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张勇主编 电机拖动与控制 青岛港湾职业技术学院 面向21世纪高职高专系列教材 第0章电机概述 电机的定义电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置 是电动机和发电机的统称 将电能转换为机械能的电机称为电动机 将机械能转换为电能的电机称为发电机 工作原理电磁感应定律 电磁力定律及电流的磁效应 构造的一般原则用适当的导磁和导电材料构成能互相进行电磁感应的电路和磁路 以产生电磁功率和电磁转矩 达到能量转换的目的 电机分类 我们周围的电机举例 我们周围的电机举例 本章内容 直流电机的基本工作原理直流电机的结构及铭牌直流电机的电枢绕组直流电机的磁场电枢绕组的感应电动势与电磁转矩直流电机中的换向直流电动机的分类 第一章直流电机基本理论及结构 第一章直流电机基本理论及结构 直流电机优缺点 优点 起动性能和调速性能好 过载能力大 缺点 存在电流换向问题 结构工艺复杂 使用有色金属多 价格昂贵 运行可靠性差 直流电机发展形势 随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展 将逐步被交流调速电动机取代 直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代 但在今后一个相当长的时期内 直流电机仍将在许多场合继续发挥作用 1 1直流电机的基本工作原理 补充 分析电机常用的基本电磁定律 1 电磁力定律 垂直于磁力线的导体通过电流时 会受到力的作用 力的方向用左手定则确定 若与磁力线垂直的导体通过电流 导体受的力为 F B L IF 力 NB 磁感应强度 Wb m2或T 特斯拉 L 导体的有效长度 mI 导体中的电流 A 若导体与磁力线发生相对运动 导体中感应的电势为 E B L VE 感应电势 VB 磁感应强度 Wb m2或T 特斯拉 L 导体的有效长度 mV 导体的运动速度 m s 感应电动势的方向用右手定则确定 1 1直流电机的基本工作原理 2 电磁感应定律 若导体切割磁力线 导体中会产生感应电动势 1 1直流电机的基本工作原理 3 电流磁效应 通电的导体周围会产生磁场 磁场的方向用右手螺旋定则确定 1 1直流电机的基本工作原理1 1 1直流电动机的基本工作原理 直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械 N和S是一对固定的磁极 可以是电磁铁 也可以是永久磁铁 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将电流流过 电流方向a到b到c到d到a 在磁场作用下 N极性下导体ab受力方向从右向左 S极下导体cd受力方向从左向右 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 当电磁转矩大于阻转矩时 电机转子逆时针方向旋转 如右图 a 图1 1直流电动机的工作原理 1 1 1直流电动机的基本工作原理 当电枢旋转到右图所示位置时原N极性下导体ab转到S极下 受力方向从左向右 原S极下导体cd转到N极下 受力方向从右向左 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转 实际的直流电动机 电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈 相应地换向器由许多换向片组成 使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀 电动机的转速也就比较均匀 b 图1 1直流电动机的工作原理 1 1 1直流电动机的基本工作原理 电机的各组成部件 1 1直流电机的基本工作原理1 1 2直流发电机的基本工作原理 右图为直流发电机的物理模型 N S为定子磁极 abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈 线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢 线圈的首末端a d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上 转子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进行的 1 1 2直流发电机的基本工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时 线圈abcd将产生感应电动势 如右图 导体ab在N极下 a点高电位 b点低电位 导体cd在S极下 c点高电位 d点低电位 电刷A极性为正 电刷B极性为负 图1 2直流发电机的工作原理图 当原动机驱动电机转子逆时针旋转180度后 如右图 导体ab在S极下 a点低电位 b点高电位 导体cd在N极下 c点低电位 d点高电位 电刷A极性仍为正 电刷B极性仍为负 可见 和电刷A接触的导体总是位于N极下 和电刷B接触的导体总是位于S极下 1 1 2直流发电机的基本工作原理 图1 2直流发电机的工作原理图 1 1 2直流发电机的基本工作原理 电机可逆原理 从上述基本电磁情况来看 一台直流电机原则上既可以作为发电机运行 也可以作为电动机运行 