自动化元件-02直流电机1

自动化元件第二章直流电机

工作原理和结构基本理论

运行特性起动、调速和制动第一节工作原理和结构一.直流电机概述电机的主要类型之一。发电机：获得直流电源。电动机：提供动力。作为信号传递使用，如测速电机等。调速范围宽广，调速特性平滑；过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。

作为拖动，用于轧钢机、无轨机车、龙门刨床等调速宽的地方。二.直流电动机基本工作原理转矩形成的条件：同性磁极下电流相同，异性（相邻）磁极下电流相反。转矩方向恒定的条件：每个磁极下导体的电流方向应保持不变。换向器和电刷配合的结果三.直流电机基本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气隙主磁极建立主磁场，铁心采用低碳钢板冲压叠装固定而成。个数为偶数，励磁绕组的连接使相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。机座作为主磁极的一部分以及电机的结构框架。机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。机座两端装有端盖，通过轴承支撑转子，将定转子连为一体。换向极改善电机的换向时产生的火花。个数一般与主磁极的极数相等。绕组一般和电枢绕组串联。电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，由电刷，刷握，刷杆和连线等组成。以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。电枢铁心是主磁路的组成部分，电枢绕组嵌放在电枢铁心槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽硅钢片叠压夹紧而成。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。电枢绕组由一定数目的电枢线圈（绕组元件）按一定的规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电，或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。四.直流电机额定值

额定值（铭牌值）:根据设计数据和试验数据确定的正常运行状况称为额定运行状态。额定运行时各项性能指标、经济性、安全性等总体上会处于最佳状态。额定功率PN（W，kW）额定电压UN（V，kV）额定电流IN（A，kA）额定转速nN（r/min）额定励磁电压UfN（V，kV）额定状态下电机的输出功率发电机：PN=UNIN（电功率）电动机：PN=UNINηN（机械功率）作用旋转电机实现机电能量转换的枢纽。构成原则在一定的导体数下，能够产生尽可能大的感应电动势，承担足够大的电流、电磁转矩和电磁功率；在承担一定的电流、电磁转矩和电磁功率情况下，导体数尽可能少；结构简单，运行可靠，便于维护、检修。五.直流电机电枢绕组直流电枢绕组的分类单叠绕组复叠绕组单波绕组复波绕组蛙绕组波绕组叠绕组混合绕组电枢绕组基本概念：元件指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。元件边、端接、上元件边、下元件边电枢绕组的特点常用槽数Z、元件数S、换向片K数及各种节距来表征。

槽数=元件数=换向片，故有S=K=Z极距

τ：每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主极间的距离。

设电机的极对数为p,电枢外径为D，则τ

=πD

/2p

(弧长)或τ=Z

/2p(槽数)第一节距y1----一般y1

=Z

/2p

=整数

y1=

τ称为整距元件；y1＞τ为长距；y1＜τ为短距第二节距

y2

：与同一片换向片相联的两个元件中的第一个元件的下元件边到第二个元件的上元件边的跨距。合成节距

y

：相串联的两个元件的对应边在电枢表面的跨距。用槽数表示就是y=y1-y2换向器节距

yK----同一元件的首端和尾端在换向器上所跨的换向片数。数值上与合成节距相等。即y=

yK单叠绕组：任何两个串联元件都是后一个元件总是紧接着前一个元件嵌放，每串完一个元件在电枢表面移动一个槽。y=yK=±1。例：已知电机极数2p=4，且Z=S=K=16。绕制单叠右行整距绕组。节距计算单叠右行y=yK=1整距y1=Z/2p=16/4=4第二节距y2=y1-y=3单叠绕组的展开图：假设把电枢从某一齿中心沿轴向切开并展开成一带状平面，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。上元件边用实线表示，下元件边用虚线表示；磁极在绕组上方均匀安放，N极指向纸面，S极穿出纸面；左上方箭头为电枢旋转方向，元件边上的箭头为由右手定则确定的感应电动势方向。绕组电路与电刷安放全部元件串联构成闭合回路，元件1、5、9、13在几何中心线，感应电势为0，将绕组分成4段。由于对称，这四段电路中的电动势大小相等，方向两两相反，因此整个闭合回路内的电动势恰好相互抵消，故电枢绕组内不会产生环流。在4个元件所连接的换向片间的中心线上依次放置电刷A1、B1、A2、B2，并且空间位置固定，则不管电枢和换向器转到什么位置，电刷A1、A2的电位恒为正，电刷B1、B2的电位恒为负。正、负电刷是电枢绕组支路的并联点，二者之间的电动势有最大值。每个元件用一个线圈表示，并用箭头表示元件的电动势方向电刷将闭合的电枢绕组分为若干条并联支路；当电枢绕组旋转时，每条支路的电动势不变；单叠绕组每个主磁极下元件串成一条支路，并联支路对数等于磁极对数，也等于电刷组数。单叠绕组输出电动势等于一条支路电动势，输出电流等于各支路电流的总和；当元件端接线对称时，电刷的轴线正好位于主极中心线下。一.直流电机空载磁场空载磁场：主磁极励磁绕组流过励磁电流产生的磁场，主磁极的磁动势为，式中

