第二章 直流电机1

电机学及拖动基础1重庆大学自动化学院电机学及拖动基础电机学及拖动基础2第二章直流电机电机学及拖动基础3主要内容第一节直流电机的工作原理及结构第二节直流电机的铭牌数据第三节直流电机的绕组第四节直流电机的励磁方式及磁场第五节感应电动势和电磁转矩的计算第六节直流电机的运行原理第七节直流电机的换向电机学及拖动基础4直流电机的用途电机学及拖动基础5直流电机的特点•直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小；•直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑；•直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大；•由于存在换向器，其制造复杂、价格较高、维护困难。电机学及拖动基础6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——安培定律（电磁力定律），满足左手定则FBil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)电机学及拖动基础7直流电动机的工作原理电机学及拖动基础8直流电动机的工作原理•换向器配合电刷对电流的换向作用：将外部的直流电变成了内部的交流电•换向器配合电刷对电流的换向作用，以及图中电刷相对于磁极的位置，保证了：每磁极下电流方向一致转矩方向一致连续旋转•线圈边输出方向一致但大小变化的脉振电磁转矩，多个线圈边的合成转矩稳定旋转电机学及拖动基础9直流电动机工作的几点结论•外施电压、电流为直流，电枢线圈内电流是交流；•线圈中感应电动势与电流方向相反；•线圈是旋转的，电枢电流是交变的，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；•产生的电磁转矩与转子转向相同，是驱动性质。电机学及拖动基础10（二）直流发电机的工作原理eBlv电磁感应定律，满足右手定则：电机学及拖动基础11直流发电机的工作原理电机学及拖动基础12直流发电机的工作原理•换向器配合电刷对电流的换向作用：将内部的交流电变成了外部的直流电•换向器配合电刷对电流的换向作用，以及图中电刷相对于磁极的位置，保证了：每磁极下电流方向一致输出直流电动势；•电刷端输出方向不变但大小变化的脉振电动势，每极下线圈增多减小脉振程度；BAe电机学及拖动基础13直流发电机工作的几点结论•电枢线圈内电势、电流方向是交流电，电刷间为直流电势；•线圈中感应电势与电流方向一致；•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；•产生的电磁转矩与转子转向相反，是制动性质。电机学及拖动基础14直流电机的可逆原理•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•作为发电机运行——用原动机拖动直流电机的电枢旋转，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能•同一台电机既能作为电动机又能作为发电机运行的原理，称为可逆原理。电机学及拖动基础151—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—电枢铁心二直流电机的结构电机学及拖动基础16电机学及拖动基础17（一）直流电机的静止部分1、主磁极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座产生主磁通电机学及拖动基础18主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）主磁极由钢板冲片叠压而成励磁绕组套在主磁极极身上极靴电机学及拖动基础192、换向极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。有磁通经过的部分称为磁轭。改善换向电机学及拖动基础204、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫引入或引出直流电电机学及拖动基础21（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心•主磁路的主要部分；•嵌放电枢绕组电机学及拖动基础222、电枢绕组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由许多按一定规律连接的线圈组成。主要电路部分，通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。电机学及拖动基础233、换向器1—换向片2—连接片由许多换向片组成，其间用云母绝缘。电刷端直流电与绕组内交流电之间的转换。电机学及拖动基础24主磁极换向磁极电刷装置机座端盖磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置转子定子直流电机（产生励磁磁场）（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）转轴电枢铁心电枢绕组换向器电机学及拖动基础25第二节直流电机的铭牌数据•额定容量PN（kW）：输出功率发电机：指电刷间输出的电功率电动机：指轴上输出的机械功率•额定电压UN（V）：额定状态下出线端电压发电机：是输出额定电压电动机：是输入额定电压•额定电流IN（A）：额定状态下出线端电流额定电压下，运行于额定功率对应的电流•额定转速nN（r/min）：额定状态下的电机转速额定电压、电流下，运行于额定功率对应的转速NNNPUINNNPUI电机学及拖动基础26•额定励磁电压UfN（V）、额定励磁电流IfN（A）、励磁方式等等•额定值：能够保证电机长期、正常、安全运行的数值•额定工况：电机运行于额定值的工作状态•欠载运行：电机的运行电流小于额定电流•过载运行：电机的运行电流大于额定电流电机学及拖动基础27电机学及拖动基础28第三节直流电机的绕组•电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一，是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽•对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩的前提下，所消耗的有效材料最省，强度高，运转可靠，结构简单等。