第2章-直流电机

南通大学《电机学》直流电机第2章直流电机•直流电机的功能是将直流电能与机械能相互转换，把机械能转换为直流电能的装置称为直流发电机，而把直流电能转换为机械能的装置称为直流电动机。南通大学《电机学》直流电机•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!南通大学《电机学》直流电机直流电机的基本原理2.1直流电机的结构2.2直流电机的铭牌数据2.3直流电机的空载磁场2.4直流电机的电枢绕组2.5直流电机的负载磁场及电枢反应2.6感应电动势和电磁转矩的计算2.7直流发电机2.8直流电动机2.9南通大学《电机学》直流电机2.1.1直流发电机的工作原理直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。2.1直流电机的基本工作原理图2-2a线圈电动势的波形图2-2b电刷间的电动势波形南通大学《电机学》直流电机2.1.2直流电动机的基本工作原理直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。南通大学《电机学》直流电机•2.1.3直流电机的可逆性•可逆性原理：一台直流电机，在一种条件下可以作为发电机，而在另一种条件下它又可以作为电动机运行。图2-4电机可逆性原理（a）(b)NSneiNSneif南通大学《电机学》直流电机图2-5国产直流电机的结构2.2直流电机的结构南通大学《电机学》直流电机南通大学《电机学》直流电机1.定子（1）机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；磁路的一部分。（2）主磁极（3）换向极南通大学《电机学》直流电机（4）电刷装置2、转子（1）电枢铁心南通大学《电机学》直流电机（2）电枢绕组：按一定规律连接并嵌放到电枢铁心槽中。（3）换向器：由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。南通大学《电机学》直流电机2.2直流电机的结构总结定子转子主磁极：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定、转子之间有一间隙气隙南通大学《电机学》直流电机2.3直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：1、额定电压UN(V)：直流电机电刷端的电枢电压。2、额定电流IN(A)：直流电机电刷端的电枢电流。3、额定功率PN(W或kW)：电机的输出功率。4、额定转速nN(r/min)：直流电机的旋转速度。NNNPUI发电机是指输出的电功率：NNNNPUI电动机是指输出的机械功率：南通大学《电机学》直流电机2.4直流电机的空载磁场2.4.1直流电机的励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。1、他励式其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。南通大学《电机学》直流电机2.4.1直流电机的励磁方式2、并励式：励磁绕组与电枢绕组并联；南通大学《电机学》直流电机3、串励式：励磁绕组与电枢绕组串联；2.4.1直流电机的励磁方式南通大学《电机学》直流电机3、复励式：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。2.4.1直流电机的励磁方式南通大学《电机学》直流电机2.4.2直流电机的空载磁场空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时（可忽略不计），由励磁磁动势单独建立的磁场。图2-12直流电机磁场分布情况(a)2极电机(b)4极电机漏磁通（a）（b）主磁通NS漏磁通主磁通南通大学《电机学》直流电机2.4.3磁路分析dlplplrl图2-13直流电机主磁路2222llrlrlppslslffHHlHlHlHlNl直流电机的主磁路可分为五段：（1）两气隙段，长度为2；（2）两电枢齿段，长度为2l1；（3）转子扼段，长度为lr1；、（4）两主磁极铁心段，长度为2lp；（5）定子轭段，长度为lsl。2mffRNIF南通大学《电机学》直流电机2.4.4直流电机的磁化曲线2.4.5气隙磁通密度的分布图2-15气隙磁密分布情况极靴极身平顶波南通大学《电机学》直流电机2.5直流电机的电枢绕组对直流电机的电枢绕组的要求是：1．能通过规定的电流，能产生足够的感应电动势，且电量的波形较好；2．绕组结构简单、运行可靠、方便制作、便于维护；3．尽可能节省有色金属和绝缘材科。南通大学《电机学》直流电机2.5.1直流电机电枢绕组的基础知识1、几何中性线：是指直流电机结构中两个相邻主磁极(N、S极)之间的几何平分线。•2、磁极轴线：是指每个主磁极上，将磁极分成左右对称的两部分的中心线。•3、元件：直流电机中构成电枢绕组的线圈基本单元为元件。•南通大学《电机学》直流电机4、元件的首末端：每一个元件有两端，分别引出两根线与换向片相连，绕制元件的开始端称为首端，结束端称为末端。2.5.1直流电机电枢绕组的基础知识有效边：置于槽内，能“切割”主极磁场而感应电动势，两条元件边端接线：在铁心之外，不“切割”磁场，仅起连接线作用。南通大学《电机学》直流电机6、波绕组：电枢上所有处于同一极性下的元件串联构成一条支路，相邻元件对应边的跨距约为（不可等于）两个极距，形成波浪型结构。图2-18直流电机的元件5、叠绕组：组成绕组的元件依次串联，后一个元件紧叠着前一个元件镶嵌放置。波绕组上层边：有效边放在槽的上层下层边：另一有效边放在槽的下层双层绕组7、实槽：电机铁心实际所开的槽，实槽数用Z来表示。南通大学《电机学》直流电机8、虚槽•在大型电机中、每层可能有N个并列圈边为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。