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1、项目二 直流电机,授课时间：第一周周五，1-2节,一、直流电机的工作原理,（一）直流发电机工作原理,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。,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。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，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
2、动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,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。,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。,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。,例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的变化？,解：直流发电机顺时针旋转
3、时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。,由右手定则可知：决定感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。,+,-,N,S,注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。,（二）直流电动机工作原理,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。,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
4、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。,当电枢旋转到右图所示位置时,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。,例1-2 电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转)?,解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可
5、知：电磁力的方向取决于磁场极性或导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向改变。,注意：两者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。,-,+,f,f,n,改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图,（三）直流电机的可逆原理,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。,从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为
6、发电机。,二、直流电机的基本结构,1-电枢铁心 2-主磁极 3-励磁绕组 4-电枢齿 5-换向极绕组 6-换向极铁心 7-电枢槽 8-底座 9-电枢绕组 10-极掌(极靴）11-磁轭（机座）,直流电机的结构图,直流电机的径向剖面示意图,二、直流电机的基本结构,电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。,作用,主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等,作用,感应电动势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换,主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等,1、定子部分,导磁和机械支撑,机座,由磁极铁心和励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.,主磁极,产生磁场，N、S 相隔，
7、用p表示极对数,作用:改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。安装在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。,用整块钢制成，也可用厚11.5mm厚钢板或硅钢片叠成,1-刷握 2-铜丝辫 3-压紧弹簧 4-电刷块（石墨材料）,换向极,电刷,作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出,2、转子部分,材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心 用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。,作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。,电枢铁心,铁心冲片,电枢线圈,作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。,电枢线圈,电枢绕组：电枢线圈按一定规
8、律连接形成。其并联支路对数用a表示。单叠绕组：a=p单波绕组：a=1,单波、单叠绕组联接示意图,换向器,材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。,作用：实现电刷内外 交直流的转换。,由许多燕尾状的铜片间隔绝缘云母片而成,主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。,3、气隙,作用：保证了电机的转子的正常旋转，又是磁路的重要组成部分。,小型电机气隙约为0.75mm；大型电机气隙可达510mm。,三、直流电机的铭牌数据,电机型号,铭牌数据主要有：,额定功率,额定电压,额定电流,额定转速,额定励磁电流,励磁方式,出厂数据如出厂编号、出厂日期等,Z 27 2,第二次改型设计,机座号,电枢铁心长
9、度,1、电机型号,1号为短铁心，2 号为长铁心,1号最小，12 号最大,型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。,2、额定值,(1)额定功率PN PN(kw)是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压N UN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。(3)额定电流IN IN(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。,对于发电机，三个额定值之间的关系为 PN
