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1、第 20 章直流电机的基本原理和结构直流电机的基本原理和结构直流电机的基本原理和结构直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机的用途电源励磁机测速伺服直流电机的特点 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价
2、格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高一、直流电机的结构201 直流电机的原理和结构定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电刷和换向器结构直流电机电刷结构直流电机电刷结构直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结直流电机直流电机定子定子转子转子机座机座换向极换向极主磁极主磁极电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴电枢绕组电枢绕组直流电机的物理模型直流电机的物理模型1 直流电机的工作原理N N极下极下S S极下极下电势电势方向方向A AB Bababcdcda ab bc cd d+-cdcdabababcdabcd+-（
3、2）直流发电机运行时的几点结论1.电枢电枢线圈线圈内电势、电流是内电势、电流是交流电交流电；2.电刷间为直流电势电刷间为直流电势。3.发电机运行时发电机运行时:线圈中感应电势与电流方向一致；线圈中感应电势与电流方向一致；4.4.电动机运行时电动机运行时:线圈中感应电势与电流方向相反；线圈中感应电势与电流方向相反；5.5.3,3,由由于于换换向向片片和和电电刷刷配配合合作作用用，才才把把线线圈圈中中的的交交流流电势电势“换向换向”成引出端的直流电势；成引出端的直流电势；6.6.4.4.线线 圈圈 的的 每每 条条 有有 效效 边边 感感 应应 的的 瞬瞬 时时 值值 为为 ，电刷引出端电势的瞬时
4、值为，电刷引出端电势的瞬时值为 5.5.直流电机直流电机可逆可逆.若在电刷上加上直流电压，产生电流若在电刷上加上直流电压，产生电流流经导体，产生电磁力，使电机旋转。流经导体，产生电磁力，使电机旋转。直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理同一台直流电机，同一台直流电机，通过改变外界条件，通过改变外界条件，可当发电机运行，可当发电机运行，也可当电动机运行。也可当电动机运行。三、直流电机的额定值三、直流电机的额定值额定容量额定容量PN：输出功率输出功率额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压；：额定状态下出线端电压；额定电流额定电流IN：额定状态下出线端电流；：额定状态下出线端电流；额定转速额定转速
5、n：额定状态下的电机转速额定状态下的电机转速直流发电机：直流发电机：电功率电功率PNUN IN直流电动机：直流电动机：机械功率机械功率PNUN IN 为电动机的工作效率为电动机的工作效率1-21-2 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前前提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电强度高（机械、电气、热），气、热），运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。电枢绕组电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电
6、机的电路部分，亦是实现机电能量转换的是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。枢纽。刷端的电势要尽可能大；刷端的电势要尽可能大；各个线圈（或称元件）电流分配相同；各个线圈（或称元件）电流分配相同；尽量利用电刷圆周表面，使绕组展开。尽量利用电刷圆周表面，使绕组展开。绕组实物图电枢绕组的形式电枢绕组的形式A AB B每极一槽每极一槽槽数槽数Z Z、元件数元件数S S换向片数换向片数K K电枢绕组的形式电枢绕组的形式为加工方便，线圈分成两组为加工方便，线圈分成两组,每槽一个线圈每槽一个线圈线圈并联支路数线圈并联支路数2a=2=2p2a=2=2p电枢绕组的形式电枢绕组的形式旋转旋转9090度，
7、没有电势和电磁力矩度，没有电势和电磁力矩电枢绕组的形式每转脉动两次脉动量每极一槽每根导体的电势电刷两端的电势和合成转矩电枢绕组的形式每极二槽旋转旋转4545度，度，S1S1、S3S3被短路（没电势）被短路（没电势），S2S2、S4S4产生电磁力矩产生电磁力矩4 4个线圈都切割磁力线个线圈都切割磁力线在一个主极下的元件边电势具有在一个主极下的元件边电势具有相同的方向相同的方向电枢绕组的形式每转脉动四次脉动量每极二槽每旋转每旋转9090度，度，S1S1、S3S3和和S2S2、S4S4交替交替产生感应电势和电磁力矩产生感应电势和电磁力矩电枢绕组的形式每极一槽每转脉动脉动量2次每极二槽4次每极三槽6次
8、每极四槽8次理论上每极槽数越多越好,但机械加工上有困难最简单的直流电动机2P3Z绕组展开图以第一个线图被短路时画出有关电枢绕组有关电枢绕组名词、术语名词、术语极距：极距：铁心表面，铁心表面，一个极所占的距离。一个极所占的距离。极轴线：极轴线：磁极中心线磁极中心线-d轴轴几何中心线：几何中心线：磁极之间的平分线磁极之间的平分线-q轴轴(弧弧长长)（槽数）（槽数）（电电角度）角度）有关电枢绕组有关电枢绕组名词、术语名词、术语元件（线圈）：元件（线圈）：第一节距第一节距y1第二节距第二节距y2（y y20）联接在同一个换向片上两个不同元件的元件联接在同一个换向片上两个不同元件的元件边在电枢表面跨过的
9、距离边在电枢表面跨过的距离 合成节距合成节距y：换向器节距换向器节距yk：y=y1+y2y=y1+y2每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，常用槽数来表示常用槽数来表示 相串联的两个元件的对应边在电枢表面跨过的距离相串联的两个元件的对应边在电枢表面跨过的距离 每一个元件的两端所连接的两片换向片之间在换向表面上所跨过的距离每一个元件的两端所连接的两片换向片之间在换向表面上所跨过的距离 基本绕组形式基本绕组形式一、一、单迭绕组：单迭绕组：迭：迭：两个相邻联接的元件，两个相邻联接的元件，后一元后一元件的端部紧迭在前一元件的端部。件的端部紧迭在前一元件
