理学new自动直流电机

理学new自动直流电机第1页/共76页

直流电机的用途直流电源励磁电源测速伺服第2页/共76页主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组§2.1直流电机的工作原理和基本结构一、基本结构第3页/共76页直流电机结构----整体图第4页/共76页直流电机结构----去掉外壳第5页/共76页直流电机结构---定子第6页/共76页直流电机转子第7页/共76页直流电机结构---转子铁心第8页/共76页第9页/共76页直流电机电刷和换向器结构第10页/共76页直流电机的物理模型二、直流电机的工作原理第11页/共76页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。感应电动势方向dcba第12页/共76页

当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。

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。直流发电机工作原理感应电动势方向abcd第13页/共76页直流发电机运行时的几点结论电枢线圈内电势、电流方向是交流电；电刷间为直流电势，线圈中感应电势与电流方向一致；产生的电磁转矩T与转子转向相反，是制动性质。第14页/共76页

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。直流电动机工作原理电流方向abcd第15页/共76页原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。直流电动机工作原理电流方向dcba第16页/共76页直流电动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流,电枢线圈内电流是交流；线圈中感应电势与电流方向相反；产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质。第17页/共76页直流电机的可逆原理同一台直流电机，通过改变外界条件，可当发电机运行，也可当电动机运行。第18页/共76页励磁方式：励磁绕组的通电方式他励：两个独立电路，I=Ia并励：电机电压U=励磁电压Uf串励：电机电流I=励磁电流If复励他励并励串励复励三、励磁方式

第19页/共76页四、直流电机的额定值额定容量PN：输出功率（kW）；额定电压UN：额定状态下出线端电压(V)；额定电流IN：额定状态下出线端电流（A）；额定转速n：额定状态下的电机转速(r/min)

额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载第20页/共76页

对于直流发电机，PN是指电刷端输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN

对于直流电动机，PN是指轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN

说明第21页/共76页

系列：是一般用途的中小型直流电机，包括发电机和电动机。系列：是一般用途的大、中型直流电机系列。系列：是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。国产直流电机的主要系列产品第22页/共76页对电枢绕组的要求：

在通过规定的电流和产生足够的电动势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单等。电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的主电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。§2.2直流电机电枢绕组

电枢绕组由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成。按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组和单波绕组等多种型式。第23页/共76页现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。电枢绕组的形式叠绕组波绕组第24页/共76页一、直流电枢绕组的构成直流电枢绕组基本知识

①

元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和前、后端接线组成，元件个数用S表示。②

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。元件：1—元件边；2—首端；3—末端；第25页/共76页③换向片

元件边依次放在电枢槽内,一个元件一条边放在槽的上层，另一条元件边放在槽的下层，槽数用

表示。

每个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S总等于换向片数K。即S=K。④槽和虚槽虚槽：把一个上层元件边与一个下层元件边看成一个虚槽，虚槽数用表示。如图所示：即一个实槽里有三个虚槽一个实槽里的虚槽数用u表示，则：且满足第26页/共76页

⑤

极对数p，电机的极数为2p

⑥

极距：一个磁极在电枢（转子）表面上所跨的距离为极距，用τ表示。

⑦

极轴线：主磁极的中心线，把主磁极平分成两部分。

⑧

几何中性线：磁极之间的平分线。

⑨

绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。第27页/共76页

⑩

第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨槽数表示。选择的依据是尽量让元件里感应电动势为最大。此时

⑾

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。⑿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。⒀换向片节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。第28页/共76页单叠绕组单波绕组第29页/共76页实际电机的电枢把导体的一条边放在一个磁极正下方，另一条边放在相临磁极下，以提高导体利用率。一对导体边称为一个元件。每个元件接在一个换向片上，通过换向片与电刷相连。电枢铁心为实心结构，表面加工有槽，导体边（线圈边）放在槽内。主磁极放置原则N、S极交替放置,间隔相等.实际的槽第30页/共76页直流电机结构---转子绕组第31页/共76页二、单叠绕组y=yc=1单叠绕组、单波绕组，都有y=yc第32页/共76页单叠绕组分析实例数据计算：y＝yC＝1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极实例：P＝2，S＝K=＝16第33页/共76页1单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－NSNSττττ1234电枢转向eeee虚槽号元件号换向片号12345678910111213141516567891011121314第34页/共76页某一瞬间电刷、磁极放置

磁极：均匀分布，N、S极交替放置。电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。根据这一原则，使电刷恰好放在磁极中心线上。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。第35页/共76页单叠绕组的特点并联支路数等于磁极数，2a=2p;元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上；每条支路由不相同的电刷引出，电刷数等于磁极数;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即第36页/共76页单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。

单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。第37页/共76页§2.3直流电机的磁场和电枢反应

磁场是电机实现机电能量转换的媒介。直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。第38页/共76页一、空载时直流电机的磁场

