直流电机的基本结构和运行分析

直流电机的基本结构和运行分析第1页，课件共57页，创作于2023年2月第一节直流电机的工作原理

重点：直流电机的工作原理难点：直流发电机和直流电动机的工作原理第2页，课件共57页，创作于2023年2月电机的作用电机是进行能量转换的电磁机械设备。一、电源二、动力三、信号传递机械信号电信号控制信号机械信号机械能电能机械能电能第3页，课件共57页，创作于2023年2月电机的分类电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机脉流电机第4页，课件共57页，创作于2023年2月直流发电机的工作原理第5页，课件共57页，创作于2023年2月直流发电机的工作原理动画第6页，课件共57页，创作于2023年2月直流电动机的工作原理第7页，课件共57页，创作于2023年2月直流电动机的工作原理动画第8页，课件共57页，创作于2023年2月直流电机的可逆原理直流发电机和直流电动机的结构是完全相同的，每一台电机既可作为发电机运行，也可作为电动机运行电机的实际运行方式由外施条件决定，如在电机轴上外施机械功率使电枢转动，通过电机可以把机械功率转换为电功率，作为发电机运行；如果在电枢线圈中外施电功率，产生线圈电流，通过电机可以把电功率转换为机械功率，作为电动机运行。第9页，课件共57页，创作于2023年2月第二节直流电机的基本结构

静止部分（称为定子）产生磁场和构成磁路,电机机械支撑旋转部分（称为转子）感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换定子和转子之间间隙（称为空气隙）气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重要组成部分第10页，课件共57页，创作于2023年2月电机结构图第11页，课件共57页，创作于2023年2月定子的结构机座主磁极换向极电刷装置第12页，课件共57页，创作于2023年2月转子的结构转轴电枢铁心电枢绕组换向器第13页，课件共57页，创作于2023年2月制造电机所用主要材料导电材料用于绕组、换向器和电刷绝缘材料电流很难通过的材料称为绝缘材料，又叫电介质。将带电部分与铁心、机座等接地部件以及电位不同的带电部分在电气上分离，使电流按一定方向流动导磁材料制造电机和变压器中磁系统的各个部件，如铁心、机座等第14页，课件共57页，创作于2023年2月直流电机的额定值根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电机性能的主要数据，称为电机的额定值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第15页，课件共57页，创作于2023年2月直流电机的额定值此外，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。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第16页，课件共57页，创作于2023年2月第三节直流电机的电枢绕组

电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组的线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。不同类型的电枢绕组，具有不同的连接规律。直流电机的电枢绕组分为单叠绕组、复叠绕组、单波绕组、复波绕组等几种类型。第17页，课件共57页，创作于2023年2月有关电枢绕组的术语绕组：在电机内具有规定功能的一组线圈。电枢绕组：安放在电机电枢上的绕组，与外部电力系统联接，用以吸收或送出有功功率。线圈单元：电枢绕组的基本单元，由一匝或相互绝缘的多匝组成，两出线端分别接至换向片上。线圈：具有一个或多个线圈单元的组件，通常具有公共绝缘。线圈边：线圈中沿电枢铁心轴向的两个直线部分，每只线圈有两线圈边。线圈端部：连接两个线圈边的连接部分。分布绕组：电枢线圈在电枢圆周上的槽内分布放置，称为分布绕组。与集中绕组的区别在于集中绕组每一线圈的轴线都互相重叠，分布绕组中每一线圈的轴线彼此移过一段距离。第18页，课件共57页，创作于2023年2月实槽和虚槽直流电机的电枢绕组放置在电枢铁心上的槽内每个槽内的上下层各放置若干个线圈单元边.为了确切的说明这些单元边的具体位置，引人虚槽的概念

