电机学多媒体课件：第十九章 直流电机的基本原理和电磁关系

1、福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组电机学多媒体课件系列2013.10 第五篇 直流电机第十九章 直流电机的基本原理和电磁关系19.1直流电机的工作原理19.2直流电机的基本结构19.3直流电机的额定值19.4直流电枢绕组19.5直流电机的磁场和电枢反应19.6感应电动势和电磁转矩定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置转子：电枢铁心 、电枢绕组、换向片、转轴、风扇 直流电机的基本结构直流电机的特点: 优点：1、直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰 的影响小。 2、直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 缺点：由于存在换向器，其制造复杂，价格较高. 用途：1、直流电源用作同步机的励磁机

2、 2、调速性能要求高的场所电车、电力机车 本篇主要介绍带换向器的旋转电枢式直流电机，介绍其基本结构和工作原理；分析它的磁场、电路系统、从应用角度讨论直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。19.1直流电机的工作原理 图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极;abcd是固定在电枢铁心上的线圈(电枢绕组)，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,线圈连同电枢铁心及换向片构成电机的转子。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(A+ 、B-)进行的。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。导体ab在N极下(a点高电位，b点低电位

3、);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。 1、直流发电机运行 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，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。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转过1800 后，如右图。 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;电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。 换向器与电刷配合，把电枢绕组内部的交流电用机械换接方法转换为电刷间的直流电.2、直流电动机运行 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

4、圈中将电流流过。如右图。 在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，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。 当电枢转子逆时针转过1800到右图所示位置,即导体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。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。换向器的作用： 1、实现电刷与换向片的滑动接触，使电枢旋转回路与外电路（静止）相连. 2、改变电势、电流的方向.实际的电枢有多个线圈、多对磁极(减

5、小脉冲，提高功率）理论上一台电机既可以作电动机又可以作发电机(可逆).外部电刷两端电动势为直流量内部线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量.结论：定子转子直流电机机座、端盖主磁极换向磁极电刷装置直流电机由定子和转子两大部分构成：19.2 直流电机的基本结构电枢铁心、电枢绕组换向器转轴、轴承通风冷却风扇一、定子部分 定子:包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。 1 、主磁极： 作用:1、建立主磁场,使电枢绕组感应电动势和产生电磁转矩. 材料:小电机:用永久磁铁; 大电机:叠片铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成.主磁极铁心:用11.2mm厚的低碳钢板叠压而成。主磁励磁绕组通以直流电If产生主磁磁场

6、.图19-4 主磁极示意图1主磁极铁芯；2极靴；3励磁绕组4绕组绝缘；5机座；6螺杆123564图19-5 主磁极和换向极分布示意图1主磁极；2换向极；3机座1322、换向极：作用:用以改善换向,换向极装在相邻两主极之间;材料:由铁心和绕组构成,换向极绕组与电枢绕组串联.4 、电刷装置：作用:把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，电刷与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。材料:由电刷(石墨)、刷握、刷 杆和连线等构成电刷固定在机座或端盖上。 3 、机座： 作用:1、电机磁路一部分 2、固定主磁极、换向极及端盖等,机械支撑的。 材料:要求好的导磁性能及足够的机械强度。通常用铸钢或厚钢板焊成。弹

7、簧压板铜丝辫电刷刷握二、转子部分 转子:包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和 轴承等。 1 、电枢铁心： 作用:电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组. 材料: 为了减少电枢铁心中磁滞及涡流损耗，电枢铁心通 常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2 、电枢绕组：作用:主要电路部分，是通过电流和感应 电动势,实现机电能量转换的关键性 部件。构成:许多按一定规律联接的线圈组成,圆 截面铜线或扁导线、空心导线.1槽楔；2线圈绝缘3层间绝缘4导体；5槽绝缘；作用:与电刷配合，把电枢 绕组内部的交流电用 机械换接方法转换为 电刷间的直流电. 构成:由许多鸽尾形的换向 片排成一个圆筒构成

8、彼此换向片间互相绝 缘的.4、轴和轴承、通风冷却的风扇等。换向片垫圈绝缘层套筒3 、换向器:5、气隙: 定、转子之间的气隙是主磁路一部分，其大小直接影响运行性能。 直流电机的换向片交流电机的集电环 电机厂家根据国家标准对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，亦称为额定值。直流电机的额定值有：19.3 直流电机的额定值 1.额定功率 ：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kW表示 直流电动机:是指轴上输出的机械功率。 直流发电机:是指电刷端输出的电功率.3.额定电流 ：指电机运行在时,电机的电流， 以A表示。 5励磁方式和额定励磁电流 :以A表示。4.额定转

