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1、第二章 直流电机,1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法；3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；,本章教学目的：,重点：直流电机的基本平衡方程式和工作特性。难点：电枢反应。,重点和难点,学时安排：8学时,二、直流电机的主要结构,一、直流电机的工作原理,1、直流电动机的工作原理,2、直流发电机的工作原理,3、可逆原理,1-1、直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,1、直流电动机工作原理,在电动
2、机中换向器和电刷的作用,换向器和电刷的共同作用是：1、保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，使电动机能连续的旋转。2、将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；3、把外面不转的电路与转动的电路连接。思考：若无换向器，会出现什么结果？,直流发电机工作原理,2、直流发电机的工作原理,分析,t=0时，A端为，与之相接触的电刷B1为+，X端为，与之相接触的电刷B2为-；当电枢旋转了180后，在上图b中t=180时，X端旋转到N极下，X端为，A端旋转到S极下，A端为。,线圈AX地感应电势波形图,换向器和电刷作用,从分析中可得出：N极下导体电势指向纸外，电刷B1总为+；S极下导体电势指向纸内，电刷B2总
3、为-，不难看出，线圈中的电势是交流电势，而通过换向器的作用，使电刷间的电势为直流电势。换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；把转动的电路与外面不转的电路连接。从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。,电刷B1与B2间的电动势波形图,电刷B1与B2间的电动势波形,3、直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流
4、发电机对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能，成为电动机。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,二、直流电机的主要结构,直流电机结构,直流电机结构图,定子、转子和气隙,定子：在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。转子：随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换相器等）称为转子（或称为电枢）。气隙：定、转子之间有一空隙，称为气隙。,主磁极与换向极示意图,电刷装置图,1、主磁极、换向极、电刷装置示意图,2、转子（电枢）,转子由
5、电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。,电枢绕组,电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,换向器,换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。,3、气隙,为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一
6、部分。,换向片和换向器,换向片和换向器,2-2 直流电机的铭牌数据 1额定容量（功率）（kW）2额定电压（V）；3额定电流（A）;4额定转速（rmin）；5.额定励磁电压(V)5励磁方式和额定励磁电流（A）,注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。所以，直流发电机的额定容量为：而直流电动机的额定功率为：,2-3 直流电机的电枢绕组,一、直流枢绕组基本知识,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。,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距
7、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。,换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,绕组示意图,波绕组示意图,叠绕组示意图,二、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：。,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）
8、电枢电流等于各支路电流之和。,一台直流电动机的绕组数据为：极对数p=2，槽数Q为16，元件数S等于换向片数K，都为16，即Q=S=K=16；y1=4，yc=1。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。,绕组的并联支路电路图,三、单波绕组,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
9、之和。,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相邻的位置。,单波绕组的并联支路图,作业：2-1思考：2-2,2-4、直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式,二、直流电机的空载磁场,空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流 的状态。那么，这时的气隙磁场，只由主磁极的励磁电流 所建立，所以直流电机空载磁场是指励磁磁势单独建立的磁场，所以又称励磁磁场。即空载的气隙磁场=励磁磁场=空载磁场,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，流过电流为，每极的励磁磁动势为：,空
10、载时直流电机的磁场分布：主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通。,漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通。,特点：1）由同一个磁动势所产生 2）所走的路径不同，这就导致了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。,直流电机中，主磁通是主要的，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
11、。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。,为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需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。,电机的磁化曲线可以通过电机
12、磁路计算求的。电机的主磁通所经过的磁回路由主磁极铁心、气隙、电枢齿、电枢铁心和磁轭等五部分组成。,所以电机磁化曲线的形状必然和所采用的铁磁材料的B-H曲线相似。,三、直流电机负载时的磁场及电枢反应,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。负载时电机中的气隙磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。,直流电机工作中，主磁极产生励磁磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对励磁磁动势的影响称为 电枢反应。,1、电机磁场,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
13、动势产生的气隙磁场在空间的分布情况。,如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，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。,2、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。,电枢磁场磁通密度分布曲线,主磁场的磁
14、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：,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。,2)、对主磁场起去磁作用,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轴去磁性质。,2、
15、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。,这时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。如图(a)(b)所示。,电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明,2-4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,一、直流电机的感应电动势,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感应电动势。电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。,大小:,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。,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
