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第1章 直流电机原理,11 直流电机的工作原理,如右图所示：电流 I 通过在恒定磁场中的线圈 ab cd，受到电磁力的大小为：f B L i(根据电磁力定律:在导体与磁力线相互垂直的情况下)电磁力的方向：用左手定则判断：伸开左手，掌心迎向磁力线的方向，四指指向电流的方向，那样与四指垂直的拇指的指向就是电磁力的方向。在上图在流线圈ab与cd所受电磁力为逆时针方向，在此力作用下，转子线圈将逆时针旋转。,直流电动机的工作原理,旋转180度后，线圈中的电流的方向为dc ba，仍受逆时针方向电磁力的作用而转动。由此可见：换向器和电刷能保持转子(载流导体)朝一个方向恒定旋转；电刷端输入恒定直流电压，而经换向器流向载流导体的电位却是交变的。归纳：要使直流电机旋转起来的条件是：建立恒定的磁场；能够旋转的载流导体。,直流发电机的工作原理,若在上图中，接在电刷上的电源换接电阻负载灯泡，而转子由原动机的机械力带动旋转，转动的导体切割磁力线会感应电势，输出电流。这样：电刷端输出直流电势（有换 向器和电刷时）；导体内的电位和电流仍是交变的。,电机的可逆原理,问题：上面讲的电动机和发电机用同一电机模型！电机的可逆原理：同一台电机在不同外界条件下，即可作发电机、亦可作电动机运行。由上看出：对一台电机究竟作发电机，还是电动机运行，关键在于外因的条件，即输入功率的形式。输入电能，输出机械能电动机 输入机械能，输出电能发电机,直流电机的特点,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。2)用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等,12 直流电机的结构,直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机的结构,主磁极,换向磁极,直流电机的结构,电枢铁心硅钢片(0.5mm),转子下线,直流电机的结构,2.转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,1.磁极,励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通,称为励磁。,用来在电机中产生磁场。,直流电机的额定值,额定功率PN(KW)额定电压UN(V)正常工作时电流出线端的电压。额定电流 IN(A)对应 PN UN时的电流。额定转速 nN(r/min)指在 UN IN PN时对应的转速。还标出励磁方式、额定励磁电流、绝缘等级、额定温升。,发电机：出线端输出电功率 PN UN IN 电动机：轴上输出机械功率 PN UN INN,直流电机的分类（按励磁方式分类）,他励(激)：励磁电流由另外电源供给。自励：自身发出的电流励磁(分:并励,串励,复励),13 直流电机的磁路和磁密,一、主磁通,漏磁通一般直流电机为多极电机由二极电机 四极电机注意磁极的排列！主磁通o 漏磁通 定义 同时交链定转子绕组的磁通 只交链励磁绕组的磁通 作 与电枢电流耦合产生电动势 不参与能量转换 用 或电磁力数量 较大 较小(20 o）,二、主磁路分析,主磁路的闭合路线如下：从N极铁心出发 经气隙 电枢齿 电枢轭 相邻S极电枢齿经气隙进入S极铁心 经定子轭回到 N 极。对于主磁路中任意一条闭合磁力线的路径运用全电流定律：HdLi在电机中，可将场的问题简化为路的问题来处理。因此全电流定律可简化为磁路第二定律，即主磁路中各段磁压降之和等于该磁力线所包围电流的代数和。