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1、1-31-3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1-4 1-4 直流电机的磁场直流电机的磁场1-1-5 5 直流直流电动机电动机1-1-6 6 直流发电机直流发电机1-1-7 7 直流电机的直流电机的换向换向1-3 1-3 1-3 1-3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组绕组型式型式单叠叠绕组单波波绕组电枢：转子电枢：转子机电能量转换的枢纽机电能量转换的枢纽 绕组是由是由许多多线圈圈(下称下称元件元件)按一定按一定规律律连接而成接而成1.电枢枢绕组元件元件线圈圈(1).2个元件个元件边：嵌在槽中的部分：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分前端接
2、部分、后端接部分(3).上上层元件元件边、下、下层元件元件边(4).首首(出出线)端、末端、末(出出线)端端 上上层元件元件边、下、下层元件元件边处在不同极性的磁极下，即同一在不同极性的磁极下，即同一元件的上元件的上层元件元件边、下、下层元件元件边的距离的距离约为一个一个磁极的距离。磁极的距离。一、元件与节距一、元件与节距*.现在在讨论：一个槽内共放置：一个槽内共放置2个元件个元件边*.元件数元件数S=换向片数向片数K，即，即S=K*.换向片数向片数K=槽数槽数Z*.S=K=Z 1片片换向片向片总接接1个元件的个元件的上上层元件元件边和另和另1个元件的下个元件的下层元件元件边。1个元件有个元件
3、有2个元件个元件边。不管一个元件里有多少匝，引出不管一个元件里有多少匝，引出线只有两根：一只有两根：一根叫首端，一根叫尾端。同一个元件的首端和尾端分根叫首端，一根叫尾端。同一个元件的首端和尾端分别接到不同的接到不同的换向片上，而各个元件之向片上，而各个元件之间是通是通过换向向片彼此片彼此连接起来的，接起来的，这样就必就必须在同一个在同一个换向片上既向片上既联有一个元件的首端，又有一个元件的首端，又联有另一个元件的尾端。有另一个元件的尾端。2.2.节距：用来表征元件本身和元件之距：用来表征元件本身和元件之间连接接规律的参数律的参数节距距第一第一节距距y1第二第二节距距y2合成合成节距距y换向向节
4、距距yk(1)第一第一节距距y1必必须是整数是整数 用用槽数来表示槽数来表示同一元件的同一元件的2个元件个元件边在在圆周上的距离。周上的距离。极距极距：2个相个相邻磁极在磁极在圆周上的距离。用槽数来表示周上的距离。用槽数来表示 p为极极对数数第一第一节距距y1=整数整数 y1=整数，整数，为1的正分数的正分数整距整距绕组：y1=短距短距绕组：y1长距距绕组：y1(2)第二第二节距距y2必必须是整数是整数 用槽数来表示第一个元件的下用槽数来表示第一个元件的下层元件元件边与直接相与直接相连的的第二个元件的上第二个元件的上层元件元件边之之间在在圆周上的距离。周上的距离。(3)合成合成节距距y必必须是
5、整数是整数 用用槽数槽数来表示直接相来表示直接相连的的2个元件的个元件的对应元件元件边之之间在在圆周上周上的距离。的距离。(4)换向向节距距yk必必须是整数是整数 每个元件的首、末每个元件的首、末2端所接的端所接的换向片在向片在圆周上的距离。用周上的距离。用换向向片数来表示。片数来表示。yk=y二、单叠绕组二、单叠绕组 叠绕组叠绕组：后：后1 1元件的端接部分紧叠在前元件的端接部分紧叠在前1 1元件的端接元件的端接部分上部分上;y yk k=1=1的叠绕组称为单叠绕组。的叠绕组称为单叠绕组。例：例：Z=S=K=16Z=S=K=16，2p=42p=4，接成，接成单叠绕组单叠绕组1.1.计算节距计
6、算节距y yk k=y=1=y=1y y1 1=4=4y y2 2=3=32.2.画绕组展开图画绕组展开图(1).(1).画画Z Z个槽个槽y yk k=y=1=y=1y y1 1=4=4y y2 2=3=3(2).(2).画一个元件：对称画一个元件：对称(3).(3).画换向片画换向片(4).(4).画其他元件画其他元件(5).(5).换向片编号换向片编号(6).(6).画磁极，一般认为在绕组的上方画磁极，一般认为在绕组的上方,宽度宽度0.750.75(7).(7).画电刷：均布，与磁极同中心画电刷：均布，与磁极同中心3.3.单叠绕组连接顺序表单叠绕组连接顺序表y yk k=y=1=y=1y
