2-直流电机的工作原理

1第2章直流电机的工作原理◆学习要点直流电机的主要结构,注意换向器和电刷的作用直流电机的基本原理,理解并能计算感应电动势和电磁转矩直流电机的运行原理，电动势、转矩平衡方程式以及不同励磁方式的直流电机的工作特性◆目录1.直流电机的工作原理及基本结构2.直流电机的磁场和电磁转矩3.直流发电机4.直流电动机2直流电机的概念直流电机是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机(dcgenerators)把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机(dcmotor)优点调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。易于控制。应用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。用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具◆基本概念磁力线2.1直流电机的工作原理及基本结构2.1.1直流发电机电枢逆时针旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律导体内产生感应电动势大小为方向由右手定则判定运动方向感应电动势◆基本原理lvBex34用右手定则判感应电动势e的方向电枢绕组电阻RaaaRIEU输出电压eeNSAXB1B2abcdaIFF+-◆示意图0t5用右手定则判感应电动势e的方向电枢绕组电阻RaaaRIEU输出电压eeNSXAB1B2abcdaIFF+-由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。t6◆电动势波形N极下导体电动势指向纸外，电刷B1总为“+”；S极下导体电动势指向纸内，电刷B2总为“-”线圈中的电动势是交流电动势通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流电动势lvBex7从刷间电动势波形看，电动势脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。①将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；②把转动的电路与外面不转的电路联接。◆在直流发电机中换向器和电刷的共同作用：8直流电源电刷换向器线圈磁力线将直流电加到电刷上(B1为+、B2为-)，线圈AX上就有电流通过(A端为⊕、X端为☉)，根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力大小为：方向由左手定则确定。电磁力线圈电流liBfx2.1.2直流电动机9①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；②把外面不转的电路与转动的电路联接。◆在直流电动机中换向器和电刷的共同作用：注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。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。这种一台电机既能作电动机又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为电机的可逆原理。小结:对直流电机而言,其电枢线圈内的电流是交变的,但产生的电磁转矩或输出的电枢电压却是单方向的,其主要原因是设置了换向器.2.1.3直流电机的可逆性图5-3直流电机基本结构直流电机的结构图2.1.4直流电机的基本结构作用：产生磁场；机械支撑。转动部分（转子）静止部分（定子）气隙主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置电枢电枢铁心电枢绕组感应电动势实现能量转换换向器：改善换向转轴、风扇（1）主磁极在主磁极上固定励磁绕组，产生磁场并使电枢表面的气隙磁密按一定形状在空间分布。主磁极是由1~1.5mm的低碳钢板叠成。机座主极换向极电枢机座极身励磁线圈极靴框架电枢图5-4直流电机定子剖面结构（一）定子部分指磁路中的静止部分及其机械支撑，包括机座，磁轭，主磁极，换向器等。（2）换向极（附加极）一般用于1千瓦的直流电机中，位置在两主极之间，帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。用钢片绝缘后叠装而成。换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，且与电枢绕组相串联。换向极构造了解内容（3）机座和磁轭整体磁轭既是机座（机械支撑），又是磁极间的磁通的通路。有好的导磁性能，一般用铸钢，且有一定的导磁截面积，在机械强度和刚度上大有富余。叠片（磁轭）机座磁轭用几毫米厚的薄钢板叠成，钢板间涂漆，相互绝缘。整个磁轭固定在机座上，机械支撑与磁轭的导磁作用分开。机座可用铸铁；微电机可用铸铝；大型电机用钢板焊成。减少了涡流效应，适用于调速要求高的电机。(二)转子部分包括电枢铁心，电枢绕组，换向器，风扇，转轴和轴承。(1)电枢铁心通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成,片间用绝缘漆以减少损耗(涡流和磁滞损耗)电枢铁心片槽齿轴向通风孔轴孔(2)电枢绕组用带绝缘的铜导线绕成一个一个的线圈元件，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。电枢铁心装配图(3)换向器由许多换向片（由铜料组成）组成。换向片之间彼此以云母片相互绝缘，全部又以云母环对地绝缘。换向器构造（三）其它部分电刷装置轴承支撑结构形式（1）电刷装置电刷：由石墨做成的导电块；刷握（刷盒）；刷杆支臂；刷辨：将电动势或电流引出或引入电机，由细铜丝编成。1—刷握2—铜丝辫3—压紧弹簧4—电刷（2）轴承支撑中小电机：滚动轴承，固定于端盖上。大型电机：滑动轴承，直接支撑在电机底板上。（3）结构形式根据冷却和保护方式分开启式、防护式、封闭式和防暴式。开启式：无专门的防护装置，并只靠转子本身在旋转时带动的空气来冷却防护式：用于中小型电机。垂直下落的异物不易进入电机内部；两端端盖有进风口和出风口，转轴上装有风扇。端盖的进出风口上有带孔的网罩，以防止外物落入电机。封闭式：电机内腔与机外不连通，只靠电机外表面散热来冷却。