只是其输入输出的条件不同而已 如用原动机拖动直流电机的电枢 将机械能从电机轴上输入 而电刷上不加直流电压 则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源 可输出电能 电机将机械能转换成电能而成为发电机 如在电刷上加直流电压 将电能输入电枢 则从电机轴上输出机械能 拖动生产机械 将电能转换成机械能而成为电动机 这种同一台电机 既能作发电机又能作电动机运行的原理 在电机学理论中称为电机的可逆原理 1 2直流电机的结构及铭牌1 2 1结构 直流电机结构 主要由定子 转子 电枢 两大部分组成 定子的作用是产生磁场 转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势 1 2 1结构 图1 4直流电机横剖面示意图 1 定子直流电机的定子由主磁极 机座 换向极 端盖和电刷装置等部件组成 1 主磁极 主要作用是建立主磁场 绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场 主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成 主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴 它的作用是使气隙磁阻减小 改善主磁极磁场分布 并使励磁绕组容易固定 2 换向极 主要作用是改善换向 安装在两相邻主磁极之间 是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成 3 机座 机座有两个作用 一是作为主磁极的一部分 二是作为电机的结构框架 机座中作为磁通通路的部分称为磁轭 机座的两端装有端盖 4 端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子 将定转子连为一体 同时端盖对电机内部还起防护作用 1 2 1结构 1 2 1结构 5 电刷装置 电刷装置是电枢电路的引出 或引入 装置 它由电刷 刷握 刷杆和连线等部分组成 图1 7换向极 1 2 1结构 1 2 1结构 2 转子转子部分包括电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 风扇等 1 电枢铁心 电枢铁心既是主磁路的组成部分 又是电枢绕组支撑部分 电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内 为减少电枢铁心内的涡流损耗 铁心一般用厚0 5mm且冲有齿 槽硅钢片叠压夹紧而成 2 电枢绕组 电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成 是直流电机的电路部分 也是感生电动势 产生电磁转矩进行机电能量转换的部分 线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成 分上下两层嵌放在电枢铁心槽内 上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘 并用槽楔压紧 3 换向器 在直流电动机中 换向器起逆变作用 因此换向器是直流电机的关键部件之一 换向器由许多换向片排成一个圆筒 其间用云母片绝缘 两端再用两个V形环夹紧而构成 1 2 1结构 1 2 1结构 1 2 1结构 1 2 1结构 电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据 供用户选择和使用时参考 额定值是制造厂对各种电气设备 本章指直流电机 在指定工作条件下运行时所规定的一些量值 在额定状态下运行时 可以保证各电气设备长期可靠地工作 并具有优良的性能 额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据 额定值通常标在各电气的铭牌上 故又叫铭牌值 1 2 2电机的铭牌 1 铭牌数据根据国家标准 直流电机的额定数据有 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 若大于1kW或1MW时 则用kW或MW表示 对于直流发电机 PN是指发电机带额定负载时 电刷输出的功率 它等于额定电压和额定电流的乘积 PN UNIN 对于直流电动机 PN是指电动机带额定负载时 转轴上输出的机械功率 所以公式中还应有效率 N存在 PN UNIN N N额定效率 1 2 2电机的铭牌 额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压 以 V 为量纲单位 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 为量纲单位 额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速 以r min为量纲单位 额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值 1 2 2电机的铭牌 1 2 2电机的铭牌 此外 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 出厂日期 出厂编号等 电动机轴上输出的额定转矩用TN表示 其大小等于输出的额定机械功率除以转子额定角速度 