第2章-直流电机-1课件

第第二二章章 直流电机直流电机第第二二章章 直流电机直流电机2.1 直流电机的工作原理及结构2.2 直流电机的名牌数据2.3 直流电机的绕组2.4 直流电机的励磁方式及磁场2.6 感应电动势和电磁转矩的计算2.7 直流电机的运行原理2.8 直流电机的换向第第2 2章章 直流电机直流电机page 32-1 2-1 2-1 2-1 直流电机的基本工作原理及结构直流电机的基本工作原理及结构直流电机的基本工作原理及结构直流电机的基本工作原理及结构一、直流电动机的基本工作原理一、直流电动机的基本工作原理一、直流电动机的基本工作原理一、直流电动机的基本工作原理（一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力载流导体在磁场中受到的力B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)i 导体中的电流导体中的电流(A)l 导体的有效长度导体的有效长度(m)第第2 2章章 直流电机直流电机page 4磁极磁极电刷电刷换向器换向器电枢电枢电枢铁心电枢铁心电枢线圈电枢线圈电磁力定律电磁力定律 （一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理第第2 2章章 直流电机直流电机page 5(二二二二)直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理运动导体在磁场中的感应电动势：运动导体在磁场中的感应电动势：B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)V 导体垂直切割磁力线的速度导体垂直切割磁力线的速度(m/s)l 导体的有效长度导体的有效长度(m)第第2 2章章 直流电机直流电机page 6(三三)电机的可逆运行原理电机的可逆运行原理 从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原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，也可以作为发电则上，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。这种原理在电机理论中称为可逆原理。机运行。这种原理在电机理论中称为可逆原理。第第2 2章章 直流电机直流电机page 7二、直流电机的结构二、直流电机的结构转子转子电枢电枢：转轴、：转轴、电枢铁心电枢铁心、绕组、绕组、换向器换向器、风扇、风扇定子：定子：机座机座、主磁极、主磁极、换向极换向极、端盖、端盖、轴承轴承、电刷、电刷第第2 2章章 直流电机直流电机page 8（一）直流电机的静止部分（一）直流电机的静止部分1 1、主磁极、主磁极2 2、换向极、换向极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1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组第第2 2章章 直流电机直流电机page 93、机座、机座用来固定主用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。又作为磁路的一部分。4、电刷装置、电刷装置1刷握刷握2电刷电刷3压紧弹簧压紧弹簧44铜丝辫铜丝辫第第2 2章章 直流电机直流电机page 10（二）直流电机的转动部分（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心、电枢铁心a)电枢铁心冲片电枢铁心冲片b)电枢铁心电枢铁心2、电枢绕组、电枢绕组由许由许多按一定规律连接的线圈多按一定规律连接的线圈组成。组成。第第2 2章章 直流电机直流电机page 112、电枢绕组、电枢绕组1槽楔槽楔2线圈绝缘线圈绝缘3导体导体44层间绝缘层间绝缘55槽绝缘槽绝缘66槽底绝缘槽底绝缘电枢槽内的绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器、换向器由许多换由许多换向片组成，换向片之间用云向片组成，换向片之间用云母绝缘。母绝缘。1换向片换向片2连接片连接片第第2 2章章 直流电机直流电机page 12第二节第二节 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：1 1、额定功率、额定功率PN(kW)2 2、额定电压、额定电压UN(V)3 3、额定电流、额定电流IN(A)4 4、额定转速、额定转速nN(r/min)5 5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN(V)6 6、励磁方式和励磁电流、励磁方式和励磁电流I IfNfN(A(A)根据国家标准、电机的设计指标、试验数据，电机制造厂给每台电机规定的主要性能指标。第第2 2章章 直流电机直流电机page 13额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出在额定工况下，电机出线端的平均电压线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速第第2 2章章 直流电机直流电机page 14对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流 指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式励磁方式 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、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。