直流电机的基本原理和电磁系

1、直流电机直流电机是电机的主要类型之一，一台直流电机既可以作为发电机发电机使用，也可以作为电动机使用，用作发电机可以获得直流电源，用作电动机电动机，由于其具有良好的调速性能，在某些调速性能比较高的场合得到了较多的应用。直流电机概述一、直流电机的用途信号传递：测速发电机、伺服电动机测速发电机、伺服电动机做电源用：发电机发电机；做动力用：电动机电动机；二、直流电机的优缺点 1、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 2、直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 3、直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 4、由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。直流发电机的原理 （机械能-直流电能）定

2、子上的励磁绕组通过直流电流（励磁电流）时产生恒定磁场（励磁磁场、主磁场）原动机原动机带动电枢线圈电枢线圈旋转，切割主磁场b；转速n(r/min)。电枢线圈的导体中将产生感应电势感应电势e=blv;通过换向器换向器与电刷电刷的作用，可以引出直流的端电势eab，以输出直流电能直流发电机的原理直流电动机的原理将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流ia通过。电机内部有磁场存在。载流的转子（电枢）导体将受到电磁力f的作用，f=blia所有导体产生的电磁力作用于转子产生电磁转矩，以便拖动机械负载以n(r/min)旋转。一、 直流电机的基本结构风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接

3、线盒励磁绕组端盖1.1 定子 转子 （固定部分） （转动部分） 主磁极 换向极 机座 端盖 轴承 电刷装置产生磁场、电机的机械支撑产生磁场、电机的机械支撑 电枢铁心 电枢绕组 换向器 轴 风扇感应电势，而实现能量转感应电势，而实现能量转换的部分换的部分 1.3 直流电机的电路 励磁绕组励磁绕组 套在磁极铁芯上。并励绕组和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小串励绕组和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大从电阻和能量消耗的角度考虑 电枢绕组电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中叠绕组和波绕组 换向极绕组换向极绕组 与电枢绕组串联，激励换向极磁通。 换向器换向器将将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电刷间

4、的直流电势。1.4 电刷装置 电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直 流电压 电刷组数一般等于电机极对数 1.5 直流电机的励磁方式 直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响 他励励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接 自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给 自励的形式励磁回路的功率占总功率的1-5%。二、 直流电机电枢绕组一般来说直流电机中至少应该有两套绕组： 励磁绕组励磁绕组和电枢绕组枢绕组。二者功能不同。励磁绕组励磁绕组用来产生主磁场，

5、为集中绕组。电枢绕组电枢绕组实现机电能量转换的枢纽，称为功率绕组，是分布绕组。绕组宏观分为环形和鼓形。环形绕组只在原始电机中用过，在原理上易于理解。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。鼓形绕组又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。环形电枢绕组鼓形电枢绕组二、直流电机电枢绕组 作用：电枢绕组功率绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换转换。 特点：直流绕组是闭合绕组直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端

6、点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。用环型绕组说明直流绕组的闭合情况用环型绕组说明直流绕组的闭合情况电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端各线圈依次通过电刷作为引出端 2.1 双层绕组 线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割磁场而产生感应电势。 两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面下，线圈的跨距线圈的跨距约约等于一个极距等于一个极距。 线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。 虚槽概念 在大型电机中、每层可能有每层可能有n个并列圈边个并列圈边为了改善电机的性能，用更多的元件

7、组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。每层有3个圈边实槽虚槽czzezeks每一元件有两个圈边，每一换向片上接有两个圈边，每一虚槽内放置有两个圈边，元件数s等于换向片数k，也等于虚槽数 每线圈有nc匝，则总导体数nnczecnczn22zeks2.2 直流绕组的节距 第一节距y1元件的宽度，虚槽数，两个圈边之间的距离 第二节距y2联至同一换向片的两个圈边之间的距离 合成节距y紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距 换向器节距yk每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示pzye21保证绕组能循序串联021yyyyyk2.3 单叠

