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1、 直 流 电 机 原 理王 嵩1直流电机原理1. 直流电机基本工作原理2. 直流电机基本结构（绕组）3. 直流电机磁场分析4. 直流电机基本方程5. 直流电机基本特性 6. 直流电机换向7. 直流电机拖动2 直流电机绕组 直流绕组构成 直流绕组的术语 直流电机单叠绕组 直流电机单波绕组 各种绕组的应用范围2 直流电机绕组n绕组 q由一系列元件边和端接线按一定规律排列构成的感应电势和产生电磁力的导体集合 n作用 q将导体感应电势有效组织起来 q将电枢电流有效分布 n要求 q节省材料 q结构简单 q制造维护方便2.1 2.1 直流绕组的构成直流绕组的构成(1) 绕组的要求绕组的要求2 直流电机绕组

2、2.1 2.1 直流绕组的构成直流绕组的构成环形绕组示意图鼓形绕组示意图主要分类主要分类2 直流电机绕组环形电枢绕组eeeeeeeeeeeeee(2) 电枢绕组的演变电枢绕组的演变n优点优点q绕组不受极数的限制,即同样的绕组可供不同极数的电机使用n缺点缺点q中空铁心内侧导体无法切割磁极磁通（无磁通可切）以产生电势,即只有一半导体产生电动势，浪费材料且增加电枢电阻q须手工绕制,制造费时,且绝缘处理不易q使自感及互感增大致换向不良2 直流电机绕组鼓形电枢绕组2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e2e 2e 2e 2e 2e 2e 2en优点优点q导体利用率较环形环形绕组高q可采用成形的绕组,绕置

3、容易及易于绝缘q自感及互感较环形环形绕组小,因此换向较环形环形绕组优n缺点缺点q不能适用於不相同极数的电机,有可能电动势方向或电磁力方向会相反而抵消一部分。2 直流电机绕组n将两根导体组成一个线圈 n将多个线圈通过换向片连接起来 n所有换向片组成换向器 n所有线圈组成绕组(3) 电枢绕组的构成电枢绕组的构成2 直流电机绕组n元件边：在电枢槽内，感应电势 和产生电磁力的导体n端接线：联接两元件边的导体n元件：组成绕组的最小独立部分，由两个元件边和端接线组成2.2 2.2 直流绕组的术语直流绕组的术语元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝

4、两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中：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。一根称为首端，另一根称为末端。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沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。pD2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紧叠在前：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。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。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件串：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

5、波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。电枢绕组基本知识电枢绕组基本知识2 直流电机绕组2 直流电机绕组 槽数Q 虚槽数Qu= uQ u为每个槽上下层各有元件边数 若每个槽上下层只有一个元件边，则u=1 绕组元件数S 换向片数K一般情况下，u=1则 Qu=K=S极距 第一节距 y1 第二节距 y2 合成节距 y 换向节距 yK 单波绕组元件 右行 pKyy1K左行pKyy1K右行pQ2整数21pQy单叠绕组元件 右行 左行 2 直流电机绕组 第一节距y1 元件两有效边在电枢表面所跨的距离 尽量接近，必定为整数 y1= 整距绕组 常用 y1 长距绕组 n第二节距y2q相串联的两个元件中，第一个元件

6、的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离n合成节距yq相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离q叠绕组 y=y1-y2q波绕组 y=y1+y2n换向（器）节距yKq在换向器表面上，同一个元件的出线端所接的 yK=y两个换向片之间所跨的距离整数21pQy2 直流电机绕组 单叠绕组：所有相邻元件依次串联，同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。 y=1，右行； y=-1，左行 所有元件电势全部串联成一环状，由电刷分割 电刷放在(感应电势为零的元件上)几何中心线上 支路为2p偶数，对称1cyy2.3 直流电机单叠绕组2 直流电机绕组116424uQyp第一节距

7、y1合成节距y和换向器节距yk1Kyy214 13yyy 第二节距y2n画出单叠绕组展开图 某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为16。2 直流电机绕组(1) 画槽画槽2 直流电机绕组(2) 放磁极放磁极2 直流电机绕组(3) 画换向片画换向片2 直流电机绕组(4) 连绕组连绕组2 直流电机绕组(5) 电动势方向电动势方向2 直流电机绕组(6) 放电刷放电刷2 直流电机绕组2 直流电机绕组4极电机，极电机，Qu=S=K=16 单叠右行整距绕组单叠右行整距绕组 并联支路对数并联支路对数a=2=p 单叠绕组是把一个单叠绕组是把一个主极下的元件串联主极下的元件串联成一条支路并

