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直流电机原理王嵩[e-mail]1直流电机原理1.直流电机基本工作原理2.直流电机基本结构（绕组）3.直流电机磁场分析4.直流电机基本方程5.直流电机基本特性6.直流电机换向7.直流电机拖动2直流电机绕组•直流绕组构成•直流绕组的术语•直流电机单叠绕组•直流电机单波绕组•各种绕组的应用范围2直流电机绕组绕组由一系列元件边和端接线按一定规律排列构成的感应电势和产生电磁力的导体集合作用将导体感应电势有效组织起来将电枢电流有效分布要求节省材料结构简单制造维护方便2.1直流绕组的构成(1)绕组的要求2直流电机绕组2.1直流绕组的构成环形绕组示意图鼓形绕组示意图主要分类2直流电机绕组①环形电枢绕组eeeeeeeeeeeeee(2)电枢绕组的演变优点绕组不受极数的限制,即同样的绕组可供不同极数的电机使用缺点中空铁心内侧导体无法切割磁极磁通（无磁通可切）以产生电势,即只有一半导体产生电动势，浪费材料且增加电枢电阻须手工绕制,制造费时,且绝缘处理不易使自感及互感增大致换向不良2直流电机绕组②鼓形电枢绕组2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e优点导体利用率较环形绕组高可采用成形的绕组,绕置容易及易于绝缘自感及互感较环形绕组小,因此换向较环形绕组优缺点不能适用於不相同极数的电机,有可能电动势方向或电磁力方向会相反而抵消一部分。2直流电机绕组将两根导体组成一个线圈将多个线圈通过换向片连接起来所有换向片组成换向器所有线圈组成绕组(3)电枢绕组的构成2直流电机绕组元件边：在电枢槽内，感应电势和产生电磁力的导体端接线：联接两元件边的导体元件：组成绕组的最小独立部分，由两个元件边和端接线组成2.2直流绕组的术语元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。pD2叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。电枢绕组基本知识2直流电机绕组2直流电机绕组•槽数Q•虚槽数Qu=u×Q•u为每个槽上下层各有元件边数•若每个槽上下层只有一个元件边，则u=1•绕组元件数S•换向片数K一般情况下，u=1则Qu=K=S极距τ第一节距y1第二节距y2合成节距y换向节距yK单波绕组元件右行pKyy1K左行pKyy1K右行pQ2整数ε21pQy单叠绕组元件右行左行2直流电机绕组•第一节距y1•元件两有效边在电枢表面所跨的距离•尽量接近τ，必定为整数•y1=τ整距绕组常用•y1τ短距绕组常用•y1τ长距绕组第二节距y2相串联的两个元件中，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合成节距y相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离叠绕组y=y1-y2波绕组y=y1+y2换向（器）节距yK在换向器表面上，同一个元件的出线端所接的yK=y两个换向片之间所跨的距离整数ε21pQy2直流电机绕组•单叠绕组：所有相邻元件依次串联，同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。•y=1，右行；y=-1，左行•所有元件电势全部串联成一环状，由电刷分割•电刷放在(感应电势为零的元件上)几何中心线上•支路为2p偶数，对称1cyy2.3直流电机单叠绕组2直流电机绕组116424uQyp第一节距y1合成节距y和换向器节距yk1Kyy21413yyy第二节距y2画出单叠绕组展开图某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为16。2直流电机绕组1234567891011121314151616(1)画槽2直流电机绕组1234567891011121314151616ττττNSNSS(2)放磁极2直流电机绕组1234567891011121314151616ττττNSNSS1612345678910111213141515(3)画换向片2直流电机绕组1234567891011121314151616ττττNSNSS1516123456789101112131415电枢转向(4)连绕组2直流电机绕组1234567891011121314151616ττττNSNSS1516123456789101112131415电枢转向(5)电动势方向2直流电机绕组1234567891011121314151616ττττNSNSS1516123456789101112131415A1A2B1B2--+++-电枢转向(6)放电刷1234567891011121314151616ττττNSNSS1516123456789101112131415A1A2B1B2--+++-电枢转向2直流电机绕组12345678910111213141516567891011121314151612341上层元件边下层元件边yy1y22直流电机绕组4极电机，Qu=S=K=16单叠右行整距绕组并联支路对数a=2=p单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路并联支路数等于极数单叠绕组展开图2直流电机绕组单叠绕组瞬间电路图Next2直流电机绕组发电机状态电动机状态2直流电机绕组1kyy单叠绕组特点单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同，2a=2p。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。补充为保证各支路电动势相等，不产生环流，可在电枢绕组中理论上电位相等的点用均压线联结2直流电机绕组•单波绕组：同一极性下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后在从此换向片出发，继续绕连，一直到把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭合电路为止。