8、绕组 每个元件出线端依次连在相邻的换向片上，后一个绕组元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。右行左行1kyy1kyy例：绕组20虚槽，四极，双层415542021121yyypzeyyyk第二节距第一节距单叠右行由右手定则判电流方向在电枢几何中心线上的元件边感应电势为0为获得对称的绕组，每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合为获得对称的绕组，每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合例：绕组20虚槽，四极，双层电刷被电刷短路，处于换向状态并联支路数2a=2p n极 s极 s极 n极直流绕组是闭合绕组每一极面下的元件串联成一支路每支路中一个元件被电刷短路，处于换向状态中在整个闭合回路中，感应电

9、势总和为0，绕组内部无环流电刷数等于极数。同极性的电刷连接形成一个“极”电刷之间的引出电势为每一支路个元件的电势和电刷放置法 使电刷间导出的电势有最大值 使与电势为零的元件所连接的换向片相连接当导体转至交轴时，感应电势为零，电刷应与处于交轴位置的导体相连如导体对称，则磁极的几何中心线处为电刷位置换向绕组的绕组轴线、磁极轴线和电刷位置在同一位置上。 n2.4 单波绕组 每一绕组元件的出发点和终端不在相邻的两换向片上，而相隔近似为一个极距 相邻两元件相隔近似一对极距 连接p个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽pky1例：电枢绕组19槽，四极454192921191221yyypzypkye第二节

10、距第一节距单波左行例：电枢绕组19槽，四极只有两条并联支路：所有n极下的导体并联为一支路，所有s极下的并联为另一支路。2a=2电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷电刷位置：应与电势为零的元件所连接的换向片相连2.5 单叠绕组和单波绕组的差别 单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数电枢间电势较下，电枢电流较大，称并联绕组 单波绕组：n极下上层的绕组元件串联为一支路，s极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2电刷间电势较大，电枢电流较下，称串联绕组。nnss叠绕波绕直流电机的额定值直流电机的额定值（rating）主要有：额定功率pn：指电机在铭牌规定的额

11、定状态下运行时，电机的输出功率，以w为量纲单位。额定电压un：指额定状态下电枢出线短的电压，以v为量纲单位。额定电流in：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以a为量纲单位。额定转速nn：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。额定励磁电流if：指电机在额定状态时的励磁电流值。对直流发电机pn是指输出的电功率。直流电动机pn是指输出的机械功率（与电功率相差一个效率）直流电机的基本理论直流电机的磁场： 励磁方式、磁场分布、电枢反应直流感应电势： 电势公式、电势方程式电磁转矩： 转矩公式、转矩平衡方程式功率与损耗： 损耗分析、功率平衡方程式1.5 直流电机的励磁方式 直流电机励

12、磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响 他励励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接 自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给 自励的形式励磁回路的功率占总功率的1-5%。二、空载时直流电机的磁场一、直流电机的磁通路径 磁路从主磁极1出发经过气隙1-电枢齿1-电枢轭-电枢齿2-气隙2-主磁极2-定子轭-主磁极1。 由磁极的直流励磁电流产生，空气隙磁场不随时间变不随时间变化化，是恒定 磁场；空间上，忽略极面下的齿槽效应，沿极面均匀沿极面均匀分布分布。边缘磁通空间上，非正弦分布，在导体中感应电势将包括有高次谐波。负载时直流电机的磁场-电枢反应电枢磁

13、场会对主磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应会使得每极磁通发生变化，也会使气隙磁场发生畸变，从而影响电机的性能。一、电枢磁势的分布电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。电枢电流的方向由电刷来决定。电枢磁势的轴线总是与和电刷接触的导体的连线重合。或者说电刷位置决定了电枢磁势的轴线。当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时，电枢磁势的轴线在交轴方向。并把这一磁势称为交轴电枢反应磁势。设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距0点为x处作一闭合磁力线回路。该闭路包围的电流数即为总磁势fa。电枢表面单位长度上的安培导体数a称为电机的线负荷。aaniad线负荷距0点位x处，每个气隙的电枢反应

