第01章-直流电机

目录下页上页退出第一章直流电机本章主要研究换向器式直流电机，分析它们的工作原理、结构、电路系统和磁路系统、运行时的电磁过程及工作特性，并对无换向器式直流电机作简单介绍。•1.1直流电机的工作原理与结构•1.2直流电机的铭牌数据及主要系列•1.3直流电机的电枢绕组•1.4直流电机的磁场•1.5直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算•1.6直流电机的换向•1.7直流发电机•1.8直流电动机目录下页上页退出1.1.1直流电机的主要结构换向磁极电刷装置机座端盖电枢铁心电枢绕组换向器转轴风扇主磁极转子定子1-换向器2-电刷装置3-机座4-主磁极5-换向极6-端盖7-风扇8-电枢绕组9-电枢铁心1.1直流电机的工作原理与结构直流电机剖面图目录下页上页退出1.1.2直流电机的工作原理一直流发电机的工作原理右图表示一台最简单的两极直流电机的模型。N、S为定子磁极，由A和x两根导体连成的一个电枢线圈是放置在可旋转导磁圆柱体上（称为电枢铁心），线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首端和末端分别连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片1和2上。电枢线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷B1和B2进行的。图1-1目录下页上页退出•根据电磁感应定律，导体的感应电动势为e=BxLV。则整个线圈从x→A的感应电动势eXA=2BxLV。由于转速n是恒定的，故V为一定值；对于已制成的电机，L也是一定的，所以电动势eXA与磁通密度BX成正比，这说明线圈电动势的变化规律与气隙磁场沿圆周的分布规律相同。当原动机驱动电机转子以恒定的转速n逆时针方向转动，设在图1-1所示瞬间，如右图。根据右手定则，可以判定导体A的电动势方向为穿出纸面，用⊙表示；导体x的电动势方向为进入纸面，用表示。图1-1由图可见，此时电刷B1与导体A所连的换向片1相接触；而电刷B2则与导体x所连的换向片2相接触，因此电刷B1的极性为“＋”，电刷B2的极性为“－”。目录下页上页退出•有了BX的分布曲线以后，因为eXA∝BX，所以只要改变坐标刻度，曲线也可以表示为线圈电动势随时间的变化规律。可以看出，线圈电动势是交变的。•当电枢转过180°后，导体x到了原来导体A的位置，导体A则到了原来导体x的位置。根据右手定则，此时导体x的电动势方向为⊙,导体A的电动势方向为图1-1图1-2知道了BX的分布曲线，也就可以知道线圈电动势的变化规律。为此可以假想把电枢从外圆上某点切开，把圆周拉成一直线作为横坐标，并以磁通密度BX为纵坐标，而绘出BX的分布曲线，如图1-2所示。一般假定以N极下的磁通密度为负值，S极下的磁通密度为正值。目录下页上页退出图1-1图1-2•若在B1、B2之间接上一个负载，负载上就会流过一个方向不变的电流，这就是直流发动机的工作原理。•显然在一个线圈的情况下，电刷B1与B2之间的电动势的方向虽然不变，但在数值上却是变化的，因此在实际电机中，电枢绕组是由许多线圈按照一定规律连接起来而构成的，这就使电刷间电动势的脉动程度大大降低，实用时可以认为产生的是一个恒定直流。•由于电刷在空间是固定不动的，这时电刷B1与换向片2相接触，电刷B2与换向片1相接触。，所以电刷B1的极性仍为“＋”，电刷B2的极性仍为“－”，这样就在电刷B1与B2之间得到一个方向不变电动势。目录下页上页退出二.直流电动机的工作原理如果不用原动机去带动电枢旋转，而是由外电源从电刷B1、B2输入直流电流，使电流从正电刷B1流入，从负电刷B2流出，则此时N极下的线圈电流总是由首端流向末端。S极下的线圈电流总是由末端流向首端，所以N极下和S极下的线圈受到的电磁力的方向是始终不变的，它们产生的转矩的方向也就不变。这个转矩使电枢始终沿一个方向旋转，就把电能变换成机械能，使之成为一台直流电动机而带动生产机械工作。图1-1目录下页上页退出•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。三.直流电机的可逆性目录下页上页退出1.2直流电机的铭牌数据及主要系列1）额定容量（额定功率）PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。1.2.1直流电机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。直流电机的额定值主要有下列四项：目录下页上页退出2）额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。3）额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为单位。4）额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PN＝UNINηN对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN目录下页上页退出1.2.2直流电机系列所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系列电机，我国目前生产的直流电机的主要系列有：•Z3系列:为一般用途的小型直流电机系列，是一种基本系列。“Z”表示直流，“3”表示第三次改型设计。•ZF和ZD系列:为一般用途的中型直流电机系列。“F”表示发电机，“D”表示电动机。•ZZJ系列:为起重、冶金用直流电动机系列。此时还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机和发电机系列等。目录下页上页退出1.3直流电机的电枢绕组组成电枢绕组的基本单元称为“元件”，一个元件由两条元件边和端接线组成。绕组元件可以是一匝或多匝，匝数的多少也就等于每一元件边所包含的串联导体数。1.3.1直流电机电枢绕组的一般介绍一、元件绕组元件在槽中的位置1-上元件边2-后端接线3-下元件边4-前端接线目录下页上页退出二、虚槽•因为每一个元件有两个元件边，而每一换向片连接一个元件的始端和另一个元件的末端；又因为每一个虚槽包含着两个元件边，所以绕组的元件数S、换向片数K和虚槽数Zi三者应相等，即S=K=Zi=uZ•为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽”的概念。