直流电机基本知识

第十五章直流电机基本知识,Background,什么是直流电机？,定义：将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，它可用作电动机或发电机,什么是直流电机？,直流电机的用途1.作电源用直流发电机2.作动力用直流电动机3.信号的传递作为测量元件直流测速发电机作为执行元件直流伺服电动机,直流电机的优缺点,优点：直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。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。缺点：由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。,主要内容1直流电机的工作原理、主要结构、额定值2直流电机的电枢绕组3直流电机的电枢反应4电枢绕组感应电动势和电磁转矩5直流电机换向,转动：绕组线圈、换向器；静止：主磁极、电刷,电枢,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,右手定则,A+B-,A+B-,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,右手定则,注意：电刷与负载连接固定不动，电刷压在换向片上。换向器和线圈连接并转动，无论怎样转动，总是上半边A的电流向外，下半边B的电流向里。,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,通过电刷和换向器将交流变成直流，其作用相当于单相全波整流器。,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,增加导体数可减少感应电动势和电磁转矩的脉动。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,提问,哪些部件转动、哪些部件不动？绕组线圈电流性质、电刷端电流的性能？实际电机结构要在物理模型上作哪些改动？,转动：绕组线圈、换向器；静止：主磁极、电刷绕组线圈：交流；电刷端：直流增加铁心、绕组线圈数、轴承、端盖等,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）直流电动机工作原理,左手定则,n逆时针转向,n逆时针转向,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）直流电动机工作原理,电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩方向不变。换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，即电枢受到的电磁转矩的方向始终不变。这就可以使电动机能连续的旋转。,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（三）直流电机的可逆性,对于一匝线圈，电功率，机械功率。即电势所形成的电功率等于电磁力所产生的机械功率。在旋转的电机中，不论是发电机还是电动机，这两种功率是等量存在的，这两种能量形式是可逆的。,电功率机械功率,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（三）直流电机的可逆性,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。,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,风叶,磁极,电刷,电枢转子,转轴,换向器,换向片,压紧环,电枢绕组,绕组端部,分解图,换向器,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,主磁极换向极机座端盖轴承电刷装置,产生磁场、电机的机械支撑,电枢铁心电枢绕组换向器轴风扇,感应电势，而实现能量转换的部分,定子（固定部分）,转子（转动部分）,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,极数：主磁极的个数，等于2p,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（1）主磁极,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,作用：建立主磁场。,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（2）换向极,构成：换向极常用整块钢或厚钢板制成。换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极,作用：用于改善换向,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（3）机座,构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。,作用：1、主磁路的一部分；,2、电机的结构框架。,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（4）电刷装置,作用：电枢电路的引出（或引入）装置。,构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。,电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直流电压,电刷组数一般等于电机极对数,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（4）电刷装置,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（1）电枢铁心,作用：1、主磁路的一部分；,2、电枢绕组的支撑部件。,构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的DR530,或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（1）电枢铁心,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（2）电枢绕组,作用：直流电机的电路部分。,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下,层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（3）换向器,作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。,构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间,用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而,构成。,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（3）换向器,三、直流电机的励磁方式,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响他励励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机按励磁方式可分：,他励,自励,三、直流电机的励磁方式,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机按励磁方式可分：,他励,自励,并励,串励,复励,三、直流电机的励磁方式,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,四、直流电机的额定值,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,额定功率：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。额定电压：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：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：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：指电机在额定状态时的励磁电流值。,四、直流电机的额定值,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,对于直流发电机，是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。对于直流电动机，是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率存在。,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,作用：电枢绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,电枢绕组要求：在导体数量一定的条件下，应能够产生尽可能大的电势和电磁转矩，并要力求结构简单，运行可靠，维护方便。,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,1.绕组分类：,(1)叠绕组：指串联的两个元件，连接方式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。叠绕组，又分为单叠和复叠绕组。(2)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。波绕组，又分为单波和复波绕组。(3)混合绕组。,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下层，称为下层边。,绕组是由元件构成的.放在槽内的元件边，能切割磁力线产生感应电动势，叫有效边；放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用的部分称为端接线。一个元件由两条有效边和端接线组成。,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下层，称为下层边。,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,2.实槽与虚槽,电机电枢上实际开出的槽叫实槽。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边，如图示。将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。,若电机实槽数为Q，虚槽数为Qu，,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,每一元件有两个圈边，每一换向片上接有两个圈边，每一虚槽内放置有两个圈边，元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数,3.元件数、换向片数与虚槽数,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,(1)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。,4.元件、极距与节距,(2)极距：是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示，,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,4.元件、极距与节距,（1）第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离，用虚槽数表示。其表达式为,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,绕组的节距,(2)第二节距y2：指出线端接同一换向片上的两个相串联的元件中第一元件的下层边与第二个元件的上层边所跨距离，用虚槽数表示。,合成节距y：紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距,换向器节距yk：每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,绕组的节距,(3)合成节距y：指直接串联的两个元件的对应边（上层边或下层边）所跨的距离，用虚槽数表示。它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，是反映不同形式绕组的一个重要标志。,（4）换向器节距yk：指同一元件的两个出线端所接的两换向片之间所跨的距离，用换向片数表示。由于元件数等于换向片数，所以换向器节距等于合成节距，即yk=y。,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,绕组的节距,单叠绕组,单波绕组,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,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（右行绕组）。,注：电枢绕组大多做成双层绕组，将线圈的一个有效边放在槽的上层，称做上层边（画成实线）；另一个有效边放在有一定距离的另一槽的下层，称做下层边（画成虚线）。,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,下面通过一个具体的例子说明绕组展开图的画法：,例：已知一台直流电机的p(极对数)=2，S(元件数)=K（换向片数）=Qu（虚槽数）16，试画出其右行单叠绕组展开图。,1.计算绕组的各节距,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,(1)元件的连接次序：画元件，用实线代表上层元件，虚线代表下层元件，虚线靠近实线，实线(虚线)根数等于元件数S，从左向右为实线编号，别为1至16。,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,元件1：上层边在1槽，下层边放在相距y1=4即5槽下层。,元件2：上层边在2槽，下层边放在相距y1=4即6槽下层。,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,放置换向片：用带有编号的小方块代表各换向片，换向片的编号也是从左向右顺序编排并以第一元件上层边所连接的换向片为第一换向片号。,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,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。,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,(2)放置电刷的原则：,在展开图中，直流电机的电刷与换向片的大小相同，电刷数主磁极数相同，放置电刷时应使正负电刷间的感应电动势最大。,放置电刷的原则为电刷放置在主磁极的几何中心线处,一、主极磁场（励磁磁场）,15.3直流电机电枢反应,（空载磁场）,一、主极磁场（励磁磁场）,15.3直流电机电枢反应,（空载磁场）,主磁通：产生感应电势和电磁转矩的有效磁通，通过空气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组。磁极漏磁通:从磁极的侧面逸出，只和励磁绕组交链。不在电枢绕组中感应电动势。磁极磁通：包括主磁通和漏磁通,漏磁路,主磁路,N极气隙电枢齿电枢轭电枢铁心齿气隙S极定子轭,一、主极磁场（励磁磁场）,15.3直流电机电枢反应,（空载磁场）,二、电枢磁动势和电枢磁场,15.3直流电机电枢反应,流过电枢绕组的电流称为电枢电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势Fa，在电机内激励电枢磁场。,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。,15.3直流电机电枢反应,三、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.考虑当电刷在几何中性线上时的电枢反应,15.3直流电机电枢反应,三、电枢反应,1.考虑当电刷在几何中性线上时的电