14、磁势为：( ) ()22af xaxx上式为一个极距的电势磁势分布，将一对极的电势磁势波形画出，将得到三角波。电枢电势单独产生的磁感应强度的分布： 磁密由磁势和气隙磁阻共同决定。 极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势。 两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速见效。一个周期的磁密波形呈马鞍形。0( )( )aaf xb x在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内磁密减弱。如果点击的磁场不饱和，则半个极距内增加的磁通量与另半个极距内减少的磁通量相等。即每极总磁通与空载时一样。实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少，磁场发生畸变，0点位置发生了位移。（交轴）电枢反应：气隙磁场发生畸变（对

15、发电机而言前极端去磁，后极端增磁。而对电动机而言则是前极端增磁，后极端去磁）使每极磁通减少，此反应会对电机性能产生不良影响。直流电机电枢绕组磁势波形 直流电机的电枢磁势是幅直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只值固定的空间分布波，只是空间的函数是空间的函数 交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波 如沿电枢分布的线圈无限如沿电枢分布的线圈无限增多，则级形波将趋近于增多，则级形波将趋近于三角形波三角形波 电刷位置对电枢磁势的影响 电枢磁势幅值的位置恰在导体中的电流改变方向处，亦即在导体通过电刷处。 如电刷和位于交轴的导体相接触，则电枢磁势的轴线也在交轴；如电刷移动，则电枢磁

16、势的轴线也就跟着移动。 直流电机的电枢磁势轴线水远位于导体中的电流改变方向直流电机的电枢磁势轴线水远位于导体中的电流改变方向处（电刷位置），且在空间是静止不动的处（电刷位置），且在空间是静止不动的。 负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴电枢磁势位置取决于电刷位置，电刷位于交轴电刷位于交轴，电枢磁势轴线也在交轴，为交轴电枢反应。极尖处磁密最大极尖处磁密最大且由于其饱和程度的提高，且由于其饱和程度的提高，饱和影响使高峰略有下降，饱和影响使高峰略有下降，即极面下的总磁通略减小，即极面下的总磁通略减小，呈现去磁作用呈现去磁作用负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴交轴电枢反应交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1. 使气

17、隙磁场发生畸变2. 使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）3. 磁路未饱和时，每极磁通不变4. 如考虑磁路饱和的影响，则交轴电枢反应有去磁作用七、直轴电枢反应 如电刷顺着发电机的旋转方向顺着发电机的旋转方向或逆着电动机的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷移动。 在角度2范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，称为直轴电枢反应，其方向与主磁极极性相反，使主磁通减弱，呈现去磁作用。将使电枢电势减小将使电枢电势减小在角度2范围以外的导体所产生的磁势作用在交轴，为交轴电枢反应。 七、直轴电枢反应 如电刷逆着发电机的旋转方向逆着发电机的旋转方向

18、或顺着电动机的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷移动。 在角度2范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，其方向与主磁极极性相同，呈磁化作用。将加将加剧换向的困难剧换向的困难在角度2范围以外的导体所产生的磁势作用在交轴，为交轴电枢反应。 削弱电枢反应负作用的措施 由于电枢反应使气隙磁场畸变而形成环火的可能性较大，须将电枢反应尽可能地予以补偿，以防止发生环火。 在电机中装置有补偿绕组补偿绕组，使其产生的磁势适能抵消电枢反应电势 补偿绕组的电流分布和电枢绕组各对应点的电流分布大小相等、方向相反；交轴附近的电枢磁势将由换向极磁势来补偿。补偿绕组和换向极绕组应和电枢绕组串联 。八、电枢绕组的感应电势 电枢绕组的感应电势电枢绕组的感应电势电机正、负电刷之间的电势，即每一并联支路的电势。位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电势之和 假设电枢导体是连续均匀分布的，则电势为恒定的直流电势 当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。由电刷引出的感应电势ea也就是每条支路的感应电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之和。导体的有效长度为l切割磁力线的速度为：x处导体感应电势为：导体总数为n，每一支路导体数位n/(2a)支路电势即电刷间电势为：260nvp