直流电机的基本工作原理剖析课件

第一节

直流电机的基本工作原理一、直流电机的基本用途直流电源——小容量汽轮发电机励磁系统电力拖动（具有调速性能好、过载能力强等特点）二、直流发电机的工作原理直流发电机绕组内的电流与电动势方向相同，且均为交流电。由于电刷和换向片的整流作用，直流发电机最终输出直流电动势。为了减小电动势的脉动，需要多个线圈构成绕组。内部交流电的频率与哪些因素有关？其公式为？直流发电机电磁转矩的方向与旋转方向相反，是制动性质的转矩。三、直流电动机的工作原理直流电动机绕组内的电流与电动势方向相反，但是仍然均为交流电。由于电刷和换向片的逆变作用，直流电动机最终将直流电流转化为绕组内部的交流电流。为了减小电磁转矩的脉动，需要多个线圈构成绕组。直流电动机电磁转矩的方向与旋转方向相同，是驱动性质的转矩。四、直流电动机的基本结构1、直流电机实体图2、直流电机的结构3、直流电机的铭牌数据额定电压额定电流额定功率额定转速第二节

直流电枢绕组一、对电枢绕组的要求一定的导体数下要产生足够大的电动势，并有良好的波形。能够通过足够大的电流，以产生并承受所需要的电磁力和电磁转矩。结构简单、运行可靠、便于维修、节省材料。二、电枢绕组构成的原则1、辐视图2、简单的绕组1）单线圈电机装置电动势很小；电磁转矩小；电动势和电磁转矩脉动很大。存在的缺点：2）不连接的多线圈电机装置电动势的脉动减小。电动势很小；电磁转矩小；换向片数目太多，制作困难。改进：存在的缺点：3）连接的单层多线圈电机装置以电动机为例直流电机电枢绕组是闭合绕组！转子旋转900电动势、电磁转矩增大。电枢铁心没有被充分利用。在工艺上，端接部分不能很好的排列。改进：存在的缺点：换向片数减小。4）连接的双层多线圈电机装置转子逆时针旋转4501、2被A短路；5、6被B短路。1、2、5、6处于磁密B=0处，故e=0，没有环流。能否移动电刷位置？若电刷逆时针旋转4507、8被A短路；3、4被B短路。存在环流。必须使在几何中性线的线圈被短路；被电刷短路的线圈只能位于几何中性线上。转子逆时针旋转900电枢旋转，线圈边轮换，但是同一极下的电流方向不变，且同一极下所有线圈边中电流均同方向。直流电机都是双层、闭合绕组。线圈数=换向片数=槽数。三、电枢绕组的基本名词术语元件——线圈，两个出线端分别与两个换向片连接。上元件边、下元件边元件边——线圈边，放在槽中切割磁力线，产生感应电动势的有效边。实槽——电枢铁心实际所开槽虚槽线圈数=换向片数=虚槽数极距前端接、后端接++__eeAX•第一节距y1——元件的两条元件边在电枢表面所跨的虚槽数。第二节距y2——相串联的两个元件中第一个元件的下层边和第二个元件的上层边在电枢表面所跨的虚槽数。合成节距y——相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的虚槽数。换向器节距yc——每个元件相连的两个换向片在换向器表面所跨的换向片数。绕组展开图单叠绕组上层边和下层边连接在相邻的换向片上，yc=1。绕组的所有相邻元件依次串联，即后一元件上层边和前一元件下层边连在一起，并接到同一个换向片上，y=1。四、单叠绕组的连接方法设有一台直流电机，极对数＝2，。1.计算单叠绕组的节距单叠绕组的合成节距和换向节距相同，即2.单叠绕组的展开图1、上层边用实线表示，和下层边用虚线表示。5、磁极在绕组上方均匀放置，N极指向纸面，S极穿出纸面。3、元件号、元件上层边所嵌放的虚槽号、该上层边所连接的换向片号一致，从左往右依次编号。8、左上方箭头表示电枢旋转方向。2、换向片大小应画得和电枢虚槽槽距相等。6、电刷应画得和换向片一样大小。4、元件的轴线应和所连接的两片换向片的中心线重合。7、电刷放在磁极轴线上。3.单叠绕组的瞬间电路图并联支路对数=电机极对数=电刷组数。上层边在同一极下的元件属于同一并联支路。电枢电流等于各并联支路电流之和。结论支路感应电动势较低，允许通过的总电枢电流大，适合于低电压、大电流的直流电机。五、单波绕组的连接方法同极性下元件串联组成一条支路，因此支路对数恒等于“1”，与磁极对数无关；电刷数通常等于主磁极的极数；电枢电流是两条支路电流之和。结论允许通过的总电枢电流较小，支路感应电动势较高，适合于高电压、小电流的直流电机。一、直流电机的空载磁场第三节空载和负载时的磁场1、空载：直流电机不接负载时的运行情况，此时电枢电流很小，约为零，可以忽略不计。空载磁场：电枢电流为零，仅由励磁电流单独建立的磁场。2、直流电机主磁场主磁通、漏磁通主磁通实现机电能量转换，漏磁通不参与机电能量转换。主磁路分析由磁路的基尔霍夫定律，有：

