电机及电气控制课件 直流电机

第2章直流电机♣本章目标知道直流电机的结构和工作原理；能够读懂直流电机铭牌数据；知道如何改善直流电机的换向状况知道直流发电机的励磁方式；会直流电动机的运行维护与故障处理。直流电机的概述一、直流电机直流电机是一种转换与直流电能有关的机器。直流电能

机械能（直流电动机）机械能

直流电能（直流发电机）二.直流电机的可逆性

同一台直流电机，既可以作为直流电动机运行，又可以作为直流发电机。第2章直流电机三.直流电机的优缺点1.优点：（1）调速性能好，主要表现在调速范围广、调速方便、调速平滑。（2）起动性能好，主要表现在起动力矩大。2.缺点：结构比较复杂，运行时可能产生环火。作为直流电动机，主要用于广泛调速的地方，比如电力机车、城市地铁、城市电车等。也可以用于快速可逆电力拖动系统，比如卷扬机、轧钢机等。作为直流发电机，既可以作为独立的直流电源，也可以作为发电机－电动机拖动系统。四.直流电机的用途第2章直流电机直流电机的结构定子转子产生磁场和机械支撑产生电磁转矩第2章直流电机一、定子定子机座换向极铁心换向极绕组主磁极铁心主磁极绕组（励磁绕组）直流电机定子第2章直流电机第2章直流电机主磁极作用：建立恒定的主磁场。

构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。第2章直流电机第2章直流电机换向磁极:作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。构成：由铁心和绕组组成主磁极换向磁极第2章直流电机电刷作用：把直流电压、直流电流引入或引出构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。第2章直流电机机座作用：起支撑和固定作用形式：整体机座、叠片机座。第2章直流电机一、转子直流电机的转子轴端盖电枢铁心电枢绕组和槽碶电枢绕组端部换向器轴承第2章直流电机电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。

构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的硅钢片叠压夹紧而成。第2章直流电机电枢绕组作用：直流电机的电路部分。构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。第2章直流电机换向器作用：和电刷配合将输入直流电转变为交流电，保证所有导体上产生的转矩方向一致。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V形云母绝缘。第2章直流电机转轴作用：用来传递转矩，为了电动机可靠运行，用合金钢锻压加工而成。风扇作用：用来降低温升第2章直流电机第2章直流电机直流电机的工作原理第2章直流电机一、直流发电机的工作原理直流发电机的物理模型---外力带动线圈转动第2章直流电机先不放换向片线圈沿逆时针旋转ab在N极下，感应电势的方向为b到a（b为低电位，a为高电位）cd在S极下，感应电势的方向为d到c（d为低电位，c为高电位）方向为：从d指向a右手定则第2章直流电机转过180°后线圈仍沿逆时针旋转ab在S极下，感应电势的方向为a到b（a为低电位，b为高电位）cd在N极下，感应电势的方向为c到d（c为低电位，d为高电位）方向为：从a指向da点正负交变第2章直流电机输出的电势波形：B近似平顶波输出平顶交流电第2章直流电机用换向器和电刷A片总接a点，B片总接d点A、B换向片和导体一起旋转电刷与换向片接触，且空间位置不动效果：A点：对N极，正B点：对S极，负第2章直流电机加换向器后的的电势波形：（1）脉动的直流电；（2）换向器就是一个机械的“整流器”，作用就是交流变直流第2章直流电机二、直流电动机的工作原理左手定则加直流电，A+，B-电流方向：abcdab和cd受力相反，即产生电磁转矩线圈逆时针转动第2章直流电机转过180°后电流方向：abcdab和cd受力相反，即产生电磁转矩线圈仍逆时针转动电机连续旋转第2章直流电机

直流电动机模型f＝BxιI二、直流电动机的工作原理第2章直流电机总结关于换向器和电刷：1、作用：（1）在直流发电机中起整流作用交流直流（2）在直流电动机中起逆变作用直流交流2、换向器和电刷是直流电机特有的缺点：换向问题（火花、电磁干扰）解决途径：无刷化---“无刷直流电机”第2章直流电机直流电机的铭牌数据直流电机铭牌数据包括：电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等型号表明该电机所属的系列及主要特点。以Z2-72为例说明如下：电机的型号第2章直流电机第2章直流电机⒈额定功率

