第2章 直流电机-1

第二章直流电机第二章直流电机2.1直流电机的工作原理及结构2.2直流电机的名牌数据2.3直流电机的绕组2.4直流电机的励磁方式及磁场2.6感应电动势和电磁转矩的计算2.7直流电机的运行原理2.8直流电机的换向§2-1直流电机的基本工作原理及结构一、直流电动机的基本工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力B

—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i

—导体中的电流(A)l

—导体的有效长度(m)磁极电刷换向器电枢电枢铁心电枢线圈电磁力定律（一）直流电动机的工作原理(二)直流发电机的基本工作原理运动导体在磁场中的感应电动势：B

—磁场的磁感应强度(Wb/m2)V—导体垂直切割磁力线的速度(m/s)l

—导体的有效长度(m)(三)电机的可逆运行原理

从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。这种原理在电机理论中称为可逆原理。二、直流电机的结构转子——电枢：转轴、电枢铁心、绕组、换向器、风扇定子：机座、主磁极、换向极、端盖、轴承、电刷（一）直流电机的静止部分1、主磁极2、换向极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座1—换向极铁心2—换向极绕组3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。4、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心2、电枢绕组——由许多按一定规律连接的线圈组成。2、电枢绕组1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器——由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片第二节直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)6、励磁方式和励磁电流IfN(A)

根据国家标准、电机的设计指标、试验数据，电机制造厂给每台电机规定的主要性能指标。额定条件下电机所能提供的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在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、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

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或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。因此，电枢绕组须满足以下要求：（1）在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，（2）并且要结构简单、运行可靠等。

第三节直流电机的绕组第三节直流电机的绕组位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。一、简单的绕组二、绕组的基本形式直流电机电枢绕组的基本形式：（1）单叠绕组（2）单波绕组波绕组元件叠绕组元件波绕组示意图叠绕组示意图1.电枢绕组元件——线圈(1).2个元件边：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分(3).上层元件边、下层元件边(4).首(出线)端、末(出线)端上层元件边、下层元件边处在不同极性的磁极下，即同一元件的上层元件边、下层元件边的距离约为一个磁极的距离。(一)、元件与节距*.本课程只讨论：一个槽内共放置2个元件边*.元件数S=换向片数K，即S=K*.换向片数K=槽数Z*.S=K=Z1片换向片总接1个元件的上层元件边和另1个元件的下层元件边。1个元件有2个元件边。1个槽放2个元件边。2.节距：用来表征元件本身和元件之间连接规律的数据节距第一节距y1第二节距y2合成节距y换向节距yk第一节距y1——必须是整数（节距）用槽数来表示同一元件的2个元件边在圆周上的距离。

极距τ：2个相邻磁极在圆周上的距离。用槽数来表示

p为极对数第一节距y1=整数≈τy1=τ±ε=整数，ε为＜1的正分数整距绕组：y1=τ短距绕组：y1＜τ长距绕组：y1＞τ(2)第二节距y2——必须是整数用槽数来表示第一个元件的下层元件边与直接相连的第二个元件的上层元件边之间在圆周上的距离。(3)合成节距y——必须是整数用槽数来表示直接相连的2个元件的对应元件边之间在圆周上的距离。(4)换向节距yk——必须是整数每个元件的首、末2端所接的换向片在圆周上的距离。用换向片数来表示。y=y1-y2y=y1+y2y=yk二、单叠绕组

叠绕组：后1元件的端接部分紧叠在前1元件的端接部分上;yk=1的叠绕组称为单叠绕组。例：Z=S=K=16，2p=4，接成单叠绕组1.计算节距yk=y=1y1=4y2=32.画绕组展开图(1).画Z个槽yk=y=1y1=4y2=3(2).画一个元件：对称(3).画换向片(4).画其他元件(5).换向片编号(6).画磁极，一般认为在绕组的上方,宽度≈0.75τ(7).画电刷：均布，与磁极同中心1、单叠绕组的展开图2.单叠绕组连接顺序表yk=y=1y1=4y2=3下层上层3.单叠绕组的并联支路图NNN4.单叠绕组的特点(1).同一磁极下各元件串联成1支路；共2p条支路，并联2a=2pa并联支路对数p极对数(3).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。(2).电刷的对数必须=极对数；电刷刷杆数=极数

2b=2pb电刷对数三、单波绕组单波绕组：合成节距(换向节距)≈2个极距、前后2元件串联起来像波浪形。单波绕组的条件：pyk=K±1例：Z=S=K=15，2p=4，接成单波绕组1.计算节距2.画绕组展开图(1).画Z个槽(2).画一个元件(3).画换向片(4).画其他元件(5).换向片编号(6).画磁极(7).画电刷3、单波绕组的展开图3.单波绕组连接顺序表4.单波绕组的并联支路图5.单波绕组的特点(1).上层边在同一极性磁极下所有元件串联成1支路；共2条支路，并联

a=1(2).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。(3).电刷的对数=1；电刷刷杆数=2；可采用全额电刷，即用P对电刷电枢电流Ia=2aia其中ia为每条支路的电流，共2a条支路单叠绕组和单波绕组的区别：并联支路对数的多少**单叠绕组：低电压、大电流**单波绕组：高电压、小电流直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。§1-4直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式他励直流电机并励直流电机串励直流电机复励直流电机1.他励直流电机励磁绕组由其他电源提供与电枢绕组没有电的联系永磁直流电机属他励电机永磁直流由永磁体产生磁场If只有额定电流的5%以内2.并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联励磁电压=电枢端电压If只有额定电流的5%以内3.串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联励磁电流=电枢电流4.复励直流电机有2个励磁绕组1个与电枢绕组并联

——并励绕组1个与电枢绕组串联

——串励绕组积复励差复励二.直流电机的空载磁场空载磁场——主磁场主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场（只有励磁绕组通过电流产生的气隙磁场）空载运行直流电机不带负载(不输出功率)时的运行状态空载电流相对额定电流而言，很小、常认为=01.直流电机空载时磁通的分布和主磁路磁通：由励磁绕组通电产生**主磁通Φ0－－与电枢绕组铰链的磁通;**主磁路－－主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭、定子轭**漏磁通Φσ

－－只与励磁绕组匝链的磁通；Φσ/2Φσ/22.空载磁场气隙磁密分布曲线气隙δ极距τ=πD/(2p)磁极极靴的宽度≈75%τ气隙磁密平均气隙磁密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。（b）气隙磁密分布3.直流电机的空载磁化特性Φ0=f（If0）Φ0=f（Ff0）饱和：**磁阻非线性**磁阻变大**电机工作点选在磁路开始饱和的A点F=NfIf0=HLΦ=BAB-HIleΦ0e二.电流电机的电枢反应及负载磁场1.直流电机的电枢反应负载时，电枢绕组通有负载电流，由此产生电枢磁动势Fa，Fa与励磁磁动势Ff共同合成负载时的气隙磁密，它与空载气隙磁密分布不同。电枢磁动势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。2、直流电机负载时的负载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。Fa先分析只有1个整距元件Ny匝，电流ia，磁动势为iaNy设从电枢出、进定子的磁动势为+可得1个绕组元件的磁动势如图iaNy3个元件——3阶梯波形很多个元件三角波形iaNyF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3直流电机的电枢反应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。4直流电机的电枢反应的特点由图可知，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，