项目二 直流电机

1、项目二项目二 直流电机直流电机直流电机直流电机英文：英文：direct current machinedirect current machine，DC machineDC machine定义：将直流电能转换成机械能定义：将直流电能转换成机械能( (直流电动机直流电动机) ) 或将机械能转换成直流电能或将机械能转换成直流电能( (直流发电机直流发电机) )的旋转电机。的旋转电机。特点：具有良好的调速性能和启动性能。特点：具有良好的调速性能和启动性能。缺点：制造工艺复杂，消耗有色金属多；缺点：制造工艺复杂，消耗有色金属多； 运行时电刷与换向器之间用以产生火花，维护困难。运行时电刷与换向器之间用以

2、产生火花，维护困难。应用：用于启动和调速要求较高的场合。应用：用于启动和调速要求较高的场合。 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。2.1.1直流电动机的工作原理电磁力定律电磁力定律直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。2.1.2直流发电机的工作原理电磁感应定律电磁感应定律从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。这种一台电机既能作电动机又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为电机的可逆原理电

3、机的可逆原理。2.1.3 直流电机的可逆性定子转子主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向性能。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承2.2.1直流电机的基本结构（1 1）主磁极）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。 铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽

4、于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。 励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。 整个主磁极用螺钉固定在机座上。定子定子（2 2）换向极）换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。 换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 定子定子（3 3）机座）机座电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个： 一是用来固定主磁极、换向极。二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。 为保证机座具有足够的机械强度和良好的导

5、磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 定子定子4 4）电刷装置）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。 电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 定子定子（1 1）电枢铁心）电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。 一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。 铁心

6、的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 转子转子（2 2）电枢绕组）电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。 它是由许多线圈按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 转子转子1. 直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能转换的核心部件。 在实际的直流电机中，为增加电机的感应电动势和电磁转矩其电枢

7、表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈，这些线圈按一定规律与换向器联接起来，组成电枢绕组。 电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组。 按照元件首尾端与换向片联接规律的不同，电枢绕组可分为按照元件首尾端与换向片联接规律的不同，电枢绕组可分为叠绕组叠绕组和和波绕波绕组组，叠绕组又有，叠绕组又有单叠单叠和和复叠复叠之分，波绕组也有之分，波绕组也有单波单波和和复波复波之分。之分。单叠绕组是直单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式流电机电枢绕组的基本形式。 3 3）换向器）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外

8、加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。转子转子云母片V形套筒换向片连接片4 4）转轴）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。转子转子 直流发电机的励磁方式是指电机励磁电流的供给方式，分为他励和自励他励和自励两大类。他励他励励磁电流由另外的电源供给。励磁电路与电枢无电的联系。自励自励励磁电流由发电机本身供给。自励电动按励磁绕组与电枢的联接方式不同，又可分为并励、串励和复励三

9、种。他励他励并励并励串励串励复励复励 4 4) )复励复励: : 发电机既有并励绕组，又有串励绕组。 串励绕组磁动势可以与并励绕组磁动势方向相同（称为积复励），也可以相反（称为差复励）。 并励绕组与电枢并联，流过的电流小，故并励绕组匝数多、导线细；串励绕组与电枢串联，流过的电流大，故串励绕组匝数少、导线粗。1)1)他励：他励：他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同。aII3)3)串励：串励：励磁绕组与电枢绕组串联。afII I 2 2) )并励：并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。afIII 通常If 仅为电视额定电流IN的1%-5%。 1 1）额定容量（额定功率）额定容量（额定功率）P P

10、N N 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。 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况额定运行情况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。直流电机的额定值主要有下列四项：2 2）额定电压）额定电压U UN N 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3 3）额定电流）额定电流I IN N 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 4 4）额定转速）额定转速n nN N 指

11、额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PNUNINN 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 例：一台直流电动机的额定数据为：PN=13kw，UN=220V，nN=1500r/min, N =90%,求额定输入功率P1N、额定电流IN和额定输出转矩TN 。 直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动势也很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。所以直流电机空载时的气隙磁场可认为就是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。 当励磁绕组通入励

12、磁电流，各主磁极极性依次呈现为 N 极和 S 极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。2.3.1直流电机的空载磁场 下图是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。直流电机空载时的磁场分布示意图 从图中看出，由N极出来的磁通，大部分经过气隙和电枢齿,再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿,又通过气隙进入S极，再经过定子磁轭回到原来出发的N极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用表示 此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的

