电机学,第2章 直流电机,2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.2 直流电枢绕组 2.3 空载和负载时直流电机内的磁场 2.4 电枢的感应电动势和电磁转矩 2.5 直流发电机的运行 2.6 直流电动机的运行 2.7 直流电动机的起动和调速 2.8 换向和火花,2.1 直流电机的工作原理和基本结构,1.直流电机的工作原理 2.直流电机的基本结构 3.励磁方式 4.直流电机的额定值,1.直流电机的工作原理,图2-1 两极直流电机模型 a)t=0时 b)t=180时,1.直流电机的工作原理,图2-2 两极电机的气隙磁场分布,1.直流电机的工作原理,图2-3 电枢线圈的电动势和电刷间的电动势 a)线圈电动势 b)电刷间的电动势,1.直流电机的工作原理,图2-4 通过电刷和换向器，把外部通入的直流电流变成线圈内的交变电流 a)t=0时 b)t=180时,2.直流电机的基本结构,图2-5 电枢上装有6个线圈 (11到66)的情况,2.直流电机的基本结构,图2-7 直流电机剖面图,2.直流电机的基本结构,图2-8 主磁极,2.直流电机的基本结构,图2-9 电枢铁心,2.直流电机的基本结构,图2-10 电枢线圈,2.直流电机的基本结构,图2-12 换向器,3.励磁方式,图2-14 直流电机的励磁方式 a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式,4.直流电机的额定值,(1)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，用千瓦(kW)表示。 (2)额定电压UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以伏(V)表示。 (3)额定电流IN 指电机在额定电压下运行、输出功率为额定功率时，电机的线电流，以安(A)表示。 (4)额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速，以转/分(r/min)表示。,2.2 直流电枢绕组,1.电枢绕组的构成和绕组的节距 2.单叠绕组 3.单波绕组,2.2 直流电枢绕组,元件 组成绕组的基本单元称为元件。一个元件由两条元件边和前、后端接线连接组成，如图2-15所示。元件边(元件的直线部分)置于电枢槽内，能“切割”主极磁场并产生感应电动势，故称为有效边；两端的端部连接线在电枢铁心以外，不“切割”主磁场，故不产生感应电动势，仅起连接线作用。元件可以是单匝，也可以是多匝。,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,图2-15 电枢绕组的元件,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,虚槽 多数直流电枢中，每槽中包含u个元件，这u个元件外面包上绝缘后就构成一个线圈，如图2-16所示(图中u=2)。由于线圈数与电枢的槽数相等，所以元件数S应为电枢槽数Q的u倍，即S=uQ(2-3)式中，u为槽内每层置放的元件数。为使画绕组图时元件数与槽数形成“一与一”的对应关系，常常人为地把一个槽划分成u个“虚槽”，每个虚槽内置有一个上层边和一个下层边(例如在图2-16中把一个槽分成2个虚槽)。引入虚槽后，虚槽数Qu就等于元件数S。 极距 一个主磁极在电枢表面所跨的距离称为极距，用表示。极距既可以用长度来表示，也可以用虚槽数来表示。若电机的极对数为p，则用虚槽数表示时，极距=Qu2p。,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,图2-16 含有2个元件的线圈,第一节距 元件的两条有效边在电枢表面所跨的距离(即线圈的宽度)称为第一节距。第一节距也称为，用y1表示，如图2-17和图2-18所示。第一节距通常用所跨过的虚槽数来表示，此时它是一个。,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,图2-17 叠绕元件的连接,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,图2-18 波绕元件的连接,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,合成节距 相串联的两个元件，其对应元件边在电枢表面所跨过的距离，称为合成节距，用y表示。