直流电机基础2

1、电机及拖动基础电机及拖动基础第二章第二章 直流电机直流电机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2上一节课的主要内容：上一节课的主要内容：(1) 直流磁路的计算直流磁路的计算重点重点 磁路计算磁路计算正问题正问题的步骤的步骤(2) 直流电动机、发电机的工作原理直流电动机、发电机的工作原理重点重点 换向换向的概念及其作用、电动机的物理工作过程、的概念及其作用、电动机的物理工作过程、电机的电机的可逆性可逆性问题问题电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3如何保证直流电动机的电枢始终朝一个方向连续旋转？如何保证直流电动机的电枢始终朝一个方向连续旋转？通过什么装置来实现？通过什么装置来实现？对于直

2、流电动机，换向器的作用是什么？对于直流电动机，换向器的作用是什么？对于直流发电机，换向器的作用是什么？对于直流发电机，换向器的作用是什么？ 保证保证每个磁极下线圈中的电流方向一致每个磁极下线圈中的电流方向一致，从而产生，从而产生方向一致的电磁转矩。通过换向器来实现。方向一致的电磁转矩。通过换向器来实现。 将接于电刷两端电源提供的将接于电刷两端电源提供的直流电直流电，转换为线圈中，转换为线圈中的的交变电流交变电流。逆变作用。逆变作用。 将线圈中的将线圈中的交变电动势交变电动势，转换为电刷两端输出的，转换为电刷两端输出的直直流电动势流电动势。整流作用。整流作用。电气与自动化工程学院电气与自动化工程

3、学院4直流电动机工作原理图直流电动机工作原理图线圈中能否产生感应电线圈中能否产生感应电动势？为什么？动势？为什么？线圈中感应电动势的方线圈中感应电动势的方向如何？作用怎样？向如何？作用怎样？线圈边线圈边ab中感应电动势的方中感应电动势的方向与其电流方向相反，是一向与其电流方向相反，是一个个反电动势反电动势，它将，它将吸收电功吸收电功率率。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院5本节课的主要内容：本节课的主要内容：(1) 直流电机的结构、铭牌数据直流电机的结构、铭牌数据了解了解 静止部分静止部分和和转动部分转动部分(2) 直流电机的绕组直流电机的绕组难点难点 绕组的几个概念，绕组的展开图、绕组

4、的电路图绕组的几个概念，绕组的展开图、绕组的电路图电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院6第二章第二章 直流电机直流电机2-1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构2-2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组2-4 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场2-5 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算2-6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2-7 直流电机的换向直流电机的换向电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院7二、直流电机的结构二、直流电机的结构直流电机剖面图直流电机剖面图1换向器换向器2电刷装置电刷装置3机座机

5、座4主磁极主磁极5换向极换向极6端盖端盖7风扇风扇8电枢绕组电枢绕组9电枢铁心电枢铁心电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院8（一）直流电机的（一）直流电机的静止部分静止部分1、主磁极、主磁极2、换向极、换向极1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3、机座、机座(1) 用来固定主磁极、换向极和端盖；用来固定主磁极、换向极和端盖； 另外，另外，(2) 作为磁路的一部分。作为磁路的一部分。 1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座4极靴极靴4 4电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9主磁极主磁极换向极换向极1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座1换向极铁心换向极铁

6、心2换向极绕组换向极绕组主磁极铁心用主磁极铁心用11.5mm厚厚的钢板冲片叠压紧固而成。的钢板冲片叠压紧固而成。主磁极与换向极实物图主磁极与换向极实物图电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院104、电刷装置、电刷装置1刷握刷握2电刷电刷3压紧弹簧压紧弹簧4铜丝辫铜丝辫电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院11电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院12（二）直流电机的（二）直流电机的转动部分转动部分1、电枢铁心、电枢铁心 a) 电枢铁心冲片电枢铁心冲片 主磁路的主要部分主磁路的主要部分 嵌放电枢绕组嵌放电枢绕组b) 电枢铁心电枢铁心电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院132、电枢绕组、

7、电枢绕组1槽楔槽楔2线圈绝缘线圈绝缘3导体导体4层间绝缘层间绝缘5槽绝缘槽绝缘6槽底绝缘槽底绝缘电枢绕组是由许多按照一定规律电枢绕组是由许多按照一定规律连接的线圈组成，它是直流电机连接的线圈组成，它是直流电机电路的主要部分，是电路的主要部分，是通过电流通过电流和和感应产生电动势感应产生电动势以实现机电能量以实现机电能量转换的关键部件。转换的关键部件。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院143、换向器、换向器由许多换向片组成，由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。换向片之间用云母绝缘。1换向片换向片2连接片连接片 在在发电机发电机中起中起整流整流作用，使绕组作用，使绕组中的交变电动势中的交

