电机学直流电机1

1、 电机学电机学(Electrical Machinery) 变压器 (Transformers) 交流绕组（AC Winding） 直流电机（DC Electric Machines） 电机学电机学I和电机学和电机学II 感应电机（Induction Machines） 同步电机（Synchronous Machines） 电机学 (Electrical Machinery) 课程的 研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的 综合体，与工程实践联系非常紧密。综合体，与工程实践联系非常紧密。 课程前后的连贯性强课程前后的连贯性强 课程以定性分析为主，概

2、念多，理论性强。课程以定性分析为主，概念多，理论性强。 时空观强时空观强 教材及参考书 1汤蕴璆等合编电机学普通高等教育汤蕴璆等合编电机学普通高等教育“九五九五”国家重国家重 点教材点教材 机械工业出版社机械工业出版社 2000 2 顾绳谷主编，电机及拖动基础（上、下册），机械顾绳谷主编，电机及拖动基础（上、下册），机械 工业出版社，工业出版社，1998，第，第2版版 3许实章主编，电机学（上、下册），机械工业出版许实章主编，电机学（上、下册），机械工业出版 社，社，1994，修订版，修订版 4 张松林主编，电机及拖动基础习题集与实验指导书，张松林主编，电机及拖动基础习题集与实验指导书， 机械

3、工业出版社，机械工业出版社， 1997 5 Stephen J.Capman McGraw-Hill Book Company 一般分类：一般分类： 静止电机静止电机 变压器变压器 电机电机 直流电机直流电机 旋转电机旋转电机 同步电机同步电机 交流电机交流电机 异步电机异步电机 （感应电机）（感应电机） 电机是一种机电能量转换的装置电机是一种机电能量转换的装置 变压器是一种电能传递装置变压器是一种电能传递装置 专业基础课专业基础课 一座桥梁一座桥梁：工科大学公共基础课和专业技术课之间。 作业、实验作业、实验： 一定数量的作业和4个设计型实验： 变压器综合实验变压器综合实验 三相异步电动机综合

4、实验三相异步电动机综合实验 同步发电机的综合实验同步发电机的综合实验 直流电机综合实验直流电机综合实验 任务任务：掌握变压器和交、直流电机的基本结构、工作原理 和运行性能，并对电机的运行进行初步的分析 提供基础知识提供基础知识：自动控制系统、计算机控制技术、 控制电机、变频调速及电力系统相关课程。 课程性质、任务： 本学期教学内容： 第一部分 直流电机及拖动 第二部分 感应电机的拖动 第一部分：直流电机及拖动 第一章 直流电机 第二章 电力拖动系统的动力学基础 第三章 直流电动机的电力拖动 该部分以直流电动机直流电动机为主分析直流电机的 工作原理、结构、电路、磁路、运行原理及换 向问题，在讲述

5、电力拖动的动力学基础后，以 他励直流电动机为例，重点讲述他励直流电动 机的机械特性、各种运转状态及调速。 第一章第一章 直流电机直流电机 （第三章（第三章 直流电机的稳态分析）直流电机的稳态分析） 第二章第二章 电力拖动系统的动力学基电力拖动系统的动力学基 础础 （第七章）（第七章） 第三章第三章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 （第八章）（第八章） 第一章 直流电机 本章主要分析直流电机的工作原理、结构、 电路、磁路、运行原理及换向。 直流电动机优点： 过载、起动、制动转矩大； 调速范围广，且易于平滑调节； 易于控制，可靠性高； 调速时损耗小，经济性好。 因此被广泛地应用在电力机车

6、、无轨电车、轧钢 机、机床和起动设备中。直流发电机则作为各种 直流电源。 第一章 直流电机 第一节 直流电机的工作原理和基本结构 第二节 直流电机的绕组 第三节 直流电机的磁场 第四节 直流电机的感应电动势和电磁转矩 第五节 直流电机的基本方程 第六节 直流发电机的运行原理 第七节 直流电动机的运行特性 第八节 直流电机的换向 直流电机小结 第一节 直流电机的工作原理 基本和结构 一、直流电机的 1、直流电机的构成 2、直流发电机的工作原理： (rotor) N b f2 a A、B为电刷 A(正) c (brusher) f1 B(负) d S 2、直流发电机的工作原理： 在图中，线圈连着换

