直流电机工作原理

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1、第二章直流电机2. 1概述直流电机的工作原理首先，复习e=B slv公式，说明e正比于Bs 0结合图2.1解释v=2 n Rn/60 (m/s, n(r/min);机械角速度 Q =v/R=2 n n/60 ( r/s);电角速度 w =p Q =p2 n n/60 (rad/s)(记下来)；导体或线圈。将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括： N、S磁极和A、B电 刷静止，换向片、线圈(导体)以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在 空间得分布曲线Bs(9 )(09 =w t 2 n )。进而得到导体电势e( w t)和

2、线圈电势eA& wt)。经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕 组，便可以获得近似直流电动势。工作原理：(1) 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出。(发电机惯例)(2) 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。结论：(1)电机内部(电刷为界)，线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流 量。(2) 电机外部(电刷两端)，电动机运行外加直流电；发电机运行输出直 流电(3) 从原理上讲，同一台电机既

3、可以作电动机运行又可以作发电机运行， 是可逆的。(4)电动机惯例Motor发电机惯例主磁极、换向极机座、端盖、电刷、电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇2. 1. 2直流电机的主要结构部件定子起机械支撑，产生磁场的作用轴承.直流电机结构气隙耦合磁场转子一一产生电磁转矩、产生感应电势部件名称作用材料结构主磁极励磁绕组通入直流，建立气隙 磁场11.5mm低碳钢片 叠制，降低涡流损 耗P43 Fig. 2.8换向极改善换向整块钢或11.5mm钢片叠制Fig 2.9机座机械支撑并构成磁回路铸钢(小电机)，厚 钢板焊接(大中型 电机)P43 Fig 2.10电枢铁心构成磁路、嵌放电枢绕组0.350 概

4、述.5mm 硅钢片叠制，降低涡 流损耗P44Fig.2.11电枢绕组感应电势，承载电流，产生转 矩圆截面铜线或扁导 线、空心导线Fig. 2.12换向器与电刷配合，用机械换接的方 法引入(出)直流电势铜换向片和片间绝 缘云母构成换向片Fig 2.13电刷装置与换向器配合，实现直流量和 交流量之间的转换石墨碳刷Fig. 2.14 2.152. 1. 3直流电机的额定值额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载额定功率：指输出功率 W, kWo 发电机Pn=UnIn电动机Pn= n UnIn额定电压Un (V),额定电流In (A),额定励磁电压UfN (V),

5、额定励磁电流IfN (A), 额定转速nN(r/min)2.2直流电机的电枢绕组2. 2. 1基本特点设计绕组（线圈、电枢）时，主要考虑产生较大的感应电势和通过一定大小的电 流。直流电机有五种：单叠、复叠、单波、复波、蛙绕组。2. 2. 2单叠绕组单叠绕组：绕制时，任何两个串联的元件都是后一个紧叠在前一个的上面。每绕一个元件便在电枢表面移过一个虚槽。例题2.3 （p49）已知电机极数2p=4,且Z=Zi=S=K=16。绕制一个单叠右行整距 绕组。1）节距计算单叠右行，合成节距第一节距第二节距2）绕组连接表：确定16个元件（32个元件边）的串联次序编号原则. 连接方法：槽号代表兀件号也代表上兀件

6、边号某号元件 m，上元件边号m，嵌放在m槽内，上元件边 接在m号换向片上；该兀件的下兀件边嵌放在编号 m+y1 槽的下面，下兀件边接在 m+yk号换向片上。而 m+y1槽 接另一个兀件的上层边，编号为 m+y+y2。以下类推。连接规律：头线表示一个兀件的上、下兀件边；虚线表示不同兀件的 两个元件边接在同一个换向片上。m+yi m+yi+y2* m+yk3）绕组展开图：首先进行槽编号按照连接规律把各元件边嵌入槽内f所有元件串联自行闭合判断电动势方向，可见1、5、9、13元件被短路了。4）电路图：5）电刷放置：a）电枢绕组形成一个闭合回路，绕组产生的电动势要靠电刷引出（入）b）电刷放在换向器上的位

