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第1章直流电动机 本章主要内容 1 1直流电动机的概述 用途 基本工作原理 结构等 1 2直流电动机的运行原理1 3直流电动机的工作特性 1 1直流电动机的概述 直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械装置 直流电动机 将直流电能转变为机械能直流发电机 将机械能转变为直流电能 电机的可逆工作原理 理论上说 一台电机既可以用作电动机 也可以用作发电机 1 直流电动机的用途 由于直流电动机具有良好的起动和调速性能 所以它广泛适用于对电动机的起动和调速性能要求较高的生产机械上 用来带动负载工作 例如 电力机车 无轨电车 轧钢机和起重机等 视频 直流电动机的用途 3分21秒 2 直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理 是建立在电磁力定律的基础上的 在直流电动机中 外加电压并非直接加于线圈 而是通过电刷A B和换向器再加到线圈上的 所以 导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向 从而使电磁转矩的方向始终保持不变 直流电动机工作原理动画 视频 直流电动机的基本工作原理 7分37秒 3 直流电动机的主要结构 剖面结构图定子部分 包括主磁极 换向极 电刷装置和机座等部件 转子部分 包括电枢铁心 电枢绕组和换向器等 定 转子照片视频 直流电机结构 14分35秒 4 直流电动机的额定值 1 额定容量PN 功率 2 额定电压UN 3 额定电流IN 4 额定转速nN 5 励磁方式和额定励磁电流IfN 6 额定效率 N 7 额定转矩TN对于直流电动机 直流电动机的不同运行状态 根据电机运行时的出力情况 满载 额定运行状态 轻载 过载 5 直流电机的励磁方式 励磁绕组的供电方式称为励磁方式 按照励磁方式 直流电机分为他励和自励两大类 自励直流电机又可分为并励 串励和复励等三种 他励 并励 串励 复励 1 2直流电动机的运行原理 1 2 1直流电动机的电枢绕组和电枢反应1 直流电动机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的电路部分 是实现机电能量转换的枢纽 1 绕组的构成 应能产生足够的感应电动势 并允许通过一定多的电枢电流 从而产生所需的电磁转矩和电磁功率 此外 还要节省有色金属和绝缘材料 结构简单 运行可靠 电枢绕组的一些基本知识 极数2p 极对数p 极距 实槽 虚槽 绕组线圈 线圈边 上层边 下层边 各种节距等常见的绕组型式 单 双 叠绕组 单 双 波绕组 绕组展开图 单叠绕组的展开图举例 一台4极16槽直流电机 已知换向片数K 16 电枢绕组的线圈数S 16 试画出整距右行单叠绕组展开图 单叠绕组线圈连接顺序表 绕组展开图 对应的绕组并联支路图 此电枢绕组的并联支路数 2a 2p 4 电刷把闭合的电枢回路分割成2a条支路 对于单叠绕组 a p 对于单波绕组 a 1 2 直流电机的电枢反应 磁场是电机感应电动势和产生电磁转矩从而实现能量转换所不可缺少的因素之一 1 直流电机的空载磁场直流电动机空载时 气隙磁场仅由主极的励磁磁动势建立 主磁通路径 主磁路 N极出发 气隙 电枢齿 分两路经过电枢磁轭 电枢齿 气隙 相邻的S极 定子磁轭 两路磁通再回到原来出发的N极 形成闭合回路 直流电机的主磁路分为五段 1 定转子之间的气隙 2 电枢齿 3 电枢磁轭 4 主磁极 5 定子磁轭 空载磁场的分布 在极靴下 气隙较小且大小均匀 为匀强磁场 在极靴范围外 气隙陡增 磁通密度迅速减小 2 直流电机的电枢反应 当电机带上负载时 电枢绕组中就有电流流过 电枢电流将产生电枢磁动势 负载时的气隙磁场由主极磁动势和电枢磁动势合成建立 电枢磁动势的出现 使气隙磁场发生畸变 并产生电磁转矩 实现机电能量转换 电枢反应 电机负载时电枢磁动势对主极磁场的影响 电枢反应对磁场分布的影响 物理中性线 B 0处的轴线几何中性线 两主磁极之间的轴线 电枢磁动势的特点 根据电枢电流的方向 由右手定则判断电枢磁动势的方向 电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合 直轴 与主极轴线重合的轴线交轴 与主极轴线垂直的轴线当电刷放在几何中性线上时 电枢磁动势是交轴电枢磁动势 电枢反应 主极磁场和电枢磁场沿电枢表面的分布曲线逐点相加 即可得到不计磁饱和时气隙内的合成磁场分布曲线 