直流电机的基本结构和工作原理

第二节直流电机铭牌数据及主要系列第三节直流电机的电枢绕组本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。第四节直流电机的磁场第五节直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算第六节直流电机的换向第七节直流发电机第一节直流电机的工作原理与结构第一章直流电机第八节直流电动机第一节直流电机的工作原理与结构一、直流电机的主要结构定子转子主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承二、直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，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。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。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。0180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。与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,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。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。（二）直流电动机工作原理直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。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。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。当电枢旋转到右图所示位置时原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。与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。直流电动机的工作原理示意图:（三）直流电机的可逆原理一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。第二节直流电机的铭牌数据及主要系列一、直流电机的铭牌数据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。二、直流电机系列所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系列电机。我国目前生产的直流电机的主要系列有：Z3系列为一般用途的小型直流电机系列。ZF和ZD系列为一般用途的中型直流电机系列。ZZJ系列为起重、冶金用直流电动机系列。此外还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机和发电机系列等。第三节直流电机的电枢绕组一、直流电机电枢绕组的一般介绍元件：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。Dt=2p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。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。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。2y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21yyy单波绕组换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky二、直流电机电枢绕组的基本形式（一）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。单叠绕组的展开图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。（二）单波绕组单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，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；3）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。第四节直流电机的磁场直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成便形成了电机中的气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。一、直流电机的空载磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动势也很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。所以直流电机空载时的气隙磁场可认为就是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为N极和S极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。图1-23直流电机空载时的磁场分布示意图从图中看出，由N极出来的磁通，大部分经过气隙和电枢齿,再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿,又通过气隙进入S极，再经过定子磁轭回到原来出发的N极，成为闭合回路。图1-23是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用Φ表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用φσ表示。NS这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁动势是相同的。直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通不与电枢绕组相匝链，没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。因此，可只分析主磁通。当励磁绕组的串联匝数为，流过电流，每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的（15～20）%左右。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。若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均匀，气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本为常数；在极靴范围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。如图1-24（a）所示，几何中性线极靴极身气隙形状图1-24（a）空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如图1-24(b)所示。空载时主磁极磁通的分布情况，如图1-24(c)所示。图1-24（b）图1-24（c）在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通Φ，也就是需要有一定的励磁磁动势Ff。励磁磁动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通Φ与励磁磁动势Ff或励磁电流If的关系曲线称为直流电机的磁化曲线，如图1-25所示，它表明了电机磁路的特性。图1-25直流电机的磁化曲线当磁通较小时，铁磁部分没有饱和，磁压降很小，整个磁路的磁动势几乎全部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是一个常数，因此曲线近似为一直线（图中0A段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯曲，很大时，呈饱和特性。fNI0fF0fIINfIA0N0为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点（膝部），即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。N直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。它的出现使电机的磁场发生变化。图1-26（a）为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。二、直流电机负载时的磁场及电枢反应从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在同一支路内元件中电流方向是相同的，而在同一电刷两侧的元件中，电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面导体中电流方向的分界线。图1-26（a）电枢磁场如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如右图所示。axF由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中所示。axBaxFaxB图1-26（b）电枢磁动势和磁场的分布当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，它将产生一个电枢磁动势。因此，气隙中的磁场是励磁磁动势和电枢磁动势共同作用的结果。通常把负载时电枢磁动势对主磁场的影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。显然，电枢反应将与电刷的位置有关，下面将以直流发电机为例，分别讨论不同电刷位置时的电枢反应。1、电刷在几何中性线上时的电枢反应在电枢磁动势的作用下，当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况。如图1-27（a）所示。图1-27（a）交轴电枢反应磁场分布若电枢上半部分电流方向为流出纸面，则电枢下半部分电流方向为流入纸面，其电枢磁场磁力线分布如图示。此时电枢磁场的轴线与电刷轴线重合，并与主极轴线垂直，这时的电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，它对主磁场的影响称为交轴电枢反应。如果主极极性如图所示，把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动势将对主磁