实际槽数Z与虚槽数Zu的关系为：第19页，课件共57页，创作于2023年2月线圈单元数S和换向片数K每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又与两个不同线圈单元的两个出线端相连接，因而线圈单元数等于换向片数，即当一个线圈中有u个线圈单元时，每槽上下层各放u个线圈单元边，此时，线圈单元数和虚槽数相等，即第20页，课件共57页，创作于2023年2月绕组的型式和节距单叠绕组的连接规律：相邻两线圈在电枢表面仅相差1个槽，单个线圈单元的始端和末端之间相隔一个换向片。第21页，课件共57页，创作于2023年2月绕组的型式和节距单波绕组连接规律相邻两线圈相隔约为二个极距，第二线圈单元与第一线圈单元处在相同极性的两个磁极下，单个线圈单元的始端与末端相隔约为两个极距，如电机有P对磁极，则连接P个单元后才回到出发单元的邻近，并相隔一个槽，以便第二周继续绕下去，直到所有的线圈单元均串联起来为止第22页，课件共57页，创作于2023年2月绕组的型式和节距各种绕组的连接规律用节距来确定绕组节距极距线圈节距换向器节距后节距合成节距相邻两磁极上相应点之间的圆周距离同元件的两个边所在槽相隔的齿距数相串联的两个线圈单元的对应边在电枢表面上的距离同元件的始端与末端之间的换向片数第23页，课件共57页，创作于2023年2月单叠绕组单叠绕组的每一线圈单元的始末端分别与相邻的两换向片相接，所以Y＝Yk＝土1。每安放一个线圈单元时，其相应单元边移过一个槽（当一个实槽中有u个虚槽时则移过一个虚槽）。第24页，课件共57页，创作于2023年2月单叠绕组已知直流电机2p＝4，Z＝S＝K＝16，要求绕制一单叠右行绕组。1.计算节距Y1YY2第25页，课件共57页，创作于2023年2月单叠绕组2．绕组展开图先将电枢表面展开成平面，并将电枢槽、线圈单元及换向片编号，其中线圈单元及换向片号与其上层边所在槽号相同，电枢槽号和换向片号之间的相对位置，用如下方法确定：为了使线圈单元的端接对称，应使每一线圈单元所接的两个换向片的分界线与其轴线重合。第26页，课件共57页，创作于2023年2月单叠绕组3．主极位置

4．电刷位置和极性第27页，课件共57页，创作于2023年2月单叠绕组5．并联支路数从图中看出，有四条支路并联于正负电刷之间。每一支路都是由上层边处在同一主极下的线圈单元串联而成，一个主极对应一条支路，则单叠绕组的并联支路数恒等于电机的主极数。第28页，课件共57页，创作于2023年2月单叠绕组

6．单叠绕组的均压线将电枢绕组中理论上电位相等的点用导体连接起来，称为均压线

第29页，课件共57页，创作于2023年2月单波绕组单波绕组每一线圈单元的两条边之间的距离（Yl）与单叠绕组一样，单波绕组每一线圈单元的始末端要接到相距约为两个极距的换向片上，每安放一个线圈单元时。其相应单元边在电枢表面上移动约为两个极距的槽，所以Y＝YK＝2τ。第二个线圈单元与第一个线圈单元处在相同极性的两个磁极下，感应电势方向相同，可以相加。当依次串联P个线圈单元，在电枢表面环绕一周后，第P个线圈单元的末端要接到第一线圈单元的始端所接换向片1的相邻换向片上，以便第二周继续绕下去，所以p·Y＝K+-1

因此，单波绕组的换向器节距为YK＝（K+-1）/p

当采用K＋1时，p个线圈单元串联后，接到换向片2上，称右行绕组，此时端接交叉，很少采用。一般采用K-1，称左行绕组。第30页，课件共57页，创作于2023年2月单波绕组已知直流电机2p＝4，Z＝S＝K＝15，要求绕制一左行单波绕组。计算节距、画绕组展开图第31页，课件共57页，创作于2023年2月单波绕组单波绕组的支路对数显然，单波绕组的支路数和主极数目无关，恒等于2单波绕组的电枢电势仍为一支路电势，电枢电流为两支路电流之和。第32页，课件共57页，创作于2023年2月单波绕组与单叠绕组区别单叠和单波绕组是直流电机的基本的绕组形式，两者的根本差别在于它们的换向器节距和合成节距不同，所以在相同的极数下，两种绕组的支路对数不同。原则上，电流较大，电压较低的电机，选用并联支路数较多，串联线圈数较少的单叠绕组；电流较小，电压较高的电机选用并联支路数较少，串联线圈数较多的单波绕组。第33页，课件共57页，创作于2023年2月第四节直流电机的磁场

