直流电动机原理3.

第1章预备知识1第1章直流电动机原理主讲张华曹西安理工大学电子工程系第1章预备知识21.1.1直流发电机的工作原理1、直流电机的种类：直流发电机和直流电动机。2、什么样发电机是直流发电机？能将机械能变为直流电压电流的发电机，也就是输出电压为直流的发电机就叫做直流发电机。3、直流发电机的结构如图1-1，1-2所示：它是由磁极；电枢；滑环；1.1直流电机的基本工作原理第1章预备知识3电刷等组成。第1章预备知识44、直流发电机工作原理当蒸汽机带动直流发电机电枢逆时针旋转时,线圈ab,Cd边切割磁力线,在线圈中产生感应电动势e=BLv.感应电动势通第1章预备知识5通过半圆滑环（换向器）和电刷整流,将ab,cd线圈中的交流电动势变为直流电压输出.(若象图1-1那样用两个圆形环输出,将获得交流电压,就称为交流发电机)直流发电机发出电压的高低和蒸汽机的转速n有关，转速n越高电压越高。当转速一定时，电枢线圈的长度L越长发出的电压越高。1。1。2直流电动机工作原理直流电动机的结构如图1-3所示。它也是由磁极、电枢、换向器和电刷组成，当电刷上加上直流电压时，通过换向器将直流电流送电枢线圈，带电流线圈在磁场的作用下，产生电磁力f，电磁力的方向由左手定则决定，电动机的旋转方向和力的方向是一一致的。第1章预备知识6电磁力的大小与磁感应强度B的高低，电枢线圈的长短L和线圈中的电流i大小成正比。f=BLi((Wb/m2).m.A)直流电动机的旋转方向与线圈中的电流方向，以及磁极的磁场方向（N-S）有关。所以改变电动机的工作电压的极性和磁场的方向（或励磁电流的极性），即可改变电动机旋转方向。由图1-2和1-3可见直流发电机和直流电动机的结构是相同的，所以直流发电机可以做电动机用，直流电动机可以做直流发电机用，两者是可逆的。第1章预备知识71.2直流电机的主要结构及用途前面讲的是电机的简化的原理性结构；而实际的结构如图1-4；图1-5和图1-6所示：实际结构由锭子部分，转子部分等组成。1、定子部分它是由主磁极，换向磁极，机座，电刷装置-等组成。（1）主磁极如图1-5所示：它由主磁极铁心，励磁绕组等组成。磁极铁心是由1---1。5mm的低炭钢板冲片层叠压紧而成。最后做成靴子状---称为极靴。靴子桶状头与定子固定，靴子大头----极靴将与电枢处于相对位置。第1章预备知识8主磁极铁心上绕有励磁线圈。主磁极对（N-S）的个数P与电动机的转速n高低有关。主磁极对数P越多，转速越低。第1章预备知识92）.换向磁极在两个主磁极中间所增加的辅助磁极，以便迅速改变电动机的旋转方向。3）机底座（定子磁轭）作为定子和转子的支持。使主磁极和转子轴承具有固定的位置。它一般用铸钢做成，有良好的导磁性。4）电刷装置：一般采用导电良好、而且耐磨的材料做成。它由铜丝软线+铜夹头+弹簧+碳刷头组成。第1章预备知识10电刷装置的作用是直流电压电流导入导出电机的装置。电刷头（电刷杆）的数目=电机主磁极的数目。2、转子部分转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。如图1-6所示。（1）电枢铁心:电枢铁心通常也是采用0.5mm厚度的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成,固定在转轴上.电枢铁心沿圆周上刻有均匀分布的槽,里面可以嵌入电枢绕组.(2)电枢绕组:绕组是用圆形和矩形截面导线绕制而成.将线圈(称为元件.每个元件有两个出线端)进行串联并联而构成.其功能是通过电流并在磁场的作用下产生感应电动势.以现实电能到机械能的转换,或者反之.第1章预备知识113、换向器：换向器是由金属块（换向片）和绝缘块（云母）相间组装成的一个圆形环状体，如图1-6所示。它安装在转轴上和电刷配合工作。在发电机中：其功能是将绕组内的交流电动势转换为电刷上的直流电动势。在直流电动机中：其作用是将电刷上的直流电压转换成绕组内的交流电压电流。换向片的数目与元件的数目相等。第1章预备知识121.2.2直流电机的铭牌参数铭牌一般固定在机座表面。上面标注着电机的额定参数：；作为正确使用电机的依据。