电机学精品课件-第二章-直流电机

概述直流电机的电枢绕组直流电机的磁场直流电动机的基本特性第二章直流电机§2.7直流电机的换向§2.1概述§2.2直流电机的电枢绕组§2.3直流电机的磁场§2.5直流电动机的基本特性§2.6直流电力传动一、概述直流电机发电机：得到直流电源。直流电动机：具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合得到广泛使用。§2.1概述2.1.1工作原理二、直流电机的用途电源励磁机测速伺服图2.1用途(见图2.1).作电源用--直流发电机.作伺服用--自流电动机.信号的传递==作为测量元件--直流测速发电机==作为执行元件--直流伺服电动机.做励磁机用一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。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又有着缺点。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!三.直流电机的特点★直流电动机以其良好的起动性和调速性能著称。(调速范围宽广，调速特性平过载能力较强;热动和制动转矩较大)★直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源(电势波形较好，对电磁干扰的影响小)。结构较复杂直流电机成本较高使它的应用受到限制可靠性较差存在换向器，其制造复杂，价格较高。(1)直流电机的环形物理模型图解释直流电机的物理模型图见图2.2、2.3。图中表示一台最简单的两极直流电机模型。固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有铁心和绕在环形铁心上的。定子与转子之间有一气隙。四、直流电机的工作原理图2.2直流电机的物理模型图图2.3直流(发）电机的物理模型图(2)直流发电机的工作原理（图2.4）机械能直流电能的电气设备。如何转换？分以下步骤说明：设原动机拖动转子以每分转n转转动；电机内部的固定部分要有磁场。导体将感应电势，其大小与磁通密度B、导体的有效长度l和导体切割磁场速度v三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。电势正方向：abcdB+,A-（1）、换流过程abcdABdcabAB电势正方向：dcbaB+,A-图2.4直流发电机的原理•注意：某一根转子导体的电势性质是交流电，而经电刷输出的电动势是直流电。•电势性质:1.N及S极下的导体电势方向改变2.电刷与磁极相对静止，固定与N极或S极下的导体相连,电刷两端电势不变，为直流电.由于电刷与换向器的配合作用，交流电势变成了直流电势，这种电机为换向器式直流电机。（1）、换流过程abcd电流正方向：dcba转矩方向：顺时针电势方向：abcd电流正方向：dcba转矩方向：电势方向：电流正方向：abcd转矩方向：顺时针电势方向：dcbadcababcdS(3)直流电动机的工作原理图2.5直流电动机工作原理直流电动机工作原理：1.电源经电刷接通电枢绕组，电枢导体有电流流过。2.电机内部有磁场。3.载流转子（即电枢）导体受电磁力f的作用f=Blia（左手定则）4.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，拖动机械负载。五.直流电机小结1.所有直流电机的电枢绕组总是自成闭路。2.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.注：a－支路对数p－极对数3．直流发电机为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。2.1.2直流电机的主要结构部件一、基本结构直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组NS······NS极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。图2.6国产直流电机的结构二、定子1.主磁极（图2.7）主磁极：建立主磁场。主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组。主磁极的个数一定是偶数，相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。图2.7主磁极图2.8换向极2.机座:一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。两端装有端盖。3.换向极:（图2.8）作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。结构：由换向极铁心和绕组构成，用螺杆固定在机座上。个数一般与主磁极的极数相等。小功率直流电机中，可不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，与主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。5.电刷装置:由电刷，刷握，刷杆和连线等组成。是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。图2.9三、转子1.电枢铁心（图2.10）既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，图2.10电枢铁心图2.11电枢绕组图2.12换向器2.电枢绕组:（图2.11）是直流电机的电路部分，是产生感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。3.换向器:（图2.12）在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，2.1.3直流电机的额定值额定容量PN：输出功率额定电压UN：额定状态下出线端电压额定电流IN：额定状态下出线端电流额定转速nN：额定状态下的电机转速直流发电机：PN＝UN·IN直流电动机：PN＝UN·IN·★额定励磁电流IfN:电机在额定状态时的励磁电流值。额定效率额定转矩TN§2.2直流电机的电枢绕组2.2.1基本特点电枢绕组: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前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单等。一.分类：分类为环形和鼓形(图2.13)；环形绕组只曾在原始电机用过；现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。