直流电动机原理及特性

第2章直流电动机的原理及特性知识点：直流电动机与交流电动机的比较直流电动机比交流电动机结构复杂、价格高、维修繁琐；但起动转矩大，起动和制动性能优良、可平滑调速。第1页/共73页第一页，共74页。2.1直流电动机的基本结构和工作原理2.1.1基本结构组成：定子+转子+气隙第2页/共73页第二页，共74页。图2.1小型直流电机的结构图第3页/共73页第三页，共74页。2.1.1基本机构——1.定子部分定子部分=机座+主磁极+换向极+电刷装置（1）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分（定子磁轭），二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。。（2）主磁极：主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。（装配图）主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.励磁线圈分并励和串励两种（注意区别）第4页/共73页第四页，共74页。图2.2主磁极装配图1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座极靴：使气隙磁密空间分布更合理，同时支撑励磁线圈极身第5页/共73页第五页，共74页。2.1.1基本机构——1.定子部分（3）换向极:换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。1—换向极铁心2—换向极绕组换向极与电枢绕组相串联，流过电枢电流，绕组匝数少而导线粗。第6页/共73页第六页，共74页。2.1.1基本机构——1.定子部分（4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫第7页/共73页第七页，共74页。2.1.1基本机构——2.转子部分直流电机的转子=电枢铁心+电枢绕组+换向器+风扇+转轴和轴承（1）电枢铁心：是电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，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。a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心第8页/共73页第八页，共74页。2.1.1基本机构——2.转子部分（2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘第9页/共73页第九页，共74页。2.1.1基本机构——2.转子部分（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10页/共73页第十页，共74页。2.1.2励磁方式励磁方式：直流电动机励磁绕组的供电方式。第11页/共73页第十一页，共74页。2.1.2励磁方式（1）他励式（2）并励式（3）串励式（4）复励式（又分为积复励式和差复励式）具体电路示意图请见教材P19图2.5直流电机的励磁方式第12页/共73页第十二页，共74页。2.1.3额定数据（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)其他还有绝缘等级、防护等级、冷却方式、温升、重量第13页/共73页第十三页，共74页。2.1.4工作原理直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。第14页/共73页第十四页，共74页。2.1.4工作原理——直流发电机的工作原理1.直流发电机的工作原理（1）第15页/共73页第十五页，共74页。2.1.4工作原理——直流发电机的工作原理1.直流发电机的工作原理（2）第16页/共73页第十六页，共74页。2.1.4工作原理——直流发电机的工作原理1.直流发电机的工作原理（2）第17页/共73页第十七页，共74页。2.1.4工作原理——直流发电机的工作原理1.直流发电机的工作原理结论：①在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的，通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电动势。②虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场。③电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。④当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质的。第18页/共73页第十八页，共74页。2.1.4工作原理——直流电动机的工作原理

2.直流电动机的工作原理第19页/共73页第十九页，共74页。2.1.4工作原理——直流电动机的工作原理

2.直流电动机的工作原理结论①虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。②虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的磁场。③当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势。④转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。第20页/共73页第二十页，共74页。2.2直流电机的电枢绕组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：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。并且要结构简单、运行可靠等。第21页/共73页第二十一页，共74页。（1）极轴线：磁极的中心线；（2）几何中心线：磁极之间的平分线，（3）：极对数；（4）极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽数表示，式中Z为电枢总槽数；（5）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，名词术语介绍第22页/共73页第二十二页，共74页。2.2直流电机的电枢绕组第23页/共73页第二十三页，共74页。2.2直流电机的电枢绕组

2.1.1单叠绕组1.线圈的元件边及端接线（一个绕组原件就是一个线圈）第24页/共73页第二十四页，共74页。2.2直流电机的电枢绕组

2.1.1单叠绕组2.单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。

单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。第25页/共73页第二十五页，共74页。第26页/共73页第二十六页，共74页。2.2直流电机的电枢绕组