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时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流电机的运行电流小于额定电流欠载运行；欠载运行；运行电流大于额定电流运行电流大于额定电流过载运行。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。运行效率、工作性能等比较好。第第2 2章章 直流电机直流电机page 15电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。的机电能量转换过程中起着重要的作用。因此，电枢绕组须满足以下要求：（1）在能通过规定的电流和产生足够的电）在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，材料，（2）并且要结构简单、运行可靠等。）并且要结构简单、运行可靠等。第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组第第2 2章章 直流电机直流电机page 16第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组第第2 2章章 直流电机直流电机page 17位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。一、简单的绕组一、简单的绕组第第2 2章章 直流电机直流电机page 18二、二、绕组的基本形式绕组的基本形式直流电机电枢绕组的基本形式：直流电机电枢绕组的基本形式：（1）单叠绕组）单叠绕组（2）单波绕组）单波绕组波绕组元件波绕组元件叠绕组元件叠绕组元件第第2 2章章 直流电机直流电机page 19波绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图叠绕组示意图第第2 2章章 直流电机直流电机page 201.电枢枢绕组元件元件线圈圈(1).2个元件个元件边：嵌在槽中的部分：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分前端接部分、后端接部分(3).上上层元件元件边、下、下层元件元件边(4).首首(出出线)端、末端、末(出出线)端端 上上层元件元件边、下、下层元件元件边处在不同极性的磁极下，即同一在不同极性的磁极下，即同一元件的上元件的上层元件元件边、下、下层元件元件边的距离的距离约为一个一个磁极的距离。磁极的距离。(一一一一)、元件与节距、元件与节距、元件与节距、元件与节距第第2 2章章 直流电机直流电机page 21*.本本课程只程只讨论：一个槽内共放置：一个槽内共放置2个元件个元件边*.元件数元件数S=换向片数向片数K，即，即S=K*.换向片数向片数K=槽数槽数Z*.S=K=Z 1片片换向片向片总接接1个元件的个元件的上上层元件元件边和另和另1个元件的下个元件的下层元件元件边。1个元件有个元件有2个元件个元件边。1个槽放个槽放2个元件个元件边。第第2 2章章 直流电机直流电机page 222.2.节距：用来表征元件本身和元件之距：用来表征元件本身和元件之间连接接规律的数据律的数据节距距第一第一节距距y1第二第二节距距y2合成合成节距距y换向向节距距yk(1)第一第一节距距y1必必须是整数是整数（节距）距）用用槽数来表示槽数来表示同一元件的同一元件的2个元件个元件边在在圆周上的距离。周上的距离。极距极距：2个相个相邻磁极在磁极在圆周上的距离。用槽数来表示周上的距离。用槽数来表示 p为极极对数数第第2 2章章 直流电机直流电机page 23第一第一节距距y1=整数整数 y1=整数，整数，为1的正分数的正分数整距整距绕组：y1=短距短距绕组：y1长距距绕组：y1(2)第二第二节距距y2必必须是整数是整数 用槽数来表示用槽数来表示第一个元件的下第一个元件的下层元件元件边与与直接相直接相连的的第二个元件的上第二个元件的上层元件元件边之之间在在圆周上的距离。周上的距离。第第2 2章章 直流电机直流电机page 24(3)合成合成节距距y必必须是整数是整数 用用槽数槽数来表示直接相来表示直接相连的的2个元件的个元件的对应元件元件边之之间在在圆周上周上的距离。的距离。(4)换向向节距距yk必必须是整数是整数 每个元件的首、末每个元件的首、末2端所接的端所接的换向片在向片在圆周上的距离。用周上的距离。用换向向片数来表示。片数来表示。y=y1-y2y=y1+y2y=yk第第2 2章章 直流电机直流电机page 25二、单叠绕组二、单叠绕组二、单叠绕组二、单叠绕组 叠绕组叠绕组：后：后1 1元件的端接部分紧叠在前元件的端接部分紧叠在前1 1元件的端接元件的端接部分上部分上;y yk k=1=1的叠绕组称为单叠绕组。的叠绕组称为单叠绕组。例：例：Z=S=K=16Z=S=K=16，2p=42p=4，接成，接成单叠绕组单叠绕组1.1.