第6章直流电机(2)

1、第六章第六章直流电机直流电机6.1概述概述一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理1 1、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理直流电机的物理模型直流电机的物理模型 右图为直流发电机的物右图为直流发电机的物理模型，理模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连连接到两个相互绝缘并可随线接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通子线圈与外电路的连接是通过放置

2、在换向片上固定不动过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。的电刷进行的。 导体导体abab在在S S极下，极下，根据右手定则，此时根据右手定则，此时a a点为低电位，点为低电位，b b点高电点高电位；导体位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点低电位，点低电位，d d点高电点高电位；电刷位；电刷A A极性仍为正，极性仍为正，电刷电刷B B极性仍为负。极性仍为负。 当原动机驱动电机转当原动机驱动电机转子逆时针旋转子逆时针旋转 180180后，后，如右图。如右图。 可见，和电刷可见，和电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，和电刷极下，和电刷B B接触的导体总是位于接触的导体

3、总是位于S S极下，因此电刷极下，因此电刷A A的极性总是正的，电刷的极性总是正的，电刷B B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。如气隙磁场沿气隙的分布为平顶如气隙磁场沿气隙的分布为平顶波，如图所示，根据电动势的计波，如图所示，根据电动势的计算公式算公式Blve可知感应电动势与气隙磁密成正可知感应电动势与气隙磁密成正比。导体和电刷比。导体和电刷ABAB间的电动势间的电动势e e和和e eABAB如右图所示。如右图所示。线圈线圈abcdabcd中的电动势是交流中的电动势是交流的，通过电刷和换向器机械整流的，通过电刷和换向器机械整流

4、作用，将线圈中的交变电动势整作用，将线圈中的交变电动势整流为电刷流为电刷A A和电刷和电刷B B之间的直流电之间的直流电动势。动势。增加导体数目可以减小感应电动势脉动。当每极下导体数增加导体数目可以减小感应电动势脉动。当每极下导体数大于大于8 8时，脉动可小于时，脉动可小于1%1%。二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理 直流电动机的基本结构与发电机完全相同。电动机是直流电动机的基本结构与发电机完全相同。电动机是将直流电能转化为机械功率，因此，电刷接至直流电源，如图将直流电能转化为机械功率，因此，电刷接至直流电源，如图所示。所示。当导体当导体abab在在N N极下时，根据左手定极下时，根

5、据左手定则，则，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导体极下导体cdcd受力方受力方向从左向右。该电磁向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋机转子逆时针方向旋转。转。原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极下，受力极下，受力方向从左向右，原方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力方向极下，受力方向从右向左。该电磁从右向左。该电磁力形成逆时针方向力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈的电磁转矩。线圈在该电磁

6、力形成的在该电磁力形成的电磁转矩作用下继电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。续逆时针方向旋转。当转子旋转当转子旋转180180后，如下图所示后，如下图所示 直流电动机电枢绕组通过电刷与直流电源相联接，通过直流电动机电枢绕组通过电刷与直流电源相联接，通过电刷和换向器的逆变作用，将外电源的直流变为线圈中的交电刷和换向器的逆变作用，将外电源的直流变为线圈中的交流，使流，使N N极下的导体中的电流方向不变，极下的导体中的电流方向不变，S S极下的导体电流方极下的导体电流方向不变，而向不变，而N N、S S极下导体中的电流方向始终相反，以保证电极下导体中的电流方向始终相反，以保证电磁转矩的方向不变。磁转矩

7、的方向不变。 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。线圈，磁极也并非一对。二、直流电机的主要结构部件二、直流电机的主要结构部件1 1、主磁极、主磁极主磁极铁心：主磁极铁心：1mm1mm1.5mm1.5mm厚的厚的 低碳钢板低碳钢板励磁绕组：铜导线励磁绕组：铜导线产生气隙磁场产生气隙磁场 主磁极主磁极 励磁绕组励磁绕组主磁极钢板冲片主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）厚）主磁极由钢板主磁极由钢板冲片叠压而成冲片叠压而成励磁绕组套在励磁绕组套在主磁极极身上主磁极极身上换向极铁心：换向极铁心：1mm1.5mm厚的低碳钢板厚