HL N i若用H,Ht,Hs,Hz和He表示气隙,电枢齿,电枢轭,主极铁心和定子磁轭的磁场强度；用,Lt，Ls，Lz和Le表示各段磁路的平均长度，则：2 H2Ht LtHs Ls2 Hz LzHeLe 2 ILWL在磁路饱和程度不大的情况下，在空气隙的磁压降远比其它各项铁磁物质的磁压降大，忽略各项磁压降后：ILWL HB 0,空载时气隙磁密波形,由上式可知：B ILWL0/(B 1/)上式表明气隙磁密B与该处的气隙长度成反比。可得知：气隙磁密沿电枢表面气隙空间的分布波形为一平顶波。在极掌中部气隙均匀，磁密也均匀，且为最大值；到两极空间分界处下降为零。,直流电机负载时的磁场,当电机带上负载后，电枢绕组流过电流Is，出现了电枢磁动势，对主极磁场产生一定的影响电枢反应。电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，还受到电刷位置的影响一、电刷位于几何中心线的电枢反应如右图可见：电枢磁动势与主极磁动势正 交，称之交轴电枢反应。结论：电枢磁场轴线与主极磁场轴线相交 称交轴磁势；电枢磁场和电枢磁势在空间是静止不动的，即定子主极磁场与电枢磁场之间相互静止。,负载时的气隙磁密波形,下面进一步看电枢反应时的气隙磁密分布情况：1、电枢磁势沿电枢表面的分布波形三角波；2、主磁极气隙磁密分布波形平顶波；3、电枢磁势产生的气隙磁密沿电枢表面的分布波形马鞍形；4、在磁路不饱和情况下曲线2、3的合成磁密波形不规则尖顶波；5、实际电机空载时磁路已开始饱和，合成曲线的尖顶升不上去。因此实际电机在负载时的气隙磁密波形为削了顶的不规则尖顶波。可见：电枢反应造成气隙磁势空载时零点在几何中心线上，而负载时物理中心偏离了几何中心,电刷接触导体中的磁势不为零,火花增大。,直流电机的电枢反应,电枢反应：电枢(转子)磁势对主极(定子)磁势的影响。气隙磁密波形发生畸变（从平顶波到不规则尖顶波）；物理中心偏离几何中心线一个不大的角度；电动机逆转向偏离 发电机顺转向偏离当磁路饱和时有去磁作用。二、电刷偏离几何中心线的电枢反应交轴电枢反应同上情况；直(顺)轴电枢反应,顺移助磁作用逆移去磁作用顺移去磁作用逆移助磁作用,偏离方向,电动机,发电机,14 直流电机的电枢绕组,电枢绕组是直流电机的核心部件：对发电机：电枢绕组在磁场中旋转产生感应电动势E，电动势E与电流 I 的乘积是电机的电磁功率；对电动机：流过电流的电枢绕组在磁场中受力产生电磁转矩，转矩与角速度的乘积是电机的机械功率。电枢绕组是电机实现机电能量转换的关键部件，因此了解电枢绕组的基本结构，有助于分析电机原理和特性的必要基础。,一、电枢绕组的分类,单叠绕组（主要介绍）单波绕组双叠绕组 双波绕组 混合绕组,二、有关技术术语,1、极轴线：将每个主磁极分成左右对称两部分的直线；2、几何中心线：相邻两主极间的几何分界线；3、极距（）：相邻两主磁极沿电枢圆周表面量度的弧长：槽数：4、绕组元件：是两端分别与两个换向片相连的单匝或多匝线圈,是电枢绕组的基本单元；绕组元件分两部分：元件边：每个绕组元件有两个放在电枢槽中,能切割磁力线产生感应电势；端接部分：在槽外部分,不产生感应电动势，只起连接作用。,1,2,Ds2p,Z2p,绕组的节距,5、绕组的节距：绕组元件的宽度及元件之间连接规律。第一节距Y1：一个元件的两个有效边之间的距离。=整距元件Y1 e 长距元件（一般不采用）第二节距Y2：在元件串接过程中,第1元件的第二元件边(下层边)与紧接着串联的第2元件的第一元件边(上层边)的距离。紧相串联两元件边(第一元件下边与第二元件上边)的距离。合成节距Y：相邻两个串联元件边之间的距离。Y Y1 Y2（单叠绕组中Y1）换向节距Yk：同一元件的首端和尾端在换向器上所跨的换向片数（数量上总与合成节距相等 YkY）。,Z2p,三、构成原则：,满足能量转换的要求，一个线圈的两个边不能放在同一主极下；一个槽内双层叠放；按一定规律嵌放；成本低，结构简单，可靠。