7、 y1 1=4=4y y2 2=3=3下层下层上层上层1 12 23 34 45 56 67 78 89 9换向片换向片上层边上层边下层边下层边56745381211631541231611544.4.单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图5.5.单叠绕组的特点单叠绕组的特点(1).(1).同一磁极下各元件串联成同一磁极下各元件串联成1 1支路；共支路；共2p2p条支路，条支路，并联并联a=pa=p(2).(2).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大
8、，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。(3).(3).电刷的对数必须电刷的对数必须=极对数；电刷刷杆数极对数；电刷刷杆数=极数极数三、单波绕组三、单波绕组 单波绕组：合成节距单波绕组：合成节距(换向节距换向节距)2)2个极距、前后个极距、前后2 2元件串联起来像波浪形。元件串联起来像波浪形。单波绕组的条件：单波绕组的条件：pypyk k=K-1=K-1例：例：Z=S=K=15Z=S=K=15，2p=42p=4，接成，接成单波绕组单波绕组1.1.计算节距计算节距2.2.画绕组展开图画绕组展开图(1).(1).画画Z Z个槽个槽(2).(2).画一个元件画
9、一个元件(3).(3).画换向片画换向片(4).(4).画其他元件画其他元件(5).(5).换向片编号换向片编号(6).(6).画磁极画磁极(7).(7).画电刷画电刷3.3.单波绕组连接顺序表单波绕组连接顺序表换向片换向片上层边上层边下层边下层边11109546878712635411514109111312下层边下层边432131214115上层边上层边11591014111312换向片换向片876213544.4.单波绕单波绕组的并联支路图组的并联支路图5.5.单波绕单波绕组的特点组的特点(1).(1).上层边在上层边在同一极性同一极性磁极下所有元件串联成磁极下所有元件串联成1 1支路；
10、支路；共共2 2条支路，并联条支路，并联 a=1a=1(2).(2).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。(3).(3).电刷的对数电刷的对数=1=1；电刷刷杆数；电刷刷杆数=2=2；可采用全额电刷，即用可采用全额电刷，即用P P对电刷对电刷电枢电流电枢电流 Ia=2aia其中其中ia为每条支路的电流，共为每条支路的电流，共2a条支路条支路单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组和
11、单波绕组的区别：并联支路对数的多少并联支路对数的多少*单叠绕组：低电压、大电流单叠绕组：低电压、大电流*单波绕组：高电压、小电流单波绕组：高电压、小电流1-4 1-4 直流电机的磁场直流电机的磁场1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式1.他励直流电机他励直流电机2.并励直流电机并励直流电机3.串励直流电机串励直流电机4.复励直流电机复励直流电机1.他励直流电机他励直流电机励磁绕组由其他来源提供励磁绕组由其他来源提供与电枢绕组没有电的联系与电枢绕组没有电的联系永磁直流电机属他励电机永磁直流电机属他励电机永磁直流由永磁体产生磁场永磁直流由永磁体产生磁场If只有额定电流的只有额定电流的5%以内以内2
12、.并励直流电机并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联励磁绕组与电枢绕组并联励磁电压励磁电压=电枢端电压电枢端电压If只有额定电流的只有额定电流的5%以内以内3.串励直流电机串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组与电枢绕组串联励磁电流励磁电流=电枢电流电枢电流=大大4.复励直流电机复励直流电机p有有2个励磁绕组个励磁绕组p1个与电枢绕组并联个与电枢绕组并联p并励绕组并励绕组p1个与电枢绕组串联个与电枢绕组串联p串励绕组串励绕组二二.直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场空载运行空载运行直流电机不带负载直流电机不带负载(不输出功率不输出功率)时的运行状态时的运行状态空载电流空载电流相对额定电流而言，