8、联支成一条支路并联支路数等于极数路数等于极数 n单叠绕组展开图2 直流电机绕组n单叠绕组瞬间电路图Next2 直流电机绕组发电机状态电动机状态2 直流电机绕组1kyyn单叠绕组特点n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：q1）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，2a=2p。q2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。q3）电枢电流等于各支路电流之和。n补充q为保证各支路电动势相等，不产生环流，可在电枢绕组中理论上电位相等的点用均压线联结2 直流电机绕组 单波绕组：同一极性下对应位置的所有元件串联起来

9、，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后在从此换向片出发，继续绕连，一直到把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭合电路为止。 单波绕组只有两条并联支路 -1为左行，+1为右行1KKyyp2.4 直流电机单波绕组2 直流电机绕组11514244uQyp第一节距y1合成节距y和换向器节距yKK115172Kyyp21734yyy第二节距y211533244uQyp21743yyyn画出单波绕组展开图 某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为15。2 直流电机绕组3345678911101213 1415214567891011 121

10、3 14 1512SNNS槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷2 直流电机绕组4极电机，Q=Qu=S=K=15 单波左行短整距绕组 并联支路对数a=1单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路并联支路数等于2 n单波绕组展开图2 直流电机绕组n单波绕组电路图2 直流电机绕组n单波绕组特点q1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；q2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；q3）电刷数等于磁极数；q4）电枢电动势等于支路感应电动势； q5）电枢电流等于两条支路电流之和。n单叠绕组与单波绕组

11、比较q并联支路对数不同 q每条并联支路所串联的绕组不同 2 直流电机绕组n小结q直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组； q直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。q单叠绕组 a = p即并联支路对数恒等于电机极对数 q单波绕组 a = 1即并联支路对数恒等于1n另外q电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。 q对于端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。2 直流电机绕组 除单叠、单波绕组外 复叠绕组：两个单叠绕组互相间隔嵌入槽内 复波绕组：两个单波绕组互相间隔潜入槽内 混合绕组：一个单叠和一个单波绕组（蛙型） 应用 单波绕组支路

12、最少，用于小容量电机和电压较高或转速较低的电机 复波绕组可用于多极数、低速的大中型电机 单叠绕组的支路数比波绕组多，主要用于中等容量、正常电压和转速的电机 复叠绕组用于大容量或低压、大电流的电机 蛙型绕组常用在转速较高、换向困难的大型直流电机2.5 各种绕组的应用范围3 直流电机磁场3 3 直流电机磁场直流电机磁场n直流电机励磁方式 n直流电机空载磁场n直流电机负载磁场(电枢反应) 重要性：磁场特性直接影响电机运行性能。重要性：磁场特性直接影响电机运行性能。3 直流电机磁场n他励式：励磁绕组与电枢绕组无关n自励式： q并励：励磁绕组与电枢绕组并联 n电动机： n发电机： q串励：励磁绕组与电枢

13、绕组串联 q复励：兼有串励绕组和并励绕组afafIIIIIIfaIII3.1 3.1 直流电机励磁方式直流电机励磁方式3 直流电机磁场3 直流电机磁场3 直流电机磁场n空载空载q输出功率为零输出功率为零q有损耗存在，电枢电流有损耗存在，电枢电流0 0 n理想空载理想空载q电枢电流为零电枢电流为零 且且 转速转速0 0q机械能不转换成电能机械能不转换成电能q电能也不转换成机械能电能也不转换成机械能q电机中的磁场完全由主极绕组产生电机中的磁场完全由主极绕组产生3.2 3.2 直流电机空载气隙磁场直流电机空载气隙磁场(1) 空载空载3 直流电机磁场(2)直流电机空载磁场分布直流电机空载磁场分布n励磁

14、绕组通直流电产生的磁场n空载时电机中的磁场分布对称 n主磁通 漏磁通3 直流电机磁场n主极磁场根据磁力线通路（磁路）差异区分 主磁通 ：通过气隙，并形成气隙磁场（主磁场），同时交链励磁绕组和电枢绕组 主极漏磁通f ：不通过气隙的磁通，不产生感应电势n主磁路 主磁通在转子导体(电枢绕组)中产生感应电势n主极漏磁路 漏磁通不产生感应电势，可能引起主极铁心饱和，增大磁路磁阻n除作用不同外，主磁通与漏磁路的路径、大小也不同3 直流电机磁场 假设 铁磁材料 不计齿槽影响(3) 空载气隙磁密空载气隙磁密 F2F2FF2FF2NI2dlHFff0 转转子子齿齿转转子子轭轭定定子子齿齿定定子子轭轭3 直流电机

