电机学课件 第3章1

1、第3章 3.1直流电机的工作原理和基本结构 3.2直流电枢绕组 3.3空载和负载时直流电机的磁场 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5直流电机的基本方程 3.6直流发电机的运行特性 3.7直流电动机的运行特性 3.8直流电动机的起动、调速和制动 3.9换向 3.1直流电机的工作原理和基本结构 1.直流电机的工作原理 2.直流电机的基本结构 3.励磁方式 4.直流电机的额定值 1.直流电机的工作原理 图3-1表示一台最简单的两极直流电机模型， 它的固定部分(定子)上，装有一对用直流励 磁的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装 设电枢。定子与转子之间有一气隙。电枢 铁心上装有由A和X两根导体连

2、接而成的 电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两 个圆弧形的铜片K1和K2，此铜片称为 换向片，换向片之间互相绝缘。由换向片 构成的整体称为换向器，换向器固定在转 轴上。换向器上放置着一对静止不动的电刷 B1和B2，电枢旋转时，电枢线圈通过换向片 和电刷与外电路接通。 1.直流电机的工作原理 图3-1两极直流电机模型 a) t=时b) t=时 1.直流电机的工作原理 图3-2气隙磁场的分布波形 1.直流电机的工作原理 图3-3线圈电动势和电刷、间的电动势 a)线圈电动势b)电刷间的电动势 1.直流电机的工作原理 图3-4电枢上装有6个 线圈(11到66)的情况 1.直流电机的工作原理 图3-5每

3、条支路有3个串联线圈时， 电刷上的电动势波形 2.直流电机的基本结构 图3-6直流电机的结构 旋转电机都有定子和转子 两部分，在定、转子之间 有一个储存磁能的气隙。 直流电机的定子由主磁极、 机座、端盖和电刷装置等 部件组成，转子是电枢， 它由电枢铁心、电枢绕组 和换向器等部件组成。 2.直流电机的基本结构 图3-7主磁极 2.直流电机的基本结构 图3-8电枢铁心 2.直流电机的基本结构 图3-9电枢槽内的导体 和绝缘 2.直流电机的基本结构 图3-10换向器 2.直流电机的基本结构 图3-11电刷装置 3.励磁方式 图3-12直流电机按励磁方式分类 a)他励式b)并励式c)串励式d)复励式

4、励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按照励磁方式，直流电机分 成他励和自励两大类， 他励式他励式直流电机的励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组 与电枢绕组不相连接，如图3-12a所示。自励式在自励式发电机 中，利用电机自身发出的电流来励磁；在自励式电动机中，励磁 绕组和电枢绕组由同一电源供电。自励式直流电机又可分为 并励、串励和复励等三种。 4.直流电机的额定值 (1)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，以kW 表示。 (2)额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。 (3)额定电流IN指电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，电机 的，以A表示。 (4)额定转速nN

5、指额定状态下运行时转子的转速，以r/min(转/分)表示。 (5)额定励磁电压UfN指额定状态下运行时，他励式电机励磁绕组所加的 电压，以V表示。 3.2直流电枢绕组 1.直流电枢绕组的构成 1.直流电枢绕组的构成 图3-13电枢绕组的元件 组成绕组的 基本单元称 为元件。一 个元件由两 条元件边和 前、后端接 线组成，如 图3-13所示。 1.直流电枢绕组的构成 图3-14两匝元件 a)叠绕元件b)波绕元件 1.直流电枢绕组的构成 若电枢每个槽的上、下层内各只有一个元件边，则整个 绕组的元件数S应等于槽数Q。多数直流电机中，每槽的 上层和下层各包含u个元件，这u个元件将组成一个线圈 如图3-

6、15所示，此时元件数S应为槽数Q的u倍，即 1.直流电枢绕组的构成 图3-15含有两个元件(u=2)的线圈 第一节距同一个元件的两条有效边在电枢表面所 跨的距离，称为，第一节距也称为，用y1表示，如 图3-16和图3-17所示。第一节距通常用所跨的虚槽数 来计算，它是。通常把一个主磁极在电枢表面所跨 的距离，称为，用表示。若p为电机的，用虚槽数 表示时，极距就等于 。,y1，即 图3-16叠绕元件在电枢上的连接 图3-17波绕元件在电枢上的连接 2.单叠绕组 合成节距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)每串联一个元件就 向右移动一个虚槽，同时

7、元件的出线端在换 向器上向右移动一个换向片，最后形成一个 闭合回路。 2.单叠绕组 2.单叠绕组 图3-18单叠绕组的展开图(2p=4,S=K=16) 2.单叠绕组 图3-19图3-18所示瞬间电枢绕组的电路图 3.单波绕组 单波绕组的连接规律是，从某一换向片和虚槽出发，把相隔约为一对极 距的同极性磁极下对应位置的所有元件依次串联起来， 直到沿电枢和换向器绕过一周之后， 恰好回到出发换向片和虚槽的前面一片和一槽,然后从此换向 片和虚槽出发，继续绕连，直到把全部元件连完，最后回到起始的换向 片和虚槽，构成一个闭合电路为止。 图3-20单波绕组展开图 (2p=4,=S=K=15) a)部分展开图b

8、)全部展开图 图3-21图3-20所示瞬间单波绕组的电路图 3.3空载和负载时直流电机的磁场 1.空载时直流电机的磁场 2.负载时的电枢磁动势和电枢反应 1.空载时直流电机的磁场 图3-22空载时直流电机内的磁场 直流电机的空载是指电枢电流等于零，或者很小，因而可以忽略不计 的情况。由于电枢电流为零，所以空载时直流电机内的磁场由励磁绕 组的磁动势单独激励所产生，如图3-22所示。 1.空载时直流电机的磁场 图3-23空载时直流电机的气隙磁场 2.负载时的电枢磁动势和电枢反应 直流电机带上负载时，电枢绕组中就有电流流过，载流的电枢绕组将产生 电枢磁动势。此时，气隙磁场将由主极磁动势和电枢磁动势两

