电机学PPT课件-直流电机原理与绕组

第20章直流电机的基本原理和结构,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,直流电机的用途,励磁机,测速,伺服,直流电机的特点,直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高,201直流电机的原理和结构,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,直流电机电刷结构,直流电机的基本结构总结,直流电机,直流电机的物理模型,1直流电机的工作原理,（2）直流发电机运行时的几点结论,电枢线圈内电势、电流是交流电；电刷间为直流电势。发电机运行时:线圈中感应电势与电流方向一致；电动机运行时:线圈中感应电势与电流方向相反；3,由于换向片和电刷配合作用，才把线圈中的交流电势“换向”成引出端的直流电势；4.线圈的每条有效边感应的瞬时值为，电刷引出端电势的瞬时值为5.直流电机可逆.若在电刷上加上直流电压，产生电流流经导体，产生电磁力，使电机旋转。,直流电机的可逆原理,同一台直流电机，通过改变外界条件，可当发电机运行，也可当电动机运行。,三、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,1-2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:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。,刷端的电势要尽可能大；各个线圈（或称元件）电流分配相同；尽量利用电刷圆周表面，使绕组展开。,绕组实物图,电枢绕组的形式,A,B,每极一槽,槽数Z、元件数S换向片数K,电枢绕组的形式,为加工方便，线圈分成两组,每槽一个线圈线圈并联支路数2a=2=2p,电枢绕组的形式,旋转90度，没有电势和电磁力矩,电枢绕组的形式,每转脉动两次,脉动量,每极一槽,每根导体的电势,电刷两端的电势和合成转矩,电枢绕组的形式,每极二槽,旋转45度，S1、S3被短路（没电势），S2、S4产生电磁力矩,4个线圈都切割磁力线在一个主极下的元件边电势具有相同的方向,电枢绕组的形式,每转脉动四次,脉动量,每极二槽,每旋转90度，S1、S3和S2、S4交替产生感应电势和电磁力矩,电枢绕组的形式,每极一槽,每转脉动,脉动量,2次,每极二槽,4次,每极三槽,6次,每极四槽,8次,理论上每极槽数越多越好,但机械加工上有困难,最简单的直流电动机2P3Z,绕组展开图,以第一个线图被短路时画出,有关电枢绕组名词、术语,极距：铁心表面，一个极所占的距离。,极轴线：磁极中心线-d轴,几何中心线：磁极之间的平分线-q轴,(弧长),（槽数）,（电角度）,有关电枢绕组名词、术语,元件（线圈）：,第一节距y1,第二节距y2（y20）联接在同一个换向片上两个不同元件的元件边在电枢表面跨过的距离,合成节距y：,换向器节距yk：,y=y1+y2,每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，常用槽数来表示,相串联的两个元件的对应边在电枢表面跨过的距离,每一个元件的两端所连接的两片换向片之间在换向表面上所跨过的距离,基本绕组形式,一、单迭绕组：,迭：两个相邻联接的元件，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=1,单迭绕组分析实例,1.数据计算：,yyk1,实例：P2，ZSK16,单迭绕组展开图,槽展开,某一瞬间电刷、磁极放置,磁极：磁极宽度约0.7,均匀分布，N、S极交替安排。在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上的元件电势为零。电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。被电刷短路（电势为零）的元件的位置在几何中性线上，所以又称电刷放在几何中心线上,展开图（2）,N,S,N,S,+,+,几何中性线,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,二、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。,同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a1，与磁极对数p无关。电刷组数应等于极数（采用全额电刷）;电枢电流Ia2ia。,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.回路合成电势为零。电刷总是与位于几何中线上的导体相接触，得到最大的直流电势。电枢绕组的电路支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数.迭绕组：2a=2p波绕组：2a=2分析时，以一对极进行分析。,电枢电动势Ea与电流Ia方向一致；输出电功率电磁转矩Tem与转速n方向相反，为制动转矩，吸收机械功率。,电枢电动势Ea与电流Ia方向相反，吸收电功率。电磁转矩Tem与转速n方向一致，为驱动转矩，输出机械功率。,发电机,电动机,直流电机的空载磁场,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：,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。,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。,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。,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。,（b）气隙磁密分布,直流电机的空载磁场,空载时的气隙磁通密度为一平顶波（与正弦波相比）。,（b）气隙磁密分布,主磁通同时与主磁极和电枢（定子和转子）绕组相匝链的磁通，主要部分，进行功率传递。漏磁通仅与主磁极相匝链的磁通，少量。,直流电机的励磁方式,积复励和差复励并励绕组和串励绕组的磁势互为相加称积复励；相减的则称差复励,复励电机既有并励绕组Nf又有串励绕组Ns,短复励,长复励和短复励：,长复励,第二十一章直流电机的电势、磁势和转矩,了解直流电机磁势和电枢反应。掌握感应电势和电磁转矩的计算方法。,第一节电枢绕组的感应电势和电磁转矩,每根电枢绕组导体中感应电势,范围内电枢绕组电势和为,N电枢绕组的总导体数,一、感应电势,n：电枢旋转速度（r/min),：每极磁通,支路电势：,Ce：电势常数,N：总导体数,一台制造好的电机，它的电枢电势(V)正比于每极磁通（韦伯)和转速n（r/min),与磁密分布无关。,二、电磁转矩,一根导体的平均电磁力：,作用在电枢上的总电磁力：,电磁转矩,一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通（韦伯)和电枢电流(A)，与磁密分布无关。,电势常数Ce和转矩常数CT决定于结构常数。它们的关系为：,三、电磁功率,电枢电功率,直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。,机械功率,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。结果影响磁场的大小和形状（相位）,分直轴电枢反应和交轴电枢反应主磁极轴线直轴、纵轴、d轴极间（几何）中心线交轴、横轴、q轴,直流电机的电枢反应,(直流电机负载时的负载磁场),第二节电枢绕组的磁势,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Fa。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,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。,一、在几何中性线上时的电枢磁势,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。,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。,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、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，如图（a）所示。,第三节直流电机的电枢反应,第三节直流电机的电枢反应,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,磁路饱和时,3)、磁路饱和时对主磁场起去磁作用,1)、使气隙磁场发生畸变,负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增