第二章 直流电机,第一节 直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,（一）直流电动机的工作原理,载流导体在磁场中受到的力,2,当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。,当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。,3,（二）直流发电机的工作原理,用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势确是直流电动势。,一台直流电机 作为电动机运行在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢 旋转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能； 作为发动机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直 流电动势，作为直流电源，输出电能。,4,二、直流电机的结构,直流电机剖面图,1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极 6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心,5,6,（一）直流电机的静止部分,1、主磁极,2、换向极,1主磁极铁心 2励磁绕组 3机座,1换向极铁心 2换向极绕组,3、机座用来固定主磁极、换向极和端盖； 另外，又作为磁路的一部分。,7,（二）直流电机的转动部分,4、电刷装置,1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4铜丝辫,1、电枢铁心,a)电枢铁心 冲片 b)电枢铁心,8,2、电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。,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,电枢槽内的绝缘,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,9,第二节 直流电机的铭牌数据,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),10,在额定工况下，电机出线端的平均电压,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,11,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,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。,12,第三节 直流电机的绕组,一、简单的绕组,对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。,1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈,右图只是说明原理的示意图。它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。,解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。,13,14,15,16,17,二、绕组的基本形式,（一）单叠绕组,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。,元件的跨距：上层元件边与下层元件边的距离（用槽数表示）称为跨距。一般要求元件的跨距等于电机的极距。 右上图中，跨距为4槽。,18,19,20,（二）单波绕组,单波绕组不是把元件依串联，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。,21,22,直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。,23,第四节 直流电机的励磁方式及磁场,一、直流电机的励磁方式,1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。,2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。,3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。,4、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联， 另一个与电枢绕组串联。,24,二、直流电机的空载磁场,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。,25,气隙中主磁场磁通密度的分布,磁化曲线,26,三、直流电机负载时的磁场及电枢反应,当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。 此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。,27,4个元件所产生的电枢磁动势波形,电枢反应后磁动势波形,1、有负载时气隙磁场发生了畸变 2、电枢反应呈现去磁作用,28,第五节 感应电动势和电磁转矩的计算,一、感应电动势的计算,直流电机无论作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势。,式中，n电枢的转速；p极对数。,根据电磁感应定律，一个匝数为 的元件中感应电动势的平均值为：,29,对制成的电机，Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数,绕组全部有效导体数为 ，所以,若不计饱和影响，有,其中Kf 为比例常数,30,其中Gaf=CT Kf ； 为机械角速度。,感应电动势的计算公式为,31,二、电磁转矩的计算,32,第六节 直流电机的运行原理,一、直流电机的基本方程式,（一）电动势平衡方程式,若电机稳态运行，对于电动机,若电机稳态运行，对于发电机,33,（二）转矩平衡方程式,对于电动机：,稳态运行时,其中T2为负载制动转矩， T0为空载损耗转矩。,对于发电机：,其中T1为原动机拖动转矩。,稳态运行时,二、直流电动机工作特性,34,（一）并励直流电动机的工作特性,1. 转速特性,当U=UN , If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线,35,（二）串励直流电动机的工作特性,电动势平衡方程式,电动势公式,转矩平衡方程式,转矩公式,（其中，Rfc为串励绕组电阻，,，,）,36,（三）复励直流电动机的工作特性,例2-1 一台他励直流电动机的额定数据为：,37,（2）减少电动机的励磁电流，使磁通 减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？,解,（2）磁通 减少为原来的0.9,38,三、直流发电机的工作特性,a) 他励直流发电机,b) 并励直流发电机,c) 复励直流发电机,（一）空载运行,1 空载特性,当他励直流发电机被原动机拖动，n=nN 时，励磁绕组端加上励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 ,得出空载特性曲线U0=f(I0)。,39,2 并励和复励直流发电机空载电压的建立,自励电压的建立有三个条件：,1）电机必须有剩磁；,2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确；,3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻。,（二）负载运行,无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在 n = nN 的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。,1积复励发电机外特性；,2他励发电机外特性；,3并励发电机外特性；,40,第七节 直流电机的换向,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。,一、换向的电磁现象,1、电抗电动势,换向元件中出现的由自感与互感作用所引起的感应电动势，称为电抗电动势。,41,2、电枢反应电动势,由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，在几何中心线处，虽然主磁场的磁密等于零，可是电枢磁场的磁密不为零。因此，换向元件切割电枢磁场，产生一种电动势，称为电枢反应电动势。,二、改善换向的方法,改善换向一般采用以下方法：,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。,42,第二章 结 束,