第三章直流电机资料.ppt

1、第3章 直流电机原理,直流电机的用途及基本工作原理 直流电机的主要结构与型号 直流电机的磁路 直流电机的电枢绕组 电枢电动势与电磁转矩 直流电动机运行原理 他励直流电动机的机械特性 直流电机的换向,本章基本要求,了解直流电机的基本结构、工作原理 熟悉直流电机的励磁方式 理解直流电机电枢绕组的构成及特点 掌握电枢电动势和电磁转矩的计算 理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性 了解直流电机的换向,直流电机是电机的主要类型之一。直流 电机自身有着显著的优点，但与交流电机相 比自身又有着缺点。 近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。 尽管如此，直流电机仍

2、有一定的理论意义和实用价值!,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,一、直流电机的工作原理,1、直流电机的构成 （如图31）表示一台直流电机的电机模型。,固定部分（定子）：主磁极N和S、电刷；,旋转部分（转子）：电枢铁心；,电枢绕组abcd(一个线圈)；,换向器,定子与转子之间为气隙。,右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，,2、直流发电机的工作原理,转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固 定不动的电刷进行的。,abcd是固定在可旋转导磁圆柱体 上的线圈，线圈连同导磁圆柱体 称为电机的转子或电枢。,线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一 同旋转的换向片上。,可见，和电刷

3、A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转180度后，如右图。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来， 构成电机的电枢绕组。 磁极也是根据需要N、 S极交替旋转多对。,发电机：虽然线圈abcd电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。 （图3

4、-2 a，图3-2b）,3、脉动的减小,电枢绕组由多个线圈串联而构成的,电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷、和换向器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。,4、直流电动机的工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,由左手定则，通电

5、线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。,注意：换向片和线圈固定联接，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。电刷压在换向片上。,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,当电枢旋转到右图所示位置时,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。,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。,3.2、直流电机的基本结构,旋转电机,定子,转子,气隙,直流电机由定子、转

6、子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁 绕组,转子,励磁式直流电动机结构,一、直流电机的主要结构,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,1、主极,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,2、机座,构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。,作用：建立主磁场。,作用：1、主磁路的一部分；,2、电机的结构框架。,3、电枢铁心,作用：1、主磁路的一部分；,2、电枢绕组的支撑部件。,构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的 DR530或DR510的硅钢片叠压 夹紧而成,4、电枢绕组,作用：直流电机的电路部分。,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，,上下层以及线圈

7、与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。,5、换向器,作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。,构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒,片间用V形云母绝缘，两端,再用两个形环夹紧而构成。,6、电刷装置,作用：电枢电路的引出（或引入）装置。,构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。,7、换向极 作用：改善换向。 构成：亦由铁心和绕组组成。,额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。直流电机的额值有

8、：,（）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，以 W 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 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。PNUNIN,三 、直流电机的额定值,对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN,（2）额定电压：指额定状态下电机出线端的电压，以V表示。,（3）额定电流：指电机运行在时，电机的线电流， 以A表示。,（4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速， 以r/min表示。,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。

9、,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,一、直流电机的空载磁场 1、直流电机的空载磁场,3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场,直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。,右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。,当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：,磁力线由N极出来，经气隙、电枢

10、齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极,主磁通,主磁路,磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路,漏磁通,漏磁路,图中的两条虚线是主磁路里的一个磁管，磁管的宽度为,该磁管里的磁通,分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻,忽略各铁磁材料的磁阻，仅考虑气隙的磁阻,空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b) 幻灯片 79所示。,空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c) 所示。,空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。,如右图 (a) 所示,磁极中心及附

11、近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，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。,在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通。,2、直流电机的空载磁化特性,这就要求在设计电机时进行磁路计算，以确定产生一定数量气隙每极磁通需要加多大的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数一定时，需要加多大的励磁电流If 。,空载时，气隙磁通与空载磁动势 或空载励磁电流I 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。,空载磁化特性,直流电机磁路计算内容：已知气隙每机磁通为 ，求出主磁路各段的

