第三章直流电机.

第3章直流电机原理•直流电机的用途及基本工作原理•直流电机的主要结构与型号•直流电机的磁路•直流电机的电枢绕组•电枢电动势与电磁转矩•直流电动机运行原理•他励直流电动机的机械特性•直流电机的换向本章基本要求•了解直流电机的基本结构、工作原理•熟悉直流电机的励磁方式•理解直流电机电枢绕组的构成及特点•掌握电枢电动势和电磁转矩的计算•理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性•了解直流电机的换向直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值!3.1直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理1、直流电机的构成（如图3－1）表示一台直流电机的电机模型。固定部分（定子）：主磁极N和S、电刷；旋转部分（转子）：电枢铁心；电枢绕组abcd(一个线圈)；换向器定子与转子之间为气隙。右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，2、直流发电机的工作原理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。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。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。导体ab在S极下，a点低电位，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度后，如右图。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。发电机：虽然线圈abcd电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。（图3-2a，图3-2b）3、脉动的减小电枢绕组由多个线圈串联而构成的电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷、和换向器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。4、直流电动机的工作原理直流电源电刷换向器线圈把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，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。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。fBil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。当电枢旋转到右图所示位置时同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。EE3.2、直流电机的基本结构直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构一、直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承1、主极构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。2、机座构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：建立主磁场。作用：1、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。3、电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成4、电枢绕组作用：直流电机的电路部分。构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。5、换向器作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。6、电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。7、换向极作用：改善换向。构成：亦由铁心和绕组组成。额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）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。直流电机的额值有：（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为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN三、直流电机的额定值额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN（2）额定电压：指额定状态下电机出线端的电压，以V表示。（3）额定电流：指电机运行在时，电机的线电流，以A表示。（4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示。此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式一、直流电机的空载磁场1、直流电机的空载磁场3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。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：fNfIfffNIF磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路图中的两条虚线是主磁路里的一个磁管，磁管的宽度为△2222fmmtmammmfFRRRRR•该磁管里的磁通mmtmammmfRRRRR、、、、分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻忽略各铁磁材料的磁阻，仅考虑气隙的磁阻mR022ffmiFFRl0miRl00xiffiiBlFFll空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)幻灯片79所示。空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。xB（b）气隙磁密分布0fxFB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。如右图(a)所示几何中性线极靴极身（a）气隙形状磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。fNIfFfIfIA0N在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通Ф。2、直流电机的空载磁化特性这就要求在设计电机时进行磁路计算，以确定产生一定数量气隙每极磁通Ф需要加多大的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数一定时，需要加多大的励磁电流If。空载时，气隙磁通Ф与空载磁动势Ｆｆ或空载励磁电流Iｆ的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。空载磁化特性直流电机磁路计算内容：已知气隙每机磁通为Ф，求出主磁路各段的主磁位降，其总和是励磁磁通势Ff。Ф=f（Ff）空载磁化特性为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通ФＮ设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。定义：直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励和自励（串励、并励和复励）。他励——励磁电流由其他直流电机单独供给的称为自励——电机的励磁电流由电机自身供给。不同励磁方式的直流电机有不同的特性。二、励磁方式直流电机按励磁方式可分：他励自励1、他励式（如图a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。M他励UfIfIaUfaIIIafIII2、自励式发电机：利用自身发出的电流励磁；电动机：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。并励式(图b)：励磁绕组与电枢绕组并联；M并励UIfG并励UIfIaIIaI串励式(图c)：励磁绕组与电枢绕组串联；复励式(图d)：装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。一、直流枢绕组基本知识3.4直流电机的电枢绕组元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。2Dp2Zp叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。2yy1y2yyc合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y21yyy单叠绕组换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。Kyy1y2yyc波绕组示意图叠绕组示意图波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。单叠绕组的连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。特点：槽数Ze、元件数S和换向片数K三者相同即单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。y=yk=1二、单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：。1kyy单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。单叠绕组分析实例：1.数据计算y＝yk＝1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极实例：p＝2，槽数Ze＝元件数S＝换向片数K＝164221621pZye1°画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽的元件边，下层边用虚线，上层也用实线画；〖有多少个槽数，则画多少个平行线，每个槽有一条实线和一条虚线，分刷表示上层边和下层边。〗•2°标出槽量：画出第一个元件，跨从1~5。展开图中可以把一个元件画成一匝。〖注意元件的端部要画对称。〗3°第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标出换向片量；换向片是与上层边槽号要相同。123456789101112131415161234567891011121314151616++——12.单叠绕组展开图•元件1：上元件边在1槽，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。•元件2：上元件边