其标准额定参数有：1）额定功率PN（KM）=（UN。IN）2）额定电压UN（V）3）额定电流IN（A）4）额定转速Nn（r/mim）5)励磁方式和额定励磁电流IfN(A).其他不在铭牌上的参数：直流电动机的额定效率ηN=输入功率/输出功率。第1章预备知识13电机轴上输出的额定转矩：T2N=PN/ΏN=9.55PN/nN(Nm)1.2.3直流电机的用途和分类Z2--------一般用途ZZF---大、中直流电动机和发电机。ZZJ----冶金工业用-ZT-------恒功率调速ZQ-----电力机车ZH-----船用第1章预备知识14ZU-----龙门刨直流电动机ZA----防爆电动机ZKJ-----矿山用电动机第1章预备知识151.3直流电(动)机的电枢绕组电机的转子绕组称为电枢绕组.绕组是由绕组元件串联、并联连接而成。1、元件第1章预备知识16由图可见：一个元件可以是单匝的也可以是多匝的。一个单匝元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导线。多匝元件的元件边里有NY根导体。如图1-7中（a）为多匝元件，其边数NY=3。2、一般整个电枢绕组的元件个数应=电枢上的换向片数：S=K3、元件在电枢槽内的放置方法如图1-7（b）所示，元件中间隔一定的槽数。一个槽内放1号元件的一条边和2号元件的另一条边。2号和3号依次类推。最后一个元件的一条边再和1号元件另一条边放在一个槽内。在同一个槽内的两个元件边一个在下另一个在上，但必须按同一顺序。第1章预备知识174）电枢绕组上的线槽，若用Q表示总的槽数。每个槽的上下各放置u个元件边，（例如u=3）,则声明每个实槽内含有3个虚槽。用Qu代表总虚槽数，有：Qu=Uq=S=K5)电枢绕组最基本的形式有两种：一种叫单叠绕组。另一种叫单波绕组。单叠绕组是前一个元件的一个边被后一个元件的一个边压着，依次类推。单波绕组其布线是波浪式的。第1章预备知识181.3.1单叠绕组单叠绕组元件参数、元件数S与电枢槽数Q、虚槽数Qu、换向片数K、电枢外径Da、主磁极对数P等之间的关系：1、绕组节距绕组节距：是指被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离.第1章预备知识191)第一节距y1它是一个元件的两元件边在电枢表面所跨的距离.如图1-8所示.y1可以用虚槽数表示.y1的大小应该以获得感应电动势最大为原则.y1应等于或接近于一个极距τ;y1=τ=лDa/2P式中Da为电枢外径,P为磁极对数.若极距用虚槽数表示:τ=Qu/2Py1=Qu/2P±ε=整数第1章预备知识20若ε=0.y1=τ,称为整距绕组.若ε≠0,y1τ称为长距绕组,y1τ,称谓短距绕组.2)合成节距y和换向器节距yk元件1和它相连的元件2对应边之间的跨距是y用虚槽数表示.每个元件首末端所连接两个换向片之间的跨距称为yk.用换向片数表示.对于单叠绕组有y=yk=1,如图1-8中所示.3)第二节距y2它是连之同一换向片的两个元件边之间的距离y2.或是元件一的下层元件比在换向器端经过换向片连接到元件2的上层元件之间的跨距.对于单叠绕组有:y2=y1-y2、单叠绕组的特点和元件的连接方法如：直流发电机，2P=4，S=K=Qu=16,连接成单叠右行绕组。第1章预备知识211）计算各节距第一节距y1：y1=Qu/2p±ε=16/4±0=4合成节距：y和换向器近距yky=yk=1第二节距：y2:y2=y1-y=4-1=32)绘制绕组展开图（如图1-9）做图步骤如下：①先画16根等长等距离实线，代表各槽上层元件边。再第1章预备知识22第1章预备知识23画16根等长等距虚线代表各槽下层元件边。一根实线和一根虚线代表一个槽。并依次将槽编辑好号码。②放置主磁极，并标上N、S极性。③画18个小方框代表换向片。并标上号码。为了做图方便，使换向片的宽度等于槽与槽之间的宽度。④连接绕组：将元件、槽、和换向片按顺序编号。元件上层边所在槽号以及元件上层边相连接的换向片号码编成一致。如图1-9所示。