电机学课件 (1)

2.1 概述 一、直流电机的工作原理1、直流发电机的工作原理直流电机的物理模型右图为直流发电机的物 理模型，N、S为定子磁极 ，abcd是固定在可旋转导磁 圆柱体上的线圈，线圈连同 导磁圆柱体称为电机的转子 或电枢。线圈的首末端a、d 连接到两个相互绝缘并可随 线圈一同旋转的换向片上。 转子线圈与外电路的连接是 通过放置在换向片上固定不 动的电刷进行的。导体ab在N极下时，根 据右手定则，a点为高电位 ，b点低电位；导体cd在S极 下，c点高电位，d点低电位 ；电刷A极性为正，电刷B 极性为负。 导体ab在S极下， 根据右手定则，此时a 点为低电位，b点高电 位；导体cd在N极下， c点低电位，d点高电 位；电刷A极性仍为正 ，电刷B极性仍为负。当原动机驱动电机转 子逆时针旋转 180后， 如右图。直流发电机工作原理图 可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接 触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的 极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 如气隙磁场沿气隙的分布为平顶 波，如图所示，根据电动势的计 算公式 可知感应电动势与气隙磁密成正 比。导体和电刷AB间的电动势e和 e AB 如右图所示。线圈abcd中的电动势是交流 的，通过电刷和换向器机械整流 作用，将线圈中的交变电动势整 流为电刷A和电刷B之间的直流电 动势。增加导体数目可以减小感应电动势脉动。当每极下导体数 大于8时，脉动可小于1%。二、直流电动机工作原理直流电动机的基本结构与发电机完全相同。电动机是 将直流电能转化为机械功率，因此，电刷接至直流电源，如图 所示。当导体ab在N 极下时，根据左手 定则，N极性下导体 ab受力方向从右向 左，S 极下导体cd 受力方向从左向右 。该电磁力形成逆 时针方向的电磁转 矩。当电磁转矩大 于阻转矩时，电机 转子逆时针方向旋 转。原N极性下导体ab 转到S极下，受力 方向从左向右， 原S 极下导体cd 转到N极下，受力 方向从右向左。 该电磁力形成逆 时针方向的电磁 转矩。线圈在该 电磁力形成的电 磁转矩作用下继 续逆时针方向旋 转。 当转子旋转180后，如下图所示直流电动机工作原理示意图 直流电动机电枢绕组通过电刷与直流电源相联接，通过 电刷和换向器的逆变作用，将外电源的直流变为线圈中的交 流，使N极下的导体中的电流方向不变，S极下的导体电流方 向不变，而N、S极下导体中的电流方向始终相反，以保证电 磁转矩的方向不变。同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一 线圈，磁极也并非一对。二、直流电机的主要结构部件1、主磁极 主磁极铁心：1mm1.5mm厚的 低碳钢板 励磁绕组：铜导线 产生气隙磁场 主磁极 励磁绕组 主磁极钢板冲片 （1-1.5mm 厚） 主磁极由钢板 冲片叠压而成 励磁绕组套在 主磁极极身上换向极铁心：1mm 1.5mm厚的低碳钢板 作用：改善换向 换向极绕组：与电枢绕组串联 2、换向极p=2 即4极电机 N S N S 3、机座 作用：固定主磁极和换向极；主磁路的一部分。 铸钢或薄钢板电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm 厚) （硅钢片） 涂绝缘漆冲 片叠压而成 4、电枢铁心 作用：构成主磁路以及嵌放电 枢绕组5、电枢绕组 产生感应电动势和电磁转矩 6、換向器将电枢绕组内的交流电动势用机械换向的方法转换为电 刷间的直流电动势。7、电刷装置 把转动的电枢与外电路 相连接； 与换向器配合作用获得 直流电压。 铜 丝 辨 压 紧 弹 簧 电 刷 刷 盒 普遍刷握和刷杆如右图 所示。三、直流电机的额定值 1、额定功率 P N 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率 ，以 “W”为单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 2、额定电压 U N 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3、额定电流 I N 指电机在额定电压、额定功率时的负载电流值，以 “A” 为单位。 