8、的低碳钢板作用：改善换向作用：改善换向换向极绕组：与电枢绕组串联换向极绕组：与电枢绕组串联2、换向极、换向极p=2 即即4极电机极电机NSNS3 3、机座、机座作用：固定主磁极和换向极；作用：固定主磁极和换向极；主磁路的一部分。主磁路的一部分。铸钢或薄钢板铸钢或薄钢板电枢铁心冲片电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚厚) （硅钢片（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成4 4、电枢铁心、电枢铁心作用：构成主磁路以及嵌放电作用：构成主磁路以及嵌放电枢绕组枢绕组5 5、电枢绕组、电枢绕组产生感应电动势和电磁转矩产生感应电动势和电磁转矩6 6、換向器、換向器将电枢绕组内的交流电动势用机械换

9、向的方法转换为将电枢绕组内的交流电动势用机械换向的方法转换为电刷间的直流电动势。电刷间的直流电动势。7、电刷装置、电刷装置把转动的电枢与外电路把转动的电枢与外电路相连接；相连接；与换向器配合作用获得与换向器配合作用获得直流电压。直流电压。铜丝辨铜丝辨压紧弹簧压紧弹簧电刷电刷刷盒刷盒普遍刷握和刷杆如右普遍刷握和刷杆如右图所示。图所示。三、直流电机的额定值三、直流电机的额定值1、额定功率、额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以以 “W”为单位。若大于为单位。若大于 1kW 或或 1MW 时时,则用则用 kW 或或 M

10、W 表示。表示。2、额定电压、额定电压 UN指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。为单位。3、额定电流、额定电流 IN指电机在额定电压、额定功率时的负载电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的负载电流值，以 “A” 为单位。为单位。4、额定转速、额定转速 nN指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位为单位5、额定励磁电流、额定励磁电流 IfN 指电机在额定状态时的励磁电流值，以指电机在额定状态时的励磁电流值，以“A”为单位。为单位。 对于直流发电机，对于直流发电机，PN 是指输出的电功率。是指输出的电功率。NN

11、NIUP对于直流电动机，对于直流电动机，PN 是指输出的机械功率。是指输出的机械功率。NNNNIUP7-1，7-2直流电机的磁路和磁化特性直流电机的磁路和磁化特性 直流电机工作时首先需要建立一个磁场，它可以直流电机工作时首先需要建立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生，现今由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生，现今绝大多数直流电机都是由励磁绕组励磁的。绝大多数直流电机都是由励磁绕组励磁的。附加绕组附加绕组第七章直流电机的磁路和电枢绕组第七章直流电机的磁路和电枢绕组一、直流电机的励磁磁场一、直流电机的励磁磁场 (空载磁场空载磁场) 下下 图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图

12、。图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。1、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通 直流电机中，主磁通直流电机中，主磁通 是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多。加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多。0主极漏磁系数主极漏磁系数01k2 2、主磁场分布、主磁场分布 空载时，励磁磁动势主空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通

13、密度的分布就取决气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。于气隙的大小和形状。)()(00 xFxB气隙磁密气隙磁密气隙磁密在一个极下的分布气隙磁密在一个极下的分布如图所示，为一平顶波。如图所示，为一平顶波。xB气隙磁密分布气隙磁密分布磁动势或磁密正方向规定：当磁力线由电枢出来而进入定子磁极时为正，磁动势或磁密正方向规定：当磁力线由电枢出来而进入定子磁极时为正，相反相反。220 xxardBl dxBl 221arxBBdxxxdBl dx S3、磁化特性曲线、磁化特性曲线磁化特性指电机主磁通与励磁磁动势的关系磁化特性指电机主磁通与励磁磁动势的关系饱和系数饱和系数01FFFFkFe35. 1

14、1 . 1k0(2)ffF 电机一般工作在磁化曲线开始弯电机一般工作在磁化曲线开始弯曲处，曲处，C点，此时点，此时7-3电枢绕组的一般知识电枢绕组的一般知识一、基本特点一、基本特点1 1、基本要求、基本要求（1 1）能产生尽可能大的电动势，并具有良好的波形；）能产生尽可能大的电动势，并具有良好的波形；（2 2）能通过尽可能大的电流，并承受由此产生的电磁力和）能通过尽可能大的电流，并承受由此产生的电磁力和电磁转矩；电磁转矩；（3 3）结构简单，连接可靠；）结构简单，连接可靠；（4 4）便于维护和检修；）便于维护和检修；（5 5）换向良好。）换向良好。2 2、电枢绕组的类型、电枢绕组的类型（1）单

