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1、电 机 学,许 加 柱湖 南 大 学,第二章 直流电机,2.1 概述,伺服,测速,励磁机,直流电机的用途,2.1 概述,电力牵引传动系统的分类：,1、“直直”传动装置 最早应用，直流供电、串励电动机传动。特点：（1）直流串励电动机传动，其调速方便、结构简单、造价经济；（2）直流供电，网压不高，限制机车功率的提高，不适于铁路干线大功率机车。应用：矿山、地铁电动车组等。（城市无轨电车亦之）,“直-直”传动装置示意图,2.1 概述,电力牵引传动系统的分类：,2、“交直”传动装置交流供电，经整流，直流（脉流）串励电机传动。特点：交流高压供电（25kV单相工频）（1）接触网用材、线路损耗；（2）利于提高
2、机车功率（无“直直”传动网压与电机端压间的制约）（3）可控硅多段桥整流改善机车功率系数。应用：铁路干线大功率机车。,“交-直”装置传动示意图,2.1 概述,电力牵引传动系统的分类：,3、“交直交”传动装置 交流供电，经整流再逆变成交流，三相电机传动。特点：（1）交流电机优点(结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、造价低等优点)；（2）可用功率（电机无整流子对功率的限制);（3）交流电机性能（动力指标良好、牵引性能优越功率系数、通讯干扰、电机维修量）。应用：重载、高速。注：目前多采用一台逆变器并联24台电机（图中是带一台）。,“交-直-交”传动装置示意图,2.1 概述,电力牵引传动系统的分类：,3
3、、“交直交”传动装置,2.1 概述,电力牵引传动系统的分类：,4、“交交”传动装置 没有中间直流环节的交流变频传动。5、“直交”传动装置 直流供电，转变成三相交流变频传动。（目前，地铁广泛采用）,“交-交”传动装置示意图,“直-交”传动装置示意图,2.1 概述,直流电机的工作原理,直流电机模型,直流电机的工作原理,磁场方向规定,直流电机的工作原理,磁场分布,直流电机的工作原理,发电机原理,直流电机的工作原理,发电机运行的机电总结,直流电机的工作原理,电动机工作原理：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变
4、其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。,电磁转矩的方向与转速方向相同，是驱动性质的,直流电机的工作原理,发电机惯例和电动机惯例,直流电机的主要部件,主要由定子、转子两部分组成,直流电机的主要部件,直流电机的主要部件,1.主磁极与换向极,直流电机的主要部件,2.机座,直流电机的主要部件,3.电枢铁心,直流电机的主要部件,4.电枢绕组,直流电机的主要部件,5.换向器,直流电机的主要部件,6.直流电机电枢,直流电机的主要部件,7.电刷装置,直流电机的额定值,电机根据设计数据和试验数据而确定的正常运行状况称为额定运行工况.,表征额定运行工况的物理量称为电机的额定值,直流电机的额定值,电机的额定功率
5、定义为电机的额定输出功率,1.对于发电机来说是其电端口输出的电功率.,2.对于电动机来说是其转轴上输出的机械功率.,直流电机的额定值,额定值是客观评价和选择电机的基本依据，一般来说都应该让电机运行于额定状态,过载运行导致电机过热，加速绝缘老化，降低使用寿命甚至烧毁电机,轻载运行电机效率降低，浪费电机容量,总之，额定运行是电机最经济、安全以及总体最佳的运行状态,直流电机的额定值,例2.1 已知一台直流发电机:PN=180kW,UN=230V,N=89.5%,求输入额定功率和额定电流。,例2.2 已知一台直流电动机:PN=100kW,UN=220V,N=89%,求输入额定功率和额定电流。,2.2
6、直流电机的电枢绕组,1.电枢绕组的基本特点,（1）产生尽可能大的电动势，并有良好的波形（2）能通过足够大的电流，以产生并承受所需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）对直流电机来说，应保证换向良好,2.2 直流电机的电枢绕组,2.电枢绕组的分类,2.2 直流电机的电枢绕组,2.电枢绕组的分类,2.2 直流电机的电枢绕组,3.电枢绕组的几个基本概念,（1）绕组元件（线圈）,2.2 直流电机的电枢绕组,（2）元件边,2.2 直流电机的电枢绕组,（3）端接,利用渐开线的每一点的空间坐标准确描述端部。渐开线的每点切线与线棒间的电动力垂直，其机械性能好，同时渐开线端部组成的
7、篮式线圈轴向长度短、抗短路力矩和冲击力强。,2.2 直流电机的电枢绕组,（3）端接,2.2 直流电机的电枢绕组,（4）虚槽,2.2 直流电机的电枢绕组,（5）虚槽数、换向片数以及元件数的数量关系,2.2 直流电机的电枢绕组,（6）几种节距,第一节距,每个元件的两个元件边在电枢表面的跨距，以虚槽数来表示。为了使元件中感应的电动势最大，y1应接近一个极距。,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,第二节距,同一片换向片相连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，用虚槽数来表示,2.2 直流电机的电枢绕组,合成节距,相串联的两个元件对应边在电枢表面的
8、跨距,换向器节距,与每个元件相联的两个换向片表面的跨距，用换向片数表示,2.2 直流电机的电枢绕组,4.单叠绕组,叠：两个相邻联接的元件，后一元件的端部紧迭在前一元件的端部。,单：首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。,y=yk=1,2.2 直流电机的电枢绕组,实例：2p4，Zi=ZSK16 要求绕制右行单叠绕组,单叠右行：,整距：,第二节距：,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,1,5,2,6,3,7,1,2.2 直流电机的电枢绕组,槽展开,2.2 直流电机的电枢绕组,一个换向片连接一个元件的上边和另一个元件的下边，其编号和上边所在的元件号相同,2.2 直流电机的电枢