,四、单叠绕组,特点：合成节距Y换向节距Yk支路对数a等于极对数p；电势数2b等于主极数2p；apb电枢电势Ea等于支路电势ea相等；Ea ea电枢电流 Is为支路电流乘以支路数：Ia 2p ia 或 Ia 2a ia 支路电流 ia也为导体电流,五、单波绕组,特点:合成节距接近两个极距 Yk 支路对数a1（与极对数无关）电刷数理论上恒等于2，则b=1；（为了分流采用全额电势2b2p）电枢电势与支路电势相等；Eaea 由于单波绕组只有2条支路,每条支路串联的绕组元件比单叠绕组多,故电枢电压要高。电枢电流 Ia 2 ia,K1p,电枢绕组的采用,因此：一般 高电压小电流采用单波绕组；低电压大电流采用单叠绕组。单叠绕组ap 单波绕组a1,主要区别,直流电机的感应电势及电磁转矩,感应电势：电(动)势系数 CepN/60a电磁转矩转矩系数CTpN/2a,15 直流发电机,（一）能量转换：直流发电机将机械能量转换为电能,在转换的过程中，要遵循能量守恒的规则。输入(机械能)P1M1(转矩)切割磁力线感应电动势Es输出P2(电能)由力学可知：电磁功率Pe电磁转矩Te角速度而：TeCTIaPNIa/2a、2n/60上式说明电磁功率全部转换为电功率EsIs问题：是否PeP1?应该 Pe P1 中间有一部分损耗。,（二）直流发电机的损耗,机械损耗p：转动后克服摩擦产生的损耗；铁损pFe：电机旋转后,电枢铁心反复磁化产生的损耗；pFe pcz pw因此，空载损耗：p0p pFe 铜耗pcu：电流在绕组电阻上产生的损耗；包括：1.电枢绕组铜耗；2.与电枢绕组串联的串励绕组、换向极绕组及补偿绕组铜耗；3.电刷有换向器的接触电阻的铜耗；便有：pcu Ia 2 ra2U Ia 4.励磁回路铜耗 pcuL,涡流损耗：变化磁通在铁心感应电势产生涡流引起,磁滞损耗：铁心反复磁化过程中，磁畴摩擦消耗能量,铜耗 可变损耗 电流随负载变化 空耗 不变损耗 一般运行时转速变化不大,附加损耗：pfj（杂散损耗）,很难计算和测定,一般估算为包括的方面：电枢齿,槽在旋转时,气隙磁通大小发生脉动,在主极铁心 中产生脉振损耗，以及在极掌表面左右扭动引起的铁耗；2.电枢拉紧螺杆等结构附件在磁场中旋转所引起铁耗；(上两项空载时已存在)3.电枢反应使气隙磁场畸变成尖顶波，致铁心磁密增大而 引起铁耗增大；4.换向电流引起铜耗增加，电枢表面电流分布不均而引起 接触损耗增加。,0.5%Pe有补偿绕组 1%Pe无补偿绕组,发电机的功率流图,电机的总损耗为：p pFepcuspcuLp上面：P1（p pFe）PeEaIa而输出功率为：P2 PepcuspcuLp U Ia PeIa2ra2UIapcuL1PN,（三）直流发电机的基本方程式,电势平衡方程式（忽略电刷压降后）EaU Iara由：PepcusP2EaIaIa2raUIa转矩平衡方程式 T1 Te T0 拖动转矩 电磁转矩 空载转矩功率平衡方程式 P1 Pe p0 T1TeT0 输入机械功率 电磁功率 空载损耗,+U,Ia,Ea,ra,16 直流电动机,按接线方式不同，复励绕组又可分：,长复励先并后串,短复励先串后并,电动机的运行原理（以并励为例）,在同一电压等级下，电机的并励和他励 作用是一样；与发电机不同，直流电动机的励 磁绕组与电枢绕组同时一合电源，便能旋转。,U,（一）能量转换,励磁绕组铜耗 pcuLUILIL2RLP1U I 电枢绕组铜耗 pcua Ia2ra 2UIa输入电功率 电磁功率 机械损耗p Pe 铁耗 pFe 输出功率P2,输入电功率,（二）直流电动机的基本方程式,功率平衡方程式 P1 UI U（IaIL)UIs UIL UIL Ia2raIa 2UIaEa pcuL pcus Pe pcuL pcus pFe p P2 P1 p P2 Pe p 0 P2 电磁功率 空载损耗 输出机械功率 转矩平衡方程式 Te T0 T2 电磁转矩 空载转矩负载转矩 电势平衡方程式 U Ea Iara,Ia,Ea,+U,ra,电动机UEa发电机EaU,直流电机的电压平衡方程式,直流电动机 U Ea IaRa其中：Ea与Ia方向相反，U Ea 