直流电机原理(直观易懂)课件

第第3章章 直流直流电机原理机原理直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号直流电机的磁路直流电机的磁路直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩直流电动机运行原理直流电动机运行原理他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性直流电机的换向直流电机的换向本章基本要求本章基本要求了解直流了解直流电电机的基本机的基本结结构、工作原理构、工作原理熟悉直流熟悉直流电电机的励磁方式机的励磁方式理解直流理解直流电电机机电电枢枢绕组绕组的构成及特点的构成及特点掌握掌握电电枢枢电动势电动势和和电电磁磁转转矩的矩的计计算算理解和掌握直流理解和掌握直流电电机的工作特性和机机的工作特性和机械特性械特性了解直流了解直流电电机的机的换换向向3.1直流直流电机的用途及基本工作原理机的用途及基本工作原理电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服3.1.1直流电机的用途直流电机的用途直流直流直流直流电电机的特点：机的特点：机的特点：机的特点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。易于控制，可靠性较高易于控制，可靠性较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高3.1.23.1.2基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理1、直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理电刷电刷换向片换向片直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；流方向一致；3）从空间看，）从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；是恒定不变的磁场；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相反，与转子转向相反，是制动是制动性质。性质。2 2、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流电枢线圈内电流是交流；是交流；2）线圈中感应电势与电流方向相反；）线圈中感应电势与电流方向相反；3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动与转子转向相同，是驱动性质。性质。结 论从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的条作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机；换成机械能而成为电动机；如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为在电机理论中称为可逆原理可逆原理。3.2直流直流电机的主要机的主要结构与型号构与型号主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴转轴轴承轴承直流电机直流电机3.2.1主要结构主要结构1 1、定子部分、定子部分、定子部分、定子部分（1）主磁极主磁极1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座主磁极铁心用主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压而成。厚的钢板冲片叠压而成。（2 2）换向极）换向极）换向极）换向极1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组换向极铁心一般用整块钢换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。或钢板板叠片加工而成。换向极绕组与电枢绕组串换向极绕组与电枢绕组串联。联。作用作用：改善换向。：改善换向。（3 3）机座）机座）机座）机座作用：作用：v一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用；承的作用；v二是作为电机磁路的一部分。二是作为电机磁路的一部分。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。（4）电刷装置）电刷装置电刷的电刷的作用作用是把转动的电枢是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。流或逆变器的作用。1刷握刷握2电电刷刷3压紧弹簧压紧弹簧4铜丝辫铜丝辫2 2、转子部分、转子部分、转子部分、转子部分（1）电枢铁心电枢铁心作用：作用：v一是作为电机主磁路的主要部分；一是作为电机主磁路的主要部分；v二是嵌放电枢绕组。二是嵌放电枢绕组。为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。绝缘漆的硅钢片叠压而成。（2 2）电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。以实现机电能量转换的关键部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形截线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，嵌放在电抠槽内面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈与铁心，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。甩出槽外。（3 3）换向器换向器换向器换向器作用：作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向换向器由许多换向片组成。换向片之片组成。换向片之间用云母绝缘。电间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在圈两端分别焊接在两个换向片上。两个换向片上。直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成直流电机直流电机定子定子转子转子机座机座换向极换向极主磁极主磁极电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴电枢绕组电枢绕组3.2.23.2.2电机的铭牌数据电机的铭牌数据电机的铭牌数据电机的铭牌数据直流直流电机的机的额定数据定数据额定容量额定容量PN：输出功率，单位输出功率，单位kW额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位：额定状态下出线端电压，单位V额定电流额定电流IN：额定状态下出线端电流，单位：额定状态下出线端电流，单位A额定转速额定转速nN：额定状态下的电机转速，单位额定状态下的电机转速，单位r/min直流发电机：直流发电机：PNUN IN直流电动机：直流电动机：PNUNIN 额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。电动机轴上输出电动机轴上输出的额定转矩：的额定转矩：3.33.3直流直流直流直流电电机的磁路、空机的磁路、空机的磁路、空机的磁路、空载时载时的气隙磁密与空的气隙磁密与空的气隙磁密与空的气隙磁密与空载载磁化特性磁化特性磁化特性磁化特性3.3.1直流电机的磁路直流电机的磁路直流电机空载时的磁场分布直流电机空载时的磁场分布磁路从磁路从气隙气隙1出发经出发经电枢电枢齿电枢轭电枢齿齿电枢轭电枢齿2气气隙隙2主磁极主磁极2定子轭主定子轭主磁极磁极1，最后又回到最后又回到气隙气隙13.3.23.3.2空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形主磁场磁密的分布主磁场磁密的分布在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，B大小完全与气隙长度成反比。大小完全与气隙长度成反比。引进极弧系数引进极弧系数bp和气隙卡氏系数和气隙卡氏系数在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于密等于0。3.3.33.3.3空载磁化特性空载磁化特性空载磁化特性空载磁化特性为了感应电动势或产生电磁为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通定量的每极磁通，空载时，气，空载时，气隙磁通隙磁通与空载磁通势与空载磁通势或空或空载励磁电流载励磁电流的关系，称为直流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。电机的空载磁化特性。为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定一般直流电机额定运行时，额定磁通磁通设定在图中设定在图中A点，即在磁点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位化特性曲线开始进入饱和区的位置。置。3.3.43.3.4直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式他励他励串励串励并励并励复励复励永磁材料励磁永磁材料励磁IIaIIaIfI=Ia+IfI=IaIfc=Ia,I=Ia+Ifb;I=Ifc=Ia+Ifb3.4直流直流电机的机的电枢枢绕组对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前前提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电强度高（机械、电气、热），气、热），运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。