9、绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,电刷放置的原则：电刷短路的元件的感应电动势应该为零。,电刷放置的位置：换向器上的几何中心线（主极轴线）。,电刷的个数：2p。,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上并联支路数等于磁极数，2a=2p整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无环流每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和。,2.2 直流电机的电枢绕组,5.单波绕组,2.2 直流电机
10、的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,实例：2p4，Zi=ZSK15 要求绕制左行单波绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,槽展开,2.2 直流电机的电枢绕组,2.2 直流电机的电枢绕组,同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a1，与磁极对数p无关当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大电刷组数应等于极数（采用全额电刷）电枢电流 Ia2ia,2.2 直流电机的电枢绕组,2.3 直流电机的磁场,（1）永磁体磁场：永磁电机(在微电机中使用)（2）电磁铁磁场，由套在主极铁心上的励磁绕组通入电流产生：电
11、励磁电机,2.3 直流电机的磁场,2.3 直流电机的磁场,空载：电枢电流为零时，即为空载，空载时，磁场仅由励磁电流建立。,2.3 直流电机的磁场,主磁通：经过气隙与电枢绕组交链的那部分磁通。,漏磁通：不经过气隙与电枢绕组交链的那部分磁通。,2.3 直流电机的磁场,2.3 直流电机的磁场,典型磁路由两段气隙、两个电枢齿、两个主极、一个定子轭、一个转子轭组成,2.3 直流电机的磁场,气隙磁密在一个主极下的分布不均匀，通常为一平顶波。,2.3 直流电机的磁场,直流电机的磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线。,2.3 直流电机的磁场,1）气隙线2）饱和系数,2.3 直流电机的磁场,直流电机磁
12、化曲线的几种变形,2.3 直流电机的磁场,当电机有负载时，电枢绕组中有电流流过，该电流也会产生磁场，称为电枢磁场。可以分为电刷放在几何中心线上和偏移几何中心线两种情况分析。,2.3 直流电机的磁场,2.3 直流电机的磁场,电枢磁动势在气隙中的分布,称为电机的线负荷，指沿电枢表面单位长度上的安培导体数,2.3 直流电机的磁场,电枢磁动势的轴线方向,当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势的轴线也位于几何中性线上，与主极的轴线正交，称为交轴电枢磁动势。,2.3 直流电机的磁场,电枢磁密的分布,2.3 直流电机的磁场,2.3 直流电机的磁场,1）把电枢磁动势分为两部分讨论2）部分内的导体，电流产生与电刷
13、在几何中性线上时相同性质的磁动势，是交轴性质的，其大小为3）范围内的导体，电流产生与电刷在几何中性线上时相同性质的磁动势，是交轴性质的，其大小为,2.3 直流电机的磁场,电枢磁动势波形,2.3 直流电机的磁场,1）当电机负载运行时，电枢磁场对空载磁场（励磁磁场）的作用叫做电枢反应2）根据电枢磁场性质的不同，电枢反应可以分为交轴电枢反应和直轴电枢反应3）负载运行时的磁场是由空载磁场和电枢磁场共同建立的,2.3 直流电机的磁场,交轴电枢反应,2.3 直流电机的磁场,交轴电枢反应对气隙磁场的影响,1）物理中性线偏移几何中性线，对发电机来说，顺电枢旋转的方向，电动机则逆电枢旋转的方向2）不计饱和时，每
14、个主极下的磁场，一半被消弱，一半被加强，总的磁通不变3）考虑饱和时，加强的那部分磁通比消弱的少，因此总磁通减少4）交轴电枢反应不仅使气隙磁场畸变，而且还有去磁作用,2.3 直流电机的磁场,直轴电枢反应,1）直轴电枢磁动势的轴线与主极轴线重合，因此直轴电枢反应只影响每极磁通的大小。2）以发电机为例，当电刷顺电枢旋转的方向偏移时，电枢磁场与励磁磁场方向相反，起去磁作用3）当电刷逆电枢旋转的方向偏移时，电枢磁场与励磁磁场方向相同，起助磁作用4）电机作为电动机运行时，情况与发电机相反,2.3 直流电机的磁场,假设绕组为整距，电刷在几何中性线上，Na为电枢导体总数，则每条支路串联导体数为Na/2a。那么
15、第k根串联导体的感应电动势为,2.3 直流电机的磁场,支路感应电动势,2.3 直流电机的磁场,电磁转矩推导,2.3 直流电机的磁场,对有2p个主极，则每个主极下有Na/2p根电流方向相同的导体，则它们合成的电磁转矩为：,2.3 直流电机的磁场,电动势常数与转矩常数的关系,2.3 直流电机的磁场,例1：一台四极直流发电机，单波绕组，电枢绕组的元件数S=162，每个元件匝数Ny=2，每极磁通=0.0051Wb，转速n=1450r/min。求电枢电动势。,例2：一台四极他励直流电动机，铭牌数据：Pn=100kW,Un=330V,nN=730r/min,=91.5%,电枢绕组为单波绕组，电枢总导体数Na=186，额定每极磁通=0.0698Wb。求额定电磁转矩。,2.3 直流电机的磁场,返回,Thank You For Your Attention!,