即TN PN N PN 2 nN 60 9 55PN nN 实际运行时 电机不可能总是工作在额定运行状态 如果运行时电机的负载小于额定容量 称为欠载运行 而电机的负载超过额定容量 称为过载运行 长期的欠载或过载都不好 1 2 2电机的铭牌 例题1 1 一台直流电动机其额定功率PN 160kW 额定电压UN 220V 额定效率 N 90 额定转速nN 1500r min 求该电动机额定运行状态时的输入功率 额定电流及额定转矩各是多少 1 2 2电机的铭牌 解 额定输入功率P1 PN N 160 0 9 177 8kW额定电流IN PN UN N 160 103 220 0 9 808 1A额定转矩TN 9 55PN nN 9 55 160 103 1500 1018 7N m 2 国产直流电机产品的型号 电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示 其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字 再从该字的拼音中得到 例如 ZA 112 2 1其中 Z 直流电动机 A 设计系列号 112 中心高112mm2 极数 1 1号铁心Z2系列是一般用途的中 小型直流电机 包括发电机和电动机及调压发电机 Z和ZF系列是一般用途的大 中型直流电机系列 Z是直流电动机系列 ZF是直流发电机系列 ZQ系列是电力机车 工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机 ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机 ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机 1 2 2电机的铭牌 1 3直流电机的电枢绕组1 3 1电枢绕组的常用术语 元件 线圈 构成绕组的线圈称为绕组元件 分单匝和多匝两种 一个元件由两条元件边和端接线组成 元件边放在槽内 能切割磁力线而产生感应电动势 叫 有效边 端接线放在槽外 不切割磁力线 仅作为连接线用 每个元件的一个元件边放在某一个槽的上层 另一个元件边则放在另一槽的下层 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 每一个元件的两个端点分别接在不同的换向片上 每个换向片接两个不同的线圈端头 实槽 电机电枢上实际开出的槽叫实槽 实槽数用Q表示 虚槽 即单元槽 每层元件边的数量等于虚槽数 每个虚槽的上 下层各有一个元件边 虚槽数用Q 表示 设槽内每层有 个虚槽 若实槽数为Q 虚槽数为Q 则Q Q 极轴线 磁极的中心线 几何中性线 是指主磁极N极和S极的机械分界线 物理中性线 把N极与S极磁场为零处的分界线称为物理中性线 1 3 1电枢绕组的常用术语 a 元件b 绕组元件在槽内的放置c 实槽与虚槽b 1 上层边 2 下层边 3 端接部分 4 首 末端c 1 槽楔 2 线圈绝缘 3 导线 4 层间绝缘 5 槽绝缘 6 槽底绝缘 1 3 1电枢绕组的常用术语 极距 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离 用表示为 距离 1 3 1电枢绕组的常用术语 极距位置示意图 绕组节距 绕组节距通常用虚槽数或换向片数表示 见图1 12 1 第一节距Y1 同一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离 2 第二节距Y2 连至同一换向片上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间的距离 3 合成节距Y 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离 4 换向器节距YK 同一元件首末端连接的换向片之间的距离 单叠绕组 单波绕组 1 3 1电枢绕组的常用术语 1 3 1电枢绕组的常用术语 绕组主要分类 大的分类为环形和鼓形 环形绕组只曾在原始电机用过 现代直流电机均用鼓形绕组 它又分为叠绕组 波绕组和蛙形绕组 鼓形绕组比环形绕组制造容易 又节省导线 运行较可靠 经济性好 故现在均用鼓形绕组 1 3 1电枢绕组的常用术语 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 1 3 1电枢绕组的常用术语 单叠绕组 是指相邻元件 线圈 相互叠压 元件的出线端接到相邻的换向片上 第一个元件的下层边 虚线 连接着第二个元件的上层边 它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内 合成节距与换向节距均为1 即 Y Yk 1下面通过例子说明单叠绕组如何连接 有何特点 例 已知某直流电机的极对数p 2 虚槽数Q 元件数S 及换向片数为K S K Q 16 试画出单叠绕组展开图 1 3 2单叠绕组 解 1 计算绕组数据 因为是单叠 所以Y Yk 12 画绕组展开图 假想把电枢从某一槽的中间沿轴向切开展示成平面 所得绕组连接图称为绕组展开图 1 先画16根等长 等距的实线 代表各槽上层元件边 再画16根等长等距的虚线 代表各槽下层元件边 1 3 2单叠绕组 Q 2 根据Y1 画出第一个元件的上下层边 1 5槽 令上层边所在的槽号为元件号 3 接上换向片 1 2片之间对准元件中心线 