7、置是根据电机空载时，在正、负电刷之间获得最 大电动势为原则。c）电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触，否则不能保证 b）的 要求，并且如果感应电动势不为零的话，还会产生短路电流。d）只要元件轴线与主磁极轴线重合，元件中的电动势就是零。e）电刷必须放在换向器的几何中性线上。元件端接对称时，主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合元件端接不对称时，主磁极轴线、元件轴线重合，但与换向器的几何中 性线不重合，电刷必须放在换向器的几何中性线上。注意：它与电枢上 得几何中性线无关。f）叠绕组的电刷数=极数g）根据电路图，将同极性端接在一起，得电枢电动势。6）绕组并联支路数：单叠绕组 a=p o

8、r 2a=2p 双叠绕组 a=m*p （m=2） or 2a=2mp单叠绕组特点：1）电枢绕组是一个自行闭合绕组2）单叠绕组并联支路数二极数=电刷数（双叠绕组极数=电刷数=并联支路数/2）3）电枢电势就是支路电势，电枢电流是 2p个支路电流的和。4）电刷放在换向器上的几何中性线上。5）电刷和磁极是静止的，必须把它们的相对位置合理对称的分布在圆周上。电 枢和换向器旋转。6）适合于大电流的电机2. 2. 3单波绕组单波绕组特点:1）电枢绕组是一个自行闭合绕组2）电刷放在主磁极轴线下的换向片上3）单波绕组的支路数与极数无关，总有两个支路，即a=1 or 2a=24）电刷数等于极数（是为了减低电刷下的

9、电流密度）5）电枢电势就是支路电势，电枢电流是 2个支路电流的和。6）因为每条支路元件数多，可以获得高电势，适合于小电流高电压的电机。7）单波绕组连接规律* m+ykZ m+yi * m+yi+y2绕组总结：1）要根据电机额定电压或电流要求选择绕组形式。（叠-大电流，波-高电压，蛙 绕组-大型电机）2）电枢闭合3）电枢电势就是支路电势4）电枢电流是各支路电流的总和。5）电刷放在换向器上的几何中性线上（电刷放在主磁极轴线下的换向片上-对端接对称的绕组）6）单叠绕组将每个极下的所有元件串联形成一个支路，2p=2a7）单波绕组将所有同极性磁极下的所有元件串联形成一个支路，2a=22. 2. 4电枢绕

10、组的均压线为了避免由于电、 磁不平衡、不对称导致支路间的环流，将理论上电位相等的点用均压线连接起来。2 . 3直流电机的磁场2. 3. 1直流电机按励磁方式分类给励磁绕组的供电方式，即励磁方式，有四种：他励、并励、串励、复励2. 3. 2直流电机的空载磁场空载磁场也叫主磁场，是当电枢电流为零，仅由励磁电流建立的磁场。（挂图）1）磁通与磁动势主磁通：经过气隙，且同时与励磁绕组和电枢绕组交链的磁通，亦称为工作磁通。漏磁通：不经过气隙，仅与绕组自身交链的磁通，其不参与机电能量转换。 则每极总磁通为： m= 0+ = 0（1+ 昇 0）=k M 0k为主磁极漏磁系数，其值范围：1.151.25假设每极

11、磁通为 o,则每对极所需要的磁势为Fo : H dl 2I f Nf 2F Fj 2Fm Fa 2Fz式中各量依次为：气隙磁势、定子轭、定子齿、转子轭、转子齿。（见图2. 28）2）主磁场分布I根据B（x）0H0（x）0旦 知 气隙磁密与气隙长度成反比。根据磁极形（X）状可以知道磁场分布。气隙磁密在一个极下分布规律为平顶波。3）磁化曲线：指电机的主磁通 0与励磁磁动势F0的关系曲线。它与铁磁材料 的磁化曲线形状相类似。主磁通 0与气隙磁动势 巳的关系曲线 称为气隙线性磁化曲线。电机磁路的饱和程度用饱和系数反映。它是空载额定转速下运行产生额定电 枢电压时所需要的磁动势与气隙磁动势之比。Ik 电（

