电机拖动第2章直流电机.

1、第2章 直流电机2.3 2.3 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组2.4 2.4 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场 本章以直流电动机为讨论的主要对象，分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响，从应用角度分析直流电机的运行特性和工作特性。2.5 2.5 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算2.6 2.6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构2.7 2.7 直流电机的换向直流电机的换向2.2 2.2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据第2章 直流电机

2、2.1.1直流电机的主要结构2.1 直流电机的基本工作原理和结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承第2章 直流电机2.1.2 直流电机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动

3、势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。 第2章 直流电机2.1.2 直流电机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后 ，如右图。0180 可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下， 导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。第2章 直流电机2.1.2 直流电机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 可见，

4、和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。第2章 直流电机2.1.2 直流电动机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构二、直流电动机工作原理 把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右

5、向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。第2章 直流电机2.1.2 直流电动机的工作原理2.1 直流电机的基本工作原理和结构二、直流电动机工作原理原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。第2章 直流电机2.1 直流电机的基本工作原理和结构额定条件下电机所能提供的功率NP额定

6、功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速第2章 直流电机2.1 直流电机的基本工作原理和结构 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态

7、或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式第2章 直流电机每台电机的机座上都有铭牌。 铭牌数据是在使用电机时的重要依据直流电机运行时,若各个物理量都与它的额定值一样,就叫额定运行状态.在额定运行状态下工作(额定工况),电机能可靠地运行,并具有良好的性能.2.2 直流电机的铭牌数据直流电动机型 号励磁方式额定功率励磁电压额定电压励磁电流额定电流定 额额定转速绝缘等级标准编号重 量出品编号出厂日期中 华 人 民 共 和 国 电机厂制造第2章 直流电机2.3.1 直流

8、枢绕组基本知识2.3 直流电机的电枢绕组简介元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。pD2叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。第2章 直流电机2.3.1 直流枢绕组基本知识2.3 直流电机的电枢绕组简介合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距

9、离。1y第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。2y21yyy单叠绕组21yyy单波绕组换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky第2章 直流电机2.3.2 单叠绕组2.3 直流电机的电枢绕组简介 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即： 。1kyy 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。第2章 直流电机2.3.2 单叠绕组2.3 直流电机的绕组根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图(下图)。

10、单叠绕组的的特点：1） 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。第2章 直流电机2.3.3 单波绕组2.3 直流电机的绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。 两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。第2章 直流电机2.3.3 单波绕组2.3 直流电机的绕组单波绕组的并联支路图如右图所示。单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与

11、磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。第2章 直流电机2.4.1直流电机的励磁方式2.4 直流电机的励磁方式及磁场他 励 式积 复 励差 复 励1 . 串 励 式2 . 并 励 式3 . 复 励 式自 励 式直 流 电 机 的 励 磁 方 式第2章 直流电机1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、

12、并励式和复励式：1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足：2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：faIIIafUUfaIII第2章 直流电机3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢）复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：加，反之，叫做差

13、复励：fSFFFSfFFF第2章 直流电机第2章 直流电机2.4.2直流电机的空载磁场2.4 直流电机的励磁方式及磁场空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。那么 ，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。第2章 直流电机2.4.2直流电机的空载磁场2.4 直流电机的励磁方式及磁场 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。第2章 直流电机2.4.2直流电机的空载磁场2.4直流电机的励磁方式及磁场 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，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的

14、饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路第2章 直流电机2.4.2直流电机的空载磁场2.4直流电机的励磁方式及磁场 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。 如右图 (a) 所示几何中性线极靴极身（a）气隙形状 磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小

15、；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。第2章 直流电机2.4.2 直流电机的空载磁场2.4直流电机的励磁方式及磁场 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b) 所示。 空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c) 所示。xB（b）气隙磁密分布第2章 直流电机2.4.2 直流电机的空载磁场2.4直流电机的励磁方式及磁场 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。000fF0fI 为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时

16、，额定磁通 设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。NfNI0fF0fIINfIA0N0第2章 直流电机2.4.2 直流电机负载时的磁场2.4直流电机的励磁方式及磁场 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。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。 右图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。第2章 直流电机2.4.2 直流电机负载时的负载磁场2.4直流电机的励磁方式及磁场 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢

17、磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 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。axBaxBaxF第2章 直流电机2.4.3 直流电机的电枢反应2.4直流电机的励磁方式及磁场 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、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（a）所示。第2章 直流电机2.4.3 直流电机的电枢反应2.

