电动势一定是正弦波。在某一瞬间，每个线圈均有电动势，只不过有的大，有的小，有的等于零；有的为正，有的为负。而e = e1+e2+e3+e4+e5+e6+e7+e8
9、+e9+e10+e15+e16= 0正负电刷之间应获得最大电动势和最大电流，故电刷应该安放在被电刷所短路的、元件电动势为零的位置。电刷应安装在每个主磁极的极轴线处极轴线处，且固定在空间不动。.有几个主磁极就应该安装几个电刷。相同极性的主磁极下的电刷用导线并联起来。线圈：电刷：3. 基本性质. 并联支路数等于电机的主磁极数，即2a = 2p每个磁极下，元件电势串成一路，有几个磁极就有几路。. 电刷数等于电机的主磁极数，即2b = 2p缺少一个电刷，电枢绕组将不能正常工作。. 电枢电势Ea等于支路电势es，即. 电枢电流Ia等于极数与支路电流ia的乘积，即Ea=esIa=2aia=2p ia.三、
10、单波绕组1. 单波绕组的节距y= yk ；y1+y2= y2. 展开图设一电机的S=K=Qu=15，2p=44槽 (长距绕组)3槽 (短距绕组)一般地，y1取3， 若y1取4，则浪费材料和有效电势。今取 y1=3（1-4下线）.两个绕组紧相串联后形似波浪，故称之为“波”绕组。将展开图简化表示为换向片上层边上层边下层边41110657988712635411514109111312下层边124314131521上层边上层边11591014111312换向片87621354它也是一个闭合回路一个闭合回路。单波绕组的特点特点：将所有所有N极极下的元件串联起来；将所有所有S极极下的元件串联起来。3.
11、基本性质. 电枢绕组的并联支路数：不论主磁极数目是多少，单波绕组的并联支路数恒等于恒等于 2。2a = 2. 电刷数目：一般地，2b = 2p （即全额电刷）.电刷位置：电刷也应安装在极轴线处极轴线处，且固定在空间不动。四、电枢绕组小结 电枢绕组本身一定是交流交流的。 不管是什么绕组，均构成一个闭合回路一个闭合回路。 全额电刷，且位于极轴线处。 在能通过规定的电流和产生足够大的感应电动势及 电磁转矩的前提下，所消耗的有效材料（包括导线 和绝缘）最省；强度（机械、电气和热的强度）高； 运行可靠；结构简单；下线方便等。.单迭绕组单波绕组总元件数极数并联支路数每条支路中的元件数电压电流电阻适用范围S
12、S2p2p2p2EaRpEap2R低压、大电流电机容量为几百千瓦高压、小电流电机容量为几十千瓦以下. 单迭绕组与单波绕组比较：例：今有S=100个线圈（元件），每个线圈的平均电势eav=10V， 每个线圈的电阻 r=0.01，每个线圈的电流ia=10A，电机的 主磁极数2p=4，试分别求出单迭绕组和单波绕组的电枢电势 Ea=？电枢电流Ia=？总电阻R=？解：对于单迭绕组对于单波绕组.end4直流电机的磁场一、直流电机的空载磁场当只有励磁绕组中有电流只有励磁绕组中有电流，而其他绕组中均无电流时的磁场称为空载磁场。1. 电机的磁化曲线(Hxlx)=2If0Nf=2Ff0=2H+2Htlt+2Hal
13、a+2Hmlm+2Hjlj由安培环路定律，得则每个主磁极的磁势为 Ff0=If0Nf=H+Htlt+Hala+Hmlm+Hjlj电机的磁路主磁极空气隙电枢齿电枢磁轭定子磁轭.而气隙中的磁场强度为据此可得电机的磁化曲线。2. 气隙磁密B的分布气隙磁密是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁通密度。空载时，仅由主磁极磁势产生。负载时，由主磁极磁势和电枢磁势共同产生。气隙磁密在Ff0=If0Nf=H+Htlt+Hala+Hmlm+Hjlj中，忽略次要项，得B规定：规定：穿出电枢表面进入磁极者为正，反之为负。B.将非线性问题线性化。将非线性问题线性化。.空载时的气隙磁密为平顶波。空载时的气隙磁密为