10、=UNIN 对于电动机，三个额定值之间的关系为 PN=UNINN,(4)额定转速nN nN(r/min)是指电机额定运行时的转速。,额定效率；N=（PN/P1）*%,例1-3 一台直流发电机，PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。,解,例1-4 一台直流电动机，PN=17KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=83%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。,解,四、直流电机电枢绕组的一般介绍,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
11、根称为末端。,极距：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。,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。,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。,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。,二、直流电机电枢绕组的基本形式,（一）单叠绕组,单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相
12、互叠压,合成节距与换向节距均为1,即：。,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。,（二）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
13、绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。,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。,思考与练习,1、判断直流电机运行状态的依据是什么？何时为发电机状态？何时为电动机状态？,2、直流电机由哪些主要部件组成？其作用如何？为什么定子铁心用硅钢片做?,授课时间：第二周周三，1-2节,任务2.1 直流电机的电枢反应,一、直流电机的空载磁场
14、 直流电机空载时（发电机与外电路断开；电动机轴上不带机械负载），电枢电流为零或近似为零。因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势Ff所建立的。,直流电机的磁场，是直流电机产生电动势和电磁转矩必不可少的因素，而且直流电机的运行特性，在很大程度上也取决于磁场特性,由励磁磁通势Ff所建立的空载磁场分为两类磁通：主磁通0、漏磁通。一般0 主磁通0对应的主磁路其组成分为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭五部分，或简化为主磁路由气隙和铁磁材料两大部分组成。由于空气的磁导率远比铁磁材料的磁导率小，磁路的励磁磁通势Ff几乎都消耗在气隙部分，而对应产生的磁场常称为空载气隙磁场。,直流
15、电机空载磁场分布,1-极靴 2-磁身 3-定子磁轭4-励磁线圈 5-气隙 6-电枢齿 7-电枢磁轭,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,直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主极磁场一起，在气隙内建立一个负载（合成）磁场。由于负载后电枢磁场的出现，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场（空载磁场）的影响称为电枢反应。,二、直流电机的负载磁场,直流电动机合成磁场形成：主极磁场+电枢磁场,电枢反应性质：1）使磁力线扭斜，主极磁场发生畸变，物理中性线偏移；2)使每极合成磁通比
16、空载时每极主磁通0略小，称去磁作用。,电动机拖动的机械负载越大，电枢反应的影响就越大，但正是电枢磁通势与主极磁场相互作用而产生电磁转矩，从而实现机电能转换。,一、电磁转矩T 在直流电机中,电磁转矩T是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示：TCT Ia 式中 T 转矩常数；T=Np/(2a)取决于电机的结构，即在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、a均为定值；每极下的合成磁通(Wb)；当Ia为(A)时,电磁转矩单位为N.m。可见对已制成的电机,电磁转矩T正比于气隙每极磁通及电枢电流Ia。,第四节 电磁转矩和电枢电动势,任务2.2 电磁转矩和电枢电动势
17、,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。,二、电枢电动势Ea 在直流电机中,感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动,即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得：EaCe n 式中 Ce电动势常数，Ce Np/(60a)。取决于电机的结构 当每极磁通、转速n的单位分别是Wb、r/min时,电枢电动势的单位为V。可见：对已制成的电机,Ea正比于每极磁通和转速n；另：转矩常数CT与电势常数Ce之间
18、有固定的比值关系：CTCe(Np/2a)/(Np/60a)=9.55,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。,例1-6 一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469r/min，每极磁通=2.2 10-2Wb，求：1）此发电机电枢绕组的感应电动势。2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为800A时，能产生多大电磁转矩？,解,先求出电动势常数,归纳小结：,1、电枢反应,2、电枢
19、电动势,3、电磁转矩,布置作业：,授课时间：第二周周五，1-2节,一 直流电机的换向,直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会在电刷下产生电火花，严重时出现环火将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。换向问题涉及电磁、机械、化学等方面因素。这里仅对换向过程、影响换向的电磁原因、改善换向的方法作简要介绍。,结论：一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改变方向,以单叠绕组的线圈K为例，它从属于电刷右侧支路，经历了被电刷短路后，变成属于电刷左侧支路，这一过程中，线
