《电机及拖动基础》第一章 直流电机

1、电机及拖动基础与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具 第一章、直流电机电机及拖动基础U+NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II 第一节、直流电（动）机工作原理 电机及拖动基础注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电

2、刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷换向片II电机及拖动基础FFU+NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。*电机及拖动基础5/57（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力B 磁场的磁感应强度(Wb/m2)i 导体中的电流(A)l 导体的有效长度(m)*电机及拖动基础6/57（二）直流电机的可逆性 从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就

3、可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。这种一台电机既能作电动机又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为电机的可逆原理。*电机及拖动基础7/57 （三）两极直流电机工作原理图-1*电机及拖动基础8/57工作原理图-2*电机及拖动基础9/57工作原理图-3*电机及拖动基础10/57工作原理图-4 *电机及拖动基础11/57工作原理图-5*电机及拖动基础12/57工作原理-图6*电机及拖动基础13/57工作原理图-7*电机及拖动基础14/57工作原理图-8*电机及拖动基础15/57工作原理图-9*电机及拖动基础16/57工作原理图-10电机及拖动基础转子：（又称电枢）

4、由铁芯、绕组（线圈）和换向器组成。2. 定子：由主磁极、换向极、机座、电刷装置组成定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。第二节、直流电机的结构一、直流电机结构*电机及拖动基础18/57（一）直流电机的静止部分（定子）1、主磁极2、换向极1主磁极铁心2励磁绕组3机座1换向极铁心2换向极绕组3、机座用来固定主磁极、换向极和端盖； 另外，又作为磁路的一部分。 *电机及拖动基础19/57（二）直流电机的转动部分4、电刷装置1刷握；2电刷；3压紧弹簧；4铜丝辫1、电枢铁心a)电枢铁心 冲片b

5、)电枢铁心*电机及拖动基础20/572、电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。1槽楔2线圈绝缘3导体4层间绝缘5槽绝缘6槽底绝缘3、换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1换向片2连接片*电机及拖动基础21/57二、 直流电机的电枢绕组 组成电枢绕组的基本单元称为“元件”，一个元件由两条元件边和端接线组成。 绕组元件可以是一匝或多匝，匝数的多少也就等于每一元件边所包含的串联导体数。（一 ）、元件绕组元件在槽中的位置1-上元件边 2-后端接线 3-下元件边 4-前端接线*电机及拖动基础22/57（二）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向片上。单叠绕组的所有的相邻元

6、件依次串联，即后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连接在一起，形成一个闭合回路。 元件的跨距：上层元件边与下层元件边的距离（用槽数表示）称为跨距。一般要求元件的跨距等于电机的极距。 右上图中，跨距为4槽。*电机及拖动基础23/571.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 y = y k=1。下面通过例子说明单叠绕组的联接方法和特点。（2）画出展开图 如下图所示。作图步骤如下：设设2P=4，S=K=Zi=16，单叠右行绕组。（1）计算第一节距因为是整距右行绕组，故所以*电机及拖动基础24/57*电机及拖动基础

7、25/57 2.放置磁极：在绕组展开图上均匀放置4个磁极（2p=4）。假定N极的磁通是进入纸面，S极的磁通是从纸面穿出，电枢自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向。 在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正处于磁极几何中性线上，感应电动势为零，这四个元件把整个绕组分成四段，每段有三个电动势方向相同的元件相串联。由于每段电路中对应元件所处的磁场位置相同，所以每段电路的电动势大小相等，但方向两两相反，因此在整个闭合回路内互相抵销，总电动势为零，不会产生环流。*电机及拖动基础26/57 综上所述：要使电刷间的电动势为最大，电刷必须和位于几何中性线（磁极之间的平分线）的元件相连

8、接，在电机中把这种情况称为“电刷在几何中性线”。 3.放置电刷 ：为了引出最大电动势，必须在换向片1和2、5和6、9和10、13和14之间，也就是在磁极轴线位置，放置4组电刷A1、B1、A2、B2，因为这时A、B电刷之间所包含的元件，其电动势的方向都是相同的*电机及拖动基础27/57*电机及拖动基础28/57（三）单波绕组单波绕组不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。*电机及拖动基础29/57*电机及拖动基础30/57直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。*电机及拖动基础31/57单叠绕

9、组的的特点：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。 若以a表示支路对数，P表示极对数 则2a=2p 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。电枢电流等于各支路电流之和。*电机及拖动基础32/57单波绕组的特点同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1即a=1,与磁极对数P无关；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；电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；电枢电动势等于支路感应电动势；电枢电流等于两条支路电流之和。*电机及拖动基础33/57 1）额定容量（额定功率）PN指电机在铭牌规定的额定状态下

