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1、电机学多媒体课件系列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第五篇第五篇 直流直流 电电 机机第十六章第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系直流电机的基本原理和电磁关系目目 录录第十六章第十六章 直流电机的基本原理和电磁关系直流电机的基本原理和电磁关系 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电枢绕组直流电枢绕组 直流电机的磁场和电枢反应直流电机的磁场和电枢反应 电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式 电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式16.1 16.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构优
2、点：优点：1 1良好的起动和调速性能良好的起动和调速性能2 2方便、可靠、波形好、对电源的干扰小方便、可靠、波形好、对电源的干扰小缺点：缺点：结构复杂、价格高、维护不便结构复杂、价格高、维护不便特点：特点：换向器，旋转电枢换向器，旋转电枢用途：用途：1 1直流电源直流电源（如同步机励磁机）（如同步机励磁机）2 2调速性能要求高的场所调速性能要求高的场所电车、电力机车电车、电力机车直流电机模型直流电机模型固定部分（固定部分（定子定子）：主磁极、电刷）：主磁极、电刷转动部分（转动部分（转子转子）：铁心和电枢绕组）：铁心和电枢绕组直流电机工作原理直流电机工作原理换向器的作用：换向器的作用：1 1、实
3、现电刷与换向片的滑动接触，使电枢旋转回路与外、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）相连电路（静止）相连 2 2、改变电势、电流的方向（机械式整流或逆变）、改变电势、电流的方向（机械式整流或逆变）实际的电枢有多个线圈、多对磁极实际的电枢有多个线圈、多对磁极(减小脉冲，提高功率）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理论上一台电机既可以作电动机又可以作发电机(可逆可逆)外部电刷两端电动势为直流量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内部线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量结论：结论：定子：定子：主磁极、换向极、机座、
4、端盖、电刷装置主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置转子：转子：电枢铁心电枢铁心 、电枢绕组、换向片、转轴、风扇、电枢绕组、换向片、转轴、风扇 直流电机的基本结构直流电机的基本结构一、定子部分一、定子部分主磁极主磁极作用：建立主磁场。作用：建立主磁场。构成：叠片铁心和套装在铁构成：叠片铁心和套装在铁心上的励磁绕组心上的励磁绕组 机座机座作用：作用：1 1、主磁路的一部分、主磁路的一部分 2 2、电机的结构框架、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构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成换向极：换向极：作用作用:是改善直流电机的换向是改善直流电机的换向情况，不产生有害的火花情况，不产
5、生有害的火花构成：铁心和绕组构成，固定构成：铁心和绕组构成，固定在机座上，对数同主磁极在机座上，对数同主磁极电刷装置电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）作用：电枢电路的引出（或引入）装置。装置。构成：电刷构成：电刷(石墨石墨)、刷握、刷杆、刷握、刷杆和连线等。和连线等。二、转子部分二、转子部分电枢铁心电枢铁心作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2 2、电枢绕组的支撑部件。、电枢绕组的支撑部件。构成：一般用厚构成：一般用厚0.50.5且冲有齿、槽且冲有齿、槽 的硅钢片叠压、夹紧而成的硅钢片叠压、夹紧而成 电枢绕组电枢绕组作用：产生感应电势，承载电流，产生转矩作用：产生感应电势
6、，承载电流，产生转矩构成：圆截面铜线或扁导线、空心导线构成：圆截面铜线或扁导线、空心导线 （槽楔、绝缘材料）（槽楔、绝缘材料）换向片：换向片：作用：与电刷配合，以机械方式输入（出）直流电动势作用：与电刷配合，以机械方式输入（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，两端再用两个绝缘，两端再用两个V V形环夹紧而构成。形环夹紧而构成。换向片换向片垫圈垫圈绝缘层绝缘层套筒套筒直流电机的换向片直流电机的换向片交流电机的集电环交流电机的集电环三、励磁方式三、励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁绕组的供电方式称为励磁方式励磁方
7、式。直流电机直流电机按励磁方式按励磁方式分类分类他励他励自励自励(发电机）永磁永磁并励并励串励串励复励复励积复励积复励差复励差复励他励他励励磁绕组由其他电源供电，励磁励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。绕组与电枢绕组不相连。*以发电机为例以发电机为例并励并励励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组与电枢绕组并联。他励他励并励并励串励串励励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组与电枢绕组串联串励串励复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。方向相同则为积复励，反之为差复励。长分接法长分接法短分接法短分