14、平顶波。.二、直流电机负载时的磁场和电枢反应励磁电流产生主极磁场电枢电流产生电枢磁场负载磁场两个磁场共同作用形成合成磁场。电枢磁势Fa对主极磁势Ff0的影响称为电枢反应电枢反应。.不仅励磁绕组中有电流，而且电枢绕组中也有电流的磁场，称为负载磁场。设主极磁场为垂直方向，且为均匀磁场；则电枢磁场为水平方向。它不是均匀磁场。1. 电枢磁势和电枢磁场一个元件的电枢磁势三个元件的电枢磁势.xx电枢如果电机的磁极对数为p，电枢绕组的总导线数为N，元件数为S，则阶梯级数为S/(2p)，那么阶梯波的最大高度为电枢表面任一点x处的电枢磁势Fax为而电枢表面任一点x处的电枢磁密Bax为Fax=Ax.电枢磁密沿电枢
15、圆周分布规律为一马鞍形磁密波。电枢磁密沿电枢圆周分布规律为一马鞍形磁密波。.Fax为三角波。小结：电枢磁场的特点电枢磁场的特点：. 电枢磁势Fa与主极磁势Ff0互相垂直；. 电枢表面各点的电枢磁势Fa不等；在几何中性线处电枢磁势Fa最大，在极轴线处电枢磁势等于零，即Fa=0。. 电枢磁密Bax在几何中性线处的值不为零。2. 负载时的合成磁场和电枢反应电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。电枢反应产生的结果：电枢反应产生的结果： 波形发生畸变，产生峰值； 在几何中性线处，Ba+B0； 每极磁通下降。.三、直流电机的励磁方式主磁极是用来建立磁场的。主磁极是用来建立磁场的。 这个磁场是由励磁绕组产生
16、的。按励磁绕组与电枢绕组连接关系的不同，励磁方式分为1. 他励U与Uf 相互独立。Ia= I2. 并励U = Ua= UfIa= I+If3. 串励Ia= I4. 复励一套为并励绕组，另一套为串励绕组。两个励磁绕组的磁势相加相加，称为积复励积复励；两个励磁绕组的磁势相减相减，称为差复励差复励。一个励磁绕组与电枢的连接是先并联先并联，称为短复励短复励；一个励磁绕组与电枢的连接是先串联先串联，称为长复励长复励。线路电流线路电流由两套两套励磁绕组组成。.end5直流电机的换向一个元件被电刷短路前的电流是+ia，被短路后的电流是-ia，这种电流方向的改变，就称为换向换向。换向元件从开始换向到换向结束所
17、经历的时间称为换向周期换向周期Tk。如 n=1500r/min，K=40片，在换向过程中 ，被电刷短接的绕组元件称为换向元件换向元件。微弱火花对电机并无危害，但强烈火花将烧灼换向器及电刷，使电机不能正常工作。直流电机换向的不良表现是电刷下发生火花。一、直流电机的换向问题.1233211 23vk换向元件换向元件K接触电阻R1、R2电阻r换向元件在换向过程中，由于电流的变化必然在换向元件中产生一些电动势。自感电势互感电势切割电势切割电势 元件从+ia -ia产生电抗电势电抗电势er，er的方向与换向前的 电流方向一致； 电枢反应在几何中线处B0，产生切割电势切割电势eA，它的 方向也与换向前电流方向一致。由于er和eA的存在，在电刷中的电流密度分布不均匀，产生附加电流iK，使换向产生延迟现象，进而出现火花。.er电抗电势二、改善换向的方法1. 装设换向极装设换向极2. 装设补偿绕组装设补偿绕组换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几何中性线处B=0，另一方面产生一个电势刚好与电抗电势er相抵消，使换向元件内的合成电势等于零，不出现火花。换向极绕组必须和电枢绕组串联串联，同时换向极磁路换向极磁路应处于不饱和不饱和状态，且极性不能搞错。补偿绕组与电枢绕组串联串联，其磁势大小与电枢电流成正比，磁势方向磁势方向与电枢磁势相反相反，这样在任何条件下，都可以有效地防止环火的发生。End.
