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1、第3章,3.1直流电机的工作原理和基本结构3.2直流电枢绕组3.3空载和负载时直流电机的磁场3.4电枢的感应电动势和电磁转矩3.5直流电机的基本方程3.6直流发电机的运行特性3.7直流电动机的运行特性3.8直流电动机的起动、调速和制动 3.9换向,3.1直流电机的工作原理和基本结构,1.直流电机的工作原理2.直流电机的基本结构3.励磁方式4.直流电机的额定值,1.直流电机的工作原理,图3-1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分(定子)上，装有一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢。定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装有由A和X两根导体连接而成的电枢线圈，线圈的首端
2、和末端分别接到两个圆弧形的铜片K1和K2，此铜片称为换向片，换向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器，换向器固定在转轴上。换向器上放置着一对静止不动的电刷B1和B2，电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,1.直流电机的工作原理,图3-1两极直流电机模型a) t=时b) t=时,1.直流电机的工作原理,图3-2气隙磁场的分布波形,1.直流电机的工作原理,图3-3线圈电动势和电刷、间的电动势a)线圈电动势b)电刷间的电动势,1.直流电机的工作原理,图3-4电枢上装有6个线圈(11到66)的情况,1.直流电机的工作原理,图3-5每条支路有3个串联线圈时，电刷上的电动势波形,2.
3、直流电机的基本结构,图3-6直流电机的结构,旋转电机都有定子和转子两部分，在定、转子之间有一个储存磁能的气隙。 直流电机的定子由主磁极、机座、端盖和电刷装置等部件组成，转子是电枢，它由电枢铁心、电枢绕组和换向器等部件组成。,2.直流电机的基本结构,图3-7主磁极,2.直流电机的基本结构,图3-8电枢铁心,2.直流电机的基本结构,图3-9电枢槽内的导体和绝缘,2.直流电机的基本结构,图3-10换向器,2.直流电机的基本结构,图3-11电刷装置,3.励磁方式,图3-12直流电机按励磁方式分类a)他励式b)并励式c)串励式d)复励式,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按照励磁方式，直流电机分成他励和自
4、励两大类，,他励式他励式直流电机的励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连接，如图3-12a所示。自励式在自励式发电机中，利用电机自身发出的电流来励磁；在自励式电动机中，励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。自励式直流电机又可分为并励、串励和复励等三种。,4.直流电机的额定值,(1)额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的，以kW表示。(2)额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。(3)额定电流IN指电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，电机的，以A表示。(4)额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min(转/分)表示。(5)额定励磁电压UfN指额
5、定状态下运行时，他励式电机励磁绕组所加的电压，以V表示。,3.2直流电枢绕组,1.直流电枢绕组的构成,1.直流电枢绕组的构成,图3-13电枢绕组的元件,组成绕组的基本单元称为元件。一个元件由两条元件边和前、后端接线组成，如图3-13所示。,1.直流电枢绕组的构成,图3-14两匝元件a)叠绕元件b)波绕元件,1.直流电枢绕组的构成,若电枢每个槽的上、下层内各只有一个元件边，则整个绕组的元件数S应等于槽数Q。多数直流电机中，每槽的上层和下层各包含u个元件，这u个元件将组成一个线圈如图3-15所示，此时元件数S应为槽数Q的u倍，即,1.直流电枢绕组的构成,图3-15含有两个元件(u=2)的线圈,第一
6、节距同一个元件的两条有效边在电枢表面所跨的距离，称为，第一节距也称为，用y1表示，如图3-16和图3-17所示。第一节距通常用所跨的虚槽数来计算，它是。通常把一个主磁极在电枢表面所跨的距离，称为，用表示。若p为电机的，用虚槽数表示时，极距就等于 。,y1，即,图3-16叠绕元件在电枢上的连接,图3-17波绕元件在电枢上的连接,2.单叠绕组,合成节距单叠绕组的连接规律是，所有的相邻元件依次串联(即后一元件的首端与前一元件的尾端相连)每串联一个元件就向右移动一个虚槽，同时元件的出线端在换向器上向右移动一个换向片，最后形成一个闭合回路。,2.单叠绕组,2.单叠绕组,图3-18单叠绕组的展开图(2p=
7、4,S=K=16),2.单叠绕组,图3-19图3-18所示瞬间电枢绕组的电路图,3.单波绕组,单波绕组的连接规律是，从某一换向片和虚槽出发，把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件依次串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周之后，恰好回到出发换向片和虚槽的前面一片和一槽,然后从此换向片和虚槽出发，继续绕连，直到把全部元件连完，最后回到起始的换向片和虚槽，构成一个闭合电路为止。,图3-20单波绕组展开图 (2p=4,=S=K=15)a)部分展开图b)全部展开图,图3-21图3-20所示瞬间单波绕组的电路图,3.3空载和负载时直流电机的磁场,1.空载时直流电机的磁场2.负载时的电枢磁动势和电