y也用虚槽数来计算。 元件的连接次序和连接规律就取决于合成节距。 换向器节距 同一个元件的两个出线端所连接的两个换向片，在换向器上所跨的距离，称为换向器节距，用yc表示。yc用换向片数来计算。,1.电枢绕组的构成和绕组的节距,2.单叠绕组,2.单叠绕组,图2-19 单叠绕组展开图(2p=4,S=K=16),2.单叠绕组,图2-20 图2-19所示瞬间电枢绕组的电路图,3.单波绕组,3.单波绕组,图2-21 单波绕组的展开图(2p=4,=S=K=15) a)部分展开图 b)全部展开图,3.单波绕组,图2-22 图2-21所示单波绕组的电路图,2.3 空载和负载时直流电机内的磁场,1.空载时直流电机内的磁场 2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,1.空载时直流电机内的磁场,图2-23 空载时直流电机内的磁场,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,(1)在主极N极的右半部分，交轴电枢磁场的方向为从电枢表面指向主极，对主极磁场起去磁作用；在N极的左半部分，交轴电枢磁场为从主极指向电枢表面，对主极磁场起增磁作用；从而使气隙磁场发生畸变，气隙磁通密度等于0的位置(称为)将偏离几何中性线。 (2)不计磁饱和时，交轴电枢磁场对主极磁场的去磁和增磁作用两者相等，因此总体而言，交轴电枢磁场既无增磁、也无去磁作用。,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,(3)气隙磁场的畸变，将使前极尖下的气隙磁通密度达到较高的值，当电枢元件旋转到此位置时，元件中的感应电动势和与之相接的换向片的片间电压将显著升高，容易引起片间的“电位差火花”。,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,图2-25 电刷置放在几何 中性线上时的电枢磁动势和磁场,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,图2-26 交轴电枢反应 a)负载时的合成磁场 b)空载气隙磁场和负载时气隙内的合成磁场,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,图2-27 电刷不在几何中性线上时，电枢磁动势的交轴和直轴分量 a)电枢磁动势 b)交轴分量 c)直轴分量,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,2.4 电枢的感应电动势和电磁转矩,1.电枢绕组的感应电动势 2.作用在电枢上的电磁转矩 3.电磁功率 4.直流电机的可逆性,2.4 电枢的感应电动势和电磁转矩,设电枢表面为光滑，气隙磁场b的分布如图2-28所示，电刷置放在几何中性线上。若电枢导体的有效长度为l，导体“切割”气隙磁场的线速度为，则导体感应电动势的瞬时值e=bl。由于导体运动时，不同位置处的磁场是不同的，所以导体中的电动势也是时刻不同的。为计算方便，引入导体感应电动势的平均值,1.电枢绕组的感应电动势,图2-28 气隙磁场分布和导体中的 感应电动势,1.电枢绕组的感应电动势,2.作用在电枢上的电磁转矩,3.电磁功率,3.电磁功率,图2-29 直流电机电枢中的能量转换 a)发电机(G) b)电动机(M),4.直流电机的可逆性,从原理上看，任何直流电机既可用作为发电机，也可用作为电动机，它们仅是直流电机的两种不同运行状态，这就是直流电机的可逆性。以后可以知道，一台直流电机是作为发电机还是电动机，从原理上看，主要取决于电枢电动势Ea是大于还是小于电机的端电压U，电磁转矩Te是制动性转矩还是驱动性转矩；如果是前者就是发电机，如果是后者则是电动机。,2.5 直流发电机的运行,1.他励发电机的运行 2.他励发电机的特性 3.并励发电机的自励和外特性 4.复励发电机及其外特性,1.他励发电机的运行,图2-30 他励发电机的空载和负载运行,1.他励发电机的运行,2.他励发电机的特性,他励发电机的特性是指发电机的端电压U、负载电流I和励磁电流If这三个主要变量间的关系。为简单计，通常把这三个量中的某一个量保持为常值，然后找出其余两个量之间的函数关系，这样就可以得到三条特性曲线。