12、数值范围1.11.35）F过饱和，浪费铜节省铁磁材料，电阻损耗增加；饱和系数小，浪费铁省铜材料，铁耗增加。合适的额定工作点应该设计在“膝点”附近 例题 2.5(p59) 2. 3. 3直流电机的电枢磁场当电枢电流la不是零时，绕组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场1. 电刷在几何中性线上（图2.33）电枢磁势Fa(x)22xAAxFa （x）A-称其为交轴电枢磁势，另记为Faq=A T /22 2电枢磁场产生的磁通密度沿着气隙的分布为:Ba(x)oHa(X)Fa(x)(X)Ax（B与x成反比）2.电刷偏离几何中性线，电枢电流除了产生交轴电枢磁动势外，同时还出现了 直轴电枢磁动势。2. 3.

13、4电枢反应电机负载后，电枢电流不是零，产生电枢磁场。此时气隙磁场由直流励磁磁 场和电枢磁场共同建立。并且把电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。 电枢磁场的交轴分量对励磁磁场的作用与影响称为交轴电枢反应。 电枢磁场的直轴分量对励磁磁场的作用与影响称为直轴电枢反应。1. 交轴电枢反应结合空载时的磁场分布（几何中性线）和负载时的磁场分布（物理中性 线），交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1）使物理中性线偏离几何中性线一个角度（见笔记上的图）2）不考虑饱和影响时，每个主极下的磁场一半被削弱，另一半被加强， 每极下总磁通不变。3）考虑饱和时，由于交轴电枢反应的作用，对被削弱的一半磁场影响 不大，而被加强的

14、另一半的磁场出现了饱和的情况，曲线的尖顶部 分被削弱了，使得每个磁极下的磁通减少了，并且磁场波形发生畸 变。即饱和时，磁场畸变，且有去磁作用。4）通过增加主极磁势补偿电枢反应的去磁影响。2. 直轴电枢反应（以电动机为例）1）电动机时，电刷逆着电枢转向移动，直轴电枢反应磁势与主极磁 势相反，是去磁的；顺转向移动助磁。2) 发电机时，电刷逆着电枢转向移动一个角度，助磁的电枢反应; 逆转则去磁。2. 3. 5感应电动势和电磁转矩1. 感应电动势设电枢绕组在电枢表面连续分布， 路有导体个数为Na/2a。图中某点 应电动势为：ek= B s(x)lv电枢电动势(电刷上引出(入)%E ekk 1总导体数为

15、Na,支路数为2a,则每个支 x处，气隙磁密为Bs (x),单根导体感为:Na2alv B (x)k 1lvB av 也2al 2anl(2p )土匹 n Ce n60丨 2a 60aCE=pNa/60a 电上式就是直流电机电枢绕组感应电动势的一般计算公式。 动势常数。2. 电磁转矩设电枢电流为la,则支路电流为ia=la/2a,第k根导体所产生的电磁转矩 为：Tk= B s(x)lia(Da/2)= B 8 (x)l (la/2a) (p T /n )= B (x)l p t Ia/2 n a 每极下导体产生的电磁转矩为：NaNa即lp I a 即lp la NaTpTkB (x)k 12

16、a k 12 a 2p2p个磁极的合成电磁转矩为：lp Ia NaTem 2pTp 2p号丄十2 a 2p lCT IaIVlp la Na2 a 2p lCT=pN a/2 n a转矩常数，或上式就是直流电机电磁转矩的一般计算公式。 电机常数。3. 电动势常数与转矩常数的关系Ce/Ct= n /30;and Q =2 n n/60= n n/30因此E=CtQ例题 2.6 (p68)2 . 5直流电动机的基本特性 2. 5. 1基本方程(并励电动机为例)1 电动势平衡方程式(电压定律)1)稳态时I a Raa I fU EI I2）暂态时difU Rflf Lf dt2.功率平衡方程式功率流