12、主磁位降，其总和是励磁磁通势Ff。 =f（Ff）,空载磁化特性,气隙线,为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。,定义： 直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。,除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励和自励（串励、并励和复励）。,他励励磁电流由其他直流电机单独供给的称为 自励电机的励磁电流由电机自身供给。,不同励磁方式的直流电机有不同的特性。,二、 励磁方式,直流电机按励磁方式可分：,他励,自励,1、他励式 （如图a）,其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。,2、

13、自励式,发电机 ：利用自身发出的电流励磁；,电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。,并励式( 图b) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；,Ia,I,Ia,I,串励式( 图c) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；,复励式( 图d)： 装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。,一、直流枢绕组基本知识,3.4 直流电机的电枢绕组,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，用 表示。,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

14、在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,第二节距 ：连至同 一换向片上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。,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,单叠绕组,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,波绕组示意图,叠绕组示意图,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联起来，象波浪式的前进。,单叠绕组的连接规律是：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尾端相连），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。,特点： 槽数Ze、元件

15、数S和换向片数K三者相同,即单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。,y=yk=1,二、单叠绕组,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： 。,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连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。,单叠绕组分析实例：,1. 数据计算,yyk1,实例： p2，槽数Ze元件数S换向片数K16,1画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽的元件边，下层边用虚线，上层也用实线画；有多少个槽数，则画多少个平行线，每个槽有一条实线和一条虚线，分刷表示上层边和下层边。,2标出槽量：画

16、出第一个元件，跨从15。展开图中可以把一个元件画成一匝。注意元件的端部要画对称。,3第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标出换向片量；换向片是与上层边槽号要相同。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,16,+,+,2.单叠绕组展开图,元件1：上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层。 元件2：上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=4即6槽下层。 以此类推,槽展开,3.绕组放置,某一瞬间电刷、磁极放置,磁极：磁极宽度约0.7,均匀分布，N、S极交替安排

17、。 电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。 电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。 在磁极的几何中心线上电势为零。 电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。,元件连接顺序表,绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。,绕组电路图：,结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图,这是单叠绕组的重要特点之一。,由此可知，每个极下的元件组成一条支路，单叠绕组的支路数等于极数，这里为4极，即有4个支路。,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。,

18、2）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。,3）电枢电流等于各支路电流之和,2a=2p,3.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,设气隙磁场的分布如图所示，则每根导体的感应电动势为 式中， 导体所在处的气隙磁密； 导体的有效长度； 导体相对气隙磁场的速度。,一、电枢绕组的感应电动势产生: 电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势,电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电动势的代数和，则,令 为平均气隙磁密，则上式改写为,将 代入上式得出直流电动势,电动势公式 ：,式中:,可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。,二 、

19、直流电机的电磁转矩,电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为,式中 平均气隙磁密。,载流导体上的总电磁转矩 应为,其中,可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。,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)。,1、直流电机负载时的负载磁场,三、 直流电机的电枢反应,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,右图为一台电刷放在几何中性线的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。,当

20、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。,电枢反应磁场和主极磁场两者垂直，又它们合成的磁场轴线必然不在主磁极的中心线上，而发生了磁场歪扭，气隙磁密过零的地方偏离了几何中线,两磁场合成时，每个主磁极下，半个磁极范围内两磁场磁力线方向相同，另半个磁极范围内两磁场磁力线方向相反。,与空载的主极磁场相比，电枢反应使合成磁场每极总磁通减少，这就是电枢反应的去磁效应,一、直流发电机稳态运行时的基本方程 二、功率关系 三、他励直流发电机的运行特性 四、并励直流发电机,3.6 直流发电机,一、