20、圈K中的电流从+ia改变成-ia，完成了电流换向，换向周期Tc是极短的.,一、直流电机的换向过程,前述换向线圈K换向过程中所处的主磁场为零，电动势为零，称直线换向如图曲线1所示。但实际中，换向线圈中存在：（1）电抗电动势ex 由换向电流变换产生的自感电势和互感电动势，阻碍换向，与换向前的电流同方向。（2）电枢反应电动势ea 由电枢磁场引起的电动势，阻碍换向，与换向前的电流同方向。,由于阻碍换向的ex+ea 的存在，使换向线圈中存在一个附加换向电流ik，使换向电流的变化变慢，称延迟换向。如图的曲线2所示，使电刷的后刷边易出现火花。,换向电流变化过程,一、直流电机的换向过程,改善换向的方法,想法产
21、生一个与ex+ea 反向的电动势，起抵消和削弱作用。一般容量在1kW以上的电机在主磁极之间装置换向极，极性与电枢磁通势方向相反，其磁场大小先抵消电枢磁通势，再是产生的换向极电动势ek与ex大小相等，方向相反，使ek+ex0，使ik 0,达到减小火花，改善换向的目的。,换向极的绕组应与电枢绕组串联，极性与电枢磁通势方向相反。,一、直流电机的换向过程,1、选择合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻；,2、装设换向极：在换向元件处产生一个磁通势以抵消该处的电枢反应磁势，并使换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势；（换向极绕组一般与电枢绕组串联）,3、装补偿绕组：产生抵消电枢反应的磁势，
22、与电枢绕组串联。,换向线圈中电动势方向及换向极位置和极性,例1-4 某台直流电动机，在运行时后刷边发生火花，如在换向极根部加装铜垫片，运行时便无火花，为什么？,解：运行时后刷边发生火花属于延迟换向，其原因是换向元件中电抗电动势大于换向极电动势。为改善换向，消除火花，应该设法增加换向极电动势，这就要求增强换向极的磁场。若在换向极的根部加装非磁性的铜垫片(做成第二气隙)，整个换向极磁路的总气隙长度虽未改变，但极面下的气隙减小了。这样可以减小换向极的漏磁通，增加了换向极的有效磁通，使换向极电动势增加，从而达到消除火花的目的。,二 直流发电机,1、直流发电机的励磁方式,直流电机产生磁场的励磁绕组的连接
23、方式称为励磁方式。励磁绕组和电枢绕组的联接 决定励磁方式，具体有四种：,励磁绕组单独供电,2、直流电机出线端子的标志,注：下标“1”是首端，为正极；下标“2”是末端，为负极,例1-7 在下图中画出并励直流电动机的实际接线图,解：换向级绕组应与电枢绕组串联，励磁绕组再与它们并联。,三 直流发电机的基本方程式,由于直流发电机和直流电动机可逆，所以介绍直流电动机的基本方程式。,三、直流电动机的基本方程式,他励直流电动机的结构示意图及电路图,电动机惯例：Ea与Ia反向,T与n同方向TL与n反方向,电动机稳定运行时的基本方程式：电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式,1、电动势平衡方程式 根据
24、电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式：U=EaIaRa 式中 Ra 电枢回路总电阻 Ia他励电动机 Ia=I；并励电动机 Ia=I-If 对于电动机：U Ea，Ea与Ia反方向,2、功率平衡方程式 电机在机电能量转换中，一部分能量不能被利用，这部分能量称为损耗。直流电机的损耗可分为：pm：由各类摩擦引起的机械损耗 pFe：铁心损耗(磁滞与涡流之和)pcua：电枢回路铜耗pcua=Ia2Ra pf：励磁回路铜耗pf（=UIf=RfIf2）；ps：附加损耗,空载损耗p0即不变损耗,因此，功率平衡方程式，就是扣除损耗的过程。,可变损耗,2、功率平衡方程式 P1=UI=UIa=(EaI
25、aRa)Ia=EaIaIa2Ra=Pempcua 上式说明：当他励直流电动机接上电源U时,电枢绕组中流过电流Ia,电网向电动机输入的电功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于电枢铜耗，大部份作为电磁功率转换成了机械功率。但转变成机械属性的Pem还要扣除铁耗、机械损耗、附加损耗才是输出的机械功率P2 P2=PempFepmps=Pem p0,2、功率平衡方程式,注意：他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。而并励电动机的pf由同一电源提供，所以并励电动机的功率平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf。,上述的功率平衡关系可用功率流程图形象的表示：,3、转矩平衡方程式,由：P2/=Pem/-p0/得：T2=
26、T-T0 或 T=T2+T0,T2 电动机轴上输出的机械转矩。它与轴上所带的负载转矩TL 相平衡,即T2=TL。T0 电动机空载转矩,与转向相反；由空载损耗产生,数值很小。电动机稳定运行时，拖动性质的T与制动性质的TL+T0相平衡,电动机转矩的常用计算公式：负载转矩：T2=P2/=P2/(2n/60)=9.55P2/n(Nm)在额定情况下,TN=9.55PN/nN(Nm)同理：T=9.55Pem/n(Nm),例1-8 一台他励直流电机接在220V电网上运行，已知，,，求：,1）此电机是发电机运行还是电动机运行？2）电磁转矩、输入功率和效率各为多少？,解 1）判断一台直流电机是何种运行状态，可比
27、较电枢电动势和端电压的大小，即,因为,故此电机是电动机运行状态。,2）求,根据,则,电磁转矩,输入功率,输出功率,效率,例1-9 一台Z2-17型直流电动机，额定数据为：,空载时测得电流为10A。求：,1）空载损耗（忽略空载铜耗）。2）空载转矩。3）额定负载下的电磁转矩。,解 1）空载损耗,2）空载转矩,3）额定负载下的电磁转矩,四、直流电动机的工作特性,直流电动机的工作特性是指U=UN=常数,电枢回路不串入附加电阻,励磁电流If=IfN时,电动机的转速n、电磁转矩T和效率与输出功率P2之间的关系,即：,所以，工作特性也可看成n、T、与Ia的关系。,1、转速特性,当电机轴上的机械负载增大时,输
28、出的机械功率P2随之增大,输入功率P1和电枢电流Ia也随之增加,电枢电阻压降增大,使转速n降低。但随着电枢电流的增加,电枢反应的去磁作用使气隙磁通减小,又使转速n上升。一般情况,电枢电阻压降的影响较大,所以,转速特性是一条略微向下倾斜的曲线,如曲线1所示。,2、转矩特性,T=T2+T0=9.55P2/n+T0,如果n不变,则输出转矩T2与P2成正比关系。T2=f(P2)特性曲线是一条过坐标原点的直线。考虑到P2增大时,n略有下降,故T2=f(P2)曲线呈略为上翘趋势。而T=f(P2)特性曲线与比T=f(P2)曲线高一个空载转矩T0,如图所示的曲线2。,3、效率特性,当P2从零,Ia值很小,可变损耗Ia2Ra很小,电机损耗以不变损耗p0为主，损耗小。这样,输出功率P2的增大比P1增大的快，效率上升很快。随后因可变损耗Ia2Ra随电流按平方关系增大，使总损耗的增加很快,P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如图曲线3所示。,可见效率曲线存在最大值，电机在空载、轻载时效率低,因此在使用和选择电机上应尽量使电机工作在高效率的区域。,归纳小结：,1、直流电机换向,2、励磁方式,3、基本方程式,布置作业：,4、工作特性,