计算节距计算节距y yk k=y=1=y=1y y1 1=4=4y y2 2=3=3第第2 2章章 直流电机直流电机page 262.2.画绕组展开图画绕组展开图(1).(1).画画Z Z个槽个槽y yk k=y=1=y=1y y1 1=4=4y y2 2=3=3(2).(2).画一个元件：对称画一个元件：对称(3).(3).画换向片画换向片(4).(4).画其他元件画其他元件(5).(5).换向片编号换向片编号(6).(6).画磁极，一般认为在绕组的上方画磁极，一般认为在绕组的上方,宽度宽度0.750.75(7).(7).画电刷：均布，与磁极同中心画电刷：均布，与磁极同中心第第2 2章章 直流电机直流电机page 271 1、单叠、单叠绕组的展开图绕组的展开图第第2 2章章 直流电机直流电机page 282.2.单叠绕组连接顺序表单叠绕组连接顺序表y yk k=y=1=y=1y y1 1=4=4y y2 2=3=3下层下层上层上层第第2 2章章 直流电机直流电机page 293.3.单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图N NN NN N第第2 2章章 直流电机直流电机page 304.4.单叠绕组的特点单叠绕组的特点(1).(1).同一磁极下各元件串联成同一磁极下各元件串联成1 1支路；共支路；共2p2p条支路，条支路，并联并联 2 2a=2pa=2p a a 并联支路对数并联支路对数 p p 极对数极对数(3).(3).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。(2).(2).电刷的对数必须电刷的对数必须=极对数；电刷刷杆数极对数；电刷刷杆数=极数极数 2b=2p2b=2p b b 电刷对数电刷对数第第2 2章章 直流电机直流电机page 31三、单波绕组三、单波绕组三、单波绕组三、单波绕组 单波绕组：合成节距单波绕组：合成节距(换向节距换向节距)2)2个极距、前后个极距、前后2 2元件串联起来像波浪形。元件串联起来像波浪形。单波绕组的条件：单波绕组的条件：pypyk k=K=K1 1第第2 2章章 直流电机直流电机page 32例：例：Z=S=K=15Z=S=K=15，2p=42p=4，接成，接成单波绕组单波绕组1.1.计算节距计算节距第第2 2章章 直流电机直流电机page 332.2.画绕组展开图画绕组展开图(1).(1).画画Z Z个槽个槽(2).(2).画一个元件画一个元件(3).(3).画换向片画换向片(4).(4).画其他元件画其他元件(5).(5).换向片编号换向片编号(6).(6).画磁极画磁极(7).(7).画电刷画电刷第第2 2章章 直流电机直流电机page 343 3、单波、单波绕组的展开图绕组的展开图第第2 2章章 直流电机直流电机page 353.3.单波单波绕组连接顺序表绕组连接顺序表第第2 2章章 直流电机直流电机page 364.4.单波绕单波绕组的并联支路图组的并联支路图第第2 2章章 直流电机直流电机page 375.5.单波绕单波绕组的特点组的特点(1).(1).上层边在上层边在同一极性同一极性磁极下所有元件串联成磁极下所有元件串联成1 1支路；支路；共共2 2条支路，并联条支路，并联 a=1a=1(2).(2).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。(3).(3).电刷的对数电刷的对数=1=1；电刷刷杆数；电刷刷杆数=2=2；可采用全额电刷，即用可采用全额电刷，即用P P对电刷对电刷第第2 2章章 直流电机直流电机page 38电枢电流电枢电流 Ia=2aia其中其中ia为每条支路的电流，共为每条支路的电流，共2a条支路条支路单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组和单波绕组的区别：并联支路对数的多少并联支路对数的多少*单叠绕组：低电压、大电流单叠绕组：低电压、大电流*单波绕组：高电压、小电流单波绕组：高电压、小电流 直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种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、基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等复波绕组、混合绕组等。第第2 2章章 直流电机直流电机page 391-4 1-4 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式1.他励直流电机他励直流电机2.并励直流电机并励直流电机3.串励直流电机串励直流电机4.复励直流电机复励直流电机第第2 2章章 直流电机直流电机page 401.他励直流电机励磁绕组由其他电源提供与电枢绕组没有电的联系永磁直流电机属他励电机永磁直流由永磁体产生磁场If只有额定电流的5%以内第第2 2章章 直流电机直流电机page 412.并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联励磁电压=电枢端电压If只有额定电流的5%以内第第2 2章章 直流电机直流电机page 423.串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联励磁电流=电枢电流第第2 2章章 直流电机直流电机page 434.