10、的端部。单：单：首末端相联的两换向片相隔首末端相联的两换向片相隔 一一个换向片的宽度。个换向片的宽度。特点：特点：槽数槽数Z、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同三者相同y=yy=yk k=1=1单迭绕组分析实例单迭绕组分析实例1.数据计算：数据计算：yyk1计算数据计算数据y和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极实例：实例：P2，ZSK16单迭绕组展开图单迭绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+某一瞬间某一瞬间电刷、磁极放置电刷、磁极放置磁极磁极磁极
11、磁极：磁极宽度约：磁极宽度约：磁极宽度约：磁极宽度约0.7,0.7,0.7,0.7,均匀分布，均匀分布，均匀分布，均匀分布，N N N N、S S S S极交替安排。极交替安排。极交替安排。极交替安排。在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上的元件电势为零。在磁极的几何中心线上的元件电势为零。在磁极的几何中心线上的元件电势为零。在磁极的几何中心线上的元件电势为零。电刷：电刷：电刷：电刷：连接内、外电路。连接内、外电路。连接内、外电路。连接内、外电路。为了在
12、正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电刷放置：电刷放置：电刷放置：电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。被电刷短路（电
13、势为零）的元件的位置在被电刷短路（电势为零）的元件的位置在被电刷短路（电势为零）的元件的位置在被电刷短路（电势为零）的元件的位置在几何中性线上，所以几何中性线上，所以几何中性线上，所以几何中性线上，所以又称又称又称又称电刷放在几何中心线上电刷放在几何中心线上电刷放在几何中心线上电刷放在几何中心线上展开图（展开图（2）1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+12345678910111213141516SNNS+几何中性线电路图电路图结合电刷的放置，结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。每个极
14、下的元件组成一条支路。即单迭绕组的并联支路数正好等即单迭绕组的并联支路数正好等于电机的极数。于电机的极数。这是单迭绕组的重要特点之一。这是单迭绕组的重要特点之一。单迭绕组的特点单迭绕组的特点 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，并联支路数等于磁极数，并联支路数等于磁极数，并联支路数等于磁极数，2a=2p;2a=2p;2a=2p;2a=2p;整个电枢绕组的闭合回路中，整个电枢绕组的闭合回路中，整个电枢绕组的闭合回路中，整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动
15、势的总和为零，感应电动势的总和为零，感应电动势的总和为零，感应电动势的总和为零，绕组内部无换流；绕组内部无换流；绕组内部无换流；绕组内部无换流；每条支路由不相同的电刷引出，每条支路由不相同的电刷引出，每条支路由不相同的电刷引出，每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷不能少，电刷不能少，电刷不能少，电刷数电刷数电刷数电刷数等于磁极数等于磁极数等于磁极数等于磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电枢电枢电枢电压等于支路电压电压等于支路电压电压等于支路电
16、压电压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流IaIaIaIa为各支路电流之和，为各支路电流之和，为各支路电流之和，为各支路电流之和，即即即即 二、单波绕组二、单波绕组波绕组：首末端所接的两换波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远，向片相隔很远，两个元件紧两个元件紧相串联后形似波浪。相串联后形似波浪。同极性下各元件串联起来组成一条支路，同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数支路对数a1，与磁极对数与磁极对数p无关。无关。电刷组数应等于极数（采用全额电刷）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）;电枢电流电枢电流 Ia2ia。直
17、流电机绕组的归纳直流电机绕组的归纳 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路.回路合成电势为零。回路合成电势为零。回路合成电势为零。回路合成电势为零。电刷总是与位于几何中线上的导体相接触，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触，得到最大的直流电势。得到最大的直流电势。得到最大的直流电势。得到最大的直流电势。l l电枢绕组的电路支路数电枢绕组的电路支路数电枢绕组的电路支路数电枢绕组的电路支路数（2a2a2a2a）永远是成
18、对永远是成对永远是成对永远是成对出现，这是由于磁极数出现，这是由于磁极数出现，这是由于磁极数出现，这是由于磁极数(2p)(2p)(2p)(2p)是一个偶数是一个偶数是一个偶数是一个偶数.迭绕组：迭绕组：迭绕组：迭绕组：2 2a a a a=2p=2p 波绕组：波绕组：波绕组：波绕组：2 2a a a a=2=2分析时，以一对极进行分析。分析时，以一对极进行分析。分析时，以一对极进行分析。分析时，以一对极进行分析。aie 电枢电动势电枢电动势EaEa与电流与电流IaIa方向一致；方向一致；输出电功率输出电功率电磁转矩电磁转矩TemTem与转速与转速n n方向相反，方向相反，为制动转矩，为制动转矩
19、，吸收机械功率吸收机械功率。电枢电动势电枢电动势EaEa与电流与电流IaIa方向相反方向相反，吸收电功率。吸收电功率。电磁转矩电磁转矩TemTem与转速与转速n n方向一致，方向一致，为驱为驱动转矩，动转矩，输出机械功率。输出机械功率。发电机发电机电动机电动机直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场当励磁绕组的串联匝数为当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为，流过电流为 ，每极，每极的励磁磁动势为：的励磁磁动势为：直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 为了感应电动势或产生电为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通有一定量的每极磁通 ，空载，空载时，