规定：从主磁极铁心指向电枢铁心，bδ为负；从电枢铁心指向主磁极铁心，bδ为正。

主磁场：空载时气隙中的磁场，平顶波。3、直流电机的空载磁化曲线由磁路的基尔霍夫定律，有：主磁路的饱和导致空载磁化曲线的非线性。电枢磁动势：电枢电流产生的磁动势。二、负载时的电枢磁动势和电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主磁场的影响。1、定义简便：先假设主磁路不饱和，转换成线性问题，可以应用叠加原理。将电枢磁动势单独于气隙形成的电枢磁场分析清楚，然后将电枢磁场与主磁场叠加。再考虑主磁路饱和的问题，由此得出电枢磁动势对主磁场的影响。2、分析电枢反应的方法精确：

将电枢磁动势和励磁磁动势合成后再根据合成磁动势求解气隙磁场，由此得出电枢磁动势对主磁场的影响。假设：3、简化辐视图1）用元件的上层边表示该元件；2）电枢铁心表面光滑，没有齿和槽；3）没有换向片，电刷直接与元件边接触；4）元件放置在几何中性线上，电刷和那个元件接触，意味着该元件被短接；判断简化是否正确的标准：不改变内部电磁关系，即简化前后每个支路元件和被短路的元件不改变。注意：1）电刷在实际电机中和在辐视图中均位于主磁极的轴线上，而在简化辐视图中位于几何中性线上。二者相互转换时，电刷位置画法要作相应调整。2）简化辐视图是分析问题的一种工具，辐视图和简化辐视图的关系有点类似于变压器的T型等效电路和近似等效电路的关系。辐视图和简化辐视图在描述电机的电磁过程时，二者是统一的。4、电枢磁场

2）交轴电枢磁动势1）直轴、交轴电刷放在几何中性线上（在简化辐视图中）时的电枢磁场电枢旋转时，电枢磁动势在空间保持固定不动。电刷偏离几何中性线时的电枢磁场电刷位于几何中性线时的电枢反应4、电枢反应气隙磁场由励磁磁动势和交轴电枢磁动势共同建立。不计磁饱和

1）气隙磁场畸变。

2）不计饱和时交轴电枢反应既无增磁作用也无去磁作用。比较和：计及磁饱和计及饱和时交轴电枢反应具有去磁作用。电刷偏离几何中性线时的电枢反应

1）电枢磁动势既有交轴磁动势分量，又有直轴磁动势分量。2）磁路饱和时交轴磁动势分量具有去磁作用。3）直轴磁动势分量与励磁磁动势同向，则具有增磁作用；否则起去磁作用。第四节

感应电动势和电磁转矩电枢绕组的感应电动势=电刷间的电动势=一条并联支路的电动势电枢绕组的电磁转矩=总电磁转矩为气隙合成磁场在每极下的总磁通。一台四极直流发电机，电枢绕组是单波绕组，电枢绕组的元件数为162，每个元件2匝，每极磁通为0.0051Wb，转速为1450r/min，求电枢绕组电动势Ea。1）电枢总导体数：解：2）极对数：3）并联支路对数：4）电动势常数：5）电动势：一台四极他励直流电动机，电枢绕组是单波绕组，电枢总导体数为186，额定运行时每极磁通为0.0698Wb，铭牌数据：额定功率为100kW，额定电压为330V，额定转速为1450r/min，额定效率为91.5%。求额定电磁转矩Tem。解：1）电磁转矩常数：2）额定电枢电流：3）额定电磁转矩：第五节