7、向片(commutator segment)， 换向片固定于转轴上，随电机轴一起旋转，换向片 之间及换向片与转轴之间均互相绝缘，它们构成的 整体称为换向器。电刷A、B在空间上固定不动。 当用原动机拖动电枢逆时针方向旋转，线圈边 将切割磁力线感应出电势，电势方向可据右手定则 确定。由于电枢连续旋转，线圈边ab、cd将交替地 切割N极、S极下的磁力线，每个线圈边和整个线圈 中的感应电势的方向是交变的。线圈内的感应电势 是交变电势，但由于电刷和换向器的作用，使流过 负载的电流是单方向的直流电流，这一直流电流一 般是脉动的。 如图中所示，电刷A所引出的 电势始终是切割N极磁力线的线圈 边中的电势，它始

8、终具有正极性； 电刷B始终具有负极性。这就是直 流发电机的工作原理。 3、直流电动机的工作原理： 在电机的两电刷端加上直流电压，由于电刷和 换向器的作用将电能引入电枢线圈中，并保证了同 一个极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保 证了该极下线圈边所受的电磁力方向不变，保证了 电动机能连续地旋转，以实现将电能转换成机械能 以拖动生产机械，这就是直流电动机的工作原理。 注意： 每个线圈边中的电流方向是交变的。 4、电机理论的可逆性原理： 从基本电磁过程看，一台直流电机既可作 为电动机运行，也可作为发电机运行，只是外 界条件不同而已。 当外加直流电压，可作为拖动生产机械的 电动机运行，将电能变换为

9、机械能。 若用原动机拖动电枢旋转，可输出电能， 为发电机运行，将机械能变换为电能。 二、直流电机的： 旋转电机是由定子和转子的两大部分组成。 定子(stator)和转子(rotator)之间有间隙，称为气隙气隙 (air gap)。 定子定子(stator)的作用是产生磁场和作为电机的 机械支撑。包括主磁极、换向极、机座、端盖、 轴承、电刷装置等。 转子或电枢转子或电枢(rotor or armature)的作用是感应电 势实现能量转换。包括电枢铁心，电枢绕组，换 向器、轴和风扇等。 （一）、定子部分定子部分： 1、主磁极(pole)：由主极铁心和励磁绕组组成。 也称为主极。作用是产生气隙磁场

10、。 2、换向极(interpole)：由换向极铁心和换向绕组组成。 也称为附加极或间极。作用是改善换向。 装在主极之间。 3、机座(yoke)： 由铸钢或厚钢板焊成。是电机的机械支撑。 4、电刷装置(brush)： 将直流电压、电流引入或引出的装置。 其组数与主极极数相等。 （二）、转子部分转子部分(rotor)：（转子部分或电枢部分） 1、电枢铁心(armature core)： 主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组， 由硅钢片迭压而成。 2、电枢绕组(armature winding)： 由许多按一定规律联接的线圈组成。 用来感应电势和通过电流，是电路的主要部分。 3、换向器(commutato

11、r)： 由许多彼此绝缘的换向片构成。 三、励磁方式励磁方式：励磁绕组的供电方式。 1、他励式：励磁回路的电流由外电源供给，与电枢 回路没有电的联系。 2、自励式： 并励式：励磁回路与电枢回路是并联的。励磁回路 两端的电压就是电枢回路两端的电压。 串励式：励磁回路与电枢回路是串联的。励磁回路 的电流与电枢回路的电流相等。 复励式：主极有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并 联，另一个和电枢绕组串联。 他励 + _ 并励 + _ 串励 *P98 3-1 复励 f I f I f I 2f I 1f I a I a I a I a I 四、直流电机的铭牌数据 (Nameplateratings) 1、额定

12、功率： 瓦，千瓦。 电动机：指轴上输出的机械功率： 发电机：指电枢出线端电功率： 2、额定电流： 安 3、额定电压： 伏 4、额定转速： 转/分 5、额定励磁电流： 安 6、额定励磁电压： 伏 7、励磁方式。 8、极对数： NNN IUP NNN IUP PPeN eN II , eN UU , eN nn , fefN II, fefN UU, p 第二节 直流电机的绕组直流电机的绕组 (Armature Winding) 直流绕组的基本特点直流绕组的基本特点 绕组的基本型式（迭绕组、波绕组）绕组的基本型式（迭绕组、波绕组） 直流绕组连接规律小结直流绕组连接规律小结 绕组是电机的主要电路，是

13、电机实现机电能量变换的枢纽。 它的制造工艺比较复杂，在运行中易发生故障，因此，设计 绕组时要求：能通过规定的电流和产生足够大的电势。 尽可能节省有色金属和绝缘材料。 保证换向良好。 一、直流电机绕组的特点直流电机绕组的特点： 单匝 多匝 单匝 多匝 迭绕组 波绕组 基本术语： 元件元件：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。 元件边元件边：每一元件在槽内能切割磁场、感应电势的边， 也称为有效边。 端接端接：元件在槽外的部分。 一般为了工艺要求，元件的一元件边放某一槽的上层， 另一元件边放另一槽的下层。 直流电机的绕组是由结构、形状相同的绕组元件构成的。 其常用参数有： 槽数：Q， 元件数：

