直流电机原理

1、本章主要教学内容 1.直流电机的基本原理 2.直流电机的电枢绕组 3.直流电机的磁场 4.直流电机的感应电动势和电磁转矩 5.直流电机的换向,1.1 直流电机的基本原理,1.1.1 直流电机的作用 直流电机分为：直流发电机和直流电动机. 直流发电机：可作为直流电源，用做化工、冶炼、 交通运输以及交直流发电机的励磁电源。 直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上。 直流电动机的优点： 启动、制动和过载转矩大； 调速范围广，且易于平滑调速； 易于控制，可靠性较高。 直流电机的主要缺点：换向问题。,1.1 直流电机的基本原理,1.1.2 直流电机的结构 (1)定子部分：机座、主磁极、换向极、电刷装

2、置 (2)转子部分：电枢铁心、电枢绕组、换向器 (3)端盖,整体结构,电枢结构,两极直流电机剖面图,直流电机电枢装配图,1.直流发电机 直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。 直流发电机是使电机的电枢绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，然后经过机械整流得到直流电 。 直流发电机物理模型,1.1.3 直流电机的基本工作原理,工作原理分析： 原动机拖动电枢逆时针旋转 从ba 从 dc 电刷B为，A为 电枢转过 从ab 从 Cd 此时d 接A，a 接B，A为，B为 流过负载的电流方向不变。,结论：在直流发电机中： （1）电枢绕组内为交流电； （2）通过电刷、换向器后，电刷两端得到的电动势方

3、向不变，外电路电流方向不变，即输出直流电； （3）为减少外电路直流电脉动，电枢绕组采用多线圈。,eab,eAB,2 直流电动机 直流电动机的工作原理是建立在电磁力定律的基础上 。外加直流电源，经过电刷、换向器变成电枢绕组中的交流电，使电机电枢在电磁力的作用下旋转起来。,直流电动机的物理模型：,工作原理分析： 外加如图所示直流电 ab受力向左，cd受力向右 产生逆时针方向转矩 电枢转过 cd受力向左，ab受力向右 仍产生逆时针方向的电磁转矩 电机逆时针反向旋转起来了。,结论：在直流电动机中 （1）外电路是直流电； （2）通过换向，把直流电变成电枢绕组里的交流电； （3）为防止电枢受力不均，电枢绕

4、组采用多线圈。,1.1.4 直流电机的铭牌数据和型号 1.直流电机的铭牌数据 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 额定励磁电流 另外，直流电动机轴上输出的额定转矩用 表示，计算式为：,注意：电机的实际运行与额定运行的关系，也即什么是欠 载运行什么是过载运行以及利弊。,例1-1 一台直流电动机，额定功率为160KW，额定电压为220V，额定效率为90，额定转速为1500转/每分，求该电动机额定运行时的输入功率、额定电流及额定输出转距？ 解：额定输入功率为 额定电流为 额定输出转距为,2.直流电机的型号 电机的型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表

5、示。 例如： 型电机的含意为：,1.2 直流电机的电枢绕组 1.2.1 概述,电枢绕组定义：由许多线圈(绕组元件)按一定规律连接构成的闭合绕组。 电枢绕组作用：产生感应电动势/电磁转矩、实现机电能量的转换。,叠绕组：单叠绕组、复叠绕组 电枢绕组形式： 波绕组：单波绕组、复波绕组 混合绕组(蛙形绕组 ),几个与电枢绕组有关的概念： (1) 极轴线 (2)几何中心线 (3)元件(4)极距(5)单双层绕组 (6)第一节距Y1(7)合成节距Y和换向器节距Yk(8)第二节距Y2,极轴线,几何中心线,绕组元件及嵌放方法如下：(注意：实槽与虚槽的关系。),在分析电枢绕组连接规律时，主要研究它的节距、展开图、

6、元件连接次序和并联支路图。,1.2.2 单叠绕组,第1节距 ： 1.节距 第2节距 ： 合成节距 和换向器节距 ：,2.极距：指在电枢铁心表面上一 个磁极所跨的距离。,其中， 总虚槽数 磁极对数,3. 绕组展开图,例1-2 已知一台直流发电机的极对数 ， ，画出它的单叠绕组展开图。 解: (1) 计算各节距,(2) 计算极距,(3)根据元件的节距画绕组展开图 第1步：画元件 ； 第4步：连接绕组 第2步：放主磁极； 第5步：确定导体感应电动势的方向。 第3步：画换向器 ； 第6步：放置电刷及确定电刷极性,4 单叠绕组元件连接次序,5 单叠绕组的并联支路图,结论：单叠绕组具有以下特点： (1)元

7、件的两个出线端连接于两相邻换向片上； (2)位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，即并联支路对数等于极对数， ； (3)当元件的几何形状对称时，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小； (4)电刷杆数等于磁极数； (5)电枢电压等于支路电压； (6)电枢电流为各支路电流之和，即 (式中 为每条支路的电流，即元件中流过的电流)。,1.2.3 单波绕组,第1节距 ： 1.节距 第2节距 ： 合成节距 和换向器节距,2. 极距,3. 绕组展开图,例1-3 已知一台直流发电机的极对数 ， ，画出它的单波绕组展开图。,解：(1