•单波绕组只有两条并联支路•-1为左行，+1为右行1KKyyp2.4直流电机单波绕组2直流电机绕组'11514244uQyp第一节距y1合成节距y和换向器节距yKK115172Kyyp21734yyy第二节距y211533244uQyp''21743yyy画出单波绕组展开图某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为15。2直流电机绕组334567891110121314152145678910111213141512SNNSττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷2直流电机绕组4极电机，Q=Qu=S=K=15单波左行短整距绕组并联支路对数a=1单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路并联支路数等于2单波绕组展开图2直流电机绕组单波绕组电路图2直流电机绕组单波绕组特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。单叠绕组与单波绕组比较并联支路对数不同每条并联支路所串联的绕组不同2直流电机绕组小结直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组；直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。单叠绕组a=p即并联支路对数恒等于电机极对数单波绕组a=1即并联支路对数恒等于1另外电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。2直流电机绕组•除单叠、单波绕组外•复叠绕组：两个单叠绕组互相间隔嵌入槽内•复波绕组：两个单波绕组互相间隔潜入槽内•混合绕组：一个单叠和一个单波绕组（蛙型）•应用•单波绕组支路最少，用于小容量电机和电压较高或转速较低的电机•复波绕组可用于多极数、低速的大中型电机•单叠绕组的支路数比波绕组多，主要用于中等容量、正常电压和转速的电机•复叠绕组用于大容量或低压、大电流的电机•蛙型绕组常用在转速较高、换向困难的大型直流电机2.5各种绕组的应用范围3直流电机磁场3直流电机磁场直流电机励磁方式直流电机空载磁场直流电机负载磁场(电枢反应)重要性：磁场特性直接影响电机运行性能。3直流电机磁场他励式：励磁绕组与电枢绕组无关自励式：并励：励磁绕组与电枢绕组并联电动机：发电机：串励：励磁绕组与电枢绕组串联复励：兼有串励绕组和并励绕组afafIIIIIIfaIII3.1直流电机励磁方式3直流电机磁场3直流电机磁场3直流电机磁场空载输出功率为零有损耗存在，电枢电流≠0理想空载电枢电流为零且转速≠0机械能不转换成电能电能也不转换成机械能电机中的磁场完全由主极绕组产生3.2直流电机空载气隙磁场(1)空载3直流电机磁场(2)直流电机空载磁场分布励磁绕组通直流电产生的磁场空载时电机中的磁场分布对称主磁通漏磁通3直流电机磁场主极磁场根据磁力线通路（磁路）差异区分•主磁通Φ：通过气隙，并形成气隙磁场（主磁场），同时交链励磁绕组和电枢绕组•主极漏磁通Φf：不通过气隙的磁通，不产生感应电势主磁路•主磁通在转子导体(电枢绕组)中产生感应电势主极漏磁路•漏磁通不产生感应电势，可能引起主极铁心饱和，增大磁路磁阻除作用不同外，主磁通与漏磁路的路径、大小也不同3直流电机磁场•假设•铁磁材料μ→∞•不计齿槽影响(3)空载气隙磁密F2F2FF2FF2NI2dlHFff0转子齿转子轭定子齿定子轭3直流电机磁场(3)空载气隙磁密ffxxINH22xffxINB0F2NI2Fff0几何中性线极靴极身（a）气隙形状xB（b）气隙磁密分布3直流电机磁场结构感应电势导体沿铁心轴向分布磁力线径向分布运动方向：转子圆周切线方向B、l、v三者正交运动导体感应电势载流导体产生电磁力lvBexxliBfxx(4)导体空载感应电势及电磁力3直流电机磁场fNI0fF0fINIfIA0N0(5)直流电机空载磁化特性思考：额定工作点应该设计在哪里？•空载时，主磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。3直流电机磁场3.3直流电机负载气隙磁场(1)电刷位于几何中性线时电枢绕组磁动势3直流电机磁场•以o为原点•以（x，-x）构成闭合磁路•则x处磁动势大小•则x处磁密大小•主磁极正下方气隙均匀B∝F•几何中性线附近气隙很大B很小2aaxaiNiFHxD00axaaxaFNiBHxD马鞍形3直流电机磁场电枢磁场磁通密度分布曲线主磁场的磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线电机负载时，气隙磁场由主极磁势和电枢磁势共同建立3直流电机磁场当电刷不在几何中性线上电刷从几何中性线偏移β角，电枢磁动势轴线也随之移动β角电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势Faq直轴电枢磁动势Fad(2)电刷偏离几何中性线时电枢绕组磁动势3直流电机磁场•交轴磁势Faq：磁势与电刷轴线重合•直轴磁势Fad：磁势与磁极轴线重合3直流电机磁场•电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，负载后电枢中有电枢电流，气隙中磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。•交轴电枢磁势→交轴电枢反应•直轴电枢磁势→直轴电枢反应(3)直流电机电枢反应3直流电机磁场电枢磁场磁通密度分布曲线主磁场的磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线①