直流电机(2.4~2.5)

1、第第2章章第第2章章 直流电机直流电机直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理2.1直流电机的结构直流电机的结构2.2直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据2.3下 页直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场2.4直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.5直流电机的负载磁场及电枢反应直流电机的负载磁场及电枢反应2.6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2.7直流发电机直流发电机2.8直流电动机直流电动机2.9直流电机的换向直流电机的换向2.10本本章章重重点点第第2章章下 页上 页返 回2.4 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场2.4.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式n

2、直流电机中除直流电机中除主极磁场主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生将会产生电枢磁场电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的的气隙磁场气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。复习复习直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机结构组成直流电机结构组成特点：特点：U与与Uf无关，无关，Ia与与If无关无关1、他励、他励励磁绕组励磁绕组接在独立的直流电源接在独立的直流电源上，上，与电枢绕组无关与电枢绕组无关。如永磁电机。如永磁电机。分析主磁场：分析主磁场：除永磁式微直流

3、电机外，直流电机的除永磁式微直流电机外，直流电机的主磁主磁场场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。励磁绕组获都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。励磁绕组获得励磁电流的方式称得励磁电流的方式称直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式。励磁方式可分。励磁方式可分为四种：他励、并励、串励和复励。为四种：他励、并励、串励和复励。 以电动机为例说明。以电动机为例说明。第第2章章4、复励、复励主磁极上有主磁极上有两套励磁绕组，两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。分为联称串励绕组。分为短复励短复励(图图d)和长复励和长复

4、励(图图e)3、串励、串励励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。特点：励磁回路的励磁电压特点：励磁回路的励磁电压与电枢两端的电压相等与电枢两端的电压相等2、并励、并励励磁绕组与电枢绕组并联励磁绕组与电枢绕组并联。特点：励磁回路的励磁电流特点：励磁回路的励磁电流与电枢回路电流相等与电枢回路电流相等下 页上 页返 回I=Ia+IfI=Ia+If1=If2第第2章章特点：若两套励磁绕组产生的磁势是特点：若两套励磁绕组产生的磁势是相加相加，则称，则称积复励积复励；若；若两套励磁绕组产生的磁势是两套励磁绕组产生的磁势是相相减，则称减，则称差复励差复励。实际应用中。实际应用中常用常用积复励积复励

5、。下 页上 页返 回第第2章章2.4.2 直流电机空载磁场的分布直流电机空载磁场的分布直流电机的空载是指直流电机的空载是指电机对外无功率输出或不带负载空转电机对外无功率输出或不带负载空转的一种状态，其的一种状态，其电枢电流等于零或者很小，可以不计其影电枢电流等于零或者很小，可以不计其影响。响。所以直流电机所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。即由励磁磁动势单独建立的磁场。几何中性线几何中性线几何中性线几何中性线两相邻主磁极间的几何平分线两相邻主磁极间的几何平分线下 页上 页返 回第第2章章主磁极主磁极电枢或电枢或转子转

6、子附加磁极附加磁极主磁通主磁通0漏磁通漏磁通 主磁极主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的；其中交替分布，故磁场的分布是对称的；其中绝大部分磁通经绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：0，主磁通参与机电能量转换，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。还有一小部分磁通不穿过还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通

7、，记作：，漏磁通不穿过漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。主磁通通过的磁路电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。主磁通通过的磁路称称主磁路主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏称漏磁路磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的约占主磁通的15%左右。左右。主磁通主磁通与漏磁通与漏磁通几何中性线几何中性线下 页上 页返 回第第2章章几何中性线几何中性线2.4.3 磁路分析磁路分析磁压降：磁压降：磁动势：磁动势：ffI

8、NIHdl2总磁通：总磁通：0ssrrllpplHlHlHlHHHlHdl222ffIN2磁路欧姆定律：略漏磁通磁路欧姆定律：略漏磁通fffmINFR2下 页上 页返 回第第2章章2.4.4 直流电机的磁化曲线直流电机的磁化曲线n电机的磁化曲线是指电机电机的磁化曲线是指电机主磁通主磁通0与励磁磁势与励磁磁势Ff的的关系曲线，即关系曲线，即0=（Ff）。）。当励磁绕组的匝数当励磁绕组的匝数Nf一定一定时，改变励磁电流时，改变励磁电流If就可就可改变磁势，磁化曲线也可改变磁势，磁化曲线也可用用0=（If） 表示。电机表示。电机的磁化曲线可通过实验或的磁化曲线可通过实验或电机磁路计算得到。图中电机磁

9、路计算得到。图中曲线曲线1是电机磁化曲线，是电机磁化曲线，曲线曲线2是气隙线，它表示是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，由气隙中所消耗的磁势，由于空气中的于空气中的0为常数，故为常数，故气隙线是线性的。气隙线是线性的。n曲线特点：曲线特点：电机的磁化曲线具电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通有饱和特点，当主磁通0较小较小时，铁磁材料的磁位降较小，时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通当主磁通0较大时，铁磁材料较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，出现饱和，磁位降迅速增大，使使0=（If）曲线离开气隙线）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。弯曲呈非线性