交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用 在另半个极内则起增磁作用 引起气隙磁场畸变 使电枢表面磁通密度等于零的位置 即物理中性线 偏离几何中性线 考虑磁饱和时 每极下的磁通量将比空载时少 具有一定的去磁作用 使极面下的磁通密度分布不均匀 1 2 2直流电动机的电枢电动势和电磁转矩 1 直流电机的电枢电动势指电枢旋转时 主磁场 0在电枢绕组中感应的电动势 电枢电动势是电机正负电刷之间的电势 也就是支路电动势 即一个支路中所有串联导体感应电动势之和 1 单根导体感应电动势 2 电枢绕组的感应电动势设绕组导体数为N 支路数为2a 则电枢绕组的感应电动势为 当N很大时 上式中的可用平均磁密Bav乘以来代替 Bx为导体所在处的磁密 1 直流电机的电枢电动势 即 Ea Ce n式中 为电动势常数 与电机结构有关 电动势的方向由磁场的方向和转子的旋转方向决定 其方向与流过电枢绕组中的电枢电流方向相反 也称为反电动势 2 直流电机的电磁转矩 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 直流电机的电磁转矩等于电枢绕组中每个导体所受转矩之和 1 单个导体所受的电磁力 式中 ia Ia 2a为导体电流 Ia为电枢总电流 2 单个导体所受电磁转矩 3 电枢绕组的总电磁转矩 2 直流电机的电磁转矩 以上各式代入 得 式中 为转矩常数 与电机本身的结构有关 直流电动机中电磁转矩的方向与转子的旋转方向相同 为驱动转矩 带动与转子相连的机械负载旋转 将直流电源输入的电能转换为机械能输出 当直流电动机带动机械负载处于稳定工作情况下 其分别遵循以下平衡关系 1 电动势平衡方程2 功率平衡方程3 转矩平衡方程 1 2 3直流电动机运行的基本方程式 1 2 3直流电动机运行的基本方程式 1 电动势平衡方程电枢电动势 Ea Ce n电动势平衡方程为 U Ea IaRa 2 Ub Ea IaRa 从方程式可见 直流电动机 Ea U 注意 各种不同励磁方式下 电压 电流的关系不同 2 功率平衡方程 直流电源输入给电动机的电功率为P1 输入功率 输入功率扣除电枢绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻的铜损耗 自励发电机中还要减去励磁损耗Pcuf 剩下的转换为机械功率 这部分功率称为电磁功率 电磁功率 Pem P1 Pcu T EaIa 是电机内部进行机电能量转换的这部分功率 电磁功率扣除空载损耗 才是电动机的输出功率 空载损耗P0包括 机械摩擦损耗Pmec 铁损耗PFe 附加损耗Pad 电动机输出的机械功率 P2 Pem P0 功率平衡方程式 P2 P1 Pmec PFe Pad Pcu P1 P直流电动机的功率流程图直流电动机的效率 3 转矩平衡方程 电磁转矩 T CT Ia直流电动机轴上有三个转矩 拖动性质的电磁转矩T 负载的制动转矩T2 机械摩擦及铁损引起的空载制动转矩T0 当电动机拖动机械负载以固定的转速旋转时 该运动系统处于稳态 故满足转矩平衡方程 转矩平衡方程式 T T2 T0 1 2 4直流电机的可逆工作原理 从原理上讲 一台电机不论是交流电机 还是直流电机 都可以在一定的条件下 作为电动机运行 将电能转变为机械能 而在另一种特定的条件下 又作为发电机运行 将机械能转换为电能 原理图 对于直流电机来说 可根据下列关系来判断电机的运行状态 当EaU T与转速反方向时为发电机运行状态 1 3直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性 是指在电压U UN 常值 电枢回路不串入外加电阻 并励励磁电流保持不变的条件下 电动机的转速n 电磁转矩T和效率 三者 与输出功率P2之间的关系曲线 即n T f P2 或表示为n T f Ia 直流电动机的工作特性因励磁方式不同 差别很大 1 3 1并励直流电动机的工作特性1 3 2串励直流电动机的工作特性1 3 3复励直流电动机的工作特性 1 3 1并励直流电动机的工作特性 1 转速特性若忽略电枢反应 当负载增加而Ia增加时 使转速n趋于下降 若考虑电枢反应的去磁作用 磁通下降将引起转速的上升 与增大引起的转速降相抵消 使电动机的转速变化很小 实际运行中为保证电动机稳定运行 一般使电动机的转速随电流的增加而下降 转速变化率 注意 并励直流电动机运行时 其励磁回路绝对不能断路 并励直流电动机的工作特性图 1 3 1并励直流电动机的工作特性 2 转矩特性T CT Ia3 效率特性 1 3 2串励直流电动机的工作特性 串励直流电动机的接线图和工作特性1 转速特性 不允许空载或带很轻负载运行 2