直流电机是应用电磁感应原理进行能量转换的，因此，磁场是产生感应电势和电磁转矩从而实现能量转换的关键。直流电机的磁场，是绕组中的电流产生的。直流电机中有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的联接方式称为励磁方式第34页，课件共57页，创作于2023年2月励磁方式励磁方式他励自励并励串励复励第35页，课件共57页，创作于2023年2月各绕组线端的符号见表绕组名称电枢绕组换向绕组补偿绕组串励绕组并励绕组他励绕组线端名称A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2IEC国际标准所规定各绕组线端的符号见表说明：①注脚“1”是始端，为正极；“2”是末端，为负极。

②我国现行采用的符号与IEC国际标准所规定相同。第36页，课件共57页，创作于2023年2月空载时，只有励磁绕组中有电流，此时为空载磁场。直流电机的空载磁场磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。第37页，课件共57页，创作于2023年2月电机的磁化曲线电机主磁通与励磁磁势的关系曲线。为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通，空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。第38页，课件共57页，创作于2023年2月气隙磁密分布曲线

根据磁路的欧姆定律，气隙某处磁通或磁密的大小，取决于该处的磁势和磁路磁阻的大小。忽略铁心材料的磁阻。可认为磁势全部消耗在气隙中，直流电机的主极气隙是不均匀的，极下部分气隙大小相等而且数值很小，因此在极下部分磁密的大小相等且数值较大。靠近极尖处气隙逐渐增加，磁密明显减小，在两极之间的几何中心线上，磁密等于零。若不考虑电枢表面齿和糟的影响，在一个极距范围内，电枢各点垂直分量的磁密分布为近似梯形。第39页，课件共57页，创作于2023年2月电枢磁场直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场

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。第40页，课件共57页，创作于2023年2月电枢磁场如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中所示。由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中所示。第41页，课件共57页，创作于2023年2月

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。第42页，课件共57页，创作于2023年2月电枢反应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第43页，课件共57页，创作于2023年2月电枢反应由图可知，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磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。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，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不同。第44页，课件共57页，创作于2023年2月电枢反应2、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)(b)所示。这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。如图(a)(b)所示。第45页，课件共57页，创作于2023年2月第五节感应电势和电磁转矩产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:性质:

发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).)(电动势常数为电机的结构常数其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第46页，课件共57页，创作于2023年2月电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质:

发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中第47页，课件共57页，创作于2023年2月第六节直流电机的基本方程式电机在稳态运行，即电机的负载、励磁电流以及转速达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在着一定的平衡关系，它们可表达为相应的平衡方程式，称为电机的基本方程式。这些平衡关系应分别符合电学、力学以及能量守恒定律。因此分为如下三种方程式电势平衡方程式转矩平衡方程式功率平衡方程式第48页，课件共57页，创作于2023年2月电势平衡方程式电枢电动势：从方程式可见，直流发电机为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：第49页，课件共57页，创作于2023年2月转矩平衡方程式电磁转矩：直流发电机的励磁电流直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。平衡方程为：三、励磁特性公式每极气隙磁通第50页，课件共57页，创作于2023年2月功率平衡方程式原动机输入给发电机的机械功率电磁功率机械摩擦损耗、铁损耗、附加损耗。空载损耗包括：电磁功率一方面代表电动势为的电源输出电流时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗第51页，课件共57页，创作于2023年2月第七节直流发电机的运行特性他励发电机的运行特性一、空载特性定义：当、时，直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载时，。由于，因此空载特性实质上就是。由于正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线第52页，课件共57页，创作于2023年2月第七节直流发电机的运行特性二、外特性定义：当、时，外特性曲线如图所示由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励根据可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。第53页，课件共57页，创作于2023年2月第七节直流发电机的运行特性一、自励条件并励发电机的自励条件和外特性曲