21、直流发电机稳态运行时的基本方程,在列写直流电机运行时的基本方程式之前，电压、电流、磁通、转速、转矩等，应先规定好正方向。正方向的选择是任意的，但是一经选定就不要再改变了。,有了正方向后，各有关物理量都变成代数量了。即:各有关物理量如果其瞬时实际方向与它的规定正方向致，就为正，否则为负。,一、直流发电机稳态运行时的基本方程,图中： U电机负载两端的端电压； Ia电枢电流； Tl原动机的拖动转矩； T电磁转矩； T0空载转矩； n电机电枢的转速； 主磁通； Uf励磁电压； If励磁电流等,发电机惯例,一、直流发电机稳态运行时的基本方程,基尔霍夫第二定律：对任一有源的闭合回路，所有电动势之和等于所有

22、压降之和(EU)。,按图中虚线方向绕行。其中共有三个压降及一个电动势Ea。,三个压降: (1)负载上压降U；,(2)正、负电刷与换向器表面的接触压降;,(3)电枢电流Ia在电枢回路串联的各绕组(包括电枢绕组、换向极绕组和补偿绕组、电刷电阻等)总电阻Ra上的压降。,他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故直流发电机的稳态电路图 有,式中： ：电枢回路总电阻； 正、负电刷电压降，一般为0.62伏；,二、电磁转矩,单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）,由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电磁转矩的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,发电机稳

23、态运行时作用在电枢上的三个转矩：,（1）原动机输入给发电机转轴上的转矩T1； （2）电磁转矩T； （3）空载转矩T0机械摩擦、铁损耗引起的。 是一个制动性转矩，永远与转速n的方向相反,三、电磁转矩和转矩平衡方程,四、励磁特性公式,直流发电机的励磁电流,每极气隙磁通,五、功率平衡方程,原动机输入给发电机的机械功率,电磁功率,空载损耗P0 包括：机械摩擦损耗Pm 铁损PFe 附加损耗Ps,将上式同乘以转子的机械角速度得,电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。,电磁功率,发电机： 机械能 转化为电能 ； 电动机： 电能 转化为

24、机械能 。,电磁功率用 表示，则,电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是铜损耗,输出的电功率,自励发电机中还应减去励磁损耗,输出电压,将上式同乘以电枢电流得,综合两式，用功率流程图来表示。 直流发电机的功率流程图,功率流程图形象，直观地表达了多项功率、损耗之间的相互关系，学者应该掌握。 同理，直流电动机的功率流程图也可以画出，注意到，虽然图形并没什么变化，但其物理概念已经大大改变了。一定要学会画。,六、直流电机的可逆性,电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦作为电动机运行。,发电机运行；,电动机运行。,即根据Ea与U的大小判断直流电机的运行状态。,3.7 直流电动机运行原理

25、,一、可逆运行原理 二、他励直流电动机稳态运行的基本方程 三、他励直流电动机的功率关系 四、直流电动机的工作特性,3.7 直流电动机运行原理 一、他励直流电动机稳态运行的基本方程式 他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 直流电机的稳态电路图（电动机）,式中： ：电枢回路总电阻； 正、负电刷电压降，一般为0.62伏；,二、 转矩平衡关系,电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即,三、功率平衡方程,把电压方程式两边都乘以电枢电流,电磁功率,将上式同乘以转子的机械角速度得,电磁功率,直流电动机方程总结如下：,电压平衡方程式,电磁功率,转矩平衡方程式,额定输出

26、转矩,电动势公式,转矩公式,额定电磁转矩,工作特性：当U = UN， 时，, n ,T分别随 变；,四、直流电动机的工作特性,1、转速特性,据转速公式 得出转速特性曲线。从此曲线可求出，其转速从空载到额定负载时转速变化的程度。,-,图：他励电动机的转速特性,注：他励（或并励）电动机在运行时，励磁绕组绝对不能断开。若 If=0，电枢电流迅速增大，若负载较小，则会造成飞车事故；,2、转矩特性,转矩方程,特性曲线,得出转矩,图：他励电动机的转矩特性,式中： 直流电机的不变损耗， 直流电机的可变损耗，,3、效率特性,图：他励电动机的工作特性,各种电机的效率曲线具有相同的形状。因为效率的定义相同，损耗的性质也相同。把电机的总损耗分为不变损耗和可变损耗两大部分。一般直流电