2.1.1单叠绕组3.感应电动势的方向判断4.电刷组数=主磁极的个数5.电刷的位置正负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷短路的元件中感应电动势最小。电刷的中心线应对准主磁极的中心线（几何中心线位置）。第27页/共73页第二十七页，共74页。2.2直流电机的电枢绕组

2.1.2单波绕组单波绕组—不是把元件依次串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。第28页/共73页第二十八页，共74页。第29页/共73页第二十九页，共74页。结论从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适用于较高电压，较小电流的电机，至于大容量的电机，可以采用混合绕组。第30页/共73页第三十页，共74页。2.3直流电机空载和负载时的磁场2.3.1直流电机的空载磁场空载：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。主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通，直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。第31页/共73页第三十一页，共74页。空载磁场分布图主磁通——主磁路（链着励磁绕组和电枢绕组）漏磁通——漏磁路（只链着励磁绕组本身）第32页/共73页第三十二页，共74页。极靴的作用和空载气隙磁密的帽型分布第33页/共73页第三十三页，共74页。空载磁路的计算第34页/共73页第三十四页，共74页。直流电机的空载磁化特性曲线在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。（线性分析方法）第35页/共73页第三十五页，共74页。2.3.2负载时直流电机的磁场1.电枢产生的磁动势不仅励磁绕组中有电流，而且电枢绕组中也有电流的磁场，称为负载磁场。负载时的气隙磁场：第36页/共73页第三十六页，共74页。显然，由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化，而这个变化的性质将是我们下面研究的重点电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电枢反应，下面我们就来具体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机上位置的摆放密切相关：（a）电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：如图可见：第37页/共73页第三十七页，共74页。电枢元件电流及其磁场分布示意图几何中心线整距线圈第38页/共73页第三十八页，共74页。此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机进行数学分析，我们得到一个有关磁动势分布的表达式：

其中，A叫做电枢线负载，也就是电枢表面单位周长上的安培导体数，称为电负荷。x是沿圆周方向的距离，与fa（x）成正比。当x最大时（=τ/2），交轴电枢磁动势达到最大。第39页/共73页第三十九页，共74页。由电枢磁动势产生的气隙磁密为：其中为，δ为气隙计算长度，可见，磁密的分布和气隙的大小是成反比关系的，这就刚好验证了上图的磁密分布的曲线形式。（马鞍形）第40页/共73页第四十页，共74页。交轴电枢磁场的特点：①.电枢磁势Fa与主极磁势Ff互相垂直；②.电枢表面各点的电枢磁势Fa不等；在几何中性线处电枢磁势Fa最大，在极轴线处等于零，即Fa=0。③.电枢磁密Bmax在几何中心线处的值不为零。第41页/共73页第四十一页，共74页。（b）电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：看图：引出了直轴电枢磁动势，直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为直轴电枢磁动势。第42页/共73页第四十二页，共74页。交轴、直轴电枢反应：（1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。在这里，我们为了分析问题的简单，假定（a）磁场是不饱和的，（b）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，我们就可以对下图进行叠加2.电枢反应第43页/共73页第四十三页，共74页。负载时合成磁场

交轴电枢磁密与合成气隙磁密分布图第44页/共73页第四十四页，共74页。结论1）交轴电枢反应A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。第45页/共73页第四十五页，共74页。2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出：A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，B:若为电动机，刚好相反。结论第46页/共73页第四十六页，共74页。2.4感应电动势和电磁转矩2.4.1电枢绕组的感应电动势某导体的感应电动势为：每条支路的串联导体数为：（其中Na为总导体数，支路数为2a，p为电机极对数）则，电枢绕组的电动势为：第47页/共73页第四十七页，共74页。2.4.1电枢绕组的感应电动势由于各个串联导体所处磁场的气隙磁密不同，故引入气隙磁密的平均值。第48页/共73页第四十八页，共74页。2.4.2电磁转矩第49页/共73页第四十九页，共74页。2.4.2电磁转矩第50页/共73页第五十页，共74页。2.5直流电动机稳态运行时的基本方程和功率关系

