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1、,电机学多媒体课件系列,福州大学 电气工程与自动化学院 电机学教研组,2006.10,第五篇 直流 电 机,第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系,目 录,第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系 16.1 直流电机的基本结构 16.2 直流电枢绕组 16.3 直流电机的磁场和电枢反应 16.4 电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式 16.5 电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式,16.1 直流电机的基本结构,优点：1良好的起动和调速性能 2方便、可靠、波形好、对电源的干扰小 缺点：结构复杂、价格高、维护不便,特点：换向器，旋转电枢,用途：1直流电源励磁机（如同步机） 2调速性能要求高的场所
2、电车、电力机车,直流电机模型,固定部分（定子）：主磁极、电刷 转动部分（转子）：铁心和绕组（电枢）,直流电机工作原理,换向器的作用： 1、实现电刷与换向片的滑动接触，使电枢旋转回路与外电路（静止）相连 2、改变电势、电流的方向（机械式整流）,实际的电枢有多个线圈、多对磁极(减小脉冲，提高功率）,理论上一台电机既可以作电动机又可以作发电机(可逆),外部电刷两端电动势为直流量,内部线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量,结论：,定子：主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置 转子：电枢铁心 、电枢绕组、换向片、转轴、风扇,直流电机的基本结构,一、定子部分,主磁极 作用：建立主磁场。 构成：叠片铁心和
3、套装在铁心上的励磁绕组,机座 作用：1、主磁路的一部分 2、电机的结构框架 构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成,换向极： 作用: 是改善直流电机的换向情况，不产生有害的火花 构成：铁心和绕组构成，固定在机座上，对数同主磁极,电刷装置 作用：电枢电路的引出（或引入）装置。 构成：电刷(石墨)、刷握、刷杆和连线等。,二、转子部分,电枢铁心 作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。 构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的 硅钢片叠压、夹紧而成,电枢绕组 作用：产生感应电势，承载电流，产生转矩 构成：圆截面铜线或扁导线、空心导线 （槽楔、绝缘材料）,换向片： 作用：与电刷配合，以机械方式输
4、入（出）直流电动势 构成：许多鸽尾形的换向片排成一个圆筒，之间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。,直流电机的换向片,交流电机的集电环,三、励磁方式,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机 按励磁方式 分类,他励,自励 (发电机）,永磁,并励 串励 复励,积复励 差复励,他励 励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。,*以发电机为例,并励 励磁绕组与电枢绕组并联。,他励,并励,串励 励磁绕组与电枢绕组串联,串励,复励 并励和串励两种励磁方式的结合。两励磁绕组产生的磁场方向相同则为积复励，反之为差复励。,长分接法,短分接法,四 、直流电机的额定值,（1）额定功率：指电机在铭
5、牌规定的额定状态下运 对电动机，额定功率是指输出的机械功率； 对发电机，额定功率是指输出的电功率。,行时，电机的输出功率，以kW表示。,（2）额定电压：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。,（3）额定电流：指电机运行在时，电机的电流，以A表示。,（4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示。,（5）额定励磁电压: （仅对他励电机）。,课时小结,1、直流电机的优点？结构特点？换向器的作用？ 2、直流发电机（电动机）的工作原理？ 3、直流电机的换向器和交流电机集电环的异同点？ 4、直流电机的励磁方式及其特点？接线图？ 5、额定值：PN，UN，IN,16.2 直流电枢绕组,一、
6、直流电枢绕组的基本知识,1、电枢绕组的基本要求： 产生足够的感应电势；允许通过规定的电流；节约材料、工艺简单、运行可靠,2、相关术语,元件(线圈)：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,实槽Z：实际槽数Z,元件数S 、换向片数K 、总导体数N,叠绕组： 后一个元件紧叠在前一个元件，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：相隔约一对极距的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,特点：相邻两元件（串连）在电枢表面仅差一个虚槽（换向片）,特点：相邻两元件相隔约为一对极距,第二节距y2： 前一元件下层边与后一元件上层边的距离,合成节距y：相串连的两元件对应圈边在电枢表面跨过的距离,换向节距yk：同一元件
7、首末端连接的换向片之间的距离,3、直流电枢绕组的基本型式 闭合绕组：从电枢上某一导体出发，按一定的规律串连所有导体后，仍回到出发点，自成闭合回路。 五种连接型式：单迭、复迭、单波、复波、混合绕组 基本型式：单迭、单波,一、单叠绕组,2）第一节距：,3）合成节距：,4）第二节距：,（y0右行；y0左行）,以 Ze=20、2p=4、S=K=20为例 画绕组连接展开图步骤如下：,1、计算：1）极距：,2、作图,开始演示展开图,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20,19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1