电机学及拖动基础29缺点分析：•4个线圈，8个换向片，不省材料•线圈互不连接，只有一个线圈得到利用，产生的电磁转矩和感应电动势大小均不足一简单绕组1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈电机学及拖动基础30解决方法：用4个换向片将4个线圈连接起来，相邻线圈的首端和末端连接到1个换向片上，构成一个闭合绕组。并联支路：1-2-3-48-7-6-5电机学及拖动基础31•所有线圈都被利用，产生足够的电磁转矩和感应电动势•共用了4个换向片，节省材料•两层叠放，结构简单电机学及拖动基础32绕组实物图•为使元件端接部分平整排列，每个槽中的元件边分上下两层叠放•一个元件边放在一个槽的上层，另一个元件边放在另一个槽的下层电机学及拖动基础33有关电枢绕组的名词、术语•极轴线：磁极中心线•几何中心线：磁极之间的平分线•极距τ：铁心表面，一个极所占的距离•元件：构成绕组的单个线圈•第一节距y1（元件跨距）：一个元件两个边的距离•第二节距y2：元件下层边与相连元件上层边的距离•合成节距y：相连两个元件对应边的距离•换向器节距yk：一个元件首末端所连换向片的距离1y12yyy电机学及拖动基础34•叠：两个相邻连接的元件，后一元件的端部紧“叠”在前一元件的端部•单：元件首末端所连的两换向片之间的距离为一个换向片的宽度二绕组的基本形式（一）单叠绕组1kyy•特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同电机学及拖动基础35单叠绕组实例分析实例：p=2，Z=S=K=161.数据计算：y=yk=1y1=τ=Z/2p=16/2×2=4电机学及拖动基础362.画绕组展开图：绕组放置：元件1：上元件边在1槽，下元件边放在5槽下层元件2：上元件边在2槽，下元件边放在6槽下层以此类推电机学及拖动基础373.安放电刷和磁极：磁极安放：由于电机旋转，磁极与槽位没有对应关系均匀放置N、S极交替放置电刷安放：磁极位置确定后，电刷与磁极有对应关系电刷放在被电刷短路的元件电势或转矩为零的位置在磁极的几何中心线上电势或转矩为零电刷放置在使电刷中心线与主磁极轴线对准的换向片上电机学及拖动基础38电机学及拖动基础39结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图：每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数等于电机的极数——单叠绕组的重要特点之一。电机学及拖动基础40单叠绕组的特点•元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上•同一磁极下的元件串联成一条支路，并联支路数等于磁极数：2a=2p•整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流•每条支路由不相同的电刷引出，电刷数等于主磁极数•电刷引出的电动势为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压•电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和电机学及拖动基础41•波绕组：首末端所连的两换向片相隔很远，两个元件紧相串联后形似波浪为了使紧相串联的元件所生的电势或转矩同向相加，元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距：•单波绕组：顺着串联元件绕电枢一周后，元件的末端与起始元件的上层边所连换向片之间相差一个换向片的宽度。即换向片极距yk必须符合：（二）单波绕组11kkKpyKyp2,2yy电机学及拖动基础42单波绕组实例分析实例：p=2，Z=S=K=15左单波绕组1.数据计算：1211533244115172734kZypKyypyyy电机学及拖动基础432.画绕组展开图：绕组放置：元件1：上元件边在1槽，下元件边放在4槽下层首末端所连的换向片相距yk=7元件1上层边所连的换向片定为1号换向片依次连接电机学及拖动基础443.安放电刷和磁极：磁极放置：N、S极磁极均匀交替放置电刷放置：放在与主磁极轴线对准的换向片上电机学及拖动基础45得到单波绕组的瞬时电路图：相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数与极对数无关，永远为1。电机学及拖动基础46单波绕组的特点•同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数与磁极对数p无关，永远为a=1•当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极轴线，支路电动势或转矩最大•电刷组数应等于极数•电枢电流等于两条支路电流之和电机学及拖动基础47电流电机绕组的归纳•所有直流电机的电枢绕组总是自成闭路•电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数（2p）是一个偶数•为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中心线上的导体相接触电机学及拖动基础48单叠绕组和单波绕组的区别•单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a=2p。叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。•单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a=2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。电机学及拖动基础49第二章第一部分结束