1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片连接，因为y1=4,则1号元件的下层边应放在第5号槽（1+y1=5）的下层（虚线）.因为y=yk=1,1号元件的末端应放这号换向片上（1+y1=2）.依次类推。⑤确定每个元件边里导体感应电动势的方向。在图1-9已经用V表示出来。⑥放电刷。在直流电动机里电刷组数也就是电刷杆数，与主磁极的个一样多。图1-9中示出了A。B两组磁极。第1章预备知识243、绕组元件连接顺序图绕组元件连接顺序图用来表示电枢上所有愈加边的串联顺序。根据图1-9的节距，就可以看出绕组各元件之间是如何连接的。①从第虚槽上层元件边经y1=4接到第5虚槽的下层元件边构成了第一个元件，它的首末端分别接到第1，2两个换向片上。②第5虚槽的下层元件边经y2=3接到第二虚槽的上层元件边，这样就把第1，2号两个元件连接起来了。依次类推。见图1-10所示。第1章预备知识254、绕组电路图绕组展开图如图1-9所示。根据电刷之间元件连接顺序，可以得到如图1-11所示绕组电路图。从图可见：从电刷外面看绕组时，电枢绕组由4条并联支路组成。上层边处在同一极下的元件中，感应电动势方向相同，串联起来通过电刷构成一条支路。被电刷短路的元件电动势等于0，这些元件不参加支路的组成。所以单叠绕组的支路数=电机的主磁极数。a=p.第1章预备知识26第1章预备知识27电枢绕组中的单叠绕组有以下特点：1）位于同一个磁极下的元件串联起来组成一个支路。支路数=磁极对数。A=p2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正负电刷之间感应电动势最高。被短路的线圈没有电动势。3）电刷杆数=极数。第1章预备知识281.3.2单波绕组简述单波绕组是因为其形状类似于波浪一样而得名.其绕组节距参数也有:第一节距y1,合成节距y,换向器节距yk,第二节距y2等.1.绕组节距1)第一节距y1:其定义和计算方法完全相同,与图1-12中所示.(一个元件的两条元件边在电枢表面所跨的距离.)2)合成节距y与换向器节距yk:合成节距y与换向器节距yk相等:y=yk.它是按电动势的方向进行选择的.当换向片数为K,所经过的元件数为P时:yk=(K±1)/P=y第1章预备知识293)第二节距y2y2=y-y1,如图1-12.第1章预备知识302、单波绕组展开图1)设直流电机2P=4，S=K=Qu=15.计算得：y1=Qu/2P±ε=15/4-3/4=3y=yk=(K-1)/P=(15-1)/2=7y2=y-y1=7-3=42)由计算参数画出单波绕组展开图如图1-13所示3)由单波绕组展开图画出其单波绕组元件连接顺序图:如图1-14所示:4)再由单波绕组展开图画绕组电路图:如图1-15所示.第1章预备知识312)图1.1.3单波绕组展开图第1章预备知识323)图1-14单波绕组元件连接顺序图第1章预备知识334)图1-15单波绕组电路图第1章预备知识34由图可见:单波绕组是把所有上层边在N极下的元件串联起来构成一条支路.而把所有上边在S极下的元件串联起来构成另外一条支路.由于主磁极只有N,S之分,所以单波绕组的支路对数与磁极的对数无关,总是=1.a=15)单波绕组的特点:①同一极性下各元件串联起来组成一条支路.支路数a=1,与磁极对数无关.②当元件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.电刷获得感应电动势最大.第1章预备知识35③电刷杆数也应等于极数(采用全额电刷)此外还有复叠和复波、以及混合绕组等。第1章预备知识361.4直流电机的磁场前言:直流电机中存在三种磁场:一个是定子产生的磁场;另外一个是通过电流的电枢线圈会产生电枢磁场.定子产生的磁场与电枢磁场的合成产生电机中的气隙磁场.磁场的强弱将影响到电机的反电动势和电磁转矩的大小.1.4.1直流电机的空载磁场1、什么叫空载？电枢绕组中电流等于0或者电流很小时的情况，称为空载。而且电机无负载，基本无功率输出。2、什么是空载磁场？第1章预备知识37空载磁场就是在空载条件下，定