第一条是I=常值 时，U=f(If)，称为负载特性；其中I=0时，U0=f(If)，就称为空载特性。负载特性因为是恒电流特性，故很少应用，但空载特性却是十分有用的。第二条是If=常值 时，U=f(I)，称为外特性。第三条是U=常值 时，If=f(I)，称为调整特性。,2.他励发电机的特性,图2-31 他励发电机的空载特性,2.他励发电机的特性,2.他励发电机的特性,图2-32 他励发电机的外特性,2.他励发电机的特性,2.他励发电机的特性,图2-33 他励发电机的调整特性,2.他励发电机的特性,2.他励发电机的特性,图2-34 他励发电机的效率特性,2.他励发电机的特性,3.并励发电机的自励和外特性,图2-35 并励发电机接线图,3.并励发电机的自励和外特性,图2-36 并励发电机自励时的空载电压,3.并励发电机的自励和外特性,3.并励发电机的自励和外特性,图2-37 并励发电机的外特性,4.复励发电机及其外特性,4.复励发电机及其外特性,4.复励发电机及其外特性,图2-38 复励发电机的接线图,4.复励发电机及其外特性,图2-39 复励发电机的外特性,2.6 直流电动机的运行,1.并励电动机的运行 2.并励电动机的运行特性 3.串励电动机的运行特性 4.复励电动机的特点,1.并励电动机的运行,图2-40 并励电动机的接线图,1.并励电动机的运行,1.并励电动机的运行,1.并励电动机的运行,2.并励电动机的运行特性,并励电动机运行时，电枢电压通常保持为额定电压UN。负载变化时，电动机的主要变量是电枢电流Ia、电磁转矩Te、转速n以及输出功率P2。运行特性中最重要的有两组，一组是工作特性，另一组是机械特性。运行特性因励磁方式的不同而有很大差异。,2.并励电动机的运行特性,2.并励电动机的运行特性,图2-41 并励电动机的工作特性,2.并励电动机的运行特性,2.并励电动机的运行特性,图2-42 并励电动机的机械特性,2.并励电动机的运行特性,2.并励电动机的运行特性,2.并励电动机的运行特性,图2-43 串励电动机的接线图,3.串励电动机的运行特性,3.串励电动机的运行特性,3.串励电动机的运行特性,图2-44 串励电动机的工作特性,3.串励电动机的运行特性,3.串励电动机的运行特性,3.串励电动机的运行特性,图2-45 串励电动机的机械特性,4.复励电动机的特点,图2-46 复励电动机的接线图,4.复励电动机的特点,图2-47 复励电动机的机械特性,2.7 直流电动机的起动和调速,1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节,1.直流电动机的起动,(1)要有足够的起动转矩。 (2)起动电流应限制在安全范围之内。,1.直流电动机的起动,常用的起动方法有三种：直接起动；接入变阻器起动；降压起动。 直接起动 图2-40是并励电动机直接起动时的接线图。直接起动的步骤已在2.6节的第一段中说明。 电枢接入变阻器起动 为限制起动电流，起动时可在电枢电路中接入起动电阻Rst，待转速上升后再逐步将起动电阻切除。接入变阻器后，起动电流Ist为Ist=URa+Rst(2-38)于是选择合适的Rst，就可以把起动电流限制在容许范围以内。 降压起动 采用此法时，电动机的电枢电压为可调。开始起动时把电枢的供电电压调得很低，随着转速的上升，逐步增高供电电压，以使电枢电流限制在一定的范围内。为使励磁电流不受电枢调压的影响，励磁绕组应采用他励。,2.直流电动机转速的调节,调速方法有两种： (1)电枢控制 即用调节电枢电压，或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制 即用调节励磁电流来调速。,2.直流电动机转速的调节,2.直流电动机转速的调节,图2-48 电枢接入电阻后，并励(他励) 电动机的机械特性(),2.直流电动机转速的调节,图2-49 不同电枢电压时，他励电动机的 机械特性(),2.直流电动机转速的调节,图2-50 不同励磁电流时，他励(并励) 电动机的机械特性(),2.直流电动机转速的调节,图2-51 改变电枢电压时， 串励电动机的机械特性,例2-4有一台并励电动机，PN=2.6 kW，UN=110V，IN(线电流)=28A，nN=1470 r/min,电枢绕组的电阻Ra=0.15，励磁回路电阻Rf N=138，不计电枢反应。设负载转矩保持为额