实槽虚槽iZuZ3u南通大学《电机学》直流电机7、极距：相邻主磁极在定子圆周上的间距称为极距。8、节距：节距是指元件边之间的距离。节距分为第一节距、第二节距、合成节距和换向节距四种。1）第一节距y1：是指一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。p2D＝12iZyp2.5.1直流电机电枢绕组的基础知识1y1y1y整距元件短距元件长距元件南通大学《电机学》直流电机2）第二节距y2：连至同一换向片的两个元件中的前一个元件的下层边与后一个元件的上层边在电枢表面跨过的距离。3）合成节距y：串联的两个相邻元件的对应上下层边在电枢表面跨过的距离。4）换向节距yk：一个元件的首、末端所连接的两个换向片在换向器表面跨过的距离。南通大学《电机学》直流电机2.5.2单叠绕组单叠绕组的特点是合成节距等于一个虚槽，换向器节距等于一个换向片长。1kyy例：设有一台直流电机，极对数p＝2，双层绕组结构，槽数Z、元件数S、换向片数K都为16，若Z=K=S=16。试分析单叠绕绕组的情况。分析步骤如下：1．计算单叠绕组的节距双层绕组元件数与槽数、换向片数相等，节距单位用槽数表示。南通大学《电机学》直流电机合成节距和换向节距计算：单叠绕组的合成节距和换向节距相同，即1kyy一般取：1kyy元件的依次串联顺序为从左向右进行，这样完成的直流电机绕组称为右行绕组。第二节距计算：31412yyy第一节距计算：44162pZpzy2144161y南通大学《电机学》直流电机•编号的原则：把元件和原件上层边所在的槽和元件首端所连接的换向片编上相同的号码。•元件进行编号：1-16号•槽进行编号：1-16号•元件边进行编号：上层边：1-16号•下层边：1’-16’号2．确定绕组元件的连接顺序南通大学《电机学》直流电机•设1号元件上层边放在1号槽中•1+y1=5’5’-y2=25’连接2•2+y1=6’6’-y2=36’连接3•3+y1=7’7’-y2=47’连接4•......•连接顺序：1234上层边下层边143256789101112131415165678910111213141516y＝11y＝42y＝3图2-20单叠绕组各元件连接顺序南通大学《电机学》直流电机3．绘制绕组展开图图2-21单叠绕组展开图1234567891011121314151516A1A2B2B1NSNS21345678910111213141516n南通大学《电机学》直流电机4．并联支路图图2-22单叠绕组并联支路-电枢转向合成电动势方向合成电动势方向1291056131412345678910111213141516151614+A1A2B2B1对于单叠绕组，支路数应等于极对数，即：pa22南通大学《电机学》直流电机单叠绕组有以下特点：1.并联支路对数a=主磁极对数p=电刷对数b2.电枢的电动势等于支路的电动势3.电枢电流等于各支路电流的总和，即Ia=2aia南通大学《电机学》直流电机2.6直流电机的负载磁场及电枢反应电机负载运行时，有负载电流通过电枢绕组，即可认为在电枢绕组内通过电流而产生了一个新的磁动势——电枢磁动势。电枢反应：我们把电枢磁动势对励磁磁动势所建立的气隙磁场的影响。线负荷：电枢圆周表面单位长度上的安培导体数南通大学《电机学》直流电机设电枢绕组导体总数为N，导体电流为ia，电枢直径为D，A表示线负荷，则有全电流定律：忽略铁磁部分中的磁压降，则电枢磁动势在每段气隙中为：电枢磁场aNiAD2HlAxaxFAx00axaxFaxBHmax22aAxF/南通大学《电机学》直流电机物理中性线南通大学《电机学》直流电机电枢反应对气隙磁场的影响如下：(1)直流电机负载时的电枢反应使气隙磁场发生畸变；(2)电枢反应使电枢表面磁密为零的物理中性线偏离了几何中性线。在电动机中，物理中性线逆电枢旋转方向移过一个不大的角度；在发电机中，顺电枢旋转方向移过一个不大的角度；(3)电枢反应使主磁极下的总磁通量减少，呈去磁作用。南通大学《电机学》直流电机2.7感应电动势和电磁转矩的计算2.7.1感应电动势的计算lvBeavavBl602npv2NEea22226060aveBlvNlvNlNnppNEnCnalalaa元件有效边导体的感应电动势：与每极有效磁通的平均值的关系为：avB导体切割磁力线的速度v与电机的旋转速度有关：假设电机中元件的有效边导体数为，则电机的感应电动势即支路电动势可以记为：N南通大学《电机学》直流电机直流电机的电枢感应电动势定义表达式为：2.7.2电磁转矩的计算导体所受电磁力大小为：aeECn为简化分析，可作如下假定处理：(1)假设组成电枢绕组的元件数足够多，沿电枢圆周均布，且均是整距元件。(2)忽略电枢圆周的齿、槽对电机各个元件导体受电磁力的不同影响。(3)用每个主磁极下的有效磁通的平均值来参与计算直流电机元件所受电磁力的大小。ilBfx导体所受的电磁力的平均值为：2aavavIFBla电磁转矩的平均值为：22aaavavDlaIBT南通大学《电机学》直流电机电机所受总的电磁转矩为:avNTT2222aaIppNTNlIlaaTaTCI例2-1一台直流电机,，单叠绕组，总导体数N＝256，每极磁通Wb,求当转速为nN＝3000r／min时的电枢绕组电动势；设电枢电流A，磁通保持不变，则此时的电磁转矩又为多大？22.110aE12aI2p解：(1)已知这台直流电机的极对数，则单叠绕组的并联支路对数，于是电动势常数2p2a27.4260256260apNCeCe与CT的关系60epNCa2TpNCa609.552TeeCCC南通大学《电机学》直流电机根据电枢电动势公式24.272.1103000268.8aeECn(2)转矩常数76.402225622apNCT根据电磁转矩公式27.1012101.276.402aTICT南通大学《电机学》直流电机2.8直流发电机2.8.1直流发电机的基本平衡方程