电机及拖动基础课件第二章

第二章直流电机

直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之则称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，起动、制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场合。1直流电机的用途：作电源用:直流发电机，将机械能转化为直流电能；作动力用:直流电动机，将直流电能转化为机械能；信号传递:直流测速发电机，将机械信号转换为电信号；直流伺服电动机，将控制信号转换为机械信号；作励磁机用:一般小于10万KW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。

2直流发电机电势波形较好，对电磁干扰影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。存在换向器，制造复杂，价格较高。直流电机的优缺点3第二章直流电机第一节直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理（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)4当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的电磁转矩。5安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。就使电动机能够连续地旋转。6（二）直流发电机的工作原理用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势却是直流电动势。7

一台直流电机:作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。8（三）结论（1）直流电机线圈内电流是交变的，原理为：电动机，左手定则，皮萨定律，发电机，右手定则，电磁感应定律,（2）换向器作用是变流：电动机，外输入直流——内变交流发电机，内是交流——外输出直流（3）直流电机可作发电机——输入机械能输出电能，也可作电动机——输入电能输出机械能。(可逆原理)9二、直流电机的结构直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承10二、直流电机的结构直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心1112直流电机结构简图电刷电枢绕组主磁极换向器13（一）直流电机的静止部分1、主磁极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座14（一）直流电机的静止部分2、换向极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。

154、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫（一）直流电机的静止部分16（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心172、电枢绕组1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘由许多按一定规律连接的线圈组成。（二）直流电机的转动部分183、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（二）直流电机的转动部分19第二节直流电机的铭牌数据直流电机的额定值：1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)6、励磁方式2021额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：指输出额定电压；电动机：指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流22在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式23第三节直流电机的绕组直流电枢绕组基本知识元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距

：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离。24第一节距y1--一个元件两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距y2--第一元件下层元件边到第二元件的上层元件边之间在电枢表面上跨过的距离。

合成节距y--相串联两个元件的对应边在电枢表面上跨过的距离。换向器节距yc--同一元件首末端连接的两个换向片之间距离。叠绕组中为负值；波绕组中为正值。25一、简单的绕组对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。1-2、3-4、5-6、7-8构成4个线圈左图是说明原理的示意图。它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。因此，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。26解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。27短路问题：电刷是固定的，换向器是转动的，总有元件被短路如图所示。电枢是导电体，可见元件1-2被“+”电刷短路，5-6被“-”电刷短路。但是1-2，5-6元件正好处于磁密为零处，不会引起较大的短路电流，这两个元件不起作用，不产生电势、转矩，串联支路中应减去这两个元件。282930短距绕组整距绕组长距绕组二、绕组的基本形式11131（一）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。单叠绕组所有的相邻元件依次串联，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。右上图中，y1＝4；右下图中，y＝yc＝1y1＝4右行绕组，y＝yc＝1;左行绕组，y＝yc＝-1。32例：一台直流电动机的极对数p=2，槽数Q、元件数S及换向片数K都为16,y1=4，yc=1，画出单叠绕组展开图。解：1．计算绕组数据

因为是单叠，所以2．画绕组展开图:（1）先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。（2）根据y1，画出第一个元件的上下层边（1～5槽），令上层边所在的槽号为元件号。（3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号。33（4）画第二个元件，上层边在第2槽，与第一个元件的下层边连接；下层边在第6槽与3号换向片连接。按此规律，一直把16个元件全部连接起来。（5）放磁极：磁极均匀分布在圆周，N极磁力线垂直指向纸面，S极磁力线垂直从纸面穿出。（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。3435单叠绕组电路图单叠绕组展开图36单叠绕组是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向器节距均为1，即单叠绕组的特点：（1）元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上；（2）并联支路数等于磁极数；（3）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“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和37（二）单波绕组单波绕组—不是把元件依次串联，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。节距计算右行绕组，绕行一周后比出发时的换向片后退一步；左行绕组，绕行一周后比出发时的换向片前进一步。接近于381、槽、元件、换向片编号且对应，并有S＝K＝Q；2、