之后等分换向器 定出换向片号 4 画出第二个元件 上层边在第2槽 与第一个元件的下层边联接 下层边在第6槽与3号换向联接 按此规律 一直把16个元件全部联起来 5 放磁极 磁极应均匀分布在圆周上 N极磁力线垂直向里 进入纸面 S极向外 从纸面穿出 1 3 2单叠绕组 6 放电刷 对准在磁极轴线下 画一个换向片宽 实际上K很多 电刷宽 2 3片宽 并把相同极性下的电刷并联起来 实际运行时 电刷是静止不动的 电枢在旋转 但是被电刷所短路的元件 永远都是处于电机的几何中性线 其感应电动势是接近零的 为使正 负电刷间引出的电动势最大 我们已知被电刷所短路的元件电动势为零 在元件端接线对称的情况下 电刷的实际位置应在磁极中性线下 所以习惯上称为 电刷放在几何中性线位置 1 3 2单叠绕组 1 3 2单叠绕组 1 3 2单叠绕组 单叠绕组连接顺序表绕组展开图比较直观 但画起来比较麻烦 为简便起见 绕组连接规律也可用连接顺序表来表示 本例连接顺序表如下 上排数字同时代表上层元件边的元件号 槽号和换向片号 下排数字代表下层元件边所在的槽号 图1 15单叠绕组并联支路图 1 3 2单叠绕组 取一瞬间 如图F1 16瞬间 将此瞬间不与电刷接触的换向片省去不画 可以得到图1 15的并联支路图 可以看出单叠绕组的连接规律是将同一磁极下的各个元件串联起来组成一条支路 所以 单叠绕组的并联支路对数a总等于极对数p 即a p 单叠绕组的特点 1 同一主磁极下的元件串联成一条支路 主磁极数与并联支路数相同 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 电刷个数等于极数 1 3 2单叠绕组 1 3 3单波绕组 单波绕组的特点 1 上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路 并联支路对数恒等于1 与磁极对数无关 2 当元件的几何形状左右对称 电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时 支路电动势最大 3 电刷数等于磁极数 全额电刷 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的主要区别在于并联支路对数的多少 单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数 适用于低电压大电流的电机 单波绕组的并联支路对数a 1 但每条支路串联的元件数较多 适用于小电流较高电压的电机 1 3 3单波绕组 1 4直流电机的磁场1 4 1空载时的主磁场 直流电机工作中 主磁极产生主磁场 电枢电流产生电枢磁场 这两个磁场在气隙中相互影响 相互叠加 合成了气隙磁场 空载 发电机不输出电功率 电动机不输出机械功率 即电枢电流为零的状态 那么 这时的气隙磁场 只由主极的励磁电流所建立 所以直流电机空载时的气隙磁场 又称励磁磁场 可以看作是主磁场 主磁通 经过主磁极 气隙 电枢铁心及机座构成磁回路 它同时与励磁绕组及电枢绕组交链 能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩 称为主磁通 漏磁通 仅交链励磁绕组本身 不进入电枢铁心 不和电枢绕组相交链 不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩 称为漏磁通 主磁通路径 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极漏磁通路径 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 1 4 1空载时的主磁场 下图1 19是一台四极直流电机空载时的磁场示意图 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 15 20 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 1 4 1空载时的主磁场 磁极中心及附近的气隙小且均匀 磁通密度B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 1 4 1空载时的主磁场 直流电机带上负载后 电枢绕组中有电流流过 它将产生一个电枢磁场 电枢磁场的磁力线分布如右图 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二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 1 4 2负载时的电枢磁场 将图1 21a展开为图1 21b 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Fax所示 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Bax所示 注意 电枢磁动势Fax为三角波 电枢磁通密度Bax为马鞍型 1 4 2负载时的电枢磁场 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 电枢磁动势对主磁极的影响称为电枢反应 电枢反应与电刷的位置有关 当电刷在几何中性线上时 电枢磁场和主极磁场相互垂直 此时的电枢反应叫交轴电枢反应 