直流电机工作原理

电机与拖动1第2章直流电机2.1直流电机的工作原理2.3直流电机的磁场和电枢反应2.2直流电机的基本结构和额定值2.4直流电机的感应电动势和电磁转矩2.5直流电动机的运行分析2.6直流发电机的运行分析第2章直流电机2.1直流电机的工作原理NS－U＋一、直流电动机的工作原理NS＋U－线圈边中电流不改变方向，则平均Te=0。第2章直流电机2.1直流电机的工作原理NSNS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁力线会产生什么？换向片一、直流电动机的工作原理第2章直流电机直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载旋转克服反电动势做功电磁关系第2章直流电机NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋－E＋第2章直流电机电磁关系输出直流电换向原动机感应电动势和电流电磁转矩(阻转矩)做功第2章直流电机气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形0bt23AX0eXAtNS0πAX×+e－0et第2章直流电机每极下有3个串联线圈时的电动势波形0et23第2章直流电机2.2直流电机的基本结构和额定值一、直流电机的基本结构1.定子(1)主磁极(2)换向极(3)电刷(4)机座(5)端盖(6)轴承等直流电机的定子主磁极机座主磁极铁心励磁绕组绝缘框架电枢铁心螺栓机座换向极主磁极第2章直流电机直流电机结构图电枢绕组主磁极电枢铁心励磁绕组磁轭补偿磁极附加极绕组换向器电刷装置端盖风扇轴承轴端盖第2章直流电机直流电机横向剖面图主极铁心励磁绕组定子磁轭换向极换向极绕组电枢导体电枢铁心电枢齿电枢槽极靴底脚第2章直流电机直流电机的定子第2章直流电机直流电机的换向极和电刷换向极绕组换向极铁心铜丝辫压紧弹簧电刷刷握第2章直流电机2.转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组(3)换向器(4)转轴与风扇直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢钢片第2章直流电机直流电机的换向器连接片换向片云母环V形套筒第2章直流电机直流电机第2章直流电机1.绕组的基本概念单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。(1)元件是构成电枢绕组的基本单元，其两端分别与两片换向片相连的单匝或多匝线圈。二、直流电机的电枢绕组电枢绕组的元件后端接上元件边前端接下元件边第2章直流电机(2)叠绕组和波绕组两匝元件叠绕元件波绕元件元件边(有效边)(3)极距一对磁极在电枢表面所跨过的距离。=Z2p电枢总槽数极对数第2章直流电机NSNSNS(4)绕组的节距※y1——第一节距（用所跨过的槽数来表示）。y1=为整距绕组；y1为短距绕组；y1为长距绕组。※y2——第二节距（用所跨过的槽数来表示）。※y——合成节距：y=y1±y2叠绕元件在电枢上的连接1234y1y212k波绕元件在电枢上的连接y1y22yy第2章直流电机2.单叠绕组AB12345678AB12348765AB12345678765A123B48第2章直流电机2.单叠绕组AB8123456765437812AB76548123ABAB12345678第2章直流电机电动机发电机eeeeeeee＋－EA12348765BIa结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。12348765AB＋－IaeeeeeeeeE第2章直流电机NSNS123456789101112123568911121A1B1A2B2单叠绕组的展开图nZ=p==y1=y2=y=1223321第2章直流电机NSNS123456789101112123568911121A1B1A2B2单叠绕组的展开图结论：①每个主磁极下的元件串联成一条支路；②绕组的并联支路对数等于极对数，即a=2=p。nA1A2B1B236'47'58'11'810'79'6912'101'112'5'24'13'12第2章直流电机单叠绕组的展开图NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线第2章直流电机电机装配图第2章直流电机1.额定电压UN发电机的UN：指输出电压的额定值。电动机的UN：指输入电压的额定值。2.额定电流IN发电机的IN：指输出电流的额定值。电动机的IN：指输入电流的额定值。3.额定功率PN发电机的PN：指输出电功率的额定值(UNIN)。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(UNINηN)。4.额定转速nN三、直流电机的额定值第2章直流电机5.额定励磁电压UfN6.额定励磁电流IfN※额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。※满载状态：指I=IN的状态。第2章直流电机MM四、直流电机的励磁方式IfIa他励并励串励复励1.直流电动机按励磁方式分类IIfIaUaUfUMMUIIaUIIfIfIa第2章直流电机2.直流发电机按励磁方式分类GIUfUaIfIa分为他励和自励。GIIaUIfGIaIfIUGIaUIfI他励串励（自励）并励（自励）复励（自励）第2章直流电机2.3直流电机的磁场和电枢反应B0空载时电枢电流可忽略不计。空载磁场由主磁极的励磁磁动势单独作用产生。空载时磁场轴线与磁极轴线相重合。几何中性线：相邻两主极之间的中心线。该处的径向磁通密度为零。磁场轴线磁极轴线几何中性线几何中性线一、直流电机的空载磁场第2章直流电机二、负载时的电枢磁动势几何中性线直轴d交轴qFa22OxxFa(x)Ba(x)第2章直流电机消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为※ia——导体的电流；N——电枢总导体数；Da——电枢的直径。NiaDaA=——电枢表面单位长度上的安培导体数，称为电枢的线负荷。2xDaFa(x)=Nia12=Ax在几何中性线处(x=/2)的电枢磁动势为Faq=A=Famax12－≤x≤22第2章直流电机电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为※——等效气隙长度。