8、变电动势电刷间的直流电刷间的直流电动势。电动势。 在在电动机电动机中起中起逆变逆变作用，使电刷作用，使电刷间的直流电间的直流电绕组内的交变电，绕组内的交变电，保证电动机的转向恒定。保证电动机的转向恒定。换向器作用：换向器作用：电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院15电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院16电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院17第二章第二章 直流电机直流电机2-1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构2-2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组2-4 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场2-5 感应电动势和

9、电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算2-6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2-7 直流电机的换向直流电机的换向电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院18直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：1、额定功率、额定功率PN(kW)2、额定电压、额定电压UN(V)3、额定电流、额定电流IN(A)4、额定转速、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN(V)额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率额定功率额定功率NP电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院19在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压发电机：发电机：是指输出额定

10、电压是指输出额定电压电动机：电动机：是指输入额定电压是指输入额定电压NU额定电压在额定电压下，运行在额定电压下，运行于额定功率时对应的于额定功率时对应的电流电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速Nn额定转速指轴上输出的指轴上输出的机械功率机械功率指电刷间输出指电刷间输出的额定电功率的额定电功率电动机电动机发电机发电机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院20指直流电机的励磁线圈与电枢指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式，有线圈的连接方式，有并励，串并励，串励，他励，复励励，他励，复励。励磁方式励磁方式fNI额定

11、励磁电流对应于额定电压、额定电流、对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励额定转速及额定功率时的励磁电流磁电流定额工作方式定额工作方式 分分连续，短时，间歇连续，短时，间歇三种三种定额工作方式定额工作方式电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院21绕组温升或绝缘等级绕组温升或绝缘等级绝缘等级越高，其允许温升越高；同样体绝缘等级越高，其允许温升越高；同样体积的电机，在运行条件及冷却条件相同的积的电机，在运行条件及冷却条件相同的情况下，它的额定功率越大。情况下，它的额定功率越大。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运电机运行于行于额定状态额定状态。电

12、机的运行电流小于额定电流。电机的运行电流小于额定电流欠载欠载运行运行，运行电流大于额定电流，运行电流大于额定电流过载运行过载运行。长期欠载。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。时电机的运行效率、工作性能等比较好。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院22第二章第二章 直流电机直流电机2-1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构2-2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据2-3 直流电

13、机的绕组直流电机的绕组2-4 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场2-5 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算2-6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2-7 直流电机的换向直流电机的换向电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院23电机中必须具有能在磁场里转动的电机中必须具有能在磁场里转动的线圈线圈。在电动机中，线圈里通过电流，产生在电动机中，线圈里通过电流，产生电磁转矩电磁转矩，使线，使线圈在磁场里圈在磁场里转动转动，于是在线圈中感应产生，于是在线圈中感应产生反电动势反电动势，吸收电功率吸收电功率，实现将电能转换为机械能。，实现将电能转换为机械能。在发电机中，线

14、圈在磁场里在发电机中，线圈在磁场里转动转动，在线圈中，在线圈中感应产生感应产生电动势电动势，通过换向器及电刷向外传输，接上负载后，通过换向器及电刷向外传输，接上负载后，电流电流流过线圈，产生流过线圈，产生制动性质的电磁转矩制动性质的电磁转矩，吸收机械吸收机械功率功率，实现将机械能转换为电能。，实现将机械能转换为电能。在直流电机中，这种能在磁场中转动的线圈，是实现机在直流电机中，这种能在磁场中转动的线圈，是实现机电能量转换的电能量转换的枢纽枢纽，因此，直流电机的，因此，直流电机的转子称为电枢转子称为电枢，其上按其上按一定规律连接在一起的线圈一定规律连接在一起的线圈，为，为电枢绕组电枢绕组。电气与

15、自动化工程学院电气与自动化工程学院24一、简单的绕组一、简单的绕组对绕组的要求：在能够通过规定的对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。构简单、运行可靠。1-2、3-4、5-6、7-8分别构成分别构成4个线圈，个线圈，线圈互不相连线圈互不相连。1. 多线圈装置结构（如书多线圈装置结构（如书P25所示）所示）若若1 2 圈边分别连圈边分别连A B电刷，电刷，1 2有电流，有电流，产生电磁转矩产生电磁转矩Te，其它线圈上没电流，其它线圈上没电流，同理，同理，3 4圈边

16、上接圈边上接A B，仅，仅3 4圈边上有圈边上有电流。电流。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院25它的它的缺点缺点是：随着电枢的转动，始终只是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电动势均有充分利用，产生的总转矩或电动势均很小，不满足绕组要求。很小，不满足绕组要求。解决办法：解决办法：将将8个圈边构成的个圈边构成的4个线圈个线圈镶放在均匀分布的电枢槽内，镶放在均匀分布的电枢槽内，相邻线相邻线圈首端和末端一起焊接到一个换向片圈首端和末端一起焊接到一个换向片上，所有线圈通过换向片成为一个整上，所有线圈通过换向片成

