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1、第16章 直流电机DC Machines,结构基本原理电磁关系,一、 直流电机的基本结构,1.1 定子 转子 （固定部分） （转动部分）,主磁极换向极机座端盖轴承电刷装置,产生磁场、电机的机械支撑,电枢铁心电枢绕组换向器轴风扇,感应电势，而实现能量转换的部分,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心 由05mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心由05mm厚的硅钢片叠装而成，用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中，用槽楔固定 。,1.2 直流电机的磁路,磁极铁心由l-1.
2、5mm厚的钢片叠成，与励磁线圈一起固定在磁轭上 极靴表面沿圆周的长度称为极弧，二个相邻磁极上沿空气隙圆周表面的距离称为极距，极弧与极距比为极弧系数，约0.60.7,极靴极靴较磁极极芯向外引伸，使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均匀，有利于固定励磁线圈 由于齿槽效应，表面磁通变化引起涡流损耗，极靴由叠片制成,磁轭在磁极外围将磁路闭合的部分，磁轭和底座相连 其中磁通不变（当直流励磁电流不变时），由铸刚构成,换向极磁路换向极，是位于两个主磁极之间的小磁极，用于改善换向。换向极常用整块钢或厚钢板制成 换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向
3、极,1.3 直流电机的电路,励磁绕组 套在磁极铁芯上。并励绕组和电枢绕组并联，匝数较多、截面积较小串励绕组和电枢绕组串联，匝数较少，截面积较大从电阻和能量消耗的角度考虑电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中叠绕组和波绕组换向极绕组 与电枢绕组串联，激励换向极磁通。 换向器将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电势。,1.4 电刷装置,电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直 流电压,电刷组数一般等于电机极对数,1.5 直流电机的励磁方式,直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运
4、行特性有大的影响他励励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给,自励的形式,励磁回路的功率占总功率的1-5%。,二、 直流电机电枢绕组,二、直流电机电枢绕组,作用：电枢绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。 特点：直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,用环型绕组说明直流绕组的闭合情况电枢旋转时，各线圈依次通过电刷作为引出端,2.1
5、 双层绕组,线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中：两边都能切割磁场而产生感应电势。两边电势相加：线圈的两边必须处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距。线圈对称排列：当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。,虚槽概念,在大型电机中、每层可能有N个并列圈边为了改善电机的性能，用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽，采用在每槽的上下层各放置若干元件边。,每层有3个圈边,每一元件有两个圈边，每一换向片上接有两个圈边，每一虚槽内放置有两个圈边，元件数S等于换向片数K，也等于虚槽数 每线圈有Nc匝，则总导体数N,2.2 直流绕组的节距,第一节距y1元件的
6、宽度，虚槽数，两个圈边之间的距离第二节距y2联至同一换向片的两个圈边之间的距离 合成节距y紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距 换向器节距yk每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示,2.3 单叠绕组,每个元件出线端依次连在相邻的换向片上，后一个绕组元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。,右行左行,例：绕组20虚槽，四极，双层,由右手定则判电流方向在电枢几何中心线上的元件边感应电势为0,为获得对称的绕组，每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合,例：绕组20虚槽，四极，双层,直流绕组是闭合绕组,每一极面下的元件串联成一支路,每支路中一个元件被电刷短路，处于换向状
7、态中,在整个闭合回路中，感应电势总和为0，绕组内部无环流,电刷数等于极数。同极性的电刷连接形成一个“极”,电刷之间的引出电势为每一支路个元件的电势和,电刷放置法,使电刷间导出的电势有最大值使与电势为零的元件所连接的换向片相连接,当导体转至交轴时，感应电势为零，电刷应与处于交轴位置的导体相连如导体对称，则磁极的几何中心线处为电刷位置换向绕组的绕组轴线、磁极轴线和电刷位置在同一位置上。,2.4 单波绕组,每一绕组元件的出发点和终端不在相邻的两换向片上，而相隔近似为一个极距相邻两元件相隔近似一对极距连接p个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽,例：电枢绕组19槽，四极,例：电枢绕组19槽，四极,只有