10、。下 页上 页返 回fffmINFR20第第2章章n磁化曲线表征的磁路的饱和程磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影度对电机运行性能有很大的影响。响。设计电机时，要考虑节省设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度材料，磁通密度B值尽量取得值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方电机磁化曲线开始弯曲的地方（膝部点（膝部点A） 。fNI0fF0fINIfIA0N0下 页上 页返 回第第2章章饱和系数饱和系数n 电机的饱和程度可以用饱和

11、系电机的饱和程度可以用饱和系数表示。它是指主磁通数表示。它是指主磁通0为额定为额定磁通磁通N时，励磁磁势时，励磁磁势Ff与气隙磁与气隙磁势势F 的比值，即的比值，即nk 的大小对电机的运行性能有很的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中的大的影响，一般电机中的k =1.111.35。abacFFkf下 页上 页返 回第第2章章2.4.5 气隙磁通密度的分布气隙磁通密度的分布设磁路不饱和，电枢表面是光滑的，设磁路不饱和，电枢表面是光滑的，略略铁磁材料中的磁压降铁磁材料中的磁压降气隙磁压降：气隙磁压降：ffINH22磁场强度：磁场强度：ffINH 磁通密度：磁通密度：ffINHb00主磁极下

12、气隙磁通密度的分布取决于主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状，为一平顶波。气隙的大小和形状，为一平顶波。 磁极中心及附近磁极中心及附近( (极靴下极靴下) )的气隙小且均匀，磁通密度的气隙小且均匀，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；极靴尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，度减小；极靴尖以外，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。在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。结论结论在磁动势一定的条件下，在磁动势一定的条件下，b下 页上 页返 回第第2章章2.5

13、直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢绕组而实现的，实际电机转换就是通过电枢绕组而实现的，实际电机电枢绕组由多电枢绕组由多个结构相同的线圈按一定规律连接构成。个结构相同的线圈按一定规律连接构成。2.5.1 直流电机电枢绕组的基础知识直流电机电枢绕组的基础知识n分类：单叠绕组、单波绕组和混合绕组分类：单叠绕组、单波绕组和混合绕组n几何中性线：两相邻主磁极间的几何平分线几何中性线：两相邻主磁极间的几何平分线n磁极轴线：磁极轴线：每个每个主磁极上，主磁极上，把主磁极平分为左右对称两把主磁

14、极平分为左右对称两部分的中心线。部分的中心线。几何中性线几何中性线磁极轴线磁极轴线下 页上 页返 回第第2章章n元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝单匝和多匝两种。两种。 每一个元件有两个切割磁力线的每一个元件有两个切割磁力线的有效边称元件边有效边称元件边。(a)单匝元件单匝元件(b)多匝单叠元件多匝单叠元件(c)多匝单波元件多匝单波元件单匝元件单匝元件，就是每个元件的元件边里，就是每个元件的元件边里仅有一根导体仅有一根导体。对多匝。对多匝元件来说，一个元件边里不止一根导体，图（元件来说，一个元件边里不止一根导体，图（b）就是一个）就是一个多匝元件

15、。多匝元件。 n元件的首末端元件的首末端：不管一个元件有多少匝，不管一个元件有多少匝，每一个元件均引出每一个元件均引出两根线与换向片相连，两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。其中一根称为首端，另一根称为末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。元件的槽外元件的槽外部分，做成部分，做成曲线形状曲线形状元件边做成元件边做成直线形状直线形状下 页上 页返 回第第2章章n极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用：相邻两个主磁极轴线

16、沿电枢表面之间的距离，用t t表示。表示。pD2tn叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分：指串联的两个元件总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。紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。n波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元：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。件串联起来，象波浪式的前进。(b)波绕组示意图波绕组示意图(a)叠绕组示意图叠绕组示意图D-电枢铁芯外直径电枢铁芯外直径p-直流电机磁极对数直流电机磁极对数下 页上 页返 回第第2章章n槽数：绕组的元件在槽内的放置如图所示。直

17、流电机的电枢绕槽数：绕组的元件在槽内的放置如图所示。直流电机的电枢绕组般采用双层绕组，即每个元件的一个边放在某一个槽的上层，组般采用双层绕组，即每个元件的一个边放在某一个槽的上层，另一个边放在相邻磁极另一个槽的下层，也就是说一个元件占用另一个边放在相邻磁极另一个槽的下层，也就是说一个元件占用两个槽，每个槽放置两个边，两个槽，每个槽放置两个边，双层绕组的元件数与槽数是相等的双层绕组的元件数与槽数是相等的；每个电枢元件两个端头，分别与两个换向片相连，每个换向片都每个电枢元件两个端头，分别与两个换向片相连，每个换向片都接有两个不同元件的一个上层边和一个下层边，所以接有两个不同元件的一个上层边和一个下