复励直流电机p有2个励磁绕组p1个与电枢绕组并联 并励绕组p1个与电枢绕组串联 串励绕组p积复励p差复励第第2 2章章 直流电机直流电机page 44二二.直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场空载磁场空载磁场主磁场主磁场主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场（只有励磁绕组通过电流产生的气隙磁场）（只有励磁绕组通过电流产生的气隙磁场）空载运行空载运行直流电机不带负载直流电机不带负载(不输出功率不输出功率)时的运行状时的运行状态态空载电流空载电流相对额定电流而言，很小、常认为相对额定电流而言，很小、常认为=0第第2 2章章 直流电机直流电机page 451.直流电机空载时磁通的分布和主磁路直流电机空载时磁通的分布和主磁路磁通：由励磁绕组通电产生磁通：由励磁绕组通电产生*主磁通主磁通0 与电枢绕组铰链的磁通与电枢绕组铰链的磁通;*主磁路主磁路主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭、定子轭主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭、定子轭*漏磁通漏磁通 只与励磁绕组匝链的磁通；只与励磁绕组匝链的磁通；/2/2第第2 2章章 直流电机直流电机page 462.空载磁场气隙磁密分布曲线气隙极距=D/(2p)磁极极靴的宽度75%气隙磁密平均气隙磁密第第2 2章章 直流电机直流电机page 47 空载时的气隙磁通密度为一平空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图顶波，如下图(b)所示。所示。空载时主磁极磁通的分布情况，空载时主磁极磁通的分布情况，如右图如右图(c)所示。所示。（b）气隙磁密分布气隙磁密分布第第2 2章章 直流电机直流电机page 483.直流电机的空载磁化特性直流电机的空载磁化特性l0=f（If0）l0=f（Ff0）l饱和：饱和：*磁阻非线性磁阻非线性*磁阻变大磁阻变大*电机工作点选在磁路开电机工作点选在磁路开始饱和的始饱和的A点点F=NF=Nf fI If0f0=HL=HL=BA=BAB-HB-HIle0e0e第第2 2章章 直流电机直流电机page 49二.电流电机的电枢反应及负载磁场1.直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 负载时，电枢绕组通有负载电流，由此负载时，电枢绕组通有负载电流，由此产生电枢磁动势产生电枢磁动势Fa，Fa与励磁磁动势与励磁磁动势Ff共共同合成负载时的气隙磁密，它与空载气隙同合成负载时的气隙磁密，它与空载气隙磁密分布不同。磁密分布不同。电枢磁动势对气隙磁密分电枢磁动势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。布的影响称为电枢反应。第第2 2章章 直流电机直流电机page 502 2、直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称中有电流，电枢电流产生的磁动势称为为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。电机的磁场发生变化。右右图为一台电刷放在图为一台电刷放在几何中性线几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。为交轴磁动势。FaFa第第2 2章章 直流电机直流电机page 51先分析只有先分析只有1个整距元件个整距元件Ny匝，电流匝，电流ia，磁动势为，磁动势为ia Ny设从电枢出、进定子的磁动势为设从电枢出、进定子的磁动势为+可得可得1个绕组元件的磁动势如图个绕组元件的磁动势如图iaNy第第2 2章章 直流电机直流电机page 523个元件个元件3阶梯波形阶梯波形很多个元件三角波形iaNy第第2 2章章 直流电机直流电机page 53F F第第2 2章章 直流电机直流电机page 54主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线第第2 2章章 直流电机直流电机page 553 直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的位置有关。位置有关。1、当、当电刷在电刷在几何中性线上时，将几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a）所示。所示。第第2 2章章 直流电机直流电机page 564 直流电机的电枢反应的特点由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。角，磁通密度的曲线与空载时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。3 3）电枢反应）电枢反应的影响，使电枢表面磁密的影响，使电枢表面磁密=0=0的物理中性线的物理中性线偏离了偏离了几几何中性线何中性线第第2 2章章 直流电机直流电机page 574）对电动机，物理中性线逆着旋转方向偏离了几何中性线对发电机，物理中性线顺着旋转方向偏离了几何中性线