电枢绕组：电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机的电磁感应的关键部件之一,是是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用面之间的距离，用表示。表示。首端首端末端末端电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：第二节距第二节距y2：连至同一换向片上连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间层边与第二个元件的上层边间的距离。的距离。第一节距第一节距y1：一个元件的两条有一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离。效边在电枢表面跨过的距离。合成节距合成节距y：连接同一换向片上连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。的两个元件对应边之间的距离。换向节距换向节距yc：同一元件首末端连同一元件首末端连接的换向片之间的距离。接的换向片之间的距离。绕组实物物图电枢枢绕组的形式的形式环形绕组环形绕组鼓形绕组鼓形绕组叠绕组叠绕组波绕组波绕组3.4.13.4.1单叠绕组单叠绕组单叠绕组单叠绕组单叠绕组的单叠绕组的连接规律连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即是：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尾端相连），同时每个元后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。闭合回路。特点：特点：槽数槽数Ze、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同三者相同单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。向片。y=yk=1单叠绕组分析实例：单叠绕组分析实例：单叠绕组分析实例：单叠绕组分析实例：1.数据计算数据计算yyk1计算数据计算数据y和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极实例：实例：p2，ZeSK1612.2.单单叠叠叠叠绕组绕组展开展开展开展开图图1.槽展开槽展开2.绕组放置绕组放置3.安放磁极电刷安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组绕组放置放置安放磁极、安放磁极、电电刷刷NSNS+3.3.绕组放置绕组放置绕组放置绕组放置元件元件1：上元件边在上元件边在1槽，槽，下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即5槽下层。槽下层。元件元件2：上元件边在上元件边在2槽，槽，下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即6槽下层。槽下层。以此类推以此类推某一瞬间某一瞬间某一瞬间某一瞬间电刷、磁极放置电刷、磁极放置电刷、磁极放置电刷、磁极放置磁极磁极：磁极宽度约：磁极宽度约0.7,均匀分布，均匀分布，N、S极交替安排。极交替安排。电刷：电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。路的元件电势为零的位置。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。在磁极的几何中心线上电势为零。电刷放置：电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。对准的换向片上。元件连接顺序表元件连接顺序表元件连接顺序表元件连接顺序表绕电枢一周，绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。所有元件互相串联构成一闭合回路。绕组电路图：绕组电路图：绕组电路图：绕组电路图：结合电刷的放置，结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。路数正好等于电机的极数。这是单叠绕组的重要特点之一。这是单叠绕组的重要特点之一。单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，并联支路数等于磁极数，2a=2p;整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无换流；绕组内部无换流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数于磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即为各支路电流之和，即3.4.23.4.2单波绕组单波绕组单波绕组单波绕组为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加，元件元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距边应处于相同磁极极性下，即合成节距单波绕组：换向极距单波绕组：换向极距yc必须符合必须符合即即为了使绕组从某一换向片出发，为了使绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，回到原来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去。则可由此再绕下去。单波绕组的单波绕组的连接规律连接规律是：把相隔大约两个极距，即在磁是：把相隔大约两个极距，即在磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。场中位置差不多相对应的元件连接起来。单波绕组分析实例单波绕组分析实例:实例：实例：p2，Ze=SK15左单波绕组左单波绕组计算数据计算数据y和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极1.绕组数据计算绕组数据计算元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置元件、换向片的放置：1 1元件上层边元件上层边1 1槽，下层边槽，下层边4 4槽槽;首末端所连的换向首末端所连的换向片相距片相距y yk k7 7；为了端部对称，为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线首末端所连的两换向片之间的中心线与与1 1元件的轴线重合。元件的轴线重合。1 1元件上层边所连的换向片定元件上层边所连的换向片定为为1 1。依次联接依次联接。磁极放置：磁极放置：N、S极磁极均匀交替的排列。极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。放在与主极轴线对准的换向片上。单单波波波波绕组绕组展开展开展开展开图图3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512SNNS槽展开槽展开绕组绕组放置放置安放磁极、安放磁极、电电刷刷单单波波波波绕组绕组元件元件元件元件连连接接接接顺顺序表序表序表序表从绕组展开图可以看出，从绕组展开图可以看出，全部全部15个元件串联而构成一个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：用联接顺序图表示为：1815 714 6 13 5 124 11 310 2914 11 3102918 15 7 14 6 13 5 12上层边上层边下层边下层边单波绕组电路图单波绕组电路图单波绕组电路图单波绕组电路图单波绕组把单波绕组把相同极性下相同极性下的全部元件串联起来组成一条支的全部元件串联起来组成一条支路。路。由于磁极只有由于磁极只有N、S之分，之分，所以单波绕组的支路对所以单波绕组的支路对数数a与极对数多少无关，永远为与极对数多少无关，永远为1，即，即a1。单波绕组的特点：单波绕组的特点：单波绕组的特点：单波绕组的特点：同极性下各元件串联起来组成一条支路，同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对支路对数数a1，与磁极对数，与磁极对数p无关。无关。当元件的几何尺寸对称时，当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。支路电动势最大。电刷组数应等于极数（采用全额电刷）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）;电枢电流电枢电流Ia2ia。直流直流电机机绕组的的归纳所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路.电枢绕组的支路数电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁永远是成对出现，这是由于磁极数极数(2p)是一个偶数是一个偶数.注：注：a支路对数支路对数 p极对数极对数为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。的导体相接触。单叠叠绕组和和单波波绕组的区的区别单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a2p。叠绕组并联的支路数多，叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。极数的增减与支路数无关。2a2。波绕组并联的支路数少，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数每条支路中串联元件数多，多，适用于较高电压、较小电流的电机。适用于较高电压、较小电流的电机。