17、为一个整体，成为体，成为一个闭合绕组一个闭合绕组，共用了，共用了4个个换向片，节省了材料，提高了输出转换向片，节省了材料，提高了输出转矩。矩。1圈边和圈边和8圈边接圈边接换向片换向片1上上2和和3接到换向片接到换向片2上上3和和4接换向片接换向片3上上6 和和7 接到接到4上上电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院261圈边的实线（圈边的实线（1圈边的圈边的电流流入端电流流入端）接换向片上）接换向片上1圈边的虚线圈边的虚线（电流流出端）（电流流出端）接到接到2的虚线端上的虚线端上2的实线端与的实线端与3实线端接到换向片上实线端接到换向片上3的虚线端接到的虚线端接到4的虚线端上的虚线端上4的实

18、线端和的实线端和5的实线端接入换向片的实线端接入换向片上上5的虚线端接到的虚线端接到6的虚线端上的虚线端上6的实线端和的实线端和7的实线端接到换向片上的实线端接到换向片上沿圈边沿圈边6 7中间切中间切开的平面图开的平面图电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院27电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院282. 并联支路（单层绕组）并联支路（单层绕组）A B1 2 3 48 7 6 51 2 与与3 4 串联串联8 7与与6 5 串联串联电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院29短路现象短路现象当电枢逆时针转过当电枢逆时针转过45度时，如图度时，如图P26 2-13b所示，情况有些不同。所示

19、，情况有些不同。A B8 87 75 56 62 21 11 2 5 6 线圈都被电刷短路线圈都被电刷短路短路影响短路影响：短路瞬间，该线圈的圈边处于磁通密度最小：短路瞬间，该线圈的圈边处于磁通密度最小处，感应电动势最小，所以基本不受影响。处，感应电动势最小，所以基本不受影响。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院303. 双层绕组双层绕组(了解了解)实际电机中，每个槽中的元件边分上下两层叠放，一个元实际电机中，每个槽中的元件边分上下两层叠放，一个元件边在件边在一个槽的上层一个槽的上层，另一个元件边放在，另一个元件边放在另一个槽的下层另一个槽的下层。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3

20、1二、绕组的基本形式二、绕组的基本形式基本形式分为：基本形式分为：单叠绕组单叠绕组和和单波绕组单波绕组。( (一一) ) 单叠绕组单叠绕组单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。向片上。 图图2-142-14放置情况，如图放置情况，如图2-14所示所示电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院32几个常用概念几个常用概念元件：元件：绕组的每个线圈的两绕组的每个线圈的两个端子各接在一个换向片上，个端子各接在一个换向片上，它是绕组的一个单元，称为它是绕组的一个单元，称为元件。元件。第一节距第一节距(y1)：元件的跨距：元件的跨距（一个元

21、件边到另一个元件（一个元件边到另一个元件边的距离，常用所跨的槽数边的距离，常用所跨的槽数表示）。表示）。换向器节距换向器节距(yc)：上层元件边与下层元件边所连接的两：上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向器节距。个换向片之间的距离称为换向器节距。换向器节距换向器节距(yc)第一节距第一节距(y1)电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院33叠绕组：叠绕组：绕组的任何两个紧相串联后，一个元件的端绕组的任何两个紧相串联后，一个元件的端接部分紧接部分紧“叠叠”在前一个元件的端接部分上。在前一个元件的端接部分上。单叠绕组：单叠绕组：元件两个端子所连接的换向片之间的距离元件两个端子

22、所连接的换向片之间的距离等等于于一个换向片的宽度，单叠绕组常采用一个换向片的宽度，单叠绕组常采用右行绕组右行绕组(左行绕左行绕组每一元件接到换向片的两根端线互相交叉，用铜较多，组每一元件接到换向片的两根端线互相交叉，用铜较多，很少采用，故迭绕组常采用右行绕组。很少采用，故迭绕组常采用右行绕组。)极距极距：每个主磁极在电枢圆弧上所分得的弧长。经常每个主磁极在电枢圆弧上所分得的弧长。经常采用电枢槽数或者机械角度表示。采用电枢槽数或者机械角度表示。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院34注意：注意：单叠绕组的所有的相邻元件单叠绕组的所有的相邻元件依次串联依次串联，即后，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成连接在一起，形成一个闭合回路一个闭合回路。计算数据计算数据y1和和yc画绕组展开图画绕组展开图画绕组电路图画绕组电路图单叠绕组的分析思路为：单叠绕组的分析思路为：电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院35举例：举例：已知电机极对数已知电机极对数p=2，槽数，槽数Q和换向片和换向片K均为均为12，元，元件数件数S=换向片数换向片数K=12，元件跨距，元件跨距=3个槽，个槽，yc=1，绕制一，绕制一