13、磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用表示。 主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁动势是相同的。 当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF 所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的（1520）%左右。 直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通不与电枢绕组相匝链，没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。因此，可只分析主磁通。 若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均匀，气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本为常

14、数；在极靴范围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。 如图所示：几何中性线极靴极身气隙形状 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。 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如图 (b) 所示。 空载时主磁极磁通的分布情况，如图(c) 所示。图（b）图（c） 在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通，也就是需要有一定的励磁磁动势Ff。励磁磁动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通与励磁磁动势Ff或励磁电流If的关系曲线称为直流电机的磁化曲线，如图所示，

15、它表明了电机磁路的特性。图 直流电机的磁化曲线 当磁通较小时，铁磁部分没有饱和，磁压降很小，整个磁路的磁动势几乎全部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是一个常数，因此曲线近似为一直线（图中0A段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯曲，很大时，呈饱和特性。fNI0fF0fIINfIA0N0 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（膝部），即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。N 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。它的出现使电机的磁场发生变化。 图（a）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

16、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。 从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在同一支路内元件中电流方向是相同的，而在同一电刷两侧的元件中，电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面导体中电流方向的分界线。 图（a）电枢磁场2.3.2电枢磁动势 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如右图 所示。axF 由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。axBaxFaxB图电枢

17、磁动势和磁场的分布 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，它将产生一个电枢磁动势。因此，气隙中的磁场是励磁磁动势和电枢磁动势共同作用的结果。通常把负载时电枢磁动势对主磁场的影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。 显然，电枢反应将与电刷的位置有关，下面将以直流发电机为例，分别讨论不同电刷位置时的电枢反应。1、电刷在几何中性线上时的电枢反应 在电枢磁动势的作用下，当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况。如图27（a）所示。2.3.3电枢反应 若电枢上半部分电流方向为流出纸面，则电枢下半部分电流方向为流入纸面

18、，其电枢磁场磁力线分布如图示。图27（a） 交轴电枢反应磁场分布 此时电枢磁场的轴线与电刷轴线重合，并与主极轴线垂直，这时的电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，它对主磁场的影响称为交轴电枢反应。 如果主极极性如图所示， 把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动势将对主磁场产生很大的影响，即电枢反应。 NSxB0axBxB电枢磁场磁通密度分布曲线Bax主磁场的磁通密度分布曲线Box两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线Bx图27（b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线下面通过磁通密度分布曲线说明电枢反应的作用如图27（b）所示:比较Bx 和Box 两条曲线，得出电枢反应

19、的性质： 磁场为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度。 说明物理中性线与几何中性线不再重合。xB0axBxB图27（b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线 每一磁极下，主磁场一半被削弱，另一半被加强。几何中性线物理中性线（1）使气隙磁场发生畸变 图27（a） 交轴电枢反应磁场分布 物理中性线是指电机中N极与S极的分界线，此处磁场为零。 几何中性线是指电气结构上两磁极的中线。 （2）对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极下的磁通量与空载时相同。但是电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通会少些，因此

20、负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。 xB0axBxB图27（b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线2、电刷不在几何中性线时的电枢反应如图28所示，图28 电刷不在几何中性线上的电枢反应NS假设电刷从几何中性线顺电枢转向移动角度，因为电刷是电枢表面导体电流方向的分界线，故电枢磁动势轴线也随之移动角。 这时电枢磁动势可分解为两个相互垂直的分量：交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。FaqFad 交轴电枢反应的性质在前面作了分析，直轴电枢反应若Fad和主磁场方向相同，起增磁作用；相反则起去磁作用。n 必须说明，为了使电枢反应能起增磁作用而移动电刷，从换向的角度

21、看，都是不允许的。 上述分析是以发电机为例说明的。对电动机而言，若保持主磁场的极性和电枢电流的方向不变，则可看出电动机的转向将与发电机运行时的转向相反，其电枢反应比较如下：电刷顺转向偏移电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴增磁交轴和直轴增磁电动机电动机交轴和直轴增磁交轴和直轴增磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁*2.3.4电枢反应对换向的影响及改善换向的措施1.电枢反应对换向的影响2.换向的基本概念3.改善换向的方法1.电枢反应对换向的影响1)由于几何中性线处的气隙磁密不再为零，于是，处在几何中性线处的换向元件(电刷是与处在几何中性线处的元件