9、者的合成磁 动势所建立。负载时电枢磁动势对主磁场的影响称为电枢反应。 从图3-24和图3-25a不难看出： (1) 在主极N极的右半部分，交轴电枢磁场的方向为从电枢表面指向主极， 对主极磁场起去磁作用；在N极的左半部分，交轴电枢磁场的方向为从主 极指向电枢表面，对主极磁场起增磁作用；由此引起，(称为)。 (2)不计磁饱和时，交轴电枢磁场对主极磁场的去磁作用和增磁作用恰好相 等，总体上看，、，此时气隙内的合成磁场b如图3-25b中实线所示。 (3)考虑磁饱和时，增磁边将使该部分主极铁心的饱和程度提高、磁导率减 小，从而使该处实际的气隙磁场比不计饱和时略弱，如图3-25b中虚线所 示；去磁边的实际

10、气隙磁场则与不计饱和时基本一致；因此负载时每极下 的磁通量将比空载时略少，即。 2.负载时的电枢磁动势和电枢反应 图3-24电刷放在几何中性线上时 的电枢磁动势和磁场 图3-25交轴电枢反应 a)负载时的合成磁场b)空载磁场和负载时气隙的合成磁场 图3-26电刷不在几何中性线上时，电枢磁动势的交轴分量和直轴分量 a)电枢磁动势b)交轴分量c)直轴分量 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩 1.电枢绕组的感应电动势 2.电枢的电磁转矩 1.电枢绕组的感应电动势 图3-27气隙磁场分布和导体感应 电动势和电磁力的计算 2.电枢的电磁转矩 3.5直流电机的基本方程 1.电压方程 2.转矩方程 3.电磁功

11、率 4.直流电机的可逆性 1.电压方程 1.电压方程 图3-28稳态运行时直流电机的电路图 a)发电机b)电动机 2.转矩方程 图3-29直流电机的电磁转矩和外施转矩 a)发电机b)电动机 2.转矩方程 3.电磁功率 4.直流电机的可逆性 图3-30并励直流电机的 可逆性下标(G)表示发 电机，(M)表示电动机 3.6直流发电机的运行特性 1.他励发电机的负载运行 2.他励发电机的运行特性 3.并励发电机的自励和外特性 4.复励发电机的外特性 1.他励发电机的负载运行 图3-31他励发电机的负载运行 2.他励发电机的运行特性 3z32.tif 2.他励发电机的运行特性 3z33.tif 3.并

12、励发电机的自励和外特性 图3-34并励发电机 的接线图 3.并励发电机的自励和外特性 图3-35并励发电机自励时 的稳态空载电压 3.并励发电机的自励和外特性 图3-36并励发电机的外特性 4.复励发电机的外特性 图3-37复励发电机的接线图 4.复励发电机的外特性 图3-38积复励发电机的外特性 3.7直流电动机的运行特性 1.并励电动机的负载运行 2.并励电动机的运行特性 3.串励电动机的运行特性 4.复励电动机的特点 5.电力拖动系统运行的稳定性 1.并励电动机的负载运行 图3-39并励电动机的 接线图 2.并励电动机的运行特性 工作特性工作特性是指电动机的端电压U=UN、 励磁电流If

13、=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩Te 和效率与输出功率P2的关系 2.并励电动机的运行特性 图3-40并励电动机的工作特性 2.并励电动机的运行特性 图3-41并励电动机的机械特性 3.串励电动机的运行特性 图3-42串励电动机 的接线图 串励电动机的特点是，电 枢电流、线路电流和励磁 电流三者相等 3.串励电动机的运行特性 图3-43串励电动机的工作特性 3.串励电动机的运行特性 图3-44串励电动机的机械特性 4.复励电动机的特点 图3-45复励电动机的接线图 复励电动机的机械特性积复励电 动机既有并励绕组、又有串励绕 组，故其机械特性介于并励和串 励电动机之间。若励磁磁动势中 以并励

14、磁动势为主，则其特性接 近于并励电动机；但由于有串励 磁动势的存在，当负载增大时， 电枢反应的去磁作用可以受到抑 制，不致使转速上升(见图3-46中 曲线1)，从而保证电动机可以稳 定地运行。 4.复励电动机的特点 图3-46复励电动机的机械特性 5.电力拖动系统运行的稳定性 图3-47电力拖动系统运行的稳定性 a)稳定b)不稳定 3.8直流电动机的起动、调速和制动 1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节 3.直流电动机的制动 1.直流电动机的起动 图3-48三点起动器 及其接线图 2.直流电动机转速的调节 (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁

15、场控制，即用调节励磁电流来调速。 (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中 接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。 图3-49电枢接入调速电阻后并励(他励) 电动机的机械特性() (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。 图3-50不同电枢电压时他励电动机 的机械特性() (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。 图3-51不同励磁电流时，他励(并励) 电动机的机械特性() (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。 图3-52改变电枢端电压时，串励 电动机的机械特性() 3.直流电动机的制动 图3-53并励电动机能耗 制动时的接线图 3.直流电动机的制动 图3-54并励电动机反接 制动时的接线图 3.9换向 1.电流的换向过程 2.改善换向的方法 3.环火和补偿绕组 1.电流的换向过程 图3-55元件1中电流的换向过程 a)元件1属于右边支路b)元件1被电刷短路c)元件1进入左边支路 1.电流的换向过程 图3-56