是第一节距，以槽数计，上层实线，下层画虚线；3、换向器节距，yc＝（k±1）/p=整数，左行绕组取“-”，右行绕组取“+”；4、放置磁极；5、放置电刷，电刷数＝极数，电刷放置原则如前。展开图画法39单波绕组展开图40单波绕组电路图单波绕组展开图41单波绕组的特点2）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；1）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；3）电刷数等于磁极数；5）电枢电流等于两条支路电流之和。4）电枢电动势等于支路感应电动势；42绕组小结（1）单叠、单波均是通过换向片联成闭合绕组；（2）单叠yc＝1，a=p，每个极下为一条支路，多为右行；单波yc＝（K±1）/p，a=1，同极下为一条支路，多为左行。（3）电刷放置原则：a、电刷数＝极数；b、电刷、磁极在圆周上等分；c、端部对称的元件，电刷在磁极轴线下；（4）展开图画法：a、元件号－槽号－换向片号对应；b、先画联接顺序表；c、找出第一个换向片号再等分即可。43从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用电压较低电流较大的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里包含的元件数较多，这种绕组适用于电压较高、电流较小的电机。至于大容量电机，可采用混合绕组。44第四节直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式1、他励直流电机——由其它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——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。45二、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。四极直流电机空载磁场直流电机中，主磁通是主要的，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。46气隙中主磁场磁通密度分布

空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁动势均为励磁磁动势。在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。47电机磁化曲线直流电机的空载磁化特性

主磁通与励磁磁动势或励磁电流的关系，称为电机磁化曲线，如右图所示。电机的磁化曲线和铁磁材料B－H曲线很相似。考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方,图中的a点。a48三、直流电机负载时的磁场及电枢反应当直流电机带上负载以后，不仅励磁绕组中有电流，而且电枢绕组中也有电流的磁场，称为负载磁场。在电枢电流又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。励磁电流产生主极磁场电枢电流产生电枢磁场负载磁场两个磁场共同作用形成合成磁场，它不是均匀磁场。电枢磁势对主极磁势的影响称为电枢反应。设主极磁场为垂直方向，且为均匀磁场；则电枢磁场为水平方向。49

右图为电刷放在几何中性线上时一台两极直流电机的电枢磁场分布情况。

假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。50一个元件的电枢磁势（不计铁磁材料中的磁压降）514个元件所产生电枢磁动势波形阶梯形波或三角形波幅值A为电枢表面单位周长的安培导线数，称为线负荷

电枢表面任一点x处电枢磁密为52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波，如图中所示。由于极靴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形，如图中所示。①电枢磁动势与主极磁动势互相垂直；②电枢表面各点的电枢磁动势不等；在几何中性线处电枢磁动势最大，在极轴线处电枢磁动势等于零。③电枢磁密在几何中性线处的值不为零。电枢磁场的特点：53当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢反应与电刷的位置有关。当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载时电机的磁场分布情况，如图（a）所示。54直流电机的电枢反应主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场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55电刷在几何中性线时电枢反应的特点

2)对主磁场起去磁作用1)气隙磁场发生畸变

磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极磁通量与空载时相同。电机正常运行时，磁路总是饱和，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时比空载时每极磁通略为减少。

空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载时由于电枢反应的影响，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。（电动机、发电机偏离方向不同）56第五节感应电动势和电磁转矩的计算一、感应电动势的计算直流电机无论作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势。式中：n—电枢的转速；p—极对数。当原件轴线从某一主极轴线位置转到相邻主极轴线位置，电枢转过的电角度为π，与原件交链的磁通由Φ变到-Φ。设以电角度为单位的电枢角速度为ω，这个过程经过的时间为：57第五节感应电动势和电磁转矩的计算一、感应电动势的计算一个匝数为的元件中感应电动势的平均值为：58Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数若不计饱和影响，有其中:Kf

为比例常数Ω为机械角速度每条支路串联的元件数是S/2a，支路电动势平均值绕组的全部有效导体数为Z=2SNy59二、电磁转矩的计算电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。电枢表面任一点处载流导体上的电磁转矩为若元件数为S，电枢表面dx段元件边数2sdx/(πDa),dx段电流产生的电磁转矩60其中为电机的转矩常数，有一个极距内导线电流产生的电磁转矩为绕组的全部有效导体数为Z=2SNy；电枢总电流为Ia=2aia61感应电动势性质:

发电机——电源电势(与电枢电流同方向)；电动机——反电势(与电枢电流反方向)。电磁转矩性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。电磁转矩也可以表示为其中Gaf=CTKf还可以得到下列关系