8、接法四四 、直流电机的额定值、直流电机的额定值（1）额定功率：）额定功率：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以电机的输出功率，以kW表示。表示。对电动机，额定功率是指输出的机械功率；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。对发电机，额定功率是指输出的电功率。（2）额定电压：）额定电压：指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。表示。（3）额定电流：）额定电流：指电机运行在时，电机的电流，以指电机运行在时，电机的电流，以A表示。表示。（4）额定转速：）额定转速：指额定状态下运行时
9、转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示。表示。（5）额定励磁电压）额定励磁电压:（仅对他励电机）。（仅对他励电机）。课时小结课时小结1、直流电机的优点？结构特点？换向器的作用？、直流电机的优点？结构特点？换向器的作用？（重点）（重点）2、直流发电机（电动机）的工作原理？、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？、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？、直流电机的励磁方式及其特点？接线图？（重点）（重点）5、额定值：、额定值：PN、UN、IN16.2 16.2 直流电枢绕组直流电枢绕组一、直流
10、电枢绕组的基本知识一、直流电枢绕组的基本知识1、电枢绕组的基本要求：、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、运行可靠艺简单、运行可靠2、相关术语、相关术语元件元件(线圈线圈)：构成绕组的线圈称为绕构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。组元件，分单匝和多匝两种。实槽实槽Z：实际槽数实际槽数Z虚槽虚槽Ze：一个槽的每一层有一个槽的每一层有C个线圈边并列，个线圈边并列，ZecZC=2C=3元件数元件数S、换向片数、换向片数K、总导体数、总导体数N 叠绕组：叠绕组：后一个元件紧叠在前一个元件，整后一个
11、元件紧叠在前一个元件，整个绕组成折叠式前进。个绕组成折叠式前进。波绕组：波绕组：相隔约一对极距的相应相隔约一对极距的相应元件串联起来，象波浪式的前进。元件串联起来，象波浪式的前进。特点：相邻两元件（串连）在电枢特点：相邻两元件（串连）在电枢表面仅差一个虚槽（换向片）表面仅差一个虚槽（换向片）特点：相邻两元件相隔约为一特点：相邻两元件相隔约为一对极距对极距第一节距第一节距y1：指线圈的跨距指线圈的跨距第二节距第二节距y2：前一元件下层边与后一元件上前一元件下层边与后一元件上层边的距离层边的距离合成节距合成节距y：相串连的两元件相串连的两元件对应圈边在电枢表面跨过的距离对应圈边在电枢表面跨过的距离
12、换向节距换向节距yk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离同一元件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、直流电枢绕组的基本型式闭合绕组：闭合绕组：从电枢上某一导体出发，按一定的规律串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。连所有导体后，仍回到出发点，自成闭合回路。五种连接型式：五种连接型式：单迭、复迭、单波、复波、混合绕组单迭、复迭、单波、复波、混合绕组基本型式：基本型式：单迭、单波单迭、单波一、单叠绕组一、单叠绕组 2）第一节距：）第一节距：3）合成节距：）合成节距：4）第二节距：）第二节距：（y0右行；右行；yUEa方向与方向与Ia方
13、向一致方向一致2、电动机情况下、电动机情况下特点：特点：EaUEa方向与方向与Ia方向相反方向相反并励直流发电机并励直流发电机并励直流电动机并励直流电动机三、功率平衡式三、功率平衡式 1、发电机情况下、发电机情况下 (以并励为例以并励为例)电磁功率：电磁功率：（电功率）（电功率）（机械功率）（机械功率）输入机械功率：输入机械功率：式中：式中：p0=pmec+pFe 空载损耗（不变损耗）空载损耗（不变损耗）pa+pb 负载损耗（可变损耗，空载时可略）负载损耗（可变损耗，空载时可略）效率：效率：=P2/P1=(P1-p)/P12、电动机情况下、电动机情况下(以并励为例以并励为例)（电功率）（电功率
14、）（机械功率）（机械功率）a)电枢绕组中电枢绕组中某一导体某一导体的所受电磁力为的所受电磁力为:该电磁力所产生的电磁转矩为该电磁力所产生的电磁转矩为:b)总电磁转矩总电磁转矩:16.5 16.5 电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式和转矩平衡方程式DaFjc)为简化计算为简化计算,设每极平均磁通密度为设每极平均磁通密度为:则总电磁转矩则总电磁转矩:则一根导体的平均电磁转矩为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电磁转矩也可以利用电磁功率来求:e)e)两个重要表达式两个重要表达式:1 1、直流发电机的转矩平衡式、直流发电机的转矩平衡式:原动机的输入转矩为原
15、动机的输入转矩为:空载制动转矩空载制动转矩:2 2、直流电动机的转矩平衡式、直流电动机的转矩平衡式:电动机的轴上输出转矩电动机的轴上输出转矩:课时小结课时小结1、直流电机电枢绕组感应电动势公式？、直流电机电枢绕组感应电动势公式？(重点重点)Ea=CenCe=PN/(60a)2、直流发电机、电动机的电压平衡方程和功率平衡？、直流发电机、电动机的电压平衡方程和功率平衡？发电机：发电机：Ea=U+Iara+2U电动机：机：Ea=U-Iara-2U电磁功率：磁功率：PM=EaIa(重点重点)3、直流电机电枢绕组产生的电磁转矩？、直流电机电枢绕组产生的电磁转矩？(重点重点)T=CTIaCT=PN/(2a)4、直流发电机、电动机的转矩平衡？、直流发电机、电动机的转矩平衡？(重点重点)发电机：发电机：T1T+T0 电动机：电动机：T=T2+T05、书面作业：、书面作业：16-8、16-9附录1BackFa