14、S， 换向片数：K，第一节距：y1， 第二节距：y2，合成节距：y，换向器节距：yk 短距（） y1 整距（0） y2 长距（） y 极距 p Q y 2 1 p Q 2 1、第一节距第一节距：y1，每一元件的两个元件边在电枢表面所跨 的距离，用槽数来表示。例：上元件边在1槽，下元件边在 5槽，则y1=514 。 为了使绕组感应电势最大，应使y1接近于极距。 （极距即相邻两主极间的距离，用槽数表示。） 2、第二节距第二节距：y2，在由同一片换向片串联起来的两个元件 中，前一元件的下边与后一元件的上边之间的距离，用槽 数来表示。迭绕组的y2为负，波绕组的y2为正。 3、合成节距合成节距：y，相串

15、联的两个元件的对应边之间的距离。 yy1y2。 4、换向器节距换向器节距：yk，同一元件的两端所接的两换向片之间 的距离，以换向片数表示。y=yk 。 二、绕组的基本型式绕组的基本型式： 迭绕组，波绕组迭绕组，波绕组。 1、单迭绕组单迭绕组： 元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上； 相邻元件依次串联，后一元件的首端与前一元件的 尾端连在一起，并接到同一个换向片上，最后一个 元件的尾端与第一个元件的首端连在一起， 形成一个闭合回路。紧相串联的两个元件的端接部分 紧“叠”在一起。 举例说明联接特点和支路组成情况： 例一 极对数p=2，槽数Q16，元件数SK16， y1=4， yk=1，绘制一单

16、迭绕组展开图(右行)。 绘制步骤： （一）、节距计算节距计算 单迭：y=yk=1，整距：y1=16/4=4， y2=yy1=14=3。 1 2 2 1 1 2 3 右行 3 2 1 左行 （二）、绕组连接表绕组连接表 上层元件边所在槽数： 1+y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1+y1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 下层元件边所在槽数： （带箭头线表示元件本身的连接，红线表示通过换向片的 连接） （三）、绕组连接图绕组连接图： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1

17、5 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 极距极距极距极距 （四）、安放主极和电刷安放主极和电刷： (1)主极安放原则：均匀放置。 (2)电刷安放原则：首先，正负电刷间引出的电动势 最大；其次，被电刷短接的元件电动势最小 结论：电刷的实际放置在磁极中心线下但习惯称 “电刷放在几何中性线位置” 几何中性线两个主磁极之间的中性线位置 N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 NSS A1B1A2B2 + 极距极距 极距极距 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 （五）、单迭

18、绕组的瞬间电路图单迭绕组的瞬间电路图： A1 A2 B1 B2 2 3 4 8 7 6 10 11 12 16 15 1413 5 91 + （六）、绕组的并联支路数绕组的并联支路数： 单迭绕组的并联支路数等于电机极数。 并联支路对数等于极对数，即：a=p 。 电刷数目支路数极数 作业作业：绘制一整距单迭绕组展开图， 2p=4，QSK24， 计算各绕组节距y1，y2，y，yk， 安放主极和电刷，求并联支路对数。 2、单波绕组单波绕组： 每元件的两端所接两换向片相隔较远，yk y1，元件 串联后形成波浪形。 y1应接近于极距，yk 满足下式： 绕行一周后，比出发时的换向片前进（，右行或退后 （，

19、左行）一个换向片。 例2、绘制一左行短距单波绕组展开图，2p=4，ZSK15。 绘制步骤： （一）、节距计算节距计算： 左行： , 短距： 整数， p K yyKpy kk 1 1 7 2 1151 p K yy k 437 3 4 15 2 12 1 yyy p Z y （二）、绕组连接表绕组连接表： 上元件边在槽数： +y 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 +y1 12 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 下元件边在槽数： 带箭头的连线表示元件本身的联接，红线表示不同元件经过 换向片的连接。 （三）、绕组连接图绕组连接图： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 极距极距极距极距 3 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 （四）、安放主极和电刷安放主极和电刷： 主极均匀放置。 为获得最大电势，电刷应放置在元件几何轴线与主 极轴线重合的元件所接的两换向片的分界线上。电刷的中 心线与该分界线重合。电刷数目电机极数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 极距极距极距极距 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 B2A1