8、枢反应,1.空载时直流电机的磁场,图3-22空载时直流电机内的磁场,直流电机的空载是指电枢电流等于零，或者很小，因而可以忽略不计的情况。由于电枢电流为零，所以空载时直流电机内的磁场由励磁绕组的磁动势单独激励所产生，如图3-22所示。,1.空载时直流电机的磁场,图3-23空载时直流电机的气隙磁场,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,直流电机带上负载时，电枢绕组中就有电流流过，载流的电枢绕组将产生电枢磁动势。此时，气隙磁场将由主极磁动势和电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。负载时电枢磁动势对主磁场的影响称为电枢反应。 从图3-24和图3-25a不难看出： (1) 在主极N极的右半部分，交轴电枢磁场的方
9、向为从电枢表面指向主极，对主极磁场起去磁作用；在N极的左半部分，交轴电枢磁场的方向为从主极指向电枢表面，对主极磁场起增磁作用；由此引起，(称为)。(2)不计磁饱和时，交轴电枢磁场对主极磁场的去磁作用和增磁作用恰好相等，总体上看，、，此时气隙内的合成磁场b如图3-25b中实线所示。(3)考虑磁饱和时，增磁边将使该部分主极铁心的饱和程度提高、磁导率减小，从而使该处实际的气隙磁场比不计饱和时略弱，如图3-25b中虚线所示；去磁边的实际气隙磁场则与不计饱和时基本一致；因此负载时每极下的磁通量将比空载时略少，即。,2.负载时的电枢磁动势和电枢反应,图3-24电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,图3
10、-25交轴电枢反应a)负载时的合成磁场b)空载磁场和负载时气隙的合成磁场,图3-26电刷不在几何中性线上时，电枢磁动势的交轴分量和直轴分量a)电枢磁动势b)交轴分量c)直轴分量,3.4电枢的感应电动势和电磁转矩,1.电枢绕组的感应电动势2.电枢的电磁转矩,1.电枢绕组的感应电动势,图3-27气隙磁场分布和导体感应电动势和电磁力的计算,2.电枢的电磁转矩,3.5直流电机的基本方程,1.电压方程2.转矩方程3.电磁功率4.直流电机的可逆性,1.电压方程,1.电压方程,图3-28稳态运行时直流电机的电路图a)发电机b)电动机,2.转矩方程,图3-29直流电机的电磁转矩和外施转矩a)发电机b)电动机,
11、2.转矩方程,3.电磁功率,4.直流电机的可逆性,图3-30并励直流电机的可逆性下标(G)表示发电机，(M)表示电动机,3.6直流发电机的运行特性,1.他励发电机的负载运行2.他励发电机的运行特性3.并励发电机的自励和外特性4.复励发电机的外特性,1.他励发电机的负载运行,图3-31他励发电机的负载运行,2.他励发电机的运行特性,3z32.tif,2.他励发电机的运行特性,3z33.tif,3.并励发电机的自励和外特性,图3-34并励发电机的接线图,3.并励发电机的自励和外特性,图3-35并励发电机自励时的稳态空载电压,3.并励发电机的自励和外特性,图3-36并励发电机的外特性,4.复励发电机
12、的外特性,图3-37复励发电机的接线图,4.复励发电机的外特性,图3-38积复励发电机的外特性,3.7直流电动机的运行特性,1.并励电动机的负载运行2.并励电动机的运行特性3.串励电动机的运行特性4.复励电动机的特点5.电力拖动系统运行的稳定性,1.并励电动机的负载运行,图3-39并励电动机的接线图,2.并励电动机的运行特性,工作特性工作特性是指电动机的端电压U=UN、励磁电流If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩Te和效率与输出功率P2的关系,2.并励电动机的运行特性,图3-40并励电动机的工作特性,2.并励电动机的运行特性,图3-41并励电动机的机械特性,3.串励电动机的运行特性,图3-
13、42串励电动机的接线图,串励电动机的特点是，电枢电流、线路电流和励磁电流三者相等,3.串励电动机的运行特性,图3-43串励电动机的工作特性,3.串励电动机的运行特性,图3-44串励电动机的机械特性,4.复励电动机的特点,图3-45复励电动机的接线图,复励电动机的机械特性积复励电动机既有并励绕组、又有串励绕组，故其机械特性介于并励和串励电动机之间。若励磁磁动势中以并励磁动势为主，则其特性接近于并励电动机；但由于有串励磁动势的存在，当负载增大时，电枢反应的去磁作用可以受到抑制，不致使转速上升(见图3-46中曲线1)，从而保证电动机可以稳定地运行。,4.复励电动机的特点,图3-46复励电动机的机械特
14、性,5.电力拖动系统运行的稳定性,图3-47电力拖动系统运行的稳定性a)稳定b)不稳定,3.8直流电动机的起动、调速和制动,1.直流电动机的起动2.直流电动机转速的调节3.直流电动机的制动,1.直流电动机的起动,图3-48三点起动器及其接线图,2.直流电动机转速的调节,(1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。(2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。,(1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。,(2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。,图3-49电枢接入调速电阻后并励(他励)电动机的机械特性(),(2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。,图3
15、-50不同电枢电压时他励电动机的机械特性(),(2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。,图3-51不同励磁电流时，他励(并励)电动机的机械特性(),(2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。,图3-52改变电枢端电压时，串励电动机的机械特性(),3.直流电动机的制动,图3-53并励电动机能耗制动时的接线图,3.直流电动机的制动,图3-54并励电动机反接制动时的接线图,3.9换向,1.电流的换向过程2.改善换向的方法3.环火和补偿绕组,1.电流的换向过程,图3-55元件1中电流的换向过程a)元件1属于右边支路b)元件1被电刷短路c)元件1进入左边支路,1.电流的换向过程,图3-56换向元件中电流的变化a)换向元件b)直线换向和延迟换向,2.改善换向的方法,图3-57用换向极来改善换向,3.环火和补偿绕组,图3-58环火,3.环火和补偿绕组,图3-59补偿绕组,3.环火和补偿绕组,图3-60装有补偿绕组的大型直流电机内的磁场分布a)定、转子内的磁场分布,3.环火和补偿绕组,图3-60装有补偿绕组的大型直流电机内的磁场分布b)气隙磁场分布,3.环火和补偿绕组,表格,