8、4 15 16 17 18,1）标槽号、换向片号,3）画磁极、电刷,4）标电流方向。电刷极性,5）画并联支路，引出出线,2）连接各元件,(2p=4、=5、y1=5、y=1、y2= - 4 ),3、元件连接图,4、小结：,7）电刷位置在三线合一处，使得引出电势最大,1）单迭绕组中：,（固定）,4）电刷数极数,5）电刷间引出电势支路电势,叠绕组是一种并联支路数较多、电枢电流较大、而电刷间电动势较小的并联绕组,二、单波绕组,2）合成节距：,3）第一节距：,4）第二节距：,以 Ze=19、2p=4、S=K=19为例 画绕组连接展开图步骤如下：,1、计算：1）极距：,2、作图,开始演示展开图,1 2 3
9、 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19,18 19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17,1）标槽号、换向片号,3）画磁极、电刷,4）标电流方向。电刷极性,5）画并联支路，引出出线,2）连接各元件,(2p=4、=4.75、y1=5、y=9、y2= 4 ),3、元件连接图,4、结论,3)、电刷数极数 理论上两条并联支路仅需一对电刷，实际上仍使用全额电刷，目的是保持流过电刷的电流密度不变。,2)、2a2 （a=1）即单波绕组只有两条支路 第一条支路：N极下所有元件串连 第二条支路：S极下所有元件串连,单波绕
10、组是具有最少并联支路数（2条）、电枢电流较小、电刷间电动势较大的串联绕组,三、其它形式的绕组,1、双叠绕组：y=2（两个单叠） 并联支路数为4p,3、复叠、复波、混合绕组等,课时小结,1、直流绕组的基本要求？ 2、虚槽和各类节距的概念？ 3、单叠绕组展开图的画法及其特点？ 4、单波绕组展开图的画法及其特点？ 5、书面作业：16-4、16-5、16-6,16.3 直流电机的磁场和电枢反应,一 、空载时直流电机的磁场,1、产生：,2、波形：平顶帽状,3、性质： 直流励磁恒定磁场,边缘磁通,主磁路：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭,二 、负载时的电枢磁场,电枢磁场：负载时电枢电流产生的磁场,
11、2）、三个元件,磁动势为阶梯波,幅值：,1、电枢磁动势 Fa 产生及波形,3)、N个元件 磁动势近似为三角波 幅值：,电枢绕组支路电流:,一个极内的导体数为：,4)、电枢磁动势表达式,对照图,线负荷（100600 ),任意点处：,幅值位置：在磁极中心线，Fa=0 在/2 处，Fa最大值,电刷在q轴，Fa Ba（马鞍波）,2、电枢磁场,不考虑主磁极磁场时的电枢磁场,气隙不均匀,三、交轴电枢反应,电枢反应: 电枢磁场对主磁极磁场产生的影响,交轴电枢反应：电刷处于交轴时，电枢磁场仅有交轴分量，此时的电枢反应称之,交轴电枢反应的影响：,1）不考虑饱和 从 B 的分布:,产生畸变，总磁通量不变,几何 中
12、性线,物理 中性线,3）产生换向火花引起环火,2）若考虑饱和：分布不均产生畸变呈去磁作用,四、直轴电枢反应,1、电刷移过角,电枢电流分布改变,Fad呈去磁作用,Fad呈助磁作用,电刷移过角时：,2、交直轴电枢反应磁势大小,当电刷在交轴时：,课时小结,1、直流电机空载时气隙磁场的产生及分布？主磁路的组成？ 2、直流电机电枢磁动势Fa及磁通密度Ba的分布波形？Fa的计算公式？ 3、直流电机的电枢反应对电机运行性能的影响（直轴、交轴）？Fad、Faq的计算公式？,16.4 电枢绕组的感应电动势 和电压、功率平衡方程式,式中: Bx导体所在气隙磁密 l 导体有效长度 v 导体切割气隙磁场速度,一、电枢
13、绕组的感应电动势Ea,每根导体的感应电动势ex为,Ea = E电刷 = E支路，则有：,令 为平均气隙磁密，则上式改写为,将 代入上式得,电枢绕组电动势公式 ：,式中:,2、电刷间的电势仅和极面下的总磁通有关，与磁密分布无关。负载的感应电动势比空载时略小。,3、上式为电刷接交轴导体位置导出，若将电刷移至直轴导体位置时，则 Ea=0,结论：,5、电刷间为直流电动势，而导体电动势却是交变的,6、电刷间电动势并非几个固定导体的电动势之和，而是位于电刷间一定位置的各导体的感应电动势之和。,7、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),二、电压平衡式,1、发电机情况下
14、（并励机为例）,特点：EaU Ea方向与Ia方向一致,2、电动机情况下,特点：EaU Ea方向与Ia方向相反,并励直流发电机,并励直流电动机,三、功率平衡式,1、发电机情况下 ( 以并励为例 ),电磁功率：,（电功率）,（机械功率）,输入机械功率：,式中： p0=pmec+pFe 空载损耗（不变损耗） pa+pb 负载损耗（可变损耗，空载时可略） 效率：=P2/P1=(P1-p)/P1,2、电动机情况下 ( 以并励为例 ),（电功率）,（机械功率）,课时小结,1、直流电机电枢绕组感应电动势公式？特点？ Ea=Cen Ce=PN/(60a) 2、直流发电机、电动机的电压平衡方程和功率平衡？ 发电机：Ea=U+Iara+2U 电动机： U=Ea+Iara+2U 功率：PM=EaIa 3、书面作业：16-?,a)电枢绕组中某一导体的所受电磁力为:,该电磁力所产生的电磁转矩为:,b)总电磁转矩:,16.5 电枢绕组的电磁转矩 和转矩平衡方程式,c)为简化计算,设每极平均磁通密度为:,则总电磁转矩:,则一根导体的平均电磁转矩为:,d)电磁转矩也可以利用电磁功率来求:,e)两个重要表达式:,1、直流发电机的转矩平衡式:,原动机的输入转矩为:,空载制动转矩:,2、直流电动机的转矩平衡式:,电动机的轴上输出转矩:,附录1,Back,Fa,