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1、第2章 直流电动机的原理及特性,2.1 直流电动机的基本结构和工作原理2.1.1 基本结构重点2.1.2 励磁方式重点2.1.3 额定数据2.1.4 工作原理重点2.2 直流电机的电枢绕组不讲2.2.1 单叠绕组2.2.2 单波绕组,第2章 直流电动机的原理及特性,2.3 直流电机空载和负载时的磁场简介2.3.1 直流电机的空载磁场2.3.2 负载时直流电机的磁场2.4 感应电动势和电磁转矩2.4.1 电枢绕组的感应电动势公式重点2.4.2 电磁转矩公式重点,第2章 直流电动机的原理及特性,2.5 直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率关系2.5.1 基本方程式重点2.5.2 功率关系难点2.
2、6 直流电动机的机械特性2.6.1 他励直流电动机的机械特性重点2.6.2 串励直流电动机的机械特性不讲2.7 电力拖动系统稳定运行条件重点,第2章 直流电动机的原理及特性,电机的可逆性同一电机既可做发电机又可做电动机本课程讨论的电机主要是电动机直流电机(dc machines),机械能,直流电能,直流发电机(dc generators),直流电动机(dc motor),直流电动机的优点,按电源性质，电动机分为直流电动机：直流电能机械能交流电动机：交流电能机械能直流电动机的优点：调速范围宽，调速平滑且容易起动、制动和过载转矩大，且易于控制,直流电机,直流电机动画,2.1 直流电动机的基本结构和
3、工作原理,2.1.1 基本结构从直流电机的主要结构看发电机和电动机没有多大差别,定子部分 stator（静止）,转子部分 rotor又称电枢 armature（旋转）,气 隙,直流电机的主要结构,主磁极N、S,励磁绕组,电枢铁心,电枢绕组AX,电刷,换向片,图2.1 小型直流电机的结构图,直流电机剖面示意图,直流电机的主要结构,机 座,主 磁 极,换 向 极,电刷装置,其他部分,电枢铁心,电枢绕组,换 向 器,其他部分,主磁极铁心,励磁绕组,换向极铁心,换向极绕组,电刷、电刷座,端盖、底脚,齿、槽、轴向通风孔,V形套筒、云母环、换向片、连接片,风扇、转轴、轴承,极身、极靴,定子部分stator
4、（静止）,转子部分rotor又称电枢armature（旋转）,气 隙,直流电机的主要结构,在定子、转子之间,1定子部分(stator),静止部分,机 座,主 磁 极,换 向 极,电刷装置,端 盖,主磁极铁心,励磁绕组,换向极铁心,换向极绕组,电刷、电刷座,极身、极靴,定子部分stator（静止）,底 脚,（1）机座,作用,导磁,机械支撑：,机座中有磁通通过的部分，称为定子磁轭,导磁较好的材料焊成,固定,换向极,主磁极,两个端盖（中、小型电机）,厚钢板（小型直流电机）,铸钢,（2）主磁极,作用建立主磁场多数由励磁绕组通以直流电流有时用永久磁铁组成,主磁极,主磁极铁心,极身,励磁绕组,极靴,由钢板
5、冲片叠压紧固而成,用螺杆固定在机座上,励磁线圈,：套装在铁心上,（3）换向极,又称附加极或间极直流电动机容量超过1 kW时要装上换向极作用改善直流电动机的换向安装一般安装在两相邻主磁极之间换向极个数一般与主磁极的极数相等换向极绕组与电枢绕组串联,（3）换向极,构成,换向极铁心：,换向极绕组：,换向极,形状比主磁极的简单一般由整块钢板构成,套在换向极铁心上,用螺杆固定在机座上,结构和主磁极类似,（4）电刷装置,组成作用连接转动和静止之间的电路发电机：把转子部分的电流引出到静止的电路中电动机：把静止电路中的电流引入到转子电路中,电刷装置,电刷,电刷座,2转子部分(rotor),转子又称为电枢(ar
6、mature)旋转部分,电枢铁心,电枢绕组,换 向 器,风扇,齿、槽、轴向通风孔,V形套筒、云母环、换向片、连接片,转子部分rotor又称电枢armature（旋转）,转轴,轴承,（1）电枢铁心,是主磁路的一部分构成将冷轧硅钢片冲成有齿、槽的冲片然后把这些冲片叠装起来就构成电枢铁心其片间有很薄的绝缘层,齿,槽,轴向通风孔,（1）电枢铁心,说明电枢铁心上开槽是为了安放电枢绕组用为改善通风，电枢铁心可沿轴分成几段 以形成径向通风道电枢铁心的安装小型电动机的电枢铁心直接压装在轴上大型电动机的电枢铁心先压装在转子支架上 然后再将支架固定在轴上,（2）电枢绕组,构成用包有绝缘层的导体构成电枢线圈将线圈按