18、层边，所以直流电机的直流电机的换向片数等于电枢元件数。换向片数等于电枢元件数。 (2)绕组与换向片连接绕组与换向片连接 元件数元件数S=换向片数换向片数K=电枢表面实际槽数电枢表面实际槽数Z下 页上 页返 回(1)绕组在槽内的放置绕组在槽内的放置 第第2章章n虚槽：许多电机中由于元件数较多，若在铁芯上开相同数虚槽：许多电机中由于元件数较多，若在铁芯上开相同数目的槽是很困难的，甚至是不可能的，这时只有在每个槽目的槽是很困难的，甚至是不可能的，这时只有在每个槽的上下层各放置的上下层各放置u个（个（u1）有效边，形成实槽与虚槽。）有效边，形成实槽与虚槽。一一个上层边和一个下层边称为个上层边和一个下层

19、边称为一个虚槽。一个虚槽。如一个电机有如一个电机有Z个实个实槽，每个实槽有槽，每个实槽有u个虚槽，虚槽数为个虚槽，虚槽数为Zi，则有，则有 Zi=uZ例：问例：问u=？（a） （b） 元件数元件数S=换向片数换向片数K=虚槽数虚槽数Zi下 页上 页返 回第第2章章l第一节距第一节距y1 1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。用所跨槽数表示。用所跨槽数表示。n节距：节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表

20、示。pZy21y1=t t 整距元件整距元件y1t t 长距元件长距元件下 页上 页返 回第第2章章l合成节距合成节距y ：连接同一换向片上：连接同一换向片上的两个元件的两个元件对应边之间对应边之间的距离。的距离。l第二节距第二节距y2 ：连至：连至同一换向片上同一换向片上的两个元件中第一个元件的的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。下层边与第二个元件的上层边间的距离。21yyy单叠绕组单叠绕组21yyy单波绕组单波绕组l换向节距换向节距yk ：同一个元件的首：同一个元件的首末端在换向器上的距离。末端在换向器上的距离。是元件是元件1的下层元件边在换向器端的下层元件边在换向

21、器端经过换向片联到元件经过换向片联到元件2的上层元件的上层元件之间的跨距。之间的跨距。n电枢绕组的连接方法电枢绕组的连接方法绕组连接方法主要表述绕组连接规绕组连接方法主要表述绕组连接规律的节距、元件联结图、绕组展开律的节距、元件联结图、绕组展开图、并联支路图。图、并联支路图。下 页上 页返 回第第2章章4416211ypZy取312yyy2.5.2 单叠绕组单叠绕组 讲述单叠绕组连接规律的节距、元件连接图讲述单叠绕组连接规律的节距、元件连接图、绕组展开绕组展开图、并联支路图。为什么叫单叠绕组？图、并联支路图。为什么叫单叠绕组？以一台极对数以一台极对数p=2，双层绕组结构，双层绕组结构，Z=S=

22、K=16的直的直流电机为例。流电机为例。44162pZt1kyy下 页上 页返 回第第2章章 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。绕组元件连接次序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。绕组元件连接次序图用来表示电枢上所有元件边的串联次序。从图中看出，从第从图中看出，从第1元件出发，绕完元件出发，绕完16个元件后又回到第个元件后又回到第1元件。可见，整个绕

23、组是一个闭路绕组。元件。可见，整个绕组是一个闭路绕组。下 页上 页返 回第第2章章单叠绕组是以相邻元件单叠绕组是以相邻元件(线圈线圈)依次串联的连接规律连成的依次串联的连接规律连成的(相互叠压相互叠压)，合成节距与换向节距均为，合成节距与换向节距均为1，每个元件的两个，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一闭合回出线端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一闭合回路。即：路。即： 1kyy单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）每条支路由不相同的电刷引出，所以

24、电刷不能少，电刷数等于）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于主磁极数；电刷位置应使被短接元件上感应电动势最小而使电刷主磁极数；电刷位置应使被短接元件上感应电动势最小而使电刷间感应电动势最大，间感应电动势最大，在元件端接线对称（元件的几何形状对称）在元件端接线对称（元件的几何形状对称）的情况下的情况下，电刷的实际位置应在磁极中心轴线下；电刷间电动势，电刷的实际位置应在磁极中心轴线下；电刷间电动势等于并联支路电动势。等于并联支路电动势。3）正负电刷引出的电枢电流等于各支路电流之和）正负电刷引出的电枢电流等于各支路电流之和，即即I=2aIa。结论结论4）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无内部无“环流环流”。5）适合于低电压、大电流的直流电机。）适合于低电