8、两条并联支路：所有N极下的导体并联为一支路，所有S极下的并联为另一支路。2a=2电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷电刷位置：应与电势为零的元件所连接的换向片相连,2.5 单叠绕组和单波绕组的差别,单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数电枢间电势较下，电枢电流较大，称并联绕组单波绕组：N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2电刷间电势较大，电枢电流较下，称串联绕组。,叠绕,波绕,三、 直流电机的简单工作原理,三、直流电机的简单工作原理,旋转电枢式的直流电机电枢旋转、磁极固定，带有换向器,通过换向片，电刷1总与位于N
9、极下的导体相连，极性为正电刷2与位于S极下的导体相连，极性为负,3.1 单线圈导体的感应电势,电刷l、2间的电势e12为一含有很大脉动分量的直流电势，如单相全波整流一样。电势和电流脉动的很大,3.2 两线圈串联后的合成电势,与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度，换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角度。当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相距90电角度,当有足够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电势。若电机每极下的导体数大于8，电势脉动幅度可小于1%,直流发电机实质是带换向器的交流发电机,四、 直流电机的磁场和电枢反应
10、,四、空载时直流电机的磁场,由磁极的直流励磁电流产生，空气隙磁场不随时间变化，是恒定 磁场；空间上，忽略极面下的齿槽效应，沿极面均匀分布。,边缘磁通,空间上，非正弦分布，在导体中感应电势将包括有高次谐波。,主磁通与磁极漏磁通,主磁通 ：产生感应电势和电磁转矩的有效磁通，通过空气隙，同时键链电枢绕组和励磁绕组。磁极漏磁通：从磁极的侧面逸出，只和励磁绕组键链。磁极磁通：包括主磁通和漏磁通， k = + 电枢磁通：主磁通的一半定子磁轭磁通：磁极磁通的一半,附：主磁路计算的基本原理,实验方法通过空载特性或磁化曲线计算励磁电流和主磁通的关系计算方法磁路计算。假设全部磁通集中在一定路径上流通，则可以用路代
11、替场。,一台电机的磁化曲线仅和电机的几何尺寸以及所用的材料有关，而和电机的励磁方式无关 电机的运行性能，与磁化曲线密切相关,附.1 直流电机的主磁路,主磁路包括下列部分：磁轭、极芯、极靴、空气隙、齿和电枢铁芯 将磁路分成若干段计算。假设：每段的材料相同，每段的几何形状规则，有相同的磁通密度；每段的平均磁场强度Hx和每段的平均长度方向lx相一致，各段磁势为Hxlx及总磁势为Hxlx,附.2 主磁通的计算,求电机磁化曲线上的点n 设定一个主磁通n 算出流经各段磁路的磁通n 由各段尺寸及磁通算出各段的磁通密度n 根据各段磁路的磁通密度和相应材料的磁化曲线查取各段的磁场强度，计算各段磁路消耗的磁势n
12、各段磁势的总和即为主磁通对应的励磁磁势 2. 用该磁化曲线，由主磁极磁势F0查出所产生的空载主磁通,计算出电机的磁化曲线，对应出相应磁势的磁通,附.3 各段磁势的简单分析,把直流电机的磁路分成五段：空气隙，F代表两空气隙段所需磁势的安匝数；电枢齿，Ft代表该段两个齿高ht所需的安匝数；电枢铁芯，Fa主磁极铁芯(包括极靴)，Fm代表两个磁极段需安匝数； 定子磁轭，Fy代表磁轭段所需安匝。,空气隙：长度很短，但磁阻很大，总磁势的绝大部分将消耗于空气隙中。（65%以上）由于电枢齿槽的影响，需进行修正，取电枢齿：截面小，齿中磁密在整个磁路中最高，饱和现象最显著，消耗磁势较大。,五、负载时电枢电流产生的
13、磁势,电枢磁势的存在使空气隙磁势的分布情况改变，从而使空气隙磁场分布情况改变。 对于一定的电枢电流，空气隙磁场仍然是一恒定磁场，即不随时间变化,由于静止的电刷和运动的换向器的共同作用，电刷间连接的导体时刻在变化，但电刷间导体电流产生的磁势不变。,电枢磁势和主磁极的相对位置一定。同步电机的电枢磁势和主磁极也相对静止，但其相对位置随负载功率因数而变化,5.1直流电机电枢绕组磁势波形,直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数 交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波 如沿电枢分布的线圈无限增多，则级形波将趋近于三角形波,5.2 电刷位置对电枢磁势的影响,电枢磁势幅值的
14、位置恰在导体中的电流改变方向处，亦即在导体通过电刷处。如电刷和位于交轴的导体相接触，则电枢磁势的轴线也在交轴；如电刷移动，则电枢磁势的轴线也就跟着移动。直流电机的电枢磁势轴线水远位于导体中的电流改变方向处（电刷位置），且在空间是静止不动的。,5.3 任意点电枢磁势的计算,条件：设电枢绕组的导体数为W，极数为2p，则一个极距内的导体数为W2p。电刷电流为Ia，并联支路数为2a，则流过每一导体的电流为Ia2a,线负载A：沿着电枢圆周每单位长度内的电流安培数,六、负载时的气隙磁势和磁场,交轴,直轴,电枢磁势位置取决于电刷位置，电刷位于交轴，电枢磁势轴线也在交轴，为交轴电枢反应。,极尖处磁密最大且由于