20、气隙磁通时，气隙磁通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁电流或空载励磁电流 的关系，称的关系，称为直流电机的空载磁化特性。为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定一般直流电机额定运行时，额定磁通磁通 设定在图中设定在图中A点，即在磁点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位化特性曲线开始进入饱和区的位置。置。直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 空载时，励磁磁动势主要消空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分
21、布就取决于气隙的大小和形的分布就取决于气隙的大小和形状。状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状）气隙形状 磁极中心及附近的气隙小且磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近数，靠近极尖极尖处，气隙逐渐变大，处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；磁通密度减小；极尖极尖以外，气隙以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。隙磁通密度为零。（b）气隙磁密分布）气隙磁密分布直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 空载时的气隙磁通密度为一空载时的气隙磁通密度
22、为一平顶波（与正弦波相比）。平顶波（与正弦波相比）。（b）气隙磁密分布）气隙磁密分布主磁通主磁通同时与主磁极和电枢同时与主磁极和电枢（定子和转子）绕组相匝链的磁（定子和转子）绕组相匝链的磁通，主要部分，进行通，主要部分，进行功率传递功率传递。漏磁通漏磁通仅与主磁极相匝链的仅与主磁极相匝链的磁通，少量。磁通，少量。直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式复励复励 并励并励串励串励他励他励积复励和差复励积复励和差复励并励绕组和串励绕组的磁势互为相加并励绕组和串励绕组的磁势互为相加 称称积复励积复励；相减的则称；相减的则称差复励差复励 复励电机既有并励绕组复励电机既有并励绕组NfNf又有串励绕组又有串励
23、绕组Ns Ns 短复励短复励 长复励和短复励：长复励和短复励：长复励长复励 第二十一章第二十一章 直流电机的电势、磁势和转矩直流电机的电势、磁势和转矩了解直流电机磁势和电枢反应。了解直流电机磁势和电枢反应。掌握感应电势和电磁转矩的计算方法。掌握感应电势和电磁转矩的计算方法。第一节第一节 电枢绕组的感应电势和电枢绕组的感应电势和电磁转矩电磁转矩每根电枢绕组导体中感应电势每根电枢绕组导体中感应电势范围内电枢绕组电势和为 N电枢绕组的总导体数一、感应电势n：电枢旋转速度（r/min)：每极磁通支路电势：Ce：电势常数N：总导体数一台制造好的电机，它的电枢电势(V)正比正比于每极磁通（韦伯)和转速n（
24、r/min),与磁密分布无关磁密分布无关。二、电磁转矩一根导体的平均电磁力：作用在电枢上的总电磁力：电磁转矩一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通（韦伯)和电枢电流(A)，与磁密分布无关。电势常数Ce和转矩常数CT决定于结构常数。它们的关系为：三、电磁功率电枢电功率直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。机械功率 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁电枢磁场对气隙磁场的影响称为场对气隙磁场的影响称
25、为电枢反应电枢反应。结果影响磁场的大小和形状大小和形状（相位）分直轴分直轴电枢反应和交轴电枢反应电枢反应和交轴电枢反应主磁极轴线主磁极轴线直轴、纵轴、直轴、纵轴、d d轴轴极间（几何）中心线极间（几何）中心线 交轴、横轴、交轴、横轴、q q轴轴直流电机的电枢反应电枢反应(直流电机负载时的负载磁场)第二节第二节 电枢绕组的磁势电枢绕组的磁势 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势Fa。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交交轴磁动势。轴磁动势。一、在几何中性
26、线上时的电枢磁势一、在几何中性线上时的电枢磁势直流电机负载时的负载磁场 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁电枢磁场对气隙磁场的影响称为场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、交轴电枢反应交轴电枢反应将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所
27、示。第三节 直流电机的电枢反应第三节 直流电机的电枢反应主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠两条曲线逐点叠加后得到负载时加后得到负载时气隙磁场的磁通气隙磁场的磁通密度分布曲线密度分布曲线磁路饱和时3)、磁路饱和时磁路饱和时对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变、使气隙磁场发生畸变 负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱 磁路不饱和时磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量不变不变与空载时相同。磁路饱和时磁路饱和时,主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。物理中性线偏离几何中性线物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。2)、物理中性线偏离几何中性线物理中性线偏离几何中性线第三节 直流电机的电枢反应二、直轴电枢反应二、直轴电枢反应电刷顺转向偏移电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁第三节 直流电机的电枢反应