电机学辜承林(第三版)第二章1-2+直流电机.

第二章直流电机•2.1概述•2.2直流电机电枢绕组•2.3直流电机的磁场•2.4直流发电机基本特性•2.5直流电动机的基本特性•2.6直流电动机的启动、调速、制动直流电机的用途电源励磁机测速伺服与异步电动机相比，由于存在换向器，其制造复杂，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源，价格较高。直流电机的优点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。易于快速起动、停车，易于控制。直流电机的特点直流电机的应用（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。直流电机的物理模型§2－1直流电机的原理和结构一、直流电机原理1、直流发电机重要公式及特性：1.1法拉第电磁感应定律－发电机原理：用右手定则判感应电动势Ea的方向U+–NSEEIanKEE感应电动势aaRIEU输出电压e=Blv(符合右手定则)有效长度为l的导体以线速度v,在磁通密度为B的磁场中运动时，导体内将产生感应电动势e。直流电机原理直流发电机运行时的几点结论1.在相同极性磁极下的导体感应电动势e方向相同，固定不变；电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；2.在不同极性磁极下的导体感应电动势e方向相反；电枢线圈内电势、电流方向是交流电；3.“外稳内变”电枢绕组电压为交流,电刷上的电压为恒定直流。从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；4.产生的电磁转矩M与转子转向相反，是制动性质。2、直流电动机重要公式及特性安培力定律－电动机原理：F＝Bli(符合左手定则)U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II直流电动机运行时的几点结论1.外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；2.线圈中感应电势与电流方向相反；3.线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；4.产生的电磁转矩M与转子转向相同，是驱动性质；与直流发电机相同；直流电机即可作发电机运行，也可作电动机运行，关键在输入功率的性质；发电机原理和电动机原理总是同时出现的。二、直流电机的结构直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构直流电机的结构直流电机的结构直流电机的结构定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电刷和换向器结构直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成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根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U三、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n：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·★§2-2直流电机电枢绕组对电枢绕组的要求：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。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。绕组图电枢绕组的形式环形绕组鼓形绕组叠绕组波绕组y=y1-y2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：磁极之间的平分线为使元件感应电势最大：y1=τ±ε（使y1为整数）τ=Zi/2py1=τ整距绕组（电势最大）；y1τ短距绕组（端部较短，利于换向，应用广）；y1τ长距绕组。说明：基本绕组形式一、单迭绕组：迭：两个相邻联接的元件，后一元件的端部紧迭在前一元件的端部。单：首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。特点：槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同。y=yk=1特点：y=y1-y2=yc=+1(-1)“+1”为右行绕组如左图；“-1”为左行绕组如右图。单迭绕组单迭绕组分析实例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实例：P＝2，Z＝S＝K＝164221621pZy绕组放置•元件1：•上元件边在1槽上层，下元件边放在相距y1=4即5槽下层。•元件2：•上元件边在2槽上层，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。•依此类推。1单迭绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－某一瞬间电刷、磁极放置磁极：磁极宽度约0.7τ,均匀分布，N、S极交替安排。•电刷：连接内、外电路。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。电势为零的元件：在磁极的几何中心线上电势为零。（在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。）•电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。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。电路图结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。即单迭绕组的并联支路数正好等于电机的极数。这是单迭绕组的重要特点之一。单迭绕组的特点•元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。•并联支路数等于磁极数，2a=2p;•整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无换流；•每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数;•正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压;•由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即aaaiI2二、单波绕组波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远，两个元件紧相串联后形似波浪。为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距2,2yy1kyPk单波绕组节距特点：y1等于或约等于τ（常采用短距）；y约等于2τ。为了使绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去。换向片极距yk必须符合即y2=y–y1（-1，左行绕组；+1，右行绕组，因端接部分交叉，少用。）CPkyk1单波绕组实例：P＝2，Z=S＝K＝15左单波绕组计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极1、绕组数据计算34341521pzy721151pKyyk43721yyy元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置：1＃元件上层边1＃槽，下层边4＃槽;首末端所连的换向片相距yk＝7；为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与1＃元件的轴线重合。1＃元件上层边所连的换向片定为1＃。依次联接。磁极放置：N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷单波绕组元件连接顺序图从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815714613512411310291用联接顺序图表示为：1815714613512411310291411310291815714613512上层边下层边单波绕组电路图单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关，永远为1，即a＝1。714613151031142512891125415189单波绕组的特点•同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a＝1，与磁极对数p无关。•当元件的几何尺寸对称时，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。•电刷组数应等于极数（采用全额电刷）;•电枢电流Ia＝2ia。直流电机绕组的归纳•所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路.•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•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。单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。迭绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。•#对称绕组和均压线••目的：使电枢绕组内部无环流。•要求：1）绕组对称，2）主磁场对称•抑制方法：通常在换向器上把理论上电位相同的点用铜线相连。主磁场稍有不对称，则均压线上有电流，据楞次定律，此电流将削减磁不对称度，减小了环流，且环流经均压线闭合而不流过电刷，改善了电刷工作条件。•对于一对极的单叠绕组，绕组对称条件自然满足，且唯一的N、S极磁通必相等，不会出现不对称环流。故均压线只在多极绕组中才有意义。