15、磁场(3) 空载气隙磁密空载气隙磁密ffxxINH 22 xffxINB 0 F2NI2Fff0 几何中性线极靴极身（a）气隙形状xB（b）气隙磁密分布3 直流电机磁场n结构q感应电势导体沿铁心轴向分布q磁力线径向分布q运动方向：转子圆周切线方向qB、l、v三者正交 n运动导体感应电势 n载流导体产生电磁力lvBexx liBfxx (4) 导体空载感应电势及电磁力导体空载感应电势及电磁力3 直流电机磁场fNI0fF0fINIfIA0N0(5) 直流电机空载磁化特性直流电机空载磁化特性思考：额定工作点应该设思考：额定工作点应该设计在哪里？计在哪里？ 空载时，主磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关

16、系，称为直流电机的空载磁化特性。3 直流电机磁场3.3 3.3 直流电机负载气隙磁场直流电机负载气隙磁场(1) 电刷位于几何中性线时电枢绕组磁动势电刷位于几何中性线时电枢绕组磁动势3 直流电机磁场 以o为原点 以（x，-x）构成闭合磁路 则x处磁动势大小 则x处磁密大小 主磁极正下方气隙均匀 BF 几何中性线附近气隙很大 B很小2aaxaiNiFHxD00axaaxaFNiBHxD马鞍形3 直流电机磁场电枢磁场磁通密度分布曲线主磁场的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n电机负载时，气隙磁场由主极磁势和电枢磁势共同建立3 直流电机磁场n当电刷不在几何中性线上q

17、电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角q电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：n交轴电枢磁动势Faqn直轴电枢磁动势Fad(2) 电刷偏离几何中性线时电枢绕组磁动势电刷偏离几何中性线时电枢绕组磁动势3 直流电机磁场 交轴磁势Faq：磁势与电刷轴线重合 直轴磁势Fad：磁势与磁极轴线重合3 直流电机磁场 电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，负载后电枢中有电枢电流，气隙中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。 交轴电枢磁势交轴电枢反应 直轴电枢磁势直轴电枢反应(3) 直流电机电枢反应直流电机电枢反应3 直流电机磁场电枢磁场

18、磁通密度分布曲线主磁场的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交轴电枢反应交轴电枢反应3 直流电机磁场 交轴电枢磁势对电机磁场的影响 磁场畸变 半个磁极内助磁 半个磁极内去磁 物理中性线发生偏移 发电机 顺着电机运动方向偏移角 电动机 逆着电机运动方向偏移角 磁通变化 不饱和时，每极磁通不变 饱和时，每极磁通略有减少3 直流电机磁场 直轴电枢磁场对主极磁场的影响 与主极磁势平行 去磁 或 助磁直轴电枢反应直轴电枢反应3 直流电机磁场(4) 直流电机电枢反应小结直流电机电枢反应小结n当电刷在几何中性线上时q使气隙磁场发生畸变 n空载时电机的物理中性线与几何中性线重

19、合。每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不同。q对主磁场起去磁作用n磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，每极下的磁通量与空载时相同。n 饱和时，每极磁通略有减少3 直流电机磁场n电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁FfFaFfFann切换到发电机电电动动机机状状态态SNSN4 直流电机基本方程4 4 直流电机基本方程直流电机基本方程n直流电机感应电动势和电磁转矩方程n直流电机机械运动方程n直流电机电压电流方程 n直流电机转

20、矩功率方程4 直流电机基本方程4 直流电机基本方程4.1 4.1 直流电机感应电动势和电磁转矩方程直流电机感应电动势和电磁转矩方程4 直流电机基本方程 导体感应电势 导体电磁力vlBexxilBfxx4 直流电机基本方程aaNxxNxxaBvlvlBE11vlBexxaNNa2设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路导体感应电势每条支路串联导体数支路感应电势导体切割磁场速度pnv260(1) 直流电机感应电动势直流电机感应电动势4 直流电机基本方程llldxBdxBNBBxxaNxxava001定义平均磁密1()60aNaxaavxpNEl vBl vNBna电枢绕组感应电势4 直流电机基本方

21、程电枢绕组感应电势nCnapNEea60其中称为直流电机的电势常数apNCe604 直流电机基本方程设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路电枢绕组总电流为Ia，电枢外径为Da一根导体产生的电磁力每条支路电流一根导体产生的电磁转矩liBfxx aIia2xaaxaxxBaIlpDliBDfT22222(2) 直流电机电磁转矩直流电机电磁转矩4 直流电机基本方程llldxBdxBNBBxxaNxxava001定义平均磁密电枢绕组产生的电磁转矩电磁转矩NxxaNxxemBaIlpTT112222222aemavaIppNTlN BIaa 4 直流电机基本方程apNCT2直流电机电磁转矩其中称为直流电机的转矩常数aTaemICIapNT24 直流电机基