13、很小、常认为相对额定电流而言，很小、常认为=0空载磁场空载磁场主磁场主磁场主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场1.主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通磁通：由励磁绕组通电产生磁通：由励磁绕组通电产生*主磁通主磁通0与电枢绕组匝链的磁通与电枢绕组匝链的磁通;*主磁路主磁路主磁极、气隙、电枢齿、轭、定子轭主磁极、气隙、电枢齿、轭、定子轭*漏磁通漏磁通s只与励磁绕组匝链的磁通；只与励磁绕组匝链的磁通；运用磁路欧姆定理，可以求得：运用磁路欧姆定理，可以求得：考虑到气隙磁阻的主导地位，实际考虑到气隙磁阻的主导地位，实际应用中，我们可以忽略气隙以外其应用中，我们可以忽略气隙以外其他
14、磁路的影响，所以有：他磁路的影响，所以有：电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩 直流电机工作时，由于转子（电枢）绕直流电机工作时，由于转子（电枢）绕组中通有电流，必然就会受到电磁力的作组中通有电流，必然就会受到电磁力的作用，同时，电枢绕组在磁场中运转，肯定用，同时，电枢绕组在磁场中运转，肯定要做切割磁场的运动，从而产生切割电动要做切割磁场的运动，从而产生切割电动势，所以在分析电枢部件的性能的时候有势，所以在分析电枢部件的性能的时候有必要定量分析这两方面的情况：必要定量分析这两方面的情况：一、电枢电动势：一、电枢电动势：电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感电枢电动势是指直流电机正负电刷之间
15、的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。再求一条支路的。一个磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，表示，极距为极距为 ，电枢的轴向有效长度为，电枢的轴向有效长度为 ，每极，每极磁通为磁通为，则，则一根导体的平均电动势为：又因为：所以：因为一条支路里的串联总导体数 （N 为电枢总导体数），于是，电枢电动势为：式中，是一个常数，称为电动势常数。例：已知一台例：已知
16、一台10KW10KW、4 4极、极、2850r/min2850r/min的直流的直流发电机，电枢绕组是单叠绕组，整个电枢总发电机，电枢绕组是单叠绕组，整个电枢总导体数为：导体数为：372372。当发电机发出的电动势为：。当发电机发出的电动势为：Ea=250VEa=250V时，求这时气隙每极磁通量是多少：时，求这时气隙每极磁通量是多少：2.直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场*分析仅由电枢绕分析仅由电枢绕组的电流产生的组的电流产生的磁场。用右手螺磁场。用右手螺旋定则可以电枢旋定则可以电枢磁动势的方向。磁动势的方向。*电枢磁动势电枢磁动势Fa三三.电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势指正负电刷
17、之间的感应电动势指正负电刷之间的感应电动势产生的原因：元件边产生的原因：元件边(导体导体)切割气隙合成磁场切割气隙合成磁场气隙合成磁场的分布是不均匀，每根导体的感应气隙合成磁场的分布是不均匀，每根导体的感应电动势是不同的。电动势是不同的。假设磁密是均匀的假设磁密是均匀的假设磁密是均匀的，取假设磁密是均匀的，取1个极下的平均值个极下的平均值每个极下的每个极下的1根导体的感应电动势的大小相等根导体的感应电动势的大小相等 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势四四.电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩电枢电动势、电磁转矩公式电枢电动势、电磁转矩公式1-5 1-5 直流电动机直流电动机一、直流电动机
18、稳定运行的基本关系式一、直流电动机稳定运行的基本关系式1.电压平衡方程式电压平衡方程式2.转矩平衡方程式转矩平衡方程式3.功率平衡方程式功率平衡方程式电动机惯例电动机惯例反电动势反电动势Ea与与U方向相反方向相反励磁绕组与电枢励磁绕组与电枢绕组是并联的绕组是并联的1.电压平衡方程式电压平衡方程式并励电动机并励电动机2.转矩平衡方程式转矩平衡方程式电磁转矩电磁转矩T，与，与n同方向同方向拖动转矩拖动转矩空载损耗转矩空载损耗转矩T0，为制动转矩，为制动转矩轴输出的转矩轴输出的转矩T2，带动生产机械，带动生产机械(负载转矩负载转矩)，通常是制动转矩。，通常是制动转矩。3.功率平衡方程式功率平衡方程式