主要应用在空气中含尘或腐蚀性成分较多的场合。机壳外表面带有肋状散热片以增加其散热面积，大容量电机常用管道式通风，用另外的风机对电机进行吹风循环。防爆式：在含有可燃气体的场合，如矿井中使用。机壳有较高的机械强度，封闭得更严密。保证当电机内部逐渐积累的可燃气因偶尔的火花引起爆炸时，能使此时的爆炸不致蔓延到机外而引起严重事故。222.1.5直流电机的铭牌（1）电机型号：一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。（2）额定容量（功率）（kW）：表示由温升和换向条件的限制按所规定的工作方式电机所能供应的功率。发电机：输出的电功率电动机：输出的机械功率NP连续、短时、间歇（3）额定电压（V）：在额定工作情况时，电机出线端的平均电压值，直流电机一般不是很高。发电机：输出端额定电压电动机：输入端额定电压NU1、铭牌数据（4）额定电流（A）：额定情况下的电枢电流。NI提问：额定功率、额定电流、额定电压之间的关系？310NNNIUP发电机：310NNNNIUP电动机：（5）额定转速（r/min）（6）励磁方式和额定励磁电流（A）NnfI他励、并励、串励、复励（7）定额：分为连续、短时、间歇三种定额工作方式，未标注时即为连续定额工作方式，表示电机在额定情况下连续运行时，温升不致超过允许值。（8）绕组温升或绝缘等级：绝缘等级越高，其允许温升就高。例1一台直流发电机,其铭牌数据如左所示,求该发电机的输入功率及额定电流各为多少?%90min;/1450;230;145NNNNrnVUkWPkWPPNN1619.01451额定输入功率:额定电流:AUPINNN4.630230101453解:例2一台直流电动机,其铭牌数据如下所示,求该电动机的输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少？%90min;/1500;220;160NNNNrnVUkWP解：kWPPNN9.1779.01601AUPUPINNNNN1.8082209.01016031额定输入功率：额定电流：额定输出转矩：mNnPTNNN7.101815001016055.955.93228①额定功率：PN，kW②额定电压：UN，V③额定电流：IN，A④额定转速：nN，r/min(重要数据)额定转矩,额定效率,额定温升等(型号)字母和数字(铭牌数据)29国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示。2、直流电机的型号及主要系列型号----字母和数字Z2-31一般用途的防护式中小型直流电机第二次设计机座号铁心长度顺序号Z2系列电机为适用于一般调速场合的基本系列直流电动机，具有调速范围大，控制简单，可靠等优点。Z2系列电机是B级绝缘结构，电机防护等级为IP21，基本结构及安装型式为IMB3，根据用户要求还可制成IMB35和IMB5结构及安装型式，也可制成带测速发电机的派生系列电机。Z2系列直流电动机广泛使用于矿山，交通运输，纺织印染，造纸印刷以及化工和机床等工业中需调速的动力拖动场合。ZZJ－800系列轧机辅传动用直流电动机是参照国际电工委员会IEC－34－13《轧机辅传动电动机技术条件》标准制造的，是钢铁工业的重要动力设备，在工作环境恶劣的场合下，能经受频繁的起动、制动、频繁的可逆转，重复出现大的过载转距，主要使用于工作辊道，压下装置，活套张力辊，剪切机，钳吊吊车等设备上，是ZZ/ZZK，ZZY，ZZJO，ZZJ2等系列电机的更新替代产品。本系列电机采用多角形结构，空间利用率高，定子磁轭为叠片式，适用整流器供电，能承受脉动电流与电流急剧变化(负载变化)之工况。磁极安装有精确定位，因而换向良好。Z4系列直流电机广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工业轧机传动，金属切削机床，造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出机械等。33直流电机电枢绕组的型式很多，按其绕组元件（首末两端分别与两个换向片相连接的一个单匝或多匝的线圈，称为元件）和换向器的联接方式不同，可以分为叠绕组（单叠和复叠）、波绕组（单波和复波）和混合绕组。其中单叠及单波是最基本的形式。◆基本概念（a)单叠元件（b)单波元件2.1.6直流电机的电枢绕组34元件◆名词术语介绍由绝缘导线绕制成的线圈又称为绕组元件，可为单匝，也可为多匝。每个元件有两个嵌放在电枢槽中，能与磁场作用产生转矩或电动势的部分称为有效边或元件边，其余部分称为端部每个元件的一个元件边放在槽的上层、另一边在另一槽的下层，分别称为上层边和下层边，画图时分别用实线和虚线表示每个元件有两个出线端，称首端和末端，均与换向片相接35不一定是整数虚槽由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边，将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。极距在电枢铁心表面上，一个极所占的距离称作极距，记作t，也就是相邻两个主磁极轴线之间的距离，一般用槽数表示，即有：式中p为主磁极的极对数。pQu2t若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数S等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：Qu为虚槽数。uQuQS磁极的中心线几何中性线：磁极之间的平分线极对数p36节距第一节距，第二节距，合成节距，换向器节距当ε=0称为整距元件；当ε0称为长距元件；当ε0称为短距元件，实际电机中采用短距元件，可节省铜。第一节距y1：指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其表达式为：式中ε为把y1凑整的小于1的分数。整数pQyu21为使每个元件的感应电动势最大，第一节距应等于一个极距，但极距不一定是整数，而第一节距必须是整数用来表示直流电机中各元件在电枢表面的几何关系37第二节距y2：指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边跨过的距离，用槽数表示。合成节距y：指直接串联的两个元件的对应边所跨的距离。换向器节距yk：指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间所跨的距离，用换相片数表示。第一节距y1，第二节距y2，合成节距y，换向