Ba(x)=0Ha(x)Fa(x)(x)=0Ax(x)=0三、直流电机的电枢反应负载时电机中磁场：由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。第2章直流电机电枢反应Ba22OxNSB0B※将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为零的点连接成的直线——物理中性线。NS几何中性线物理中性线第2章直流电机电枢反应的结果①气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用：电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。磁路不饱和时，每极下的磁通量不变；磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。②物理中性线偏离了几何中性线：对发电机：顺着电枢旋转方向偏移；对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。第2章直流电机四、电枢反应对换向的影响及改善措施1.电枢反应对换向的影响①处在几何中性线处的换向元件的e≠0，使换向发生困难。②气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀；当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限度，将产生电位差火花；而且随着电弧的拉长可能出现环火。※电刷是与处在几何中性线处的元件所连接的换向片接触的。第2章直流电机2.换向的基本概念321kia2iaia2ia4321－ia2ia4321第2章直流电机换向元件中电流的变化Otiia－ia直线换向Oti延迟换向和超前换向ia－ia延迟换向超前换向①直线换向②延迟换向如果换向元件中的感应电动势大于零，产生延迟换向。③超前换向如果换向元件中的感应电动势小于零，产生超前换向。tktk第2章直流电机换向不良的影响①会在换向器和电刷间产生火花；②火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器；③火花会产生电磁波，对无线通信造成干扰。第2章直流电机3.改善换向的方法(1)加装换向磁极(2)移动电刷换向极第2章直流电机2.4直流电机的感应电动势和电磁转矩1.感应电动势的产生电枢旋转n磁场2.感应电动势的大小(1)每根导体的感应电动势ex=Bxlv※Bx——导体所在处的气隙磁密。l——导体的有效长度。v——导体切割磁场线的线速度。一、直流电机的感应电动势ex→ex→EB第2章直流电机=npN60a(2)电枢电动势的大小设电枢总导体数为N，则每条支路的导体为，故v=n2R60=n2p60N2aE=ex1N/2a=Bxlv1N/2a=lvBx1N/2aBBav平均气隙磁密=lvBavN2a=ln2p60lN2a=CEn每极下的磁通第2章直流电机E=CEn※CE——电动势常数。单位：Wb单位：r/min(V)3.感应电动势的方向和性质方向：由和n共同决定。性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。第2章直流电机二、直流电机的电磁转矩1.电磁转矩的产生电枢电流ia磁场F→Te2.电磁转矩的大小设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为fav=Bavlia※ia——导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转矩为Tav=fav=BavliaD2D2第2章直流电机电枢直径为：电枢电流与支路电流的关系为：则D=2pia=Ia2aTe=NTav=NBavliaD2=NllIa2ap=IapN2a(N·m)Te=CTIa※CT——转矩常数。单位：Wb单位：A第2章直流电机3.电磁转矩的方向和性质方向：由和Ia共同决定。性质：发电机为制动转矩，Te与n方向相反。电动机为拖动转矩，Te与n方向相同。4.电动势常数和转矩常数的关系CT=CE=9.55CE602，CT=pN2aCE=pN60a因为则第2章直流电机2.5直流电动机的运行分析一、直流电动机的基本方程E1.电压平衡方程式励磁电路：Uf=RfIf电枢电路：Ua=E＋RaIaMIfIaUaUf※Ra——电枢绕组总电阻，包括电刷的接触电阻。第2章直流电机Te=TL=T0＋T22.转矩平衡方程※T0——空载转矩，是由电动机的机械摩擦损耗及铁损引起的总转矩；T2——输出转矩，即生产机械的制动转矩；TL——负载转矩，它是电动机的空载转矩T0与生产机械的转矩T2的总称。第2章直流电机(1)输入功率P1P1=UI=UaIa(2)电枢铜损耗PCuaPCua=RaIa2(3)电磁功率PePe=P1－PCua推导：UI=UaIa=(E＋RaIa)IaPe=EIa3.电磁功率与功率平衡方程Pe=EIa=CEnIa=Te260=CTnIa=EIa＋RaIa2第2章直流电机(4)空载损耗P0P0=PFe＋Pfw＋Pad结论：电动机将电枢吸收的电功率EIa转换成了机械功率Te，故称EIa和Te为电磁功率。机械损耗附加损耗铁损耗260=T2n(5)输出功率P2Te=T0＋T2P2=T2=Pe－P0第2章直流电机(6)效率P2P1=×100%功率流程图P1PCuPeP0P2第2章直流电机二、直流电动机的工作特性1.他励和并励直流电动机的工作特性工作特性是指当U=UN、If=IfN时，n、Te和与Ia的关系。(1)转速特性ECEn=Ua－RaIaCE=转速特性OnIan0当Ia时，n下降不多(硬特性)。第2章直流电机当If=0，=r很小，n不能突变→E很小→Te=CTrIa仍有一定数值。→Ia①若Te＞TL→n(飞车)②若Te＜TL→n→n=0(闷车)励磁电路断电的后果(2)转矩特性转矩特性OTeIaTe=CTIa①若不计磁路饱和，则Te∝Ia；②若计及磁路饱和，则Te随着Ia的增加略有下降。第2章直流电机M=f(Ia)(3)效率特性效率特性OIa2.串励直流电动机的工作特性工作特性是指当U=UN时，n、Te和与Ia的关系。I=Ia=IfU=Ua＋Uf=E＋(Ra＋Rf)IaUIfIaUaUfECEn==U－(Ra＋Rf)IaCEI第2章直流电机(2)当Ia较大、磁路已饱和时，≈常数，(1)当Ia较小、磁路未饱和时，=kIan=－Ra＋RfkCEUkCEIa软特性OnIa当Te=0时，Ia=If=0，=r，n0=(5~6)nN；当Te较小时，Ia较小，磁路未饱和，Te→Ia→→n迅速下降；当Te较大时，Ia较