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1、1.1 直流电机的基本工作原理和结构,1.1.1 直流电机的主要结构,1.1.2 直流电机的工作原理,1.1 直流电机的基本工作原理和结构,一、直流发电机工作原理,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。,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c
2、点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,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。,导体ab在S极下，a点低电位，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。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,二、直流电动机工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极
3、，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，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。,与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,当电枢旋转到右图所示位置时,直流电动机的工作原理示意图:,1.1.3 直流电机的铭牌数据
4、,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。,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。,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。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。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。,1.2.1 直流枢绕组基本知识,1.2 直流电机的电枢绕组简介,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,极
5、距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,第二节距：连至同一换向片上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的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,1.2.2.单叠绕组,单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即：。,
6、单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。,单叠绕组的展开图,根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:,单叠绕组的的特点：,1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。,2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,3）电枢电流等于各支路电流之和。,.单波绕组,单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。,两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片
7、相邻的位置。,单波绕组的并联支路图:,单波绕组的特点,1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3）电刷数等于磁极数；,4）电枢电动势等于支路感应电动势；,5）电枢电流等于两条支路电流之和。,1.3.1直流电机的空载磁场,1.3 直流电机的电枢反应,直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。,右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。,当励磁绕组的串联匝数为，流过电流，每极的励磁磁动势为：,直流电机中，主磁通是主要
8、的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。,空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。,磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。,空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。,空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。,为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需
9、要有一定量的每极磁通，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。,为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中 A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。,1.3.2 直流电机负载时的负载磁场,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,右图为一台电刷放在几何中性线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，电枢磁动势为交轴磁动势。,如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件
10、分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。,由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。,1.3.3 直流电机的电枢反应,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称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。,1、当电刷在几何中性线上时，将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，如图（a）所示。,几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0；物理中性线：B=0处的直线位置,主磁场的磁通密度分
11、布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,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,1)、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 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交
12、轴去磁性质。,2、当电刷不在几何中性线上时,电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。,电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势。,1.4.1 直流电机的电枢电动势,1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。,大小:,性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).,可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。,1.4.2 直流电机的电磁转矩,产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电
13、磁转矩。,大小:,性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。,可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比,1.5.1 换向概述,1.5 直流电机的换向,为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。,直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。,电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。,电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为。,电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为,换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和
14、换向器表面，使电机不能正常工作。,产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。,元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。,1.5.2 换向的电磁理论,换向元件中的电动势：,自感电动势 和互感电动势：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。,切割电动势：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。,换向元件中的合成电动势为：,根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。,换向电动
15、势：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。,换向元件中的电流：,设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和，元件自身的电阻为,流过的电流为,元件与换向片间的连线电阻为,元件在换向时的回路方程：,忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为，则可推导出换向元件中的电流变化规律为,1.5.3 改善换向的方法,除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。,改善换向一般采用以下方法：,1.6.1 直流发电机的励磁方式
16、,1.6 直流发电机,供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。,1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。,他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：,2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足,3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足,4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。,1.6.2 直流发电机的基本方程,如图规定各物理量的参考方向,一.电动势平衡方程,从方程式可见，直流发电机满足,二.转矩平衡方程,发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩、电磁转矩 和
17、机械摩擦及铁损引起的空载转矩。转矩平衡方程为：,直流发电机的励磁电流,三、励磁特性公式,每极气隙磁通,四.功率平衡方程,原动机输入给发电机的机械功率,电磁功率,电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。,电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗,输出的电功率,自励发电机中还应减去励磁损耗,1.6.3 他励发电机的运行特性,一、空载特性,定义:当、时，,直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载时,空载特性实质上就是。所以空载特性曲线的形状与空载磁化特
18、性曲线相同。,二、外特性,定义：当、时，,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。,根据 可知端电压下降有两个原因：,(一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；,(二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。,为什么低?,三、调节特性,定义：当、时，,由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响.,1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性,并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建
19、立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。,一、自励条件,曲线1为空载特性曲线,曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线。,原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生。,增大,场阻线变为曲线3时，称为临界电阻。,若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。,如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与 相等，达到稳定的平衡工作点A。,可见，并励直流发电机的自励条件有：,二、空载特性,并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也
20、是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。,思考题电机正转能自励,反转能自励吗?,三、外特性,四、调节特性,并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。,对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。,1.7 直流电动机,1.7.1 直流电机的可逆原理,以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。,
21、一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。,减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。,继续降低原动机的转速，将有，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。,同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。,第1章 直流电机,1.7.2 直流电动机的基本方程,规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下：,1.7.3 直流电动机的工作特性,1、转速特性,一、他励（并励）直流电动机的工作特性,定义：当、
22、时，,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化,2、转矩特性,转矩表达式,考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。,定义：当、时，,3、效率特性,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。,定义：当、时，,二、串励直流电动机的工作特性,当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：,转速特性,转矩特性,当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与
23、他励电动机相同。,当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。,1-7 直流电机的换向,1.换向过程？,（假设电刷宽度等于换向片宽度）,电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束，从一条支路转换到另一条支路，电流改变了方向。换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程。从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期,直线换向,如果换向元件中电势为零，则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线时一条直线，称为直线换向。,但是换向过程中，不可能没有电势！,2.换向元件中的感应电势,(1)电抗电势er,换向元件中由于
24、换向电流的变化所引起的自感电势和互感电势之和，称为电抗电势。,Lr：换向元件的电抗系数，包括自感和互感,er的平均值：,设电刷宽度bs等于换向片宽度bk，换向片数为K，,换向周期Tk：,电抗电势的特点,电机负载越重或转速越高，电抗电势越大。,电抗电势的方向阻止换向电流的变化，因此er的方向必与换向前的元件电流ia的方向一致。,换向元件所处的几何中线处，主磁场几乎为零；电枢反应磁势所产生的磁通a正好穿过换向元件。电枢旋转时，换向元件切割a 所生电势ea称为旋转电势。,（2）旋转电势,旋转电势 的特点,设换向元件匝数为Wk，电枢反应磁势在换向元件处所生的磁密为Ba，则ea的平均值：,特点：,（1）
25、，负载越重或者转速越高，旋转电势也越大。,（2）据右手定则，ea的方向总是与换向前元件中的电流方向相同，ea与er 方向一致，也是阻碍换向的。,（3）电刷下产生火花的原因,换向元件中存在两个方向相同的电势er和ea，合成电势：,合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流：,由闭合转为断开时，由ik建立的电磁能量以火花的形式释放出来。,二、改善换向的方法,减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效地改善换向。最有效的办法：装换向极。,抵消电枢反应磁势，使ea0,建立Bk，产生ek，使,安装换向极的要求,换向极应装在几何中性线上;,换向极的极性使产生的Bk方向与电枢反应磁势的方向相反。,换向极绕组必须与电枢绕组串联，使在任何时候，eker,加换向极后的结构图,三、环火及其防止,电枢反应使气隙磁场发生畸变，使处于Bmax处的元件的感应电势增大。当片间电压Uk超过一定值时，换向片间产生火花，称为电位差火花。,电位差火花与换向火花连成一片，构成环火。,防止环火的措施：在主磁极的极靴装补偿绕组，并与电枢绕组串联。产生的磁势方向与电枢反应磁势相反。,