直流发电机 EaU IaRa其中：Ea与Ia方向相同，Ea U,+U,Ia,Ea,Ra,+U,Ia,Ea,Ra,17 他励直流电机的机械特性方程,由 Ea IaR 电压平衡方程 Te CT Ia 电磁转矩方程 EaCe 感应电势方程推出：其中：n0为理想空载转速；Tn为转速降；为斜率形式为：yabx 是一条直线方程,n0nN,n,T,TN,额定点,自然（固有）机械特性,条件：UUN(外加电压额定)N(励磁电流额定)电枢回路不串电阻静态特性机械特性 nf(T)动态特性随时间变化的各量 如：nf(t)，Tf(t)，Iaf(t)，f(t),人为的机械特性,、电枢回路串电阻人为特性由上式：n不变，n随外加电阻增大串电阻人为机械特性曲线是一族射线,T,n0,n,固,a,Ra+R1,Ra+R2,R1R2,人为的机械特性,2、改变供电电压人为特性(降压人为特性)通常不允许超过额定电压,改变供电电压只能从UN往下降低。降压后n0而n不变降压人为机械特性曲线是一组平行线,T,n0,n,固,n0,n0”,UN,U1,U2,UNU1U2,人为的机械特性,3、改变主极磁通人为特性(弱磁人为特性)通常不易超过额定磁通,因电机额定工作时磁通已接近饱和改变磁通只能从N向下降。由上式知:降低磁通后n0n 即：同步转速上升，转速降大大增加。,T,n0,n,固,n0,弱,1,N,N1,18 直流电机的换向,一、什么是换向？换向元件中电流改变方向的过程。换向的过程正是绕组元件被电刷短路的过程；换向问题对直流电机运行影响很大，换向不好使电刷下产生火花。火花严重时影响电机运转；换向问题十分复杂，不单是电磁过程，换 向不良还可能是机械、化学、电势等方面的 问题。二、换向过程绕组元件中的电流随电刷移动的变化过程称换向。,换向的不同情况,换向的实质是电感元件的能量变换过程。占主要影响的有以下几种情况：直线换向：绕组元件换向过程就是支路电流ia从“”零“”的过程。若电流随时间是均匀地变化呈线性关系，这种换向称为直线换向。理论分析表明：当换向元件中各种电动势的总和e为零，且只考虑电刷接触电阻,这样的直线换向也称电阻换向。直线换向时电流变化均匀，整个换向过程中电刷各处电流密度相等。因此刷下火花很小，基本上可实现无火花换向。,换向的不同情况,延迟换向:实际换向中e0,因自感电动势eL,互感电动势eM,电枢反应电动势ea均是反抗电流变化的,延迟换向电流使后电刷边电流密度增大,产生火花；超越换向：改善换向使换向元件中再产生一个电动势ek，尽量与上电动势大小相等,方向相反,使e0成为直线换向,若将加过了,变成超越换向,使前电刷边电流密度增大，,t,e,三、改善换向的方法,加换向磁极在主磁极几何中心线处加换向极,换向元件切割换向磁极磁场，产生的电动势ek与eL,em,ea方向相反。为了保持数量的同步变化，换向绕组应与电枢绕组串联。移动电刷改善换向在小容量电机中无换向磁极,常用移动电刷的方法改善换向 直流发电机：顺转向移动一个角。直流电动机：逆转向移动一个角。移动电刷的缺点：A、电刷偏离几何中线后，电枢反应会出现去磁的直轴电枢反应磁势分量,使发电机运行时出现电压降低；使电动机运行时出现转速升高。B、电抗电势是随负载变化的,须不断移动电刷位置来抵消它。,改善换向的方法,加补偿绕组换向不良的直接表现是产生火花，火花严重时影响电机正常运行。但电机运行时允许有一定程度的火花。按国家标准：火花分五个等级，可参阅有关技术标准。由于电枢反应使气隙磁密波形畸变为尖顶波，处于最大磁密处的元件电压出现最大值。当元件两端电压超过一定限度(大容量电机一般为2538v）时,就会在此元件连接的两个换向片间产生电弧短路，电弧能使周围空气电离，继而后续形成环火,能在短时间烧毁电机，造成事故。为了防止环火的产生，大容量电机都在主磁极沿气隙圆周表面开一些凹槽，安放补偿绕组。补偿绕组与电枢绕组中电流方向相反。补偿绕组的磁场抵消了电枢部分磁场，从而防止了环火的产生。,