是励磁绕组的匝数，是直流励磁电流。主磁通Φ0：交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势，实现机电能量转换。漏磁通Φσ：不进入电枢铁心，不和电枢绕组交链，因此不感应电动势产生电磁转矩。它只是增加主磁极磁路的饱和程度第二节直流电机的基本理论主磁路主磁极1－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磁化曲线磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势或励磁电流的关系曲线。气隙磁通密度沿电枢周围分布忽略电枢齿槽影响，假定电枢表明光滑，略去铁心磁压降，认为全部磁动势都在气隙上，这样每段气隙磁压降处处相等。电枢圆周表面各处与气隙长度成反比。定义为气隙磁通密度平均值，与每极磁通关系为二.直流电机电枢磁场及电枢反应电枢磁场：当电机有负载、电枢绕组中有电流通过(即Ia≠0)时，该电流也会在电机中产生磁场，称之为电枢磁场。电枢反应：电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响称为电枢反应。不仅与电枢电流大小有关，还受电刷位置影响。电刷放在几何中性线上。电枢磁势的轴线总是与和电刷接触的导体的连线重合（几何中心线）。电刷位于几何中心线时电枢磁场电枢磁场由右手螺旋法则示意。与主极轴正交，因此称为交轴电枢磁动势。电枢表面单位长度上的安培导体数称为电机的线负荷A,A=Nia/(πDa)。忽略铁心磁阻，x处闭路上的总磁动势2Fax=A*2x，则每个气隙消耗的磁势为Fax=Ax气隙磁通密度在空间分布为：Bax=μ0Fax/δ一个周期的磁密波形呈马鞍形。电枢磁场磁通密度主磁场的磁通密度叠加气隙磁通密度磁路不饱和，磁密与磁动势成正比。合成磁密等于主磁密和电枢磁密的直接相加。电刷位于几何中心线时电枢反应磁路饱和，磁阻随磁密增加而增加叠加气隙磁通密度（1）气隙磁场发生畸变

（2）对主磁场呈去磁作用

磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，每极磁通量不变。磁路饱和时，磁通加强的数量小于消弱的数量，呈去磁作用。每个磁极下，气隙磁场一半被增强，一半被削弱，气隙磁密分布畸变成尖顶波。电刷位于几何中心线时电枢反应

（3）物理中线偏离几何中线一个角度

对电动机，逆电枢转动方向偏移角。电刷位于几何中心线时电枢反应直流电机的元件经过电刷，从一条支路进入另一条支路时,元件里的电流改变方向。换向的过程即元件被电刷短路的过程。换向不好会使电刷产生火花，火花严重时会影响电机运行三.直流电机的换向单叠绕组1号元件的换向过程，电刷宽度与换向片宽度相等，电枢以va的速度从右向左旋转。换向元件中的电流变化

（1）自感电动势（2）互感电动势

（3）电枢反应电动势与都反对换向元件电流变化，换向电流不随时间线性变化，比直线换向慢，延迟换向。采取措施产生，使为0，形成直线换向。如作用大于，产生超越换向。换向元件中的电动势二者之和称为电抗电动势，反对元件的电流变化。改善换向的方法（1）加换向磁极放于几何中心线处，换向绕组与电枢绕组串联，换向磁极的极性与电枢磁场极性相反。（2）移刷改善换向直流电动机电刷从几何中心线逆转角，使，换向元件切割主磁场产生感应电动势，抵消电枢反应电动势和电抗电动势。

四.直流电机的电枢电动势电枢旋转时,电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势。等于电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。总导体数为N，并联支路数为2a，每根导体平均电动势为，则支路刷间电动势为：导体平均电动势为：其中线速度用转速（r/