4、额定转速 n N 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位 5、额定励磁电流 I fN指电机在额定状态时的励磁电流值，以“A”为单位。 对于直流发电机，P N 是指输出的电功率。 对于直流电动机，P N 是指输出的机械功率。2.2 直流电机的电枢绕组 一、基本特点 1、基本要求（1）能产生尽可能大的电动势，并具有良好的波形；（2）能通过尽可能大的电流，并承受由此产生的电磁力和 电磁转矩；（3）结构简单，连接可靠；（4）便于维护和检修；（5）换向良好。 2、电枢绕组的类型（1）单叠绕组 （2）单波绕组 （3）蛙形绕组 元件边 元件边 后端接 后端接 前端接 前端接 换向片 换向片3、有关直流电枢绕组的术语（1）元件两端分别与两片换向片联接的单匝或多匝线圈。 (2)实槽数Z、虚槽数Z i 、元件数S和换向片数K 为了改善电机的性能，一个槽中一般放置不止一条上 层边和一条下层边，如图所示。 一条上层边和一条下层边即为一个虚槽，因此 一个元件有两条边，而一个虚槽中放 置两条边，因此 每个换向换向片联接两条不同的元 件边，因此（3）极距 每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主磁距离， 用所跨弧长或该弧长所对应的虚槽表示。 （4）第一节距y 1 每个元件的两条元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示。 小于1的分数。 整距绕组； 短距绕组； 长距绕组；（5）第二节距y 2 同一片换向片上相联的两个元件中的第一个元件的下元件 边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距。 对于单叠绕组 ，对于单波绕组 。 （6）合成节距y和换向器节距y K 合成节距：相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面的 跨距。 换向器节距：与每元件的两个端相联的两个换向片在换向器 表面的跨距，用 换向片数表示。 右行绕组 左行绕组二、单叠绕组 任何两个串联元件都是后一个元件叠在前一个的上面。 单叠绕组一般为右行绕组，y=y k =1。 例：已知电机的极数2p4，且Z=Z i SK16。试绕制 一单叠右行整距绕组。 解：（1）计算节距（3）绕组展开图 由于是右行绕组（2）绕组联接表1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213141516 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516 16 N N S S A1 A2 B1 B2 电刷放置的原则：（1）空载时被电刷短 路的元件的感应电动势尽 可能为零。（2）并联支路的电动 势尽可能大。相邻两主极的中心线称为电枢上的几何的中性线。电刷应放置在换向器上的几何中性线上。换向器上的几何中性线：轴线与主极轴线重合的元件的两 端所联接的两片换向片的中线。 对于端接对 称的元件来 说，元件轴 线、主极轴 线和换向器 上的几何中 性线重合。不论是整距绕组还是短距或长距绕组，当元件的轴线与主 极的轴线重合时，该元件的感应电动势为0。 N N单叠绕组是将每一个磁极下的元件依次串联，构成一条并 联支路，因此，单叠绕组的并联支路对数a等于极对数p， 即：a= p 绕组的并联支路电路图三、单波绕组 单波绕组是从一个元件出发，串联p个元件后，回到出发换 向片的相邻的左边换向片上（左行绕组）或右边换向片上（ 右行绕组）。单波绕组一般采用左行绕组。因此 单波绕组的合成绕组节距为 ： 取“”时为左行绕组，取“ ”时为右行绕组。例：已知电机的极数2 p4，且Z= Z i SK15。试绕 制一单波左行绕组。 解：（1）计算节距 左行单波 第一节距 第二节距 （2）绕组联接表（3）绕组展开图40 绕组的并联支路电路图单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来 构成一条支路,因此单波绕组的并联支路对数恒等于1。