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 1 4 3电枢反应 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 1 4 3电枢反应 将空载时主极磁通密度与负载时电枢磁通密度逐点相加 便得到负载时气隙中的磁场分布曲线 红线所示 交轴电枢反应 电刷在几何中性线 的性质 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 磁通密度的曲线与空载时不同 2 对主极磁场起去磁作用磁路不饱和时 主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量 因此负载时每极下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饱和的影响 比不饱和增加的磁通要少些 从而使合成磁通量比空载时略为减小 起到了去磁作用 即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质 1 4 3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 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 1 4 3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 1 4 3电枢反应 1 5电枢绕组的感应电动势与电磁转矩1 5 1电枢电动势 电枢电动势 电枢旋转时 主磁场在电枢绕组中感应的电动势 是指直流电机正 负电刷之间的感应电动势 也就是电枢绕组每条支路的感应电动势 即一条支路中各元件感应电动势之和 大小 式中N 电枢总导体数 a 电枢绕组并联支路对数 电动势常数F 气隙每极磁通 Wb n 电机的转速 r min 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 感应电动势的方向由电机转向和主磁场方向决定 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 1 5 1电枢电动势 电磁转矩 电枢绕组中有电枢电流流过时 在磁场内受电磁力的作用 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩 电机的总电磁转矩为 可见 制造好的直流电机其电磁转矩 每极磁通及电枢电流成正比 方向由主磁场方向和电枢电流方向决定 性质 发电机 制动 与转速方向相反 电动机 驱动 与转速方向相同 1 5 1电磁转矩 1 5 1电磁转矩 电枢电动势的方向由电机的转向和主磁场方向决定 其中只要有一个方向改变 电动势方向也就随之改变了 电磁转矩的方向由电枢电流和主极磁场的方向决定 同样 只要改变其中一个方向 电磁转矩方向将随之改变 而两个方向同时改变时 则电磁转矩方向不变 1 5 1电磁转矩 例 1 2 一台直流发电机2p 4 2a 2 31槽 每槽元件数为12 E 115V 额定转速nN 1450r min 求 1 每极磁通 2 此发电机作为电动机使用 当电枢电流为800A时 能产生多大电磁转矩 1 2解 1 Ce pN 60a 2 31 12 60 1 12 4F E Cen 115 12 4 1450 Wb 6 4 10 3Wb 2 CT 9 55Ce 118 42T CTFIa 118 42 6 4 10 3 800 Nm 606 3Nm 1 5 1电磁转矩 例1 3 上题电机之数据 当每极磁通量不变时 1 电机转速降低至1000r min时 电枢感应电动势为多少 2 电枢电流减小到500A时 电枢产生的电磁转矩为多大 1 3解 带入式感应电动势公式及电磁转矩公式计算如下 1 Ea CeFn 12 4 6 4 10 3 1000 V 79 36V 2 T CTFIa 118 42 6 4 10 3 500 Nm 378 94Nm 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度 换向是指直流电机的电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路 该元件电流从一个方向变换为另一个方向 电枢移到电刷与换向片2接触时 元件1被短路 电流被分流 如图所示 电刷与换向片1接触时 元件1中的电流方向如图所示 大小为 电刷仅与换向片2接触时 元件1中的电流方向如图所示 大小为 1 6直流电机中的换向1 6 1换向过程的基本概念 1 6 1换向过程的基本概念 图1 23直流电机电枢绕组元件的换向过程a 换向开始瞬间b 正在换向瞬间c 换向结束瞬间 元件从开始换向到换向终了所经历的时间 称为换向周期 换向周期通常只有千分之几秒 直流电机在运行中 电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程 换向问题很复杂 换向不良会在电刷与换向片之间产生火花 当火花大到一定程度 可能损坏电刷和换向器表面 使电机不能正常工作 产生火花的原因很多 除了电磁原因外 还有机械原因 化学原因 1 6 1换向过程的基本概念 换向元件与换向过程中产生的电动势分为两类 电抗电动势和电枢反应电动势 1 电抗电动势换向元件 线圈 在换向过程中电流改变 因此必有自感作用 