8、) 计算节距,(2) 计算极距,(3)根据元件的节距画绕组展开图 第1步：画元件 ； 第4步：连接绕组 第2步：放主磁极； 第5步：确定导体感应电动势的方向。 第3步：画换向器 ； 第6步：放置电刷及确定电刷极性,4.单波绕组元件连接次序,5.单波绕组的并联支路图,结论，单波绕组具有以下特点： (1) 位于同极性下的各元件串联起来组成一条支路，支路对数与极对数无关， ； (2) 当元件的几何形状对称时，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大（即正、负电刷间电动势最大）； (3) 电刷杆数等于磁极数； (4) 电枢电压等于支路电压； (5) 电枢电流为 (式中 为支路电流，

9、即元件中流过的电流)。,第一章,分析单叠和单波绕组可知 在电机的极对数 、元件数以及导体截面积相同的情况下： (1) 单叠绕组并联支路数多，每条支路里的元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机； (2) 单波绕组并联支路数永远等于2，每条支路里的元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。,1.3 直流电机的磁场 1.3.1 直流电机的励磁方式,(a) 他励 (b) 并励 (c )串励 (d) 复励,1.3.2 直流电机的空载磁场 直流电机的空载是指励磁绕组里有励磁电流，电枢电流等于或近似为零的一种运行状态。 1. 直流电机的磁路：,四极直流电机空载时的磁场示意图,空载时电机气隙磁密分布情况,3

10、.空载磁化曲线,2. 空载时气隙磁通密度分布,当忽略铁磁材料磁路的磁动势时，气隙磁密与气隙长度成反比，若电机气隙均匀，则气隙磁密分布如右上图中曲线1所示。实际上，电机的气隙是不均匀的，故实际气隙磁密分布如右上图中曲线2所示。,一般把空载时气隙每极磁通与空载励磁磁动势或空载励磁电流之间的关系，称为直流电机的空载磁化曲线，如右下图。,A点：电机额定磁通取点,1.3.3 直流电机的负载磁场及电枢反应 1.电枢磁动势 直流电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也产生磁动势，称为电枢磁动势。,电枢磁动势所产生的磁场轴线与励磁磁动势所产生的主磁场轴线相互垂直。其磁力线分布如右图所示。,2.电枢反应

11、 电枢磁动势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁动势单独作用的磁场，改变气隙磁密分布情况及每极磁通量的大小，这种现象称为电枢反应。 当直流电机负载运行时，电机内的磁场由主磁极磁场和电枢磁场合成。由于主磁极磁场轴线和电枢磁场轴线垂直，由它们合成的磁场轴线必然不在主磁极中心线上，而发生了磁场扭歪，气隙磁密过零点偏离了几何中心线，即电枢反应使主磁极磁场的分布发生了畸变。,2.电枢反应 结论： 电机负载运行时，就会有电枢反应， 电枢反应的作用如下： (1)使气隙磁场分布发生畸变； (2)呈去磁作用。,1.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩 1.4.1电枢绕组的感应电动势 电枢电动势： 指直流电机正、负电

12、刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组每条并联支路里的感应电动势。 计算方法：先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均电动势，再乘以一条支路里的总导体数 ，就得到了电枢电动势。 计算公式：,其中，,是一个常数，称为电动势常数,电枢绕组的总导体数； 电枢绕组的并联支路对数。,1.4.2 直流电机的电磁转矩 电磁转矩：电枢全部导体受到的电磁力与电枢半径的乘积称为电磁转矩。 计算方法：先求一根导体所受的平均电磁力和产生的平均电磁转矩，再乘以电枢总导体数 ，即可得到总的电磁转矩。 计算公式：,式中： 是一个常数，称为转矩常数，并有 。 电枢电流。,例1-4 一台直流发电机，极对数 ，电枢绕组为单叠

13、绕组，电枢总导体数为 根，额定转速 ，每极磁通 韦伯。 求：(1)此发电机电枢绕组感应电动势； (2)此发电机作为电动机使用，当电枢电流为800安时， 能产生多大的电磁转矩。,解: (1) (2),1.5 直流电机的换向 换向的定义：旋转着的电枢绕组元件从一条支路换到另一条支路，元件中电流改变方向，这一过程称为换向。 换向过程中产生的换向电动势： 1. 自感电动势； 2. 互感电动势：如果电刷宽度大于换向片宽度，则同时换向的元件就不止一个，换向元件之间会产生互感电动势。 3.电枢反应电动势：电枢磁动势的存在，使得处在几何中心线上的换向元件的导体中产生切割电动势。 以上三种电动势都是阻碍换向的

14、(楞次定律)，造成换向延迟，在电刷和换向片之间产生火花 。,改善换向的方法： 1. 在主磁极之间加装换向极 (换向极绕组与电枢绕组串联 ，且产生磁通方向与电枢反应磁通相反，大小比电枢反应磁通大)，以消除或减弱电磁性火花。,换向火花 产生的原因：电磁原因机械原因电化学、电热等,直流电动机换向极绕组连接与极性,火花的危害：损坏电刷和换向器，严重时使电机不能正常运行。,在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边刚离开的那个主极极性一致； 在直流发电机中，换向极极性应和换向元件边要进入的那个主极极性一致；,直流电动机换向极绕组连接与极性,在工作繁重的大型直流电机中，由于电枢反应的严重影响，除上述电磁性火花外，在正、负电刷间还会产生电弧，甚至“环火”。 2.在主磁极极靴上加装补偿绕组 ，以消除电弧和环火现象,补偿绕组与电枢绕组串联，且补偿