22、所连接的换向片接触的)中必然会产生感应电动势，使换向发生困难。2)气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀，尤其当电机负载突变时，形成强烈的电枢反应，气隙磁场严重畸变，有可能使相邻两换向片之间的电位差超过一定的限度，从而产生电位差火花，而且随着电弧的拉长可能出现环火。直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷短路后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程称为换向过程，简称换向。2.换向的基本概念换向的物理过程：如图所示，（1）换向极应装在几何中性线处； （2）换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动势的方向相反。（3）由于 是随负载的大小及转速而变化的，为使换向电动

23、势 在任何负载下都能抵消 ，要求 。根据 ，需要 ， 所以换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁路应不饱和。一般，容量为1kW以上的直流电机都装有换向极。3.改善换向的方法目前最有效的办法是装换向极。对换向极的要求是：nIearKerenIeaKaKIBnIeaK2.4.1直流电机的感应电动势2.4.2直流电机的电磁转矩产生: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。大小:60aepNE nC na)(电动势常数为电机的结构常数其中apNCe60可见,直流电机的感应电动势与电机结构、每极磁通及转速有关。性质: 发电机电源电势(与电枢电流同方向); 电动机反电势(与电枢电流

24、反方向).2.4.1直流电机的感应电动势产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:2emaTapNT IC Ia为电机的转矩常数，有其中apNCT2eTCC9.55 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与每极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)。2.4.2直流电机的电磁转矩2.5.1直流电动机的基本方程式2.5.2他励(并励)直流电动机的工作特性并励直流电动机 1. 电压平衡方程式faaaaIIIIREU2. 转矩平衡方程式3. 功率平衡方程式 电动机输入功率 2.5.1直流电动机的基本

25、方程式电磁功率 由并励直流电动机 他励直流电动机 直流电动机功率流程图 并励直流电动机的功率平衡方程式 2.5.2他励(并励)直流电动机的工作特性1.他励(并励)直流电动机2.串励直流电动机的工作特性3.复励直流电动机的转速特性并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压 ，励磁电流 ，电枢回路不串外加电阻时，转速n、电磁转矩T、效率分别与电枢电流 之间的关系。 aIfNfII1. 转速特性)(aIfn NUU )(NfNfII)(aIfn 当、转速n与电枢电流时，之间的关系称为转速特性。 nCEeaaaaIREU代入得1.他励(并励)直流电动机2. 转矩特性)(aIfT NUU )(NfNf

26、IIaI)(aIfT 当、时，电磁转矩T与电枢电流之间的关系 称为转矩特性。 3. 效率特性)(aIf NUU )(NfNfIIaI)(aIf 当、时，效率与电枢电流的关系称为效率特性。 %100)(1%1001%100112faCuamecFeIIUPPPPPPP 并励电动机的工作特性 1. 转速特性 2. 转矩特性 3. 效率特性 由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的。因此，其工作特性将与他（并）励直流电机的工作特性有所不同。1）转速特性：电压平衡方程 2）转矩特性：aaaafaaafaaaIREIRREIRIREUnCEea代入得aea

27、eICRCUnafffIkIk而eaaeaafeaafeCRICUIIkCRIkCUn故有22aTafTaTICIkCICT电磁转矩与电枢电流的平方成正比 2.串励直流电动机的工作特性 串励电动机有较大的起动转矩与过载能力，这是两个很好的优点。当生产机械过载时，电动机的转速自动下降，其输出功率变化不大，使电机不致因负载过重而损坏。当负载减轻时，转速又自动上升。因此，电力机车、电车等一类牵引机械大都采用串励电动机拖动。 串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机相似。 串励直流电动机 串励电动机的工作特性 1. 转速特性 2. 转矩特性 3. 效率特性 复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并

28、励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险 ，复励电动机的转速特性如图所示。 复励直流电动机 复励直流电动机的转速特性 1. 并励 2. 积复励 3.串励 3.复励直流电动机的转速特性如图规定各物理量的参考方向 UaI1T0TemTnaEfIfU（一）电动势平衡方程式2aaabaaEUI RUUI R10emTTT从方程式可见，直流发电机满足aEU（二） 转矩平衡方程式emT发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：1