赵宏革电机学课件——直流电机

第二章直流电机•直流电机的基本原理和结构•直流电机的电枢绕组•直流电机的磁场•直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率•直流电机的特性•直流电机的换向§2.1直流电机的用途电源励磁机测速伺服§2.2直流电机的工作原理一、直流电机的物理模型电势正方向：abcdB+,A-1.直流发电机的工作原理（1）、换流过程abcdABabcdABdcabAB电势正方向：电势正方向：dcbaB+,A-2直流电动机的工作原理（1）、换流过程abcdabcddcab电流正方向：dcba转矩方向：顺时针电势方向：abcd电流正方向：dcba转矩方向：电势方向：电流正方向：abcd转矩方向：顺时针电势方向：dcba一、直流电机的结构§2.3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电刷结构直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成轴承直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心换向器风扇转轴电枢绕组直流发电机运行时的几点结论1.电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2.电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；3.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；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；直流电机的可逆原理•同一台直流电机，通过改变外界条件，可为发电机状态，也可为电动机状态。§2.4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：是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。绕组实物图y=y1-y2有关电枢绕组名词、术语元件第一节距y1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：磁极之间的平分线直流枢绕组基本知识元件：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。绕组放置•元件1：上元件边在1槽，下元件边放在相距y1=5即6槽下层。•元件2：上元件边在2槽，下元件边放在相距y1=5即7槽下层。以此类推基本绕组形式一、单迭绕组：迭：两个相临联接的元件，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=11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+－++－－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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yy•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。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。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。§2.5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·★直流电机的铭牌数据额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速第2章直流电机2.6.1直流电机的空载磁场§2.6直流电机的电枢反应直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为，流过电流为，每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF第2章直流电机2.6.1直流电机的空载磁场直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路第2章直流电机2.6.1直流电机的空载磁场空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。如右图(a)所示几何中性线极靴极身（a）气隙形状磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。第2章直流电机2.6.1直流电机的空载磁场空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。xB（b）气隙磁密分布第2章直流电机2.6.1直流电机的空载磁场为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通，空载时，气隙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。如右图所示。000fF0fI为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。NfNI0fF0fIINfIA0N0第2章直流电机2.6.2直流电机负载时的负载磁场直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。§2.6直流电机的电枢反应第2章直流电机2.6.2直流电机负载时的负载磁场如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中所示。axF由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中所示。axBaxBaxF第2章直流电机2.6.3直流电机的电枢反应§2.6直流电机的电枢反应当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的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。1、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。第2章直流电机2.6.3直流电机的电枢反应xB0axBxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场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第2章直流电机2.6.3直流电机的电枢反应由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。第2章直流电机2.6.3直流电机的电枢反应2、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)(b)所示。adFaqF这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。如图(a)(b)所示。第2章直流电机2.6.3直流电机的电枢反应电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁第2章直流电机2.7.1直流电机的电枢电动势§2.7直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:nCnapNEea60性质:发电机——电源电势(与电枢电流同方向);电动机——反电势(与电枢电流反方向).)(电动势常数为电机的结构常数其中apNCe60可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第2章直流电机具体计算：一根导体：vlBeiavavBav：平均磁密；li：导体长度；v：电枢旋转线速度602npvn：电枢旋转速度（r/min)iavlB：每极磁通支路电势：nCnapNnpllaNeaNEeiiava6060222Ce：电势常数N：总导体数第2章直流电机2.7.2直流电机的电磁转矩§2.7直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作