9、速 ：指额定状态下运行时转子的转速， 以r/min表示。2. 额定电压 ：指额定状态下电枢出线端的电压， 以V表示。19.4 直流电枢绕组一、电枢绕组概述（1）电枢绕组的基本要求： a)能产生足够的感应电势 b)允许通过规定的电流 c)节约材料、工艺简单、运行可靠（2）直流电枢绕组的基本型式： 叠绕组，包括单叠绕组和复叠绕组； 波绕组，包括单波绕组和复波绕组；单叠绕组和单波绕组是最基本的两种绕组。 (a)单匝线圈 (b)两匝线圈 (a) 单匝线圈 (b) 两匝线圈 图19-10 叠绕组线圈 图19-11 波绕组线圈单叠绕组：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的端接部分，整

10、个绕组成折叠式前进。单波绕组：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。单叠绕组和单波绕组是最基本的，本节主要介绍单叠绕组、波绕组NSNSSN1、绕组线圈（1）元件（线圈）：两端分别与两片换向片相连的单匝或多匝(Nc)线圈。 （2）元件边:一个线圈有两个元件圈边(上元件边和下元件边),分别处于相邻不同极面下,跨距约一个极距 .上元件边下元件边 （5）元件(线圈)数S 、虚槽数Ze 、换向片数K （6）导体:构成元件线匝的两有效边称导体, 电枢总的导体数:（3）实槽数Z:电枢铁芯的实际槽数 （7）极距 ：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。用槽数表示: C=2C=3

11、（4） 虚槽数Ze:每一个实槽内每层放置C个线圈边，如将实槽内每一列上、下线圈边所占的槽空间看成是一个虚槽，虚槽数量用Ze表示，则：第一节距y1：指线圈的跨距第二节距 y2 ：前一元件下层边与后一元件上层边的距离合成节距y：相串连的两元件对应圈边在电枢表面跨过的距离换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离2、电枢绕组的几个节距叠绕组波绕组 3、场移： 为了使绕组各线圈能沿着电枢表面分布，相邻线圈在磁场中必须移过一定的距离，场移m用虚槽数或换向片数来表示。叠绕组：相邻的两个线圈处于同一极面下，为了使绕组能分布开，y2的绝对值不能等于y1。显然，叠绕组的场移m与合成节距y 相等。即：m

12、= y 波绕组 ：相串联的两个线圈处于相邻的两个同极性的磁极面下，为了使绕组能分布，合成节距y不能恰好等于一对极距，波绕组的场移m 等于合成节距与一对极距之差。即：一、单叠绕组: 单叠绕组:相邻两元件在电枢表面仅差一个槽,每个线圈的出线端依次接到相邻的换向片上. 即: 第一个元件上层边由N极出发 ,下层边绕嵌到相邻S极下; 通过换向器与相邻第二个元件的上层边串联,回到原N极下,继续直到所有的元件均串联起来为止.特点：虚槽数Ze = 元件数S = 换向片数K； 合成节距:称为左行绕组，用铜多，少采用 称为右行绕组，用铜少，常采用（y0右行；y0左行）NS左行右行 2）第一节距： 3）合成节距：

13、4）第二节距：例：已知2p =4，电枢槽Ze=20 ，单叠右行绕组。画绕组连接展开图步骤如下：1、计算：1）极距：可见，依次连接完20个线圈后，又回到了第一个线圈，说明电枢绕组总是自行闭合的。则：绕组连接表如下2、作图步骤：1）标槽号、换向片号、连接各元件.编号原则：元件和它的上层边所在的槽，以及与其相连的换向片，三者取相同的编号。2）画磁极、电刷 电刷放置原则：相邻电刷间引出的电势最大。 被电刷短路的元件，其电势最小。结论：电刷应放置在换向器的几何中心线上。换向器的几何中心线：与主磁极轴线重合的元件所接的两换向片的中心线。3）标电势方向.4）画电刷极性, 并联支路，引出出线 .3、作图开始演

14、示展开图1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18NNSS_+-+-+1）标槽号、换向片号3）画磁极、电刷 4）标电势方向,电刷极性 5）画并联支路，引出出线 2）连接各元件n单叠绕组展开图(p280图19-15/16)4、小结：7）电刷位置在三线合一处，使得引出电势最大6）总电流（支路电流之和）内部无环流4）电刷数极数1）单迭绕组中，并联支路数： （固定）3）在整个电枢闭合回路中2）每支路有本例有5个元件，其中一元件被短路个元件5）电