直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主极磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。第39页/共76页

直流电机空载时的磁场分布示意图1—极靴；2—极身；3—定子铁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢铁轭NS第40页/共76页磁通、磁路主磁通、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。主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。影响饱和程度NS第41页/共76页图2.14

直流电机空载磁场的磁密分布1）空载时气隙磁密度为一平顶波几何中性线极靴极身（a）气隙形状第42页/共76页2）直流电机的空载磁化曲线

电机的磁化曲线直流电机额定运行点通常取在A点（称为膝点）。直线，不饱和部分饱和部分膝点磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间的关系曲线，

Φ0＝f（Ff）。通过实验或计算得到。第43页/共76页二、直流电机负载时磁场

负载时的气隙磁场将由主极磁动势和电枢磁动势共同作用建立。

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。1）交轴电枢磁动势沿几何中心线切开第44页/共76页2）电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形电枢磁动势及电枢B电枢磁动势分布呈三角形磁密分布呈马鞍形第45页/共76页三、直流电机的电枢反应1）交轴磁动势及电枢反应负载时电枢磁动势对主极磁场产生影响，电机中的气隙磁场与空载时不同，这一现象称为电枢反应。

第46页/共76页电枢反应作用：1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线，2）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。增磁去磁NaSa去磁增磁第47页/共76页2）电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁动势和直轴电枢反应

直轴分量直接作用于F0方向,起直接的增磁或去磁作用,对主极磁场影响较大.要避免产生直轴电枢反应。第48页/共76页一、电枢绕组的感应电动势二、直流电机的电磁转矩三、电磁功率§2.4电枢的感应电动势和电磁转矩第49页/共76页

直流电机运行时感应电动势始终存在

直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都产生感应电动势。电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向

一、电枢绕组的感应电动势

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一个磁极极距范围内，平均磁密用表示，极距为，电枢的轴向有效长度为，每极磁通为Ф，则电枢绕组有2a条支路,每条支路元件相同每条支路所处磁场也对称相同每条支路的合成电动势方向相同,大小相同电机感应电动势即为一条支路电动势第51页/共76页一根导体的平均电动势为：又因为：所以：因为一条支路里的串联总导体数（z为电枢总导体数），于是，电枢电动势为：第52页/共76页二、直流电机的电磁转矩

如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：第53页/共76页3）电机总的电磁转矩则为：式中：是一个常数，称为转矩常数，是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。第54页/共76页

，对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系，或一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流，与磁密分布无关。第55页/共76页三、电磁功率直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。第56页/共76页他励直流电机§2.5直流电机的运行原理

稳态运行时直流电机的电路图

a)发电机b)电动机a)b)第57页/共76页特点：I=Ia；电动势与电流关系：电枢总电阻同向电枢电阻电刷压降一、电压方程1）他励直流发电机电压方程第58页/共76页特点：I=Ia；电流方向电动势与电流关系：电压方程电枢总电阻反向电枢电阻电刷压降2）他励直流电动机第59页/共76页该两种电压方程适合任何励磁方式的直流电机发电机电压方程电动机电压方程直流电机运行状态的判定：电动机运行发电机运行第60页/共76页二、功率方程P0：克服机械摩擦、风阻、铁心损耗等所需的功率.原动机输入给发电机的机械功率→→发电机：机械能转化为电能功率平衡方程1）他励直流发电机第61页/共76页电动机：电能转化为机械能其中：功率平衡方程→→联立以上两式2）他励直流电动机第62页/共76页发电机的制动性质

分析步骤：

1）右手定则判定e方向

2）左手定则判定电磁转矩方向电动机的驱动性质分析步骤：外加电流i,左手定则判定受力方向三、转矩平衡方程第63页/共76页直流电机的制动运行状态TemT1T0vn1）他励直流发电机

a.右手定则判定e方向

b.左手定则判定电磁转矩方向第64页/共76页直流电机的电动运行状态TemT2T0vn2）他励直流电动机外加电流i,左手定则判定受力方向第65页/共76页四、直流电机的可逆性电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦作为电动机运行。电动机：电动势方向与电流方向相反电磁转矩与转速转向相同发电机时：电动势方向与电流方向相同电磁转矩与转速转向相反第66页/共76页五、直流电动机的运行特性分析:Ia增大时，影响电动机转速的因素电枢电阻压降,使n↓电枢反应去磁,使n↑为稳定运行,使曲线稍微下降第67页/共76页

并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。六、并励直流发电机的自励和外特性RLRarfIaIfIEaUrΩn请同学们根据电路图写方程等式：第68页/共76页

曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻特性曲线，也称场阻线

（1）并励发电机的自励若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。

增大，场阻线变为曲线3时，称为临界电阻。如图所示。第69页/共76页

原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回产生。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，产生磁通与剩磁方向相同，使主磁路磁通增