PN

指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率

PN＝UNIN对于直流电机，PN是指输出的机械功率

PN＝UNINηN⒉额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。⒌额定励磁电流

If

指电机在额定状态时的励磁电流值。

⒊额定电流

IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。

⒋额定转速

nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。6、励磁方式

指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。第2章直流电机第2章直流电机直流电机的电枢绕组一、电枢绕组的基本知识根据连接规律的不同，绕组可分为：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组（1）元件构成绕组的线圈为绕组的元件第2章直流电机（2）第一节距同一元件的两个有效边的距离，槽数（3）第二节距相邻两个元件相异有效边的离，槽数第2章直流电机（4）合成节距相邻两个元件相同元件边的距离，槽数（5）换向节距同一元件首末端换向片之间的距离相邻两主极间的距离（6）极距第2章直流电机叠绕组波绕组第2章直流电机例子：绘制一单叠右行整距绕组展开图绕组极数，槽数，元件数1、计算节距2、绕组连接表第2章直流电机第2章直流电机第2章直流电机第2章直流电机直流电机的电枢电动势和电磁转矩一、直流电机的空载直流电机不带负载时的运行状态称为空载运行。直流电机空载的特征：电枢电流忽略不计，即电枢电流为零或近似等于零此时，气隙中只有主极磁场。第2章直流电机主磁通走主磁路的80%在电枢绕组中感应电动势或电枢转矩主磁通主磁路第2章直流电机

空载时励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。空载磁场气隙磁密度特点：（1）主极下气隙处处均匀（忽略齿槽影响）（2）空载磁密波形：平顶波第2章直流电机二、直流电机的电枢反应

直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。由于负载后电枢磁场的出现，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场（空载磁场）的影响称为电枢反应。第2章直流电机电枢磁通密度分布图图1－15电枢展开图

－磁动势波形

－磁通密度波形负载后电机的磁场分布情况比较两个磁场磁力线，可看出在N极下，极轴线以右部分加强磁密、以左部分削弱第2章直流电机第2章直流电机－励磁磁场；－电枢磁场；－负载合成磁场（气隙磁场）主磁场（空载磁场）的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布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电枢反应的磁通密度分布曲线第2章直流电机使气隙磁场发生畸变负载后由于电枢反应的影响，每一磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，磁通密度曲线与空载时不同。电枢反应的影响对主磁场起去磁作用不考虑磁路饱和时，主磁场被削弱的数量等于被加强数量，但实际中，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁芯磁阻增大，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。三、直流电机的电枢电动势第2章直流电机1.每极磁通在电枢表面分布的面积2.导体的线速度3.导体个数的计算极距：导体有效长度：l电机转速：n磁极对数：p元件数：S元件匝数：Nx槽数：Z第2章直流电机感应电动势一根导体的感应电动势eav一条支路的感应电动势Eav第2章直流电机电枢的感应电动势----直流电机的电动势常数性质: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).第2章直流电机电磁转矩一根导体的电磁力平均值fav一根导体的电磁力形成的电磁转矩Tav电枢绕组的电磁转矩Tem——直流电机的转矩常数第2章直流电机

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)。第2章直流电机直流电机的换向换向概述

直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。

换向元件中电流的变化过程，叫做换向过程。

从换向开始到换向结束所需的时间，叫做换向周期。

电枢旋转时，倍电刷短路的元件从短路开始到短路结束，从一条支路转换到另一条支路，电流改变了方向。第2章直流电机分析换向过程

为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。

电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。

电刷与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。

电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为元件112第2章直流电机

换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。

产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。

元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。第2章直流电机

换向的电磁理论(了解)换向元件中的电动势：自感电动势

和互感电动势：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。切割电动势：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：

根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。换向电动势：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。第2章直流电机换向元件中的电流：

设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是和，元件自身的电阻为,流过的电流为,元件与换向片间的连线电阻为,元件在换向时的回路方程：

忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为，则可推导出换向元件中的电流变化规律为第2章直流电机改善换向的方法

改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势直流发电机第2章直流电机

直流发电机的励磁方式

供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。

他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：第2章直流电机2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足4、复励：

并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。第2章直流电机第2章直流电机直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向一.电枢电动势公式和电压平衡方程从方程式可见，直流发电机满足电枢电动势：电压平衡方程式：二.电磁转矩和转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。第2章直流电机电磁转矩：转矩平衡方程式：直流发电机的励磁电流三、励磁特性公式第2章直流电机四.直流发电机效率公式电磁功率第2章直流电机直流电动机直流电机的可逆原理

一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。

减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。

继续降低原动机的转速，将有，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。