15、叠绕组）单叠绕组（2）单波绕组）单波绕组（3）蛙形（混合）绕组）蛙形（混合）绕组元件边元件边元件边元件边后端接后端接后端接后端接前端接前端接前端接前端接换向片换向片换向片换向片3、有关直流电枢绕组的术语、有关直流电枢绕组的术语 （1）元件和元件边）元件和元件边元件：单匝或多匝线圈。每一元件有两个放在在槽中能切割磁元件：单匝或多匝线圈。每一元件有两个放在在槽中能切割磁通感生电动势的有效边称元件边通感生电动势的有效边称元件边(2)实槽数实槽数Q、虚槽数、虚槽数Qu、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K为了改善电机的性能，一个槽中一般放置不止一条上层边为了改善电机的性能，一个槽中一般放置不止一条上

16、层边和一条下层边，如图所示（引入虚槽概念）。和一条下层边，如图所示（引入虚槽概念）。如果槽内上层有如果槽内上层有u个元件边，每个实槽就包含个元件边，每个实槽就包含u个个虚槽，因此虚槽，因此uQuQ3u一个元件有两条边，而一个虚槽中放置两一个元件有两条边，而一个虚槽中放置两条边，因此条边，因此uSQ每个换向片联接两条不同的元件边，每个换向片联接两条不同的元件边，因此因此KS uQuQSK（3）极距）极距每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主磁距离，每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主磁距离，用所跨弧长或该弧长所对应的虚槽表示。用所跨弧长或该弧长所对应的虚槽表示。22auDpQp 或 （4）

17、第一节距）第一节距y1同一元件的两个边之间的距离，用虚槽数表示。同一元件的两个边之间的距离，用虚槽数表示。 12uQyp小于小于1的分数。的分数。1y整距绕组；整距绕组；1y短距绕组；短距绕组；1y长距绕组；长距绕组；（5）第二节距）第二节距y2同一片换向片上相联的两个元件中的第一个元件的下元件边同一片换向片上相联的两个元件中的第一个元件的下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，以虚槽数计。到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，以虚槽数计。对于单叠绕组，对于单波绕组。对于单叠绕组，对于单波绕组。02y02y（6）合成节距）合成节距y和换向器节距和换向器节距yK合成节距：相串联的两个元

18、件的对应元件边在电枢表面的合成节距：相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面的跨距。跨距。 21yyy换向器节距：与每元件的两个端相联的两个换向片在换向器换向器节距：与每元件的两个端相联的两个换向片在换向器表面的跨距，用表面的跨距，用换向片数表示。换向片数表示。kyy 0ky右行绕组右行绕组0ky左行绕组左行绕组7-47-4、单叠绕组、单叠绕组任何两个串联元件都是后一个元件叠在前一个的上面。任何两个串联元件都是后一个元件叠在前一个的上面。1kyy单叠绕组一般为右行绕组，单叠绕组一般为右行绕组，y= =yk=1=1。例：已知电机的极数例：已知电机的极数2 2p4 4，且，且QuSK1616。试绕制

19、一。试绕制一单叠右行整距绕组。单叠右行整距绕组。解：解：（1 1）计算绕组节距）计算绕组节距+表示绕组右行，表示绕组右行，-表示绕组左行表示绕组左行（3 3）绕组展开图）绕组展开图1kyy（槽）34112yyy由于是右行绕组由于是右行绕组116424uQyp（槽）（2 2）绕组联接次序表（自成闭合回路）绕组联接次序表（自成闭合回路）“+”表示向右跨距表示向右跨距“-”表示向左跨距表示向左跨距1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9101011111212131314141515 16161 11 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 91

20、010 11111212131314141515 16161616NNSSA1A2B1B2电刷放置的原则：电刷放置的原则：（1）空载时被电刷短）空载时被电刷短路的元件的感应电动势尽路的元件的感应电动势尽可能为零。可能为零。（2）并联支路的电动）并联支路的电动势尽可能大。势尽可能大。电刷应放置在换向器上的几何中性线上。电刷应放置在换向器上的几何中性线上。换向器上的几何中性线：轴线与主极轴线重合的元件的换向器上的几何中性线：轴线与主极轴线重合的元件的两端所联接的两片换向片的中线。两端所联接的两片换向片的中线。对于端接对对于端接对称的元件来称的元件来说，元件轴说，元件轴线、主极轴线、主极轴线和换向器线和换向器上的几何中上的几何中性线重合。性