15、其饱和程度的提高，饱和影响使高峰略有下降，即极面下的总磁通略减小，呈先去磁作用,六、负载时的气隙磁势和磁场,交轴,直轴,交轴电枢反应对气隙磁场的影响：使气隙磁场发生畸变使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）磁路未饱和时，每极磁通不变如考虑磁路饱和的影响，则交轴电枢反应有去磁作用,空载气隙磁场,电枢磁场,负载时合成磁场,定义：电枢进入极面处的磁极极尖为前极尖，电枢离开极面处的极尖为后极尖 发电机的后极尖下磁通密度增强，电动机前极尖下磁通密度增强,七、直轴电枢反应,如电刷顺着发电机的旋转方向或逆着电动机的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷
16、移动。,在角度2范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，称为直轴电枢反应，其方向与主磁极极性相反，使主磁通减弱，呈现去磁作用。将使电枢电势减小在角度2范围以外的导体所产生的磁势作用在交轴，为交轴电枢反应。,七、直轴电枢反应,如电刷逆着发电机的旋转方向或顺着电动机的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷移动。,在角度2范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，其方向与主磁极极性相同，呈磁化作用。将加剧换向的困难在角度2范围以外的导体所产生的磁势作用在交轴，为交轴电枢反应。,削弱电枢反应负作用的措施,由于电枢反应使气隙磁场畸变而形成环火的可能性较大，须将电枢反应尽可
17、能地予以补偿，以防止发生环火。在电机中装置有补偿绕组，使其产生的磁势适能抵消电枢反应电势 补偿绕组的电流分布和电枢绕组各对应点的电流分布大小相等、方向相反；交轴附近的电枢磁势将由换向极磁势来补偿。补偿绕组和换向极绕组应和电枢绕组串联 。,简单分析,设电枢磁势的每极安匝数为Fa则直轴电枢磁势的幅值为交轴电枢磁势的幅值为交轴电枢磁势的去磁作用，用等效直轴去磁安匝Faqd表示，它与磁路的饱和程度有关，可近似与电枢电流成正比有效的励磁磁势为,例16-1： 分析电枢反应的等效去磁,由电枢回路电压方程，求得利用插值法，在空载特性上，求得对应的有效激磁电流为已知实际的额定励磁电流为 2.85则交轴电枢反应的
18、等效激磁电流为,思考题,为什么说直流电机的空气隙磁场是恒定磁场？设电刷位于交轴，试默绘直流电机的空载磁势分布曲线B0(x)、空载磁场分布曲线Fa(x)、电枢磁势分布曲线Fa(x)、电枢磁场分布曲线Ba(x)和合成磁场分布曲线B(x),八、 电枢绕组的感应电动势,八、电枢绕组的感应电势,电枢绕组的感应电势电机正、负电刷之间的电势，即每一并联支路的电势。,位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电势之和 假设电枢导体是连续均匀分布的，则电势为恒定的直流电势,8.1 电枢绕组的感应电势,设电枢总导体数为W，有2a条并联支路，则每一支路中的串联导体为W2a电刷间的感应电势为每一支路中的串联导体的感应电势之
19、和,直流电机的感应电势与每极磁通量及转速有关。如将每极磁通量保持不变，直流电机的感应电势将和转速成正比。如将转速保持不变，直流电机的感应电势将和每极磁通量成正比。电刷间的感应电势仅和极面下的总磁通量有关，而和极面下磁通密度的分布情况无关,n 电刷在交轴，如果移动电刷位置，则支路中一部分导体的感应电势将因方向相反而互相抵消，导致电刷间电势Ea的减小。n使用负载时的每极磁通，得负载时电刷感应电势Ea。n当负载时，由于电枢回路的电阻电压降，直流发电机电刷间的端电压U比负载时的电刷电势Ea小,解释电刷位置偏移对电势的影响,电刷偏移后，极面下电刷间包含的磁通量减小,8.2 直流发电机的平衡方程式,并励发
20、电机,8.2 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。,附加损耗产生P的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗,8.3 直流电动机的平衡方程式,电压平衡式,电流平衡式（并励时）,8.3 直流电动机的平衡方程式,功率平衡式（并励时）,并励回路损耗电枢回路铜损电刷接触电损耗机械损耗铁损耗杂散损耗,九、 电枢绕组的电磁转矩,九、 电枢绕组的电磁转矩,设流过电刷的电流为Ia电枢导体中的电流是Ia2a
21、设电枢直径为Da，电枢导体的有效长度为l电枢总的电磁转矩,9.1 直流发电机的转矩平衡,并励发电机,转矩平衡式,输入机械转矩,电磁转矩,9.2 直流电动机的转矩平衡,转矩平衡式,思考题,电刷之间的感应电势与某一导体的感应电势有什么不同 各种数量之间的相互关系：导体总数、换向片数、元件数、圈边数、槽数、每元件匝数、每一槽中并列圈边数,思考题,一台六极电机原为单波绕组，加改绕成单叠绕组，并保持元件数、导体数、每元件匝数、每槽并列圈边数不变，问该电机的额定容量要不要改变?其它额定量要不要改变 答：单波时，并联支路数恒为2，设导体额定电流为I，则电刷的电流为2I；电刷间感应电势为Ea=E2。 单叠时，并联支路数等于极数，2a=2p=6，则电刷的电流为6I；电刷间电势为Ea=E6=E2/3。,思考题,有一四极直流电机，电枢为单叠绕组，如发生以下故障：（1）有一主磁极失磁；（2）有一对相邻电刷跌落试分析电机会发生什么现象？,作业,16-3 单波绕组，并联支路数2a=216-716-816-916-10,