直流发电机的基本方程和特性一、电压方程并励直流发电机二、电流方程并励直流发电机他励直流发电机三、转矩方程1）T1为原动机的驱动转矩。2）Tem为发电机的电磁转矩，起制动作用。3）T0为发电机本身的一些机械阻力（如摩擦、风阻等）形成的转矩。发电机空载运行时，该转矩仍然存在，因此称为空载转矩。四、功率方程是原动机为了克服电磁转矩而输入电机的机械功率。并励直流发电机机械系统是电枢发出的电功率。电路系统原动机为了克服电磁转矩而输入电机的机械功率转换成电枢发出的电功率，称为电磁功率。功率流程图五、他励发电机的运行特性空载特性

额定转速时，他励发电机的空载端电压与励磁电流之间的关系曲线，即。励磁电流为零时，空载电压为什么不等于零？若转速小于额定转速，则空载特性曲线怎么变化？外特性

额定转速且额定励磁电流时，他励发电机的端电压与输出电流之间的关系曲线，即。

为什么外特性不是一条直线：

交轴电枢反应具有去磁作用，而且随着负载电流的增大，去磁作用增强。额定电压调整率

额定转速且额定励磁电流时，他励发电机从额定负载过渡到空载，电枢端电压的变化值与额定电压之比，即：

1）电压调整率大点好还是小点好？

2）他励直流发电机能否在额定励磁下持续短路？六、并励发电机的自励和外特性自励（空载电压的建立）条件1）要有剩磁。2）励磁绕组与电枢绕组的端点连接要正确。曲线1（磁场电阻线）不考虑励磁绕组的感性，有：曲线2（空载磁化曲线）[1]电压稳定于曲线1、2的交点。[2]励磁电阻越大，建立的电压越小。3）励磁绕组总电阻小于临界电阻值Rer。减小并励直流发电机的转速，为什么电压可能建立不起来？

1）为什么并励发电机端电压下降得比他励发电机多？外特性

额定转速且励磁回路电阻不变时，并励发电机的端电压与输出电流之间的关系曲线，即。

2）为什么并励发电机稳态短路电流很小？第六节直流电动机的基本方程和特性一、电压方程并励直流电动机二、电流方程并励直流电动机他励直流电动机三、转矩方程2）T2为电动机轴上的负载转矩，制动。1）Tem为电动机的电磁转矩，起驱动作用。3）T0为电动机本身的一些机械阻力（如摩擦、风阻等）形成的转矩。发电机空载运行时，该转矩仍然存在，因此称为空载转矩，制动。四、功率方程并励直流电动机是电动机电枢中感应电动势所吸收的电功率。电路系统电动机电枢电动势吸收的电功率转化为克服总负载转矩而输出的机械功率，称为电磁功率。是电动机对总机械负载所做的机械功率。机械系统功率流程图五、并励电动机的运行特性转速特性

额定端电压且额定励磁电流时，并励电动机的转速与电枢电流之间的关系曲线，即。

1）影响并励电动机转速的因素有哪些？

2）运行中能否断开励磁绕组？机械特性

额定端电压且额定励磁电阻时，并励电动机的转速与电磁转矩之间的关系曲线，即。1）不计磁饱和2）计及磁饱和3）硬特性、软特性第七节

换向一、定义元件电流改变方向，称为换向。二、电流换向过程直线换向在理想情况下，换向期间内换向元件电流的变化是均匀的。延迟换向

严重延迟换向时，电刷和换向片之间会出现火花，使换向片表面受到损伤。三、换向元件中的电动势1）电感电动势

电感电动势和电流的参考方向规定得一致，从而有：

元件（线圈）具有电阻性和电感性，电流变化将产生电感电动势。电感电动势大小取决于转速和电流的大小。

电感电动势实际