17、程图：xi bj LPlPemP2 （Pl）（P2）- PFepadpcufpmecpcua pcub电动机（发电机）图中各项损耗有：1）电枢铜耗2）电刷铜耗3）励磁绕组铜耗4）机械损耗pmec，包括轴承、电刷摩擦损耗，定转子空气摩擦损耗，通风损耗。5）铁心损耗，主极磁通在转动的电枢铁心中交变，引起磁滞和涡流损 耗。6）杂散损耗，附加损耗。估算为（0.51）%Pn其中，后三项损耗在电机空载时就已经存在，且数值基本不变，称为空载损耗或不变损耗。所以：RFempcuapcubp cufFemF2pmecpFepadP2p0PR p结合等效原理图分析知，电机输入功率为：P仁UI将稳态时的电压电流带入

18、上式得：2Pl = EIa+Ia Ra+UIf=P em +p cua+p cuf=Pem+p cu其中，定义电磁功率为电枢绕组感应电动势E与电枢电流Ia的乘积。电动机效率：输出与输入功率的比值，即-P2 1100%PP1P13. 转矩平衡方程式稳态Tem=T 2+T 04. 状态方程（略）暂态：Tem=T 2+T o+J (d Q /dt)2. 5. 2工作特性工作特性：电源电压一定，励磁电阻一定时，(一) 并励电动机 (Un |fN条件下)(并励电动机励磁绕组绝对不能断开) 1. 速率特性n=f(P2)U IaRanCe转速调整率n也匹ioo%nN2 . 转矩特性Tem=f(P2)Tem

19、T2 T0P2ToF2To603. 效率特性n =f(P2) (7595) %(二) 串励电动机(Un条件下)(不允许空载运行，至少带四分之一负载启动) 特点：lf=|a =klf=klaU IaRa nCeTemCT IaU IaRaCekIa速率特性n=f(P2)2CTkIaU IaRaCe转速调整率n1 %4 100%1 .转矩特性Tem=f(P2) 优点：起动转矩大；输出功率基本不变；电机不容易过载(三) 复励电动机(略)2. 5. 3机械特性机械特性：n=f (Tem ) 当U = Un, Rf, Ra时，n =f(Tem )称为自然机械特性当U为某值，Rf, Ra+Rj时，n =f

20、(Tem )称为人工机械特性U I a Ra R|URa Ri一般有：n a -ajU-a TemCeCe CeCt1. 并励电动机n U R Rj2 Tem n0 kjTem随着电枢串电阻，机械特性变软。Rj=0为硬CeCeCt 2特性。2. 串励电动机URa Rj 丁URa Rjn2 TemCE CeCtq I k， CEkCE 忖Tem若磁路不饱和，k为常数，转矩增加转速明显降低；若磁路饱和，k非常数，磁通变化幅度不大，转矩增加，电枢电流增加，转速降低。无论何种励磁方式，当增加电枢回路的电阻时，机械特性变坏，向下移动。2. 7直流电机的换向(简介)换向是所有安装换向器的电机存在的一个特殊

21、问题，对电机正常运行有很大影 响。主要介绍有关换向的基本概念及改善换向的措施；介绍无刷直流电动机换向：绕组元件电流方向的强迫改变。换向过程：当电刷从换向片1过渡到换向片2时，元件中的电流回从+到-或反之,换向时间：0.00050.002秒换向危害：换向不良会造成电刷下面出现火花，严重时会烧毁电刷和换向器。产生火花原因：(1)电磁性原因：附加换向电流，电刷下电密分布不均(2) 机械原因：电机振动，换向器偏心，结构不良导致电刷与 换向器接触不好。(3) 化学原因：换向器表面的氧化膜被腐蚀破坏引起火花。改善换向的目的：消除电刷下的火花改善换向的措施：安装换向极；移动电刷；选择合适的电刷。另外为防止换向器 产生环火，还要安装补偿绕组。换向极绕组和补偿绕组都是和 电枢绕组串联在一起的。无刷直流电动机：采用电子换向装置取代机械换向器和电刷，避免电刷与换向器 间的滑动接触。