18、4直流电机的励磁方式及磁场xB0axBxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线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第2章 直流电机2.4.3 直流电机的电枢反应2.4直流电机的励磁方式及磁场由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁

19、极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。第2章 直流电机2.4.3 直流电机的电枢反应2.4直流电机的励磁方式及磁场2、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。adFaqF这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。如图(a)(b)所示。第2章 直流电机2.4.3 直流电机的电枢反应2.4直流电机的励磁方式及磁场电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁

20、交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁第2章 直流电机2.5.1 直流电机的电枢电动势2.5 感应电动势和电磁转矩的计算产生产生: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:nCnapNEea60性质性质: : 发电机电源电势(与电枢电流同方向); 电动机反电势(与电枢电流反方向).)(电动势常数为电机的结构常数其中60epZCa可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第2章 直流电机2.5.2 直流电机的电磁转矩2.5 感应电动势和电磁转矩的计算产生产生: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。

21、大小:aTaemICIapNT2性质性质: : 发电机制动(与转速方向相反)； 电动机驱动(与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中apNCT2eTCC55. 9第2章 直流电机2.5.3 感应电势和电磁转矩公式的推导2.5 感应电动势和电磁转矩的计算感应电势:元件转过一对磁极的时间由电磁感应定律:极对数。电枢的转速（式中prnpnnpmin);/260602t第2章 直流电机a2s60pnNy4Ea)a2(s60pnNy42Ny60pn2Nyd60pn2edtpn2601edtt1Eapn2600t0一个匝数N的元件感应电势的平均

22、值一条支路串联的的元件数为支路感应电势的平均值第2章 直流电机460 26060602yeeffaeeffaffafefTfpnspzENnCnaapZCaKIECnC KI nGIGC KC K 式 中第2章 直流电机dxlBiDDSNdxDSTdTdxDSDliBNDfTliBNfxaaayaememaaaxyaxemaxyx22)2(222电磁转矩的计算:一个元件受到的电磁力为产生的电磁转矩为电枢表面dx段共有元件边数产生的电磁转矩为第2章 直流电机dxlBIaZdxlBIaZTdxlBIaZdTSNZdxlBiDDSNdxDSTdTaiISNzxaxaemxaemyxaaayaemem

23、aay00444222)2(22:绕组的全部导体数:电枢的总电流第2章 直流电机ffTafafafaemTaTaaemKaZpKCGIIGIaZpTaZpCICIaZpIaZpT222242:转矩常数转矩常数第2章 直流电机emafafafafaaTIIGIIGIE因此有下列关系:第2章 直流电机2.7 直流电机的运行原理1、电动势平衡方程式动态时，对电动机有： 对发电机有： dtdiLiRiGUaaaafafadtdiLiRufffffdtidLiRiGUaaaafafa)()(dtdiLiRufffff第2章 直流电机2.7 直流电机的运行原理稳态时，对电动机有： 对发电机有：aafafa

24、IRIGUfffIRUaaaaIRUEfffIRU即：aaaaIREU第2章 直流电机2.7 直流电机的运行原理2、转矩平衡方程式 根据力学牛顿定理，电机在任何瞬间必须保持力学平衡，也即保持转矩平衡直流电动机励磁输入电功率输出机械功率aUaIfIfU2TemT0T机械负载电动机转矩平衡示意图直流发电机励磁输出电功率输入机械功率aUaIfIfU1TemT0T原动机转矩发电机转矩平衡示意图第2章 直流电机2.7 直流电机的运行原理机械功率2PFepmecpcpCuapCufpemP1P电功率电动机的功率图电功率2PFepmecpcpCuapCufpemP1P机械功率发电机的功率图第2章 直流电机2

25、.7 直流电机的运行原理二、直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性是指：端电压UUN（额定电压），IfIfN(额定励磁电流），电枢回路无外串电阻时，电动机转速n，电磁转矩Tem与效率三者和输出功率P2之间的关系，即转速特性、转矩特性、效率特性的总称：)()()(222PfPfTPfnem或)()()(aaemaIfIfTIfn效率特性转矩特性转速特性实际运行中，电枢电流aI与2P的变化趋势差不多，故工作特性表示为与 之间的 关系aI第2章 直流电机2.8.1 换向概述2.8 直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路

26、时,元件里的电流方向改变，即换向。 电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。 电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。aii 电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。aii元件1av1 2iiai 2aiai2i1iaiiaii ai 2aiai2i1iaiiaiiai 2aiai2i1i第2章 直流电机2.8.1 换向概述2.8 直流电机的换向 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期 。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。kT第2章 直流电机2.8.2 换向的电磁理论