10、运行时，电机的输出功率，以W或KW为量纲单位。 （四）直流电机的铭牌数据 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PNUNINN 对于直流发电机，是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN *电机及拖动基础34/572）额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3）额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 4）额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为

11、单位。5）额定励磁电压UfN(V)对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。*电机及拖动基础35/57第三节 直流电机的磁场一、直流电机的励磁方式1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。4、复励直流电机*电机及拖动基础36/57二、直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。*电机及拖动基础37/57气隙中主磁场磁通密度的分布磁化曲线*电机及拖动基础38/57三、直流电机负载磁场及电枢反应 1.当直

12、流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。 2.此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。*电机及拖动基础39/57二.电刷在几何中性线上时的电枢反应如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角形由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型， *电机及拖动基础40/57增强增强减弱减弱 主磁场+电枢磁场=气隙合成磁场：*电机及拖动基础41/57电枢反应后磁动势波形1、有负载时气隙磁场发生了畸变2、电

13、枢反应呈现去磁作用*电机及拖动基础42/57负载磁场分布图（考虑磁路饱和）增强增强减弱减弱电枢反映的去磁效应磁密为零的点并与电枢表面垂直的直线*电机及拖动基础43/57 1.直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。四、换向的问题2、电抗电动势 换向元件中出现的由自感与互感作用所引起的感应电动势，称为电抗电动势。*电机及拖动基础44/572、电枢反应电动势3. 由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，在几何中心线处，虽然主磁场的磁密

14、等于零，可是电枢磁场的磁密不为零。因此，换向元件切割电枢磁场，产生一种电动势，称为电枢反应电动势。二、改善换向的方法 改善换向一般采用以下方法：装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势 大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势。*电机及拖动基础45/57*电机及拖动基础46/57第四节 直流电机感应电动势和电磁转矩的计算一、感应电动势的计算对制成的电机，Ce=pN/60a为一个常数，称为电(动)势常数二、电磁转矩的计算其中为电机的转矩常数，有*电机及拖动基础47/57第五节

15、 直流电动机的运行原理一、直流电动机的基本方程式（一）电压平衡方程式若电机稳态运行，对于电动机（二）转矩平衡方程式其中T2为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩。*电机及拖动基础48/57 轴上有三个转矩： 电磁转矩：Tem，方向与n相同，拖动转矩； 空载转矩：T0 ，空载运行时的阻转矩，与n方向相反，制动转矩； 输出转矩：T2 ，阻转矩。 电动机轴上输出转矩： T2 +T0 = TL 。 稳定运行时，拖动转矩Tem=总的阻转矩，即：*电机及拖动基础49/57 （三）、功率平衡方程式 电压平衡方程式两边同乘以Ia，则有： ，电刷接触压降引起的损耗输入功率电磁功率铜耗*电机及拖动基础50/57 其中

16、，电磁功率为： 为机械角速度。电磁功率机械功率 转矩平衡方程式两边同乘以，则有： 空载损耗功率轴上输出的机械功率*电机及拖动基础51/57 空载损耗为：铁耗：磁滞，涡流机械损耗：摩擦，通风附加损耗：0.0050.01PN*电机及拖动基础52/57 总功率平衡方程式：pcu.a并励pcu.fpbpFepmpadP1=UIaPem=TemP2=T2*电机及拖动基础53/57效率：*电机及拖动基础54/57二、他(并)励直流电动机工作特性1. 转速特性当U=UN , If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线*电机及拖动基础55/57 二、直流电动机的工作特性 工作特性：指U=UN、电枢回路无外接电阻

17、、If=IfN时，电动机的n、Tem和与P2之间的关系。 近似P2Ia， n、Tem和与Ia 之间的关系，称为。 1.转速特性 当U=UN, If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线。*电机及拖动基础56/57 n0为理想空载转速； n由负载所引起的转速降，Z2：（10%18%）nN，大型电机：（ 3%8%） nN。 n0 实际空载转速： 负载Ia（TL、Tem）去磁效应n，上翘，不稳定。 Ia，n不太多，硬特性，静态稳定性好。*电机及拖动基础57/57 2.转矩特性 当U=UN ,If=IfN时，Tem=f(Ia)的关系曲线。 不计电枢反应去磁作用，过原点直线。 考虑电枢反应影响，偏离直线。 一般情况下，他（并）励电动机的转矩特性仍接近直线。*电机及拖动基础58/57 3.效率特性 当U=UN ,If=IfN时，=f(Ia)的关系曲线。 此时，不变损耗等于可变损耗，效率最