7、一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下层中每个元件的两个出线端都按一定的规律与换向器的换向片相连,（3）换向器,（3）换向器,组成由许多鸽尾形的换向片组成片间用云母绝缘作用发电机：起整流作用可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流电动机：起逆变作用将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流,电枢绕组和换向片的连接,动画,2.3 直流电机空载和负载时的磁场简单介绍,直流电机的磁场由电机中各绕组共同产生包括励磁绕组、电枢绕组、附加极绕组但励磁绕组起主要作用主磁场多数由励磁绕组通以励磁电流，又称励磁磁场有时用永久磁铁电枢磁场：由电枢绕组通以电枢电流主磁场起主要作用,直流电动机原理动画,1直流电机的磁通路径,主
8、磁通：磁路从主磁极1出发经气隙1电枢齿1电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1，最后又回到气隙1,漏磁通：不进入电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭,主磁通是主要的,（动画）,2空载磁通密度波形,空载时电枢电流为0，气隙磁场是由励磁电流单独决定极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何性中线处磁密为0空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数B表示表示：分析可知它是帽子形（或称平顶波）,(a)气隙形状,(b)气隙磁密分布,极身,极靴,几何中性线,2.3.2 负载时直流电机的磁场,电枢反应直流电机空载时，电枢电流为0，当励磁绕组中有励磁电流时，气隙磁场由励磁电流单
9、独决定带负载后，电枢绕组有电流通过，并产生电枢磁场此时，气隙磁场由主磁场（又称励磁磁场）和电枢磁场共同决定电枢磁场会对气隙磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应电枢反应会使得每极磁通发生变化，也会使气隙磁场发生畸变，从而影响电机的性能,负载时的磁场（电流方向，右手螺旋定则确定磁力线）,(a)电枢磁场,(b)空载磁场,(c)负载磁场,励磁电流为零,电枢电流为零,图2.15 电枢反应,主磁场的磁通密度分布曲线（帽子形，或称平顶波）,电枢磁场的磁通密度分布曲线（马鞍形）,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（气隙磁场发生畸变）,2.1.3 额定数据,为使用户正确使用电机，电机制造
10、厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌“Z2-72”型号Z2表示直流电动机第二次改进设计型7表示机座号2表示长铁芯1则表示短铁芯,直流电动机的铭牌数据,额定功率PN：指电动机在额定运行状态下轴上输出的机械功率，用W或kW表示额定电压UN：指电动机在额定运行状态下电机两端的电压，用V表示额定电流IN：指电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时流过电机的电流，用A表示额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为：PN=UN IN N式中，N为直流电动机的额定效率,直流电动机的铭牌数据,额定转速nN：指电动机在额定运行状态下转
11、子的转速，用r/min表示额定励磁电流IfN：指电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，励磁绕组端的电流除此之外，电机的额定参数还应该包括绝缘等级、防护等级、冷却方式、温升、重量等,2.1.3 额定数据,在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行 称为额定运行电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠当电机电流小于额定电流时的运行，称为欠载运行，电机长期欠载，效率不高，造成浪费当电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行，长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机所以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态,2.1.4 工作原理,直流