19、电磁功率电磁功率Pem在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，或由机械能转换为电能的这部分功率称为或由机械能转换为电能的这部分功率称为电磁功率电磁功率。用。用Pem表示。表示。体现了能量的互相转换作用。体现了能量的互相转换作用。功率平衡方程式功率平衡方程式他励电动机他励电动机二、并励直流电动机的工作特性二、并励直流电动机的工作特性1.1.转速特性转速特性2.2.转矩特性转矩特性3.3.效率特性效率特性 当可变损耗当可变损耗p pcucu等于不变损等于不变损耗时，效率耗时，效率达到最大值。达到最大值。三、串励直流电动机的工作特性三、串励直流电动机的工作特性特点
20、：特点：反电动势反电动势Ea与与U方向相反方向相反 励磁绕组与电励磁绕组与电枢绕组是串联的枢绕组是串联的总电总电阻阻反电反电势势串励绕组电阻串励绕组电阻串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性1.1.转速特性转速特性串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性2.2.转矩特性转矩特性起动时，起动时，n=0,Ian=0,Ia很大很大四、四、复励复励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 工作特性由起主要作用的励磁绕组决定；一般工作特性由起主要作用的励磁绕组决定；一般在并励与串励电动机的特性之间。积复励有较高的在并励与串励电动机的特性之间。积复励有较高的启动能力、过载能力，可空载轻载
21、运行。启动能力、过载能力，可空载轻载运行。1-6 1-6 直流发电机直流发电机直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.他励直流他励直流发发电机电机2.并励直流并励直流发发电机电机3.串励直流串励直流发发电机电机4.复励直流复励直流发发电机电机一、直流发电机稳定运行的基本方程式一、直流发电机稳定运行的基本方程式他励直流发电机他励直流发电机发电机惯例：发电机惯例：1.1.电动势平衡方程式电动势平衡方程式2.转矩平衡方程式转矩平衡方程式空载损耗转矩空载损耗转矩由机械损耗、铁耗引起由机械损耗、铁耗引起拖动转矩拖动转矩电磁转矩电磁转矩方向同方向同n n方向方向-n-n方向方向-n-n3.功率平衡方程
22、式功率平衡方程式 发电机的输入功率发电机的输入功率P1P1，除小部分损耗外，大部，除小部分损耗外，大部分转换为电磁功率，由机械功率分转换为电磁功率，由机械功率电功率电功率3.功率平衡方程式功率平衡方程式 电磁功率，除去电枢回路的铜损耗外，其余部电磁功率，除去电枢回路的铜损耗外，其余部分分输出电功率输出电功率发电机的发电机的输出输出功率功率电枢回路的电枢回路的铜铜损耗损耗3.功率平衡方程式功率平衡方程式他他励励并励并励直流发电机的总损耗直流发电机的总损耗由由输入机械功率输入机械功率或或其他电源其他电源提供提供发电机的效率发电机的效率二、他励直流电发电机的运行特性二、他励直流电发电机的运行特性4个
23、主要物理量：个主要物理量：电枢端电压电枢端电压U励磁电流励磁电流If负载电流负载电流I=Ia转速转速n一般保持为额定值不变一般保持为额定值不变 运行特性即：运行特性即：3个量，其中个量，其中1个不变，其个不变，其余余2个物理量之间的关系。个物理量之间的关系。1.空载特性空载特性空载磁化特性空载磁化特性饱和曲线饱和曲线空载特性空载特性磁滞现象、平均空载特性、剩磁电压磁滞现象、平均空载特性、剩磁电压饱和现象、设计时工作点的选择饱和现象、设计时工作点的选择如果转速不是额定值，则空载特性按比例变化如果转速不是额定值，则空载特性按比例变化2.外特性外特性负载试验方法：负载试验方法：1.1.I If fI
24、 IfNfN保持保持2.n2.nn nN N保持保持3.3.I I从从0 0调节调节1.21.2I IN N2.外特性外特性 由于电枢反应使磁通由于电枢反应使磁通减小，使端电压与电流的减小，使端电压与电流的关系不是一条直线。关系不是一条直线。发电机端电压随负载发电机端电压随负载电流的增大而减小的程度电流的增大而减小的程度电压调整率电压调整率重要性能指标重要性能指标3.调节特性调节特性负载电流的增大负载电流的增大端端电压下降，原因？电压下降，原因？调节励磁电流调节励磁电流达到达到保持端电压不变保持端电压不变三、并励直流发电机的自励过程和自励条件三、并励直流发电机的自励过程和自励条件发电的条件发电
