第一章 直流电机 Chapter 1 DC Machines,本章教学基本要求：,1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用； 2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法； 3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的工作特性； 4.了解直流电机的换向。,重点和难点,重点：直流电机的基本平衡方程式和工作特性。 难点：电枢反应。,本次课程教学要求,了解直流电机基本结构 熟悉直流电机的额定值 掌握直流电机基本工作原理,机电能量关系,直流电机（dc machines）是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。 把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机(dc generators )。 把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机(dc motor )。,1.1直流电机的结构及基本工作原理,1.1.1直流电机的基本工作原理 1、直流发电机的基本工作原理直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。 （下面用简单直流电机模型来说明工作原理）,图1-1 直流发电机工作原理,直流发电机的基本工作原理,说明,给励磁绕组(the exciting winding)通入直流电，使在空中固定不动的主磁极呈现上为N极、下为S极（主磁极也可以是永久磁铁做成）。在N和S极之间有电枢，电枢铁芯上安放着由A和X两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（A）和末端（X）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相片形成的整体称为换相器。换相器固定在转轴上，且与转轴绝缘。换相片上安放着一对固定不动的电刷B1和B2，电刷能与外电路连接。,气隙磁密分布,图1-2a) 气隙磁密分布波形图,定子、转子和气隙,定子(stator) 在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。 转子(rotor) 随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换相器等）称为转子（或称电枢(armature) ） 气隙(air gap) 定、转子之间有一空隙，称为气隙。,当原动机带动电枢逆时针方向旋转时 导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导 体内产生感应电势，大小：e=Bxlv（V） 其中：Bx导体所在处的磁通密度（Wb/m2）,l 导体的有效长度（m），v 导体的线速度（m/s）。,发电机工作情况,感应电势方向,感应电势方向由右手定则判定：伸开右手使大拇指与四指呈90， 当磁力线指向手心，大拇指指向导体运 动方向，则四指的指向为导体中感应电 势方向。,分析,t=0时，A端为，与之相接触的电刷B1为+，X端为，与之相接触的电刷B2为-；当电枢旋转了180后，即t=180时，X端旋转到N极下，X端为，A端旋转到S极下，A端为。,图1-2a) 线圈AX地感应电势波形图,换向器作用Commutator Action,从分析中可得出：N极下导体电势指向纸外，电刷B1总为+；S极下导体电势指向纸内，电刷B2总为-，不难看出，线圈中的电势是交流电势，而通过换向器的作用，使电刷间的电势为直流电势。,换向器和电刷作用(brush),换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；把转动的电路与外面不转的电路连接。 从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。,图1-2b) 电刷B1与B2间的电动势波形图,电刷B1与B2间的电动势波形,2、直流电动机的基本工作原理,将直流电加到电刷上（B1为+、B2为-），线圈AX上就有电流通过（A端为、X端为），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为：f=Bxli（N），其中i为流过导体中的电流（A），方向由左手定则确定，伸开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指向导体受力方向。,在电动机中换向器和电刷的作用,换向器和电刷的共同作用是： 将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； 把外面不转的电路与转动的电路连接。,直流电动机工作原理示意图,图1-3 直流电动机工作原理图,直流机结构,直流电机的基本结构,1.1.2直流电机的基本结构,直流电机由两大部分组成： 定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）。,1、定子,定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。 主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。 换向极也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢组成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改善电机的换向。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是连接转动和静止之间的电路。 机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。,直流电机结构,图1-4 直流电机结构图,图1-5 主磁极与换向极示意图,图1-6电刷装置图,主磁极、换向极、电刷装置示意图,2、转子（电枢）,转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。 电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。,电枢绕组,电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,换向器,换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。,换向片和换向器,图1-7 换向片和换向器,3、气隙,为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。,课后复习要点,1.直流电机基本工作原理；换向器和电刷的作用。 2.直流电机基本结构 预习直流电机绕组(极轴线、几何中线、极距、绕组元件、绕组节距等。 3.预习电枢反应和直流电机负载时的磁场。 4.预习直流机的电磁转矩和感应电势。,1.1.3直流电机的铭牌数据(额定值),为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如图所示。,直流电机的额定值包括：额定容量PN 额定电压UN 额定电流IN 额定转速nN 额定效率 额定转矩TN 额定温升 额定励磁电流IfN,说明,在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行，称为额定运行。电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行，称为欠载运行，电机长期欠载，效率不高，造成浪费；当电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行，长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态。,1.1.4直流电枢绕组和电机模型,1、直流电枢绕组 （1）基本概念 直流电机电枢绕组的基本形式是单叠和单波。,两匝元件示意图,电枢绕组节距图,绕组,（2）单叠绕组,单叠绕组是以相邻元件依次串联的连接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。,实际电机模型图,实际电机模型,图1-12 单叠绕组展开图 （2p2 ZuS6）,单叠绕组展开图,单叠绕组等值电路,图1-13 单叠绕组等值电路,单叠绕组特点,支路对数a等于极对数p，同时还等于电刷对数b，即a=p=b； 电枢电流Ia等于各支路电流ia之和，即Ia=2aia。,（3）单波绕组,单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。 其特点是： 支路对数a等于1，与极对数p无关，即a=1； 电枢电流Ia等于2倍支路电流ia，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p。,2、电机模型,展开图虽然能反应电枢绕组连接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。 规定：无论电机有多少对磁极，都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中心线处，并与位于几何中心线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。我们把几何中心线对应的轴线又称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的磁极轴线称为直轴，用d-d表示。为了方便，以后在分析电机内部电磁过程时均采用电机模型。,直流电机模型,直流电机模型,1.2直流电机的磁场,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。 1、他励 励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。 2、并励 励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励 励磁绕组与电枢绕组串联。 4、复励,直流电机的励磁方式,励磁方式,复励,主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称差复励。实际应用中常用积复励。,积复励与差复励示意图,1.2.2直流电机空载时的磁场,直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。,图1-8 直流电机的空载磁场分布,说明,主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：0，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的20%左右。,1、空载时气隙磁密分布,如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度，即有B1/。主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。,图1-10 气隙磁密分布波形,2、电机的磁化曲线,电机的磁化曲线是指电机主磁通0与励磁磁势Ff的关系曲线，即0=（Ff）。当励磁绕组的匝数Nf一定时，改变励磁电流If就可改变磁势，磁化曲线也可用0=（If） 表示。电机的磁化曲线可通过实验或电机磁路计算得到。图中曲线1是电机磁化曲线，曲线2是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，由于空气中的0为常数，故气隙线是线性的。,曲线特点,电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。,图1-9 电机的磁化曲线,曲线,分析,磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。,饱和系数,电机的饱和程度可以用饱和系数表示。他是指主磁0通为额定磁通N时，励磁磁势F0与气隙磁势F的比值，即k 的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中的k =1.111.35。,