12、电机直流发电机：机械能直流电能直流电动机：直流电机械能工作原理1直流发电机的工作原理2直流电动机的工作原理,1直流发电机的工作原理,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械直流发电机的物理模型如右图所示图中：N，S为主磁极，不动abcd为线圈，旋转1，2为换向片，旋转A，B为电刷，不动,e,e,n,直流发电机的物理模型,直流发电机动画,1直流发电机的工作原理,当原动机驱动电机转子以恒定转速n逆时针旋转时根据电磁感应定律可知在线圈abcd中有感应电动势感应电动势大小：e=Blv感应电动势方向：由右手定则确定在右图所示瞬间导体ab在N极下，e方向：由b指向a导体cd在S极下，e方向：由d指向c电刷
13、A极性为正，电刷B极性为负,e,e,n,直流发电机的物理模型,1直流发电机的工作原理,当电枢逆时针旋转180后，如右图导体ab与cd互换了位置用感应电动势的右手定则判断导体ab在S极下，e方向：由a指向b导体cd在N极下，e方向：由c指向d导体ab、cd的e方向都与刚才的相反但由于换向片随着线圈一起旋转与电刷B接触的换向片与电刷A接触与电刷A接触的换向片与电刷B接触电刷A极性仍为正，电刷B极性为负,e,e,n,直流发电机的物理模型,1直流发电机的工作原理,从图可知，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极下可见，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
14、端可获得直流电动势,t,0,eda,t,0,eda,图2.7 线圈感应电动势的变化曲线,图2.8 电刷之间的电动势波形,n,e,e,n,e,e,交流电动势,直流电动势,直流发电机动画,1直流发电机的工作原理,思考：若无换向器？综上所述可知：在直流发电机中线圈上的感应电动势是交变的但在电刷上的电动势方向却是始终不变的,t,0,eda,t,0,eda,图2.7 线圈感应电动势的变化曲线,图2.8 电刷之间的电动势波形,n,e,e,n,e,e,交流电动势,直流电动势,1直流发电机的工作原理,此时，换向片所起的作用：是将线圈内的交流电动势改变为外电路的直流电动势即所谓的整流作用,t,0,eda,t,0
15、,eda,图2.7 线圈感应电动势的变化曲线,图2.8 电刷之间的电动势波形,n,e,e,n,e,e,交流电动势,直流电动势,2直流电动机的工作原理,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械直流电动机的物理模型如右图所示与发电机物理模型不同之处：线圈不由原动机拖动电刷A、B接到直流电源上,i,i,f,f,直流电动机的物理模型,直流电动机原理动画,2直流电动机的工作原理,电刷A接正极，电刷B接负极线圈abcd有电流流过，方向如图所示根据安培定律可知，载流导体受到电磁力，大小：f=Bli导体受力方向：由左手定则确定N极下导体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
16、方向的电磁转矩当电磁转矩大于阻转矩时电枢逆时针方向旋转,i,i,f,f,直流电动机的物理模型,动画,2直流电动机的工作原理,当电枢逆时针旋转180后，如右图导体ab与cd互换了位置由于直流电源产生电流的方向不变导体ab、cd的i方向都与刚才的相反用安培定律的左手定则判断导体ab受力方向变为：从左向右导体cd受力方向变为：从右向左导体ab、cd受力方向都与刚才相反电磁力仍形成逆时针方向电磁转矩线圈继续逆时针方向旋转,i,i,f,f,直流电动机的物理模型,动画,2直流电动机的工作原理,2直流电动机的工作原理,从以上分析可见：在直流电动机中线圈中的电流方向是交变的但产生的电磁转矩方向却是单方向的此时
17、，换向片所起的作用：将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流即所谓的逆变作用,直流电动机动画,2.1.2 励磁方式,直流电机的磁场：多数由励磁绕组通以直流励磁电流产生少数由永久磁铁产生永磁式直流电机定义：直流电动机励磁绕组的供电方式即励磁绕组获得励磁电流的方式,2.1.2 励磁方式,分类：实质：励磁绕组和电枢绕组如何连接,他励,自励,并励,串励,复励,励磁电流由其他直流电源单独供给,励磁电流由电机自身供给,1他励式,接线图如图所示励磁绕组与电枢绕组不相连接励磁电流 由其他直流电源 单独供给,If,Ia,(a)他励式,U,Uf,2并励式,接线图如图所示励磁绕组与电枢绕组并联励磁绕组上的电压 等于电枢绕组的端电压,If,Ia,(b)并励式,I,U,3串励式,接线图如图所示励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组的电流 等于电枢绕组的电流 即 If=Ia,Ia,If,(c)串励式,I,U,4复励式,并励和串励两种励磁方式的结合接线图如图所示一部分励磁绕组和电枢绕组并联另一部分和电枢绕组串联即先并后串，或先串后并,If1,Ia,(d)复励式,If2,I,U,
