直流电动机的原理及特性[文字可编辑]

1、第,2,章,直流电动机的原理及特性,直流电机的用途,电源,励磁机,测速,伺服,直流电机的特点,直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小,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，起动和制动性能良好,由于存在换向器，其制造复杂，价格较高,2.1.1,直流电机的结构,2.1,直流电动机的基本结构和工作原理,2.1.1,直流电机的结构,2.1,直流电动机的基本结构和工作原理,定子部分,主磁极,主磁极的作用是建立主磁场。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

2、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。为,了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用,1,1.5mm,的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装,有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数,一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按,N,S,极交替出现,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,路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以,后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成,机座的两端装有端盖,定子部分,换向极,换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个,小磁

3、极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电,机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类,似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成,并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极,的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换,向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的,要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样,导线有较大的截面,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,定子部分,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，右,图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在

4、,刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋,转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在,刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同,极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆,装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置,转子部分,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、槽的型号为,DR530,或,DR510,的硅钢片,叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲,片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心,冲片,先压装,在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改

5、善通,风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道,转子部分,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，他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（左图），并,用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架,上,转子部分,换向器,在直流发电机中，换向器起整流作用，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。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个,圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个,V,形环夹

6、紧而构,成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊,入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这,种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成,直流电机,定子,转子,机座,换向极,主磁极,电刷装置,电枢铁心,轴承,换向器,风扇,转轴,电枢绕组,1,他励式,若励磁绕组不与电枢,绕组联接，励磁绕组单独,由其他电源供电的直流电,机称为他励式直流电机,2.1.2,直流电动机的励磁方式,定义,直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式,实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么,样的励磁方式,2.1.2,直流电动机的励磁方式,励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机,

7、并励式直流电机的电枢电流,I,a,励磁绕组流过的,电流为,I,f,经过负载或电源供给电机的总电流,为,I,三者须满足以下关系,直流发电机,I,a,I,I,f,直流电动机,I,a,I,I,f,并励式,2.1.2,直流电动机的励磁方式,串励式,励磁绕组与电枢绕组串联再接通直流电源称为,串励直流电动机。由于串励式直流电机作为发,电机用时，其电压大小随负载变化而有较大的,变化，故一般不用串励式直流发电机，只作电,动机使用。串励式直流电动机广泛应用交通运,输,串励式电机,Ia,I,If,2.1.2,直流电动机的励磁方式,复励式,复励式直流电机上有两个励磁绕组，一个和电枢,并联，一个和电枢串联,复励式直流

8、电机的串励绕组产生的磁势与并,励磁势方向相同时称为加复励（或积复励,复励式,两者磁势方向相反时称为差复励（或减,复励,加复励和差复励比较，应严格按要求接，实用,中加复励用得较多,2.1.3,额定数据,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,2.1.3,额定数据,1,额定功率,P,N,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,1

9、MW,时,则用,kW,或,MW,表示,2,额定电压,U,N,指额定状态下电机线端的电压，以,V,为量纲单位,3,额定电流,I,N,指电机在额定电压、额定功率时电机线端电流，以,A,为量纲单位,4,额定转速,n,N,指额定状态下运行时转子的转速，以,r/min,为量纲单位,5,额定励磁电流,I,fN,指电机在额定状态时的励磁电流值,注意,对于直流发电机,P,N,是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积,P,N,U,N,I,N,对于直流电动机,PN,是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在,P,N,U,N,I,N,N,2.1.4,工作原理,直流电机是电机的主要类型之一。一台,直流电机

10、即可作为发电机使用，也可作为电,动机使用,用作发电机可以获得直流电源,常用作,大型交流发电机的励磁机,用作电动机，由,于其具有良好的调速性能，在许多调速性能,要求较高的场合，得到广泛使用,1,直流发电机的工作原理,1,直流发电机的工作原理,转子转过,180,之后,1,直流发电机的工作原理,转过,180,之后,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,T,与转子转向相反,是制动性质,2,直流电动机的工作原理,转,子,转,过,180,后,直流

11、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,T,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,可当发电机运行,也可当电动机运行,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,电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量,转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应,电动势，并

12、允许通过一定多电枢电流，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,分类,叠绕组、波绕组、混合绕组,波绕组示意图,叠绕组示意图,有关电枢绕组基本概念、名词、术语,电枢绕组有许多个形状相同的线圈组成，每个线圈有两个,有效边，分别位于电枢圆周相距一个极距的两个槽中,一个边在上层时，另一个边一般在下层,有关电枢绕组基本概念、名词、术语,元件,线圈是组成绕组的元件,有效边,有效边是指线圈的直线部分,端部,端部是指线圈非接触电枢铁,心的那个部分,上、下层,从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边,在下层边，另一个有效边必须在上层边,电机的极距,极距用

13、希腊字母,表示是电机的常用量之,一。有两个表达式,一是电机中每个磁极所占的电枢感槽数,二是电机中每个磁极所占的电枢周长,方向的长度值,Z,槽,2P,D,(m,2P,y=y1-y2,有关电枢绕组名词、术语,元件,第一节距,y1,极距,铁心表面,一个极所占的距离,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,2.2.1,单迭绕组,迭,两个相临联接的元件,后以元,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=y,k,1,2.2,直流电机的电枢绕组,单迭绕组分析

14、实例,1,数据计算,y,y,k,1,计算数据,y,和,y1,画绕组展开图,安放电刷和磁极,实例,P,2,Z,S,K,16,4,2,2,16,2,1,p,Z,y,1,单迭绕组展开图,1,槽展开,2,绕组放置,3,安放磁极电刷,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,槽展开,绕组放置,安放磁极、电刷,N,S,N,S,展开图,2,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,N,S

15、,N,S,绕组放置,元件,1,上元件边在,1,槽,下元件边放在相距,y1=4,即,5,槽下层,元件,2,上元件边在,2,槽,下元件边放在相距,y1=4,即,6,槽下层,以此类推,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,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,准的换向片上,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

16、,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一,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,N,S,N,S,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,a,a,ai,I,2,波绕组：首

17、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,y,y,单波绕组,换向片极距,y,k,必须符合,即,1,k,y,P,k,C,P,k,y,k,1,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,2.2.2,单波绕组,单波绕组,实例,P,2,Z=S,K,15,左单波绕组,计算数据,y,和,y1,画绕组展开图,安放电刷和磁极,1,绕组数据计算,3,4,3,4,15,2,1,p,z,y,7,2,1,15,1,p,K,y,y,k,4,3,7,2,1,y,y,y

18、,元件、磁极、电刷放置原则,元件、换向片的放置,1,元件上层边,1,槽,下层边,4,槽,首末端所连,的换向片相距,yk,7,为了端部对称,首末端所连的两换向片之间的,中心线与,1,元件的轴线重合,1,元件上层边,所连的换向片定为,1,依次联接,磁极放置,N,S,极磁极均匀交替的排列,电刷的放置,放在与主极轴线对准的换向片上,单波绕组展开图,3,3,4,5,6,7,8,9,11,10,12,13,14,15,2,1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,1,2,N,S,S,N,槽展开,绕组放置,安放磁极、电刷,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,1,8,15,7,14,6,13,5,12,4,11,3,10,2,9,1,用联接顺序图表示为,1,8,15,7,14,6,13,5,12,4,11,3,10,2,9,1,4,11,3,1