15、刷间引出电势支路电势 叠绕组:是一种并联支路数较多,电枢电流较大.电刷间电动势较小的并联绕组. 二、单波绕组 单波绕组:相邻二元件相隔约为一对极距,经过P个绕组元件串联后,回到原出发换向片的相邻一片上。 即:第一元件处于某一对极面下（N1、S1), 第二元件在相邻的另对极面下（N2、S2）, 若有P对极，则连接P个元件之后才回到出发元件的邻槽，如此下去直至所有元件都串起来为止。特点：合成节距取“-1”称为左行绕组，用铜少，常采用N1N2S2S1左行右行 2）合成节距： 3）第一节距： 4）第二节距：例：已知2p =4，Z=S=K=19,c =1，单波左行画绕组连接展开图步骤如下：1、计算：1）

16、极距：绕组连接表:依次连接完19个线圈后，又回到了第一个线圈自行闭合的。2、作图步骤：1）标槽号、换向片号、连接各元件编号原则：元件和它的上层边所在的槽，以及与其相连的换向片，三者取相同的编号。2）画磁极、电刷 电刷放置原则：相邻电刷间引出的电势最大。 被电刷短路的元件，其电势最小。结论：电刷应放置在换向器的几何中心线上。换向器的几何中心线：与主磁极轴线重合的元件所接的两换向片的中心线。3）标电势、电势方向。连接各元件4）画电刷极性, 并联支路，引出出线 2、作图开始演示展开图1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 191 2 3 4 5 6

17、7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1 2 3 4NNSS-+-+-+1）标槽号、换向片号2）画磁极4）标电势方向,放电刷及标极性 5）画并联支路，引出出线 3）连接各元件n单波绕组展开图(283图19-18/19)N(上元件号)S(上元件号)3、结论 3) 电刷数2p(极数) 1) a2即单波绕组只有两条支路,并联支路与极数无关。 2)单波绕组每一条支路串联了上线圈边处于同一极性下的所有线圈，各线圈的电势方向相同。 第一条支路：N极下所有元件串连第二条支路：S极下所有元件串连 单波绕:并联支路数少（2条）、电刷间电动势较大,电枢电流较小 ,故称串联绕组.三

18、、其它形式的绕组1、双叠绕组：y=2（两个单叠） 并联支路数为4p2、双波绕组：并联支路数为43、复叠、复波、混合绕组等电枢绕组是闭合回路:从电枢上某一导体出发，按一定的规律串连所有导体后，仍回到出发点，自成闭合回路。SN1)主磁通 :经气隙同时交链励磁绕组和电枢绕组,在电枢绕组中产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。19.5直流电机的磁场和电枢反应一、直流电机空载气隙磁场空载时，Ia=0, If Ff B 1 、磁通与磁动势主磁路：由N极出发，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入S极，再经定子轭回到原来N极。2)漏磁通 :磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极

19、或定子铁轭形成闭合回路.3)漏磁系数: 漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大.在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的15% 20%。4)励磁磁动势F0：主磁路可分成5个部分，即由2个气隙 、2个电枢齿hz、1个电枢磁轭La、2个主磁极hm、1个定子磁轭Lj。主磁通所走的路径气隙小，磁阻小. 根据全电流定律，产生主磁通所需的励磁磁动势:2、主磁场分布:平顶帽状波极面下:气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数;极尖处:气隙变大，磁通密度减小；磁极的几何中性线(交轴线)处 :气隙磁通密度为零。边缘磁通：磁极边缘至几何中性线,气隙磁密沿曲线平滑下降，称边缘磁通。主磁场性质：恒定磁场3、磁化曲线aab

20、c气隙线磁化曲线oF0 指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线 = f（F0），如图所示。 空载时,电机产生额定电压对应的磁通所需磁动势为F0 ，与同一磁通下的气隙磁动势为F比值，定义为磁路饱和系数:一般k1.11.3 qq二 、直流电机的电枢磁场（电刷在几何中性线时） 右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机电枢磁场分布图。假励磁电流为零，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为交轴磁动势 。电枢磁动势:电枢电流Ia产生的磁动势称为电枢磁动势。 d轴q轴电刷在几何中性线:与电刷接触的换向片所联接的线圈边在几何中性线处。不考虑主磁极磁场时的电枢磁场a）一个Nc匝元件产 生的