2.5.1基本方程式+-UEaTnTLIa+-UfIfΦ第51页/共73页第五十一页，共74页。根据基本方程式得出的结论第52页/共73页第五十二页，共74页。2.5直流电动机稳态运行时的基本方程和功率关系

2.5.2功率关系第53页/共73页第五十三页，共74页。2.5直流电动机稳态运行时的基本方程和功率关系

2.5.2功率关系第54页/共73页第五十四页，共74页。图2.8他励直流电动机稳态运行时的功率流程图第55页/共73页第五十五页，共74页。2.6直流电动机的机械特性我们把转矩—转速特性称为机械特性本节内容讨论他励、并励和串励直流电动机的机械特性第56页/共73页第五十六页，共74页。2.6直流电动机的机械特性

2.6.1他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性是指电动机的电枢电压U、励磁电流If保持一定值时，转速与转矩之间的关系。根据直流电动机稳态运行时的基本方程式可得：第57页/共73页第五十七页，共74页。图2.19他励直流电动机的机械特性曲线由该特性曲线可见，当U、Φ、Ra保持不变的时候，他励直流电机的机械特性曲线为直线。稍微下斜表示该电机的机械特性为硬特性。即表示随着电磁转矩的增加，转速变化不大。若考虑磁饱和，则会使得机械特性曲线下降程度减小（no减小）第58页/共73页第五十八页，共74页。1.固有机械特性（反映直流电动机本身的能力）当电动机电枢两端的电源电压为额定电压、气隙磁通量为额定值、电枢回路不外串电阻时，这种情况下的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性的数学表示式为：他励直流电动机的固有机械特性具有以下的特点：（1）其特性为略向下斜的直线；（2）其特性为硬特性（3）当T=0时，n等于理想空载转速，此时Ia=0，Ea=UN。而实际空载时，电机本身还有空载转矩To，因此实际空载转速为：第59页/共73页第五十九页，共74页。图2.20他励直流电动机的固有机械特性曲线第60页/共73页第六十页，共74页。1.固有机械特性（4）当T=TN时，转速n=nN。此时转速降△nN=no-nN=βTN称为额定转速降，是硬特性的体现。（5）直流电动机在额定状态下刚启动时，启动电流和启动转矩很大，会产生火花，故并励、他励直流电动机不允许直接启动，必须串接电阻启动。（6）当T<0时，直流电动机运行在发电机状态，输入的电功率为负值。P38例题2-2第61页/共73页第六十一页，共74页。2.人为机械特性人为改变直流电动机的电源电压、励磁电流、电枢回路串接电阻等参数后，机械特性将发生变化，变化后的特性就称为人为机械特性。（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性：+-UEaIa+-UfIfΦRR改变R会改变斜率，但是并不会改变空载转速no第62页/共73页第六十二页，共74页。图2.22电枢回路串接电阻的人为机械特性Ra固有Ra+R1Ra+R2R2>R1第63页/共73页第六十三页，共74页。（2）改变电枢电源电压时的人为机械特性：由公式可知，只改变电压时，不改变斜率，只改变理想空载转速no改变电枢电源电压的人为机械特性主要用于调速（向下调速）。改变电压的调速，机械特性硬度不变2.人为机械特性第64页/共73页第六十四页，共74页。图2.23改变电枢电源电压时的人为机械特性nono’no”TLUU’U”nn’n”第65页/共73页第六十五页，共74页。2.人为机械特性(3)减少气隙磁通时的人为机械特性根据公式可知：减小磁通，会增大no，也会使得斜率β增大，故机械特性在原有的基础上不仅上移，而且会变软。减小磁通人为机械特性的干预，主要用于调速（向上调速）第66页/共73页第六十六页，共74页。图2.24他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性曲线n0n0’n0”φ”<φ’<φΦn

固有

第67页/共73页第六十七页，共74页。2.6直流电动机的机械特性

2.6.2串励直流电动机的机械特性串励电动机的特点是励磁电流=电枢电