设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽看作包含有u个“虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表示u=3时，元件边的布置情况。若实槽数为Z，虚槽数为Zi，则Zi=uZ目录下页上页退出三、第一节距y12aDp12Ziyp整数2iZp一个元件的两个有效边之间的距离称为第一节距或后节距，用虚槽数表示。在电机中，若沿电枢圆周表面相邻两磁极的距离称为极距,则为了获得较大的线圈电动势，第一节距y1应等于或接近于一个极距，极距按下式计算：式中Da——电枢外径；P——磁极对数。若极距用虚槽数表示，则由于Zi不一定能被极数2P整除，而y1又必须为整数，所以应使若ε=0，则y1=，称为整距绕组；若ε≠0，则y1﹥时，称为长距绕组，y1﹤时，称为短距绕组。目录下页上页退出四、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之间的距离称为第二节距或前节距，用虚槽数表示。五、合成节距y•相串联的两个元件的对应边之间的距离称为合成节距，用虚槽数表示。•合成节距表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，它是反映不同形式绕组的一个重要标志。•单叠绕组y=y1-y2•单波绕组y=y1+y2目录下页上页退出•一个元件的两个出线端所联接的换向片之间的距离称为换向器节距，以换向片数表示。•由于元件数等于换向片数，因此元件边在电枢表面前进（或后退）多少个虚槽，其出线端在换向器上也必然前进（或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成节距，即：yk=y六、换向器节距yk目录下页上页退出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y=yk=1。1.3.2直流电枢绕组的基本形式一、单叠绕组下面通过例子说明单叠绕组的联接方法和特点。（2）画出展开图如下图所示。作图步骤如下：设2P=4，S=K=Zi=16，单叠右行绕组。（1）计算节距，采用整矩绕组，因为单叠右行，故y=yk=1，所以y2=y1-y=4-1=3。1160424iZyp目录下页上页退出先画16个槽和16个换向片，并将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及与元件上层边相联接的换向片号码编得一致，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相连接。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，下层边用虚线表示，编号为5目录下页上页退出将2号元件的上层边放入2号槽的上层（1+y=2），下层边放在6号槽的下层（2+y1=6），2号元件的上层边联在2号换向片上，下层边联在3号换向片上。依次类推，最后第16号元件的下层边与1号换向片相联，整个绕组形成一个闭合回路，绕组联接完毕。绕组元件的联接顺序如下。1234567891011121314151615′6′7′8′9′10′11′12′13′14′15′16′1′2′3′4′上层下层因y=yk=1，故1号元件的末端应联接在2号换向片上（1+yk=2）一般应使元件左右对称，这样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。目录下页上页退出放置磁极：在绕组展开图上均匀放置4个磁极（2p=4）。假定N极的磁通是进入纸面，S极的磁通是从纸面穿出，电枢自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正处于磁极几何中性线上，感应电动势为零，这四个元件把整个绕组分成四段，每段有三个电动势方向相同的元件相串联。由于每段电路中对应元件所处的磁场位置相同，所以每段电路的电动势大小相等，但方向两两相反，因此在整个闭合回路内互相抵销，总电动势为零，不会产生环流。目录下页上页退出综上所述：要使电刷间的电动势为最大，电刷必须和位于几何中性线（磁极之间的平分线）的元件相连接，在电机中把这种情况称为“电刷在几何中性线”。放置电刷：为了引出最大电动势，必须在换向片1和2、5和6、9和10、13和14之间，也就是在磁极轴线位置，放置4组电刷A1、B1、A2、B2，因为这时A、B电刷之间所包含的元件，其电动势的方向都是相同的目录下页上页退出单叠绕组的的特点：•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。若以a表示支路对数，P表示极对数则2a=2p•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。•电枢电流等于各支路电流之和。目录下页上页退出1kKyyP整数二、单波绕组•单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。•所谓单波绕组就是指当联接了p个元件后，第p个元件的末端应落在与起始换向片相邻的换向片上，即：pyk=k±1•若取pyk=K+1，表示绕完一周后，落在起始换向片右边的换向片上，称为单波右行，这时端接部分交叉，一般不采用。反之，若取pyk=K-1，表示绕完一周后，落在超始换向片左边的换向片上，称为单波左行。目录下页上页退出下面通过例子说明单波绕组的联接方法和特点。21734yyy•绕组展开图设2p=4，Zi=S=K=15，单波左行绕组。计算绕组节距（为一短距绕组）153344115172kKyyp1Ziy=2p作图的过程与单叠绕组的相仿，画出15个槽和换向片，并进行编号。将1号元件的上层边放在1号槽内（实线）并与1号换向片相联，1号元件的下层边放在第4（1+y1=4）号槽内（虚线）并与第8号（1+yk=8）换向片相连，作图时目录下页上页退出•同样应使元件左右对称。与1号元件相联的元件