直流电机-02.

第二章直流电机直流电机的基本原理和结构直流电机的电枢绕组直流电机的磁场直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率直流电机的运行原理直流电机的特点直流电机的缺点：（1）与异步电动机相比，直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高，使用和维护不如异步机方便。（2）使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。（4）易于控制。直流电机的应用（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具第一节直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力BilFB—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i—导体中的电流(A)l—导体的有效长度(m)当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。电动机运行结论1、外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；2、线圈中感应电势与电流方向相反；3、电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；4、产生的电磁转矩M与转子转向相同，是驱动性质。（二）直流发电机的工作原理用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势确是直流电动势。发电机运行结论1、电枢线圈内电势、电流方向是交变的；2、电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；3、从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；4、产生的电磁转矩M与转子转向相反，是制动性质。一台直流电机作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。二、直流电机的结构直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心（一）直流电机的静止部分1、主磁极2、换向极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座1—换向极铁心2—换向极绕组3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。（二）直流电机的转动部分4、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心2、电枢绕组——由许多按一定规律连接的线圈组成。直流电机主要电路部分，通过电流和感应电动势以实现机电能量转换的关键部件。1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器——由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片第二节直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)在额定工况下，电机出线端的平均电压发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。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额定转速指轴上输出的机械功率。等于额定电压与额定电流的乘积，再乘上电动机的额定效率。指电刷间输出的额定电功率。等于额定电压与额定电流的乘积。电动机发电机额定条件下电机所能提供的功率额定功率NPfNI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。电枢绕组：直流电机电磁感应的关键部件，是直流电机的电路部分，也是机电能量转换的枢纽。第三节直流电机的绕组对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。一、简单的绕组1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈右图只是说明原理的示意图。它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。实际直流电机中一般都是双层绕组有关电枢绕组的名词、术语极轴线：磁极中心线几何中性线：磁极之间的平分线元件：直流电机中绕组中每个线圈称为元件第一节距（y1）：同一元件的上层边和下层边之间的距离第二节距（y2）：元件下层边与其相联结的上层边之间的距离换向节距（yc或yk）：元件上层边与下层边所连接的两个换向片之间的距离（一般用换向片数计算）极对数（p）、槽数（Q）、元件数（S）、换向片数（K）极距（τ）：铁心表面一个极所占的距离（一般用槽数计算）1112)(2yyycmpDpQ）（槽整距绕组短距绕组长距绕组二、绕组的基本形式（一）单叠绕组单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。单：元件的两个端子所连的换向片之间的距离等于一个换向片的宽度。叠：单叠绕组的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末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。对于单叠绕组槽数＝元件数＝换向片数例：画出单叠绕组形式展开图。已知p＝2，Q＝16。解：14)(441621cyypQ槽某一瞬间磁极和电刷的放置为了在正负电刷间获得最大的电流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置（元件的有效边位于磁极的几何中性线上）。故电刷放置在使电刷的中心线于主磁极极轴线对准的换向片上。电刷外面看绕组时，电枢绕组由4条并联支路组成。凡上层边处于同一磁极下的元件，其中的电流方向相同，串联起来通过电刷构成一条支路；被电刷短路的元件的元件边处于相邻磁极间的几何中性线上。单叠绕组的支路数就等于电机的极数，a表示支路对数，则a=p单叠绕组的特点元件两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，2a=2p。每条支路由不同的电刷引出，电刷数等于磁极数。正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压。正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即aaaiI2（二）单波绕组单波绕组—不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。两个元件串联后形似波浪。绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，由此再绕下去。单波绕组换向极距必须符合：)(kcyypKyKpycc11即例：一台直流电动机绕组数据为；p=2,S=K=Q=15则)(72)115()1(343341521槽＝取pKyypQc支路1：13、6、14、7、15支路2：4、11、3、10、2支路1：13、6、14、7、15支路2：4、11、3、10、2单波绕组的特点同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a=1,与磁极对数p无关。当元件几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。电刷数应等于磁极数。电枢电流aaiI2直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。结论：各种绕组的差别主要在于它们并联支路上，支路数多，相应的组成每条支路的串联元件数就少。叠绕组：电流较大、电压较低的直流电机。如正常电压大中容量的直流电机。波绕组：电流较小、电压较高的直流电机。如电压较高的中型电机。第四节直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式励磁绕组如何供电，产生励磁磁动势而建立主磁场。1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联,另一个与电枢绕组串联。积复励：串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁动势方向相同。差复励：串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁动势方向相反。二、直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。主磁通：由N极出发，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入S极，再经过定子轭回到原来N极。漏磁通：不进入电枢铁心，仅交链励磁绕组和空气。气隙中主磁场磁通密度的分布在主极轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中性线处时，磁密等于0。磁化曲线电机磁化曲线表明，电机磁路中磁通数值不大时，磁动势随着磁通成正比例增加；磁通达到一定数值时，磁动势的增加比磁通增加快，磁化曲线呈饱和特性；当磁通数值已经很大再增加时，对应磁动势急剧增加，此时磁路饱和程度很高。磁化曲线：表示空载主磁通与主极磁动势之间的关系的曲线。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响称为电枢反应。单个元件所产生的电枢磁势ADNiiNpSFaaayax21)2(21)(yNai设电枢槽内仅有一个元件，元件边处于极轴线上，元件为匝，元件中电流为yNai多个个元件所产生的电枢磁势ADNiiNpSFaaayam21)2()(4个元件所产生的电枢磁动势波形aaDNiA其中为线负荷，表示电枢表面上单位长度的安匝数。ADNiiNpSFaaayax21)2(21)(阶梯波幅值为：在实际电机中，元件数较多，阶梯形的电枢磁势波形将趋向于三角波电枢反应比较主磁极磁场分布曲线和合成磁场分布曲线，得出以下结论：1、有负载时气隙磁场发生了畸变物理中性线发生了偏移2、电枢反应呈现去磁作用忽略电枢铁心的磁压降，电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的曲线为axaxFB0一、感应电动势的计算感应电动势：一条支路的电动势（电刷间的电动势）分析思路：每条支路的元件分布在磁场内的不同的位置，每个元件内感应电动势的瞬时值是不同的，但元件数甚多时，任何瞬时构成支路的情况没有大的差别。每个元件中电动势的变化情况是相同的，因此可以认为每条支路中各元件电动势瞬时值的总和是不变的。先求出每个元件电动势的平均值，再乘上每条支路中串连的元件数即可得到支路电动势。第六节感应电动势和电磁转矩的计算602260tpnpn当元件轴线从某一主极轴线位置转到相邻主极轴线位置时，电枢转过的电角度为，而与元件交链的磁通由变到。这个过程所经历的时间为t/yeNddt根据电磁感应定律yN一个匝数为的元件中感应电动势的平均值为60210011602tpnaEedtedttpn602100112606022246060tpnayyypnEedtedtNdtp