21、气隙磁动势: 波形:正负半周对称的矩形波b）三个Nc匝元件产生的磁势 波形：阶梯波 幅值：1、电枢磁动势波形幅值：xxFF波形：近似于三角波幅值：位置: 幅值位置恰在导体中的电流方向改变处,即电刷处.c) N个Nc匝元件产生的磁势则支路(导体)电流 :一个极内的导体数为：设：总导体数为N，极数为2p，并联支路为数为a， 电枢电流为 则在x处每个气隙的电枢磁动势:2、电枢磁动势幅值(安匝/极)在x =/2处电枢磁动势幅值:-线负荷( 约100 600 )(安匝/极)b)在x =/2处电枢磁势达到最大值:a)在磁极中心线处: c)任意点处：0X=/2xdq总结：电刷放在几何中性线上时,气隙电枢磁动

22、势 近似于三角波。3、电枢磁场 电刷放在几何中性线上时,电枢磁势为三角波, 由于气隙不均匀的影响，其产生的电枢磁场分布曲线 为马鞍形,最大磁密在极尖处. 当电刷处于几何中性线上时，由于电枢磁动势的轴线与几何中性线（即q轴）重合，故称为交轴电枢反应。三、交轴电枢反应 电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。1 、电枢反应2 、交轴电枢反应不考虑主磁极磁场时的电枢磁场 3、负载后的气隙磁场 当励磁绕组中有励磁电流时,负载后的气隙磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。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 负载后的气隙磁场:将主磁场

23、分布和电枢磁场分布叠加，可得负载后电机的气隙磁场分布情况.如图所示: B0(x)+Ba(x)=B(x)1）不考虑饱和现象: B(x)产生畸变，但每极总的磁通量不变4 、交轴电枢反应对电机运行的影响电动机 :前极尖加强;后极尖削弱发电机 :前极尖削弱;后极尖加电枢进入极面处的磁极极尖为前极尖，电枢离开极面处的极尖为后极尖。2) 交轴电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。 4) 极面下的磁密分布不均，导体切割磁场产生的感应电动势大小不均,各换向片的电动势分布不均,导致电位火花,严重时烧坏换向器和绕组。Ff0:磁通的有效磁动势:Ff:磁极实际磁动势Faqd:交轴电枢去磁作用等效安匝 5)交轴电枢反应

24、使磁密分布畸变,物理中性线偏离几何中性线。交轴处的磁场不为零,妨碍线圈中的电流的换向,产生换向火花。解决办法:装换向极补偿绕组 3）若考虑饱和现象：由于B(x)畸变,交轴电枢反应使每极尖磁通增加的数量小于另一半极尖磁通减少的数量（面积S4S3），每极磁通略有减少。四、直轴电枢反应(当电刷偏离几何中性线上时) 1、电刷顺着发电机转向(或逆着电动机转向)移过一个角(a)图时，电枢电流分布发生改变Fa轴线也移过角.Fadx :2范围电流所产生磁势，呈直轴去磁电枢反应。Faqx：( -2)范围电流所产生磁势，交轴电枢反应。 2、电刷顺着电动机转向(或逆着发电机转向)移过一个角(b)图,此时Fa轴线也移

25、过角;Fadx-2呈直轴助磁电枢反应。可见:电刷移动将产生直轴电枢反应:直轴去磁使磁通减少;直轴助磁引起换相困难;所以应严格将电刷放在q轴处,避免直轴电枢反应。Faqx-( -2)仍为交轴电枢反应。3、交轴、直轴电枢反应磁动势大小可见: a) 电枢磁动势幅值位置(或轴线)永远在导体电流方向改变处,即电刷处;且在空间是静止的.b)电枢磁动势的波 为空间三角波,轴线随电刷移动而移动 。19.6 感应电动势和电磁转矩一、电枢绕组的感应电动势 指直流电机正、负电刷之间的感应电势，即一条支路里各串联导体的电动势代数和。 电刷电势 = 位于电刷之间一定位置的各个导体的感应电动势之和。1 、某一导体的感应电

26、动势为： 设电枢绕组的总导体数为N，并联支路数为a，则每条支路的串联导体数为N/a，电刷之间的感应电动势为：式中 可用平均磁密 代替 2 、电刷之间的感应电动势： Bi：导体所在处的气隙磁通密度 l ：电枢导体的有效长度 v ：导体切割气隙磁场的速度设每一极面下的平均磁通密度为Bav，则每极磁通量为：每根导体的平均感应电动势为：相邻电刷之间的感应电动势为：可见：电刷间的感应电动势与极面下的总磁通量成正比,与极面下的磁通密度分布情况无关.-电势常数3 、导体感应电动势频率: 电刷间的感应电动势为直流，但电枢导体感应电动势是交变的，其频率为： 4 、实际电刷间的感应电动势比以上推导的值小，可能的原因有：绕组不是整距绕组电刷不在交轴处交轴电枢反应以及铁芯饱和