同时进行换向的元件不止一个 换向元件与换向元件之间 又有互感作用 因此 换向元件中电流变化时 必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势 即 自感电动势和互感电动势 这个电动势称为电抗电动势 根据楞次定律 自感电动势 互感电动势总是阻碍电流变化的 也就是阻碍换向的 1 6 2换向元件中的电动势 1 6 2换向元件中的电动势 2 电枢反应电动势虽然换向元件位于几何中性线处 主磁场的磁密等于零 但是电枢磁场的磁密不等于零 因此换向元件必然切割电枢磁场 而在其中产生一种旋转电动势 称为电枢反应电动势 说明 电抗电动势和电枢反应电动势都在换向元件内产生阻碍换向的附加电流 在换向过程中 由于电流突变 使线圈内储存的磁场能以火花形式释放出来 1 6 3改善换向的方法 从产生火花的电磁原因出发 减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势 限制换向元件中的附加电流 就可以有效地改善换向 改善换向常用的方法有以下4种 1 安装换向极这是目前改善换向最有效的方法 一般容量为1kW以上的直流电机都装有换向极 换向极安装在主磁极之间 换向极极性确定的原则是换向极绕组产生的磁动势的方向是电枢反应磁动势的相反方向 大小比电枢反应磁动势略大 见下图 1 6 3改善换向的方法 为在负载变化时始终有效地改善换向 换向极绕组中应流过电枢电流 即换向极绕组与电枢绕组串联 1 6 3改善换向的方法 2 调整电刷的位置在小容量无换向极的直流电机中 将电刷从电枢几何中性线移开一个适当角度 用主磁场来代替换向极磁场 也可改善换向 移动电刷的方向规定为 当电机运行于电动机状态时 电刷应逆着电枢旋转方向移动 而运行于发电机状态时 电刷则应顺着电枢旋转方向移动 若方向不正确将使电机换向更加恶化 3 增加换向回路的电阻 电刷与换向器之间的接触电阻是换向回路中最重要的电阻 不同牌号的电刷具有不同的接触电阻 选择合适的电刷能改善换向 1 6 3改善换向的方法 4 装设防止环火的补偿绕组所谓环火 是指电机正 负电刷之间出现电弧 电弧被拉长 直接从一种极性的电刷跨过换向器表面到达相邻的另一极性的电刷 使整个换向器表面布满环型电弧 出现环火 可在很短时间内损坏电机 为避免环火现象 采用补偿绕组是有效方法之一 补偿绕组嵌置在主磁极极靴上专门冲制的槽内 其中流过的是电枢电流 所以补偿绕组应与电枢绕组串联 其电流方向与对应极下电枢绕组的电流方向相反 显然它产生的磁动势与电枢反应磁动势方向相反 从而补偿了电枢反应的影响 1 7直流电动机的分类 直流电动机按结构形式分为开启式 防护式 封闭式和防爆式几种 按容量分为小型 中型和大型 按励磁方式分为他励和自励两大类 自励方式又分并励 串励和复励三种方式 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式 1 7 1他励式直流电动机 他励 直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给 如图所示 他励直流电机的电枢电流和负载电流相同 即 并励 电机的励磁绕组与电枢绕组并联 由同一电源供电 且满足 如图所示 1 7 2并励式直流电动机 串励 励磁绕组与电枢绕组串联 满足 1 7 1串励式直流电动机 复励 并励和串励两种励磁方式的结合 电机有两个励磁绕组 一个与电枢绕组串联 一个与电枢绕组并联 先并后串 先串后并 1 7 1积复励式直流电动机 第一章习题 1 直流电机的换向器在发电机和在电动机中各起什么作用 2 直流电机铭牌上的功率是指什么功率 3 如何改变直流发电机的电枢电动势的方向 如何改变直流电动机电磁转矩方向 4 什么叫电枢反应 电枢反应的性质如何 5 何谓交轴电枢反应 它对直流电机气隙磁场有什么影响 6 一台直流发电机数据为 额定功率PN 10kW 额定电压UN 230V 额定转速nN 2850r min 额定效率 N 0 85 求它的额定电流及额定负载时的输入功率 7 一台直流电动机的额定数据为 额定功率PN 17kW 额定电压UN 220V 额定转速nN 2850r min 额定效率 N 0 83 求它的额定电流及额定负载时的输入功率 第一章习题 8 已知直流电机的极对数p 2 虚槽数Q 22 元件数及换向片数均为22 连成单叠绕组 计算各绕组的节距 画出绕组展开图及磁极和电刷的位置 并求出其并联支路数 9 已知直流电机的极对数p 2 虚槽数 元件数及换向片数均为19 连成单波绕组 计算各绕组的节距 画出绕组展开图及磁极和电刷的位置 求并联支路数 10 一台直流电机的极对数p 3 单叠绕组 电枢绕组总导体数N 398 气隙每极磁通F 3 5 10 2Wb 当转速分别为n 1500r min及n 500r min时 求电枢绕组的感应电动势 11 一台4极直流发电机 电枢绕组为单叠整距绕组 每极磁通F 3 5 10 2Wb 电枢总导体数N 152 求当转速n 1200r min时的空载电动势Ea 若改为单波绕组 其他条件不变 则当空载电动势为210V时 发电机转速应多少 若保持每条支路的电流ia 50A不变 求电枢绕组为单叠和单波时 发电机的电磁转矩T各为多少 第一章习题 12 换向极的作用是什么 它装在什么位置 极性应该怎样 流过换向极绕组的电流是什么电流 13 一台直流电动机改成发电机运行时 是否需要改接换向极绕组 为什么 14 补偿绕组的作用