16、电流反方向).,二、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磁转矩。,大小:,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。,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)。,一、直流电机的基本方程,2-5 直流电机的运行原理,（一）、电动势平衡方程,式中：电枢回路总电阻；正、负电刷电压降，一般为0.62伏；发电机：取“+”；电动机：取“-”；,忽略电刷压降，则,结论：发电机：；电动机：；即根据 与U的大小判断直流电机的运行状态。,例题2-1一台并励直流发电机数据为：PN=82kW，UN=230V
17、，nN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕组内阻Rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调节电阻Rf=3.5，一对电刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。解：（1）求电磁功率 励磁电流为：额定负载电流为：,电枢电流为：电枢电势为：电磁功率为：（2）求输入功率,（3）求电磁转矩（4）求效率,作业：P55 2-3、2-5、2-12、2-14,一、直流电动机的 工作特性：直流电动机的工作特性，是指在U=UN，时,转速n、电磁转矩T和效率 随输出功率 而变化的关系。1、并励（他励
18、）直流电动机的工作特性：1）转速特性：条件：，时，的关系，叫做转速特性。,2-7 直流电机的运行原理,2）转矩特性：3）效率特性：,2、串励直流电动机的工作特性：由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的。因此，其工作特性将与他（并）励直流电机的工作特性有所不同。1）转速特性：2）转矩特性：3)效率特性,注意：1、串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。2、在同样的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。即起动性能好。,3、复励直流电动机的工作特性：复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要
19、作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险，复励电动机的转速特性如图所示。,二、直流发电机的特性,（一）空载运行 1.空载特性 空载特性是指原动机的转速n=nN，输出端开路，负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：U0=（If0）,空载时，。由于，因此空载特性实质上就是。由于 正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,实验接线图,空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。,发电机空载特性,注意：,实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额
20、定点，电压可测取到U0=（1.11.3）UN为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。,2、并励和复励直流发电机空载电压的建立：在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励式和自励式，现在，我们就来看看这种自励过程是如何实现的：,由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的电流，电枢绕组
21、切割剩磁产生一个不大的剩磁电动势Eor。如果励磁绕组与电枢两端并联的极性正确，即励磁绕组磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，则气隙磁场得到加强，电枢绕组中的电动势又因气隙磁场加强而增加，励磁电流也相应增加，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。,自励电压建立条件,并励直流发电机的自励条件是：电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将电枢反转；励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。,（
22、二）、负载运行,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：一是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；另一个原因是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。,2-8 直流电机的换向,定义：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。,一.换向的电磁现象,下图是某一单叠绕组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换向片宽度相等，电枢以a的速度从右向左旋转。,1、换向之前：如图（a）所示，电刷与换向片1接触，1号元件中的电流ia从下层边流向上层边，设为+ia，元
23、件处于右支路。2、换向之中：如图（b）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号元件被短接，元件中的电流正从+ia向-ia变化。3、换向之后：如图（c）所示，电刷与换向片2接触，1号元件中的电流ia从上层边流向下层边，电流为-ia，元件处于左支路。4、电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元件的换向时间称为换向周期，记作：Tk。,说明,实际电机换向时，换向元件中e0。换向元 件中存在以下电动势：（1）自感电动势eL换向元件中电流变时产生的自感电动势（2）互感电动势eM同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势，通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势eX，即：。电抗电动势总是阻碍 换向
24、元件中的电流变化的，eX方向应与换向前元件的电流方向一致。,1.换向元件的电抗电动势,2、电枢反应电动势ea,换向元件处在几何中心线上，主磁场在此区域磁同密度0=0，但电枢磁密a0，在刷位正常时最大，换向元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea，其方向与er相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。,换向元件中的电流变化,二、改善换向的方法,由于换向元件中的e=ea+ex0，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流 产生，设闭合回路的总电阻为R，环流为：环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随时间直线变化，电流的变化比直线换向慢，如图曲线2所示，这种换向称为延迟换向。延迟换向使电刷电流密度不均匀，电刷后部
25、电流密度比前部大，因此在电刷后部出现火花。,方法,1、为了改善换向，应使ik=0，想办法产生ek，使ek大小等于ea+er，方向与ea+er的方向相反，则e=0。如果ek作用大于ea+er，则电流变化如图曲线3所示，这种换向称为超前换向，超前换向使电刷前部出现火花。2、改善换向的方法是加装换向磁极。在几何中心线处加装换向磁极，换向绕组与电枢绕组串联，使BkIa，换向磁极的极性与电枢磁场极性相反，以抵消ea+ex的作用。,加装换向磁极,环火原因和克服环火的方法,前面介绍的直流电机电枢反应内容可知，电枢反应使气隙磁密发生畸变，使位于Bmax处的元件所连接的两换向片之间的电压增大，此电压超过一定限度
26、，可能出现环火，即在正、负电刷之间出现电弧，环火能使电机在很短时间内损坏。为了防止环火，可在主磁极的极靴中加装与电枢绕组串联的补偿绕组，它所产生的磁势应与电枢磁势相反。,本章小结,1、直流电机的基本工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律上的，直流电机的运行是可逆的，同一台电机既可在一定条件下作发电机运行，又可在另一条件下作电动机运行，如在原动机的拖动下，可作为发电机，将输入的机械能转变为电能；如在电枢两端输入直流电能，可作为电动机，将输入的电能转变为机械能。,2、直流电机由定子和转子组成，定子主要用于建立主磁场，转子主要作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽，故又称电枢。旋转
27、着的电枢绕组中的电流、电势都是交变的，但电机的外部静止电路中的电流、电压是直流性质，这是换向器和电刷的共同作用的结果，因此换向也就成了直流电机特有的问题，对直流机的换向应有所了解。,3、直流电机的铭牌数据是正确选择和合理使用的依据，必须理解各额定值的含义。直流电机一般可分为他励、并励、串励和复励四种，不同的励磁方式产生不同工作特性。电机负载运行时，电枢磁场对主磁场会产生影响，这种影响称电枢反应，电枢反应的结果是：使气隙磁密发生畸变；物理中心线偏离几何中心线一角度，并有祛磁作用。,4、发电机和电动机运行时都有感应电势Ea=CeN和电磁转矩T=CTIa，在发电机中，EaU（电枢端电压），电磁转矩是制动转矩，在电动机中，感应电势为反电势，UEa，电磁转矩是拖动转矩。5、熟练运用直流电机的三个基本平衡方程式，可定量计算电机运行中的各物理量，同时还可求得电机的各种工作特性。,6、并励直流发电机能自励的条件是：电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变并励绕组极性；励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。,作业：2-16、2-18、2-19、2-21思考题：2-8、2-9、2-13,