叠式绕组(单叠复叠)-----见图2.14鼓形绕组波式绕组(单波、复波)---见下页图2.15蛙型绕组(又叫混合绕组)图2.13鼓形绕组环形绕组示意图图2.14叠绕组示意图图2.15波绕组示意图y=y1-y2二、有关电枢绕组名词、术语元件：第一节距y1极距：铁心表面，一个极所占的距离第二节距y2合成节距y：换向器节距yk：极轴线：磁极中心线几何中心线：磁极之间的平分线图2.16虚槽槽内每层有u个元件边，把每个实际的槽看作包含u个虚槽。实际槽数z,虚槽数zi,则zi=z*u有效边：有效边是指线圈的直线部分。端部：线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层：图2.17图2.17绕组实物图元件数S与换向片数K：S=K=zi第一节距y1:元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离，用y1表示。第一节矩的大小通常用所跨的虚槽数来计算。第二节距y2：相串连的两个元件第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。用y2表示，用虚槽数计算。合成节距y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节矩。换向节距yk:第一个元件的两端所接的两片换向片在换向器表面上所跨的距离。数值上y=yk绕组的联接：单叠绕组：相邻联接的两个元件互相交错地重叠。多相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依次焊接到相邻的换向片上最后形成闭合回路。(图2.14图2.19)单波绕组：相邻联接的两个元件呈波浪形。(图2.15)y1y2yy=-1图2.19单叠绕组(左行)各种形式直流电机绕组的区别主要表现在合成节矩上，其公式为：叠绕组：y=y1-y2单叠右行：y=+1单叠左行：y=-1因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。波绕组：y=y1＋y22.2.2单叠绕组1、数据计算：y＝yk＝1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极4221621pZy一台4极16槽直流电机，换向片数K=16；电枢绕组的元件数S=16；(z=zi=s=k)试画出整距右行单叠绕组展开图。1单叠绕组展开图123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－图2.21展开图（2）1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－图2.22绕组放置元件1：上元件边在1槽，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。元件2：上元件边在2槽，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推某一瞬间电刷、磁极放置电刷的放置原则:为了在正负电刷间获得最大直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。磁极：磁极宽度约0.7τ,均匀分布，N、S极交替安排。电刷：联接内、外电路。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。几何中性线电枢上的几何中性线：相邻两主极间的中心线，空载时电枢表面主极磁场径向磁通密度为0处。几何中性线上元件边感应电动势为0。换向器上的几何中性线：与主极轴线重合。元件电动势为0的元件所接两换向片的中心线称为换向器上的几何中性线。电刷放在换向器上的几何中性线。元件连接顺序图绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。单叠绕组的支路数恒等于电机的极数，这里为4极，即有4个支路。电路图图2.23电路图§2.3直流电机的磁场直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不同的联接，决定了不同的励磁方式。不同的励磁方式，电机的性能将不同。一、励磁方式2.3.1直流电机的按励磁方式分类励磁方式：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。二、励磁方式分类他励式并励式自励式串励式复励式(1)、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。aII他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：图2.24他励接线图+-aIIfI+-电动机发电机2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。图2.25并励励磁方式接线图并励式直流发电机：Ia＝I＋If直流电动机：Ia＝I－If+-fI电动机发电机fI3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。IIIfa图2.26串励励磁方式接线图+-4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF图2.26复励励磁方式接线图一、空载时负载电流为零，电机内部的磁场（气隙磁场）由励磁绕组通过电流产生的磁势决定。图2.27气隙磁密分布曲线2.3.2直流电机的空载磁场空载磁通密度沿转子外圆周长方向的变化情况即空载磁密的分布波形呈平顶波.xB空载时磁密分布波形呈平顶波的原因是：在主极直轴附近的气隙较小，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线处时，磁密等于0。二、空载时磁场分布磁路：气隙1出发经－电枢齿1－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1图2.28直流电机空载时的磁场分布磁通、磁路主磁通、主磁路：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，再经定子轭回到原来N极。主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电势，产生电磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。影响饱和程度图2.29主磁通和漏磁通主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁动势建立；φ0所走的路径气隙小，磁阻小；漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；漏磁系数:;10k00kp2.3.3直流电机的电枢磁动势和磁场直流