25、的条件机械拖动机械拖动n要有气隙磁场要有气隙磁场并励直流发电机的自励过程和自励条件并励直流发电机的自励过程和自励条件p并励直流发电机自并励直流发电机自励的三个条件励的三个条件1电机必须有剩磁电机必须有剩磁2励磁绕组并联到电枢励磁绕组并联到电枢的极性必须正确的极性必须正确3励磁回路中电阻小于励磁回路中电阻小于 Rcr(称为临界电阻称为临界电阻)四、并励直流发电机的运行特性四、并励直流发电机的运行特性1.空载特性空载特性 该接成他励方式后，测量得到空载特性，该接成他励方式后，测量得到空载特性，方法和特性曲线与他励直流发电机相同。方法和特性曲线与他励直流发电机相同。并励直流发电机的外特性并励直流发电
26、机的外特性2.外特性外特性 同一台直流同一台直流发电机，分别接发电机，分别接成成并励方式并励方式、他他励方式励方式，得到外，得到外特性分别如图特性分别如图1、2曲线。曲线。3.并励直流发电机的调节特性并励直流发电机的调节特性五、复励直流发电机的外特性五、复励直流发电机的外特性并励绕组：电压高并励绕组：电压高线细、匝多线细、匝多串励绕组：电流大串励绕组：电流大线粗、匝少线粗、匝少串励绕组起辅助作用，串励绕组起辅助作用，并励绕组起主要作用。并励绕组起主要作用。积复励积复励:过复励、过复励、平复励平复励、欠复励、欠复励1-7 1-7 直流电机的直流电机的换向换向以单叠绕组为例，以单叠绕组为例，一个元
27、件被电刷短路前的电流是一个元件被电刷短路前的电流是+ia，被短路一下，被短路一下，之后的电流是之后的电流是-ia，这种电流方向的改变，就称为，这种电流方向的改变，就称为换向换向。换向火花换向火花换向周期换向周期Tk换向条件不好则会在电刷与换向器之间产换向条件不好则会在电刷与换向器之间产生火花。超过一定限度，会烧坏电刷和换生火花。超过一定限度，会烧坏电刷和换向器。向器。正常工作时，火花等级不超过正常工作时，火花等级不超过1.5级；级；短时过载时，火花等级不超过短时过载时，火花等级不超过2级。级。1.直线换向直线换向(电阻换向电阻换向)*只考虑接触电阻，它只考虑接触电阻，它与接触面积成反比。与接触
28、面积成反比。*接触电阻是均匀变化接触电阻是均匀变化的。的。*换向元件的电流是由换向元件的电流是由ia 均匀变化到均匀变化到-ia直线换向的特点：电刷下的电流密度为常数，不产直线换向的特点：电刷下的电流密度为常数，不产生火花。生火花。理想换向理想换向2.延迟换向延迟换向自感电势自感电势互感电势互感电势切割电势切割电势电抗电势电抗电势 元件从元件从+ia -ia产生产生电抗电势电抗电势er，er的方向与换向的方向与换向前的电流前的电流 方向一致；方向一致；电枢反应使几何中线电枢反应使几何中线处处B0，产生切割电势，产生切割电势ea，它的方向也与换向，它的方向也与换向前电流方向一致。前电流方向一致。
29、er和和eA的存在，使换向延迟了。在电刷中的电流密的存在，使换向延迟了。在电刷中的电流密度分布不均匀，产生附加换向电流度分布不均匀，产生附加换向电流ik延迟换向延迟换向 换向结束瞬间，附加换换向结束瞬间，附加换向电流向电流ikT0，换向元件储，换向元件储存能量存能量LrikT2，释放出火花，释放出火花改善换向的方法：改善换向的方法：二、产生火花的二、产生火花的其他原因其他原因1.机械原因机械原因装配因素装配因素2.化学原因化学原因环境因素环境因素三、改善换向的方法三、改善换向的方法2.装设换向极装设换向极换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几何中性
30、线处何中性线处B=0，另一方面产生一个电势刚好与，另一方面产生一个电势刚好与电抗电势电抗电势er相抵消，使换向元件内的合成电势等相抵消，使换向元件内的合成电势等于零，不出现火花。于零，不出现火花。换向极绕组必须和电枢绕组换向极绕组必须和电枢绕组串联串联，同时，同时换向极磁路换向极磁路应处于应处于不饱和不饱和状态，且极状态，且极性不能搞错性不能搞错(分发电机、电动机分发电机、电动机2 2种情况种情况)1.选用合适型号的电刷选用合适型号的电刷用换向极改善换向用换向极改善换向四、环火与补偿绕组四、环火与补偿绕组1.产生环火的原因产生环火的原因电枢反应电枢反应2.装设补偿绕组装设补偿绕组补偿绕组与电枢绕组补偿绕组与电枢绕组串联串联，其，其磁势大小与电枢电流成正比，磁势大小与电枢电流成正比，磁势方向磁势方向与电枢磁势与电枢磁势相反相反，这，这样在任何条件下，都可以有效样在任何条件下，都可以有效地防止环火的发生。地防止环火的发生。