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1、电机学直流电动机本讲稿第一页，共九十一页第第1616章章 直流电机直流电机直流电机用途和基本工作原理和结构直流电机用途和基本工作原理和结构直流电机的主要结构直流电机的主要结构直流电机的额定值直流电机的额定值本讲稿第二页，共九十一页161161直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构基本工作原理基本工作原理直流电机的用途：视频直流电机的用途：视频本讲稿第三页，共九十一页固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。组。左图表示一台最简单的两极直流电
2、机模型，左图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极励磁的静止的主磁极N N和和S S，在旋转部分（转，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由气隙。在电枢铁心上放置了由A A和和X X两根导体两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称
3、为换向器。换向器固定在转轴上，换向片称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷一对固定不动的电刷B1B1和和B2B2，当电枢旋转时，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。本讲稿第四页，共九十一页直流发电机直流发电机（1）线圈中的电动势和电流都）线圈中的电动势和电流都是交流电，通过换向片及电刷是交流电，通过换向片及电刷作用产生的直流电动势及直流作用产生的直流电动势及直流电流。电流。（2）感应电动势和电流的方）感应电动势和电流的方向始终一致。向始终一致。（3
4、）电磁电流产生的磁场）电磁电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的在空间上是一个恒定不变的磁场。磁场。（4）电磁力制动性质与转）电磁力制动性质与转子转向相反，原动机必须输子转向相反，原动机必须输入机械功率克服电磁力矩制入机械功率克服电磁力矩制动作用使转子恒速旋转产生动作用使转子恒速旋转产生电能。电能。本讲稿第五页，共九十一页直流电动机直流电动机（1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 （交（交 流）流过。换向片和电刷起逆变作用。流）流过。换向片和电刷起逆变作用。（2）从空间上看，电枢电流产生的磁场是一个恒定磁场。）从空间上看，电枢电
5、流产生的磁场是一个恒定磁场。（3）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与 电枢电流方向相反。电枢电流方向相反。（4）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是驱动性质。）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是驱动性质。归纳归纳：（：（1 1）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。（2 2）电枢绕组的支路数（）电枢绕组的支路数（2a2a）永远是成对出现，这是由于磁极数）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)(2p)是一个是一个偶数偶数.注：注：a a支路对数支路对数；p p
6、极对数极对数（3 3）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。触。（4 4）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。本讲稿第六页，共九十一页16-2 直流电机的主要结构直流电机的主要结构本讲稿第七页，共九十一页二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此时接负极。此时电枢线圈中将电流流过。电枢线圈中将电流流过。直流电动机直流电动机是将电能
7、转变成是将电能转变成机械能的旋转机械。机械能的旋转机械。在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受受力方向从右向左，力方向从右向左，S S 极下导体极下导体cdcd受力受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转矩时，电机转子逆时针方向旋转。本讲稿第八页，共九十一页直流电机的组成直流电机的组成 铁心铁心 主磁极主磁极：建立主磁场：建立主磁场 机座：构成磁路、支撑机座：构成磁路、支撑 励磁绕组励磁绕组 定子定子 电刷电刷：整流和逆变的作用：整流和逆变的作
8、用 铁心铁心 换向极：改善直流电机的换向换向极：改善直流电机的换向 端盖：构成磁路、防护端盖：构成磁路、防护 换向极绕组换向极绕组 电枢铁心：主磁路的组成部分又是电枢绕组支电枢铁心：主磁路的组成部分又是电枢绕组支 撑部分撑部分 转子转子 电枢绕组：产生感应电动势、电磁转矩、进行电枢绕组：产生感应电动势、电磁转矩、进行 能量转换能量转换 换向器：整流（发电机）、逆变（电动机）换向器：整流（发电机）、逆变（电动机）每部分都由电磁和机械部分组成，以满足电磁作用的条件。每部分都由电磁和机械部分组成，以满足电磁作用的条件。本讲稿第九页，共九十一页本讲稿第十页，共九十一页16-3 直流电机的额定值直流电机
9、的额定值 在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作额定功率额定功率 PN：指电机在规定的额定状态下运行时电机的功率。：指电机在规定的额定状态下运行时电机的功率。直流发电机：直流发电机：PN是指从发电机引出端输出的电功率是指从发电机引出端输出的电功率 PNUNIN；直流电动机：直流电动机：PN是指从它的转轴上输出的机械功率是指从它的转轴上输出的机械功率 PNUNINN额定电压额定电压 UN：指额定状态下电机出线端的电压。：指额定状态下电机出线端的电压。额定电流额定电流 IN：指额定状态下电机出线端的电流。：指额定状态下电机出线端的电
10、流。额定转速额定转速 nN：指额定状态下运行时转子的转速，单位：指额定状态下运行时转子的转速，单位r/min。额定励磁电流额定励磁电流 If：指电机在额定状态时的励磁电流值。：指电机在额定状态时的励磁电流值。当实际电流大于额定电流时，称为过载或超载，长期会影响寿命当实际电流大于额定电流时，称为过载或超载，长期会影响寿命（过热）；（过热）；当实际电流小于额定电流时，称为欠载或轻载，容量不能充分利用，会降低效率；当实际电流小于额定电流时，称为欠载或轻载，容量不能充分利用，会降低效率；当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。又叫额定负载状态当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。又叫额定负载状态长期
11、欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。工作性能等比较好。本讲稿第十一页，共九十一页额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工
12、况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号励磁电压、出厂日期、出厂编号等。等。本讲稿第十二页，共九十一页第17章 直流电机的运行原理17.1 直流电机的电枢绕组17.2 直流电机的磁场和电枢反应17.3 直流电机的换向17
13、.4 电枢绕组的感应电动势和电磁转矩17.5 直流电机的基本方程式本讲稿第十三页，共九十一页171 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的电路部分，是实现机电能量转换的枢钮。电枢绕组是直流电机的电路部分，是实现机电能量转换的枢钮。直流电机的电枢绕组分为五种形式直流电机的电枢绕组分为五种形式单叠绕组单叠绕组、复叠绕组、复叠绕组、单波绕组单波绕组、复波绕组、蛙形绕组。、复波绕组、蛙形绕组。基本术语：基本术语：绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。电枢绕组：由许多结构相同
14、的绕组元件构成的。元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有效边是指线圈的直线元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有效边是指线圈的直线部分。部分。端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。层边，另一个有效边必须在上层边。槽数槽数Z=Z=元件数元件数S=S=换向片数换向片数K K极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离
15、。用槽数表示 p p为主磁极极对为主磁极极对数数 本讲稿第十四页，共九十一页基本术语：基本术语：第一节矩第一节矩y1:元件的两条有效边在电枢表面上所元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节矩。用槽数来表示。所以跨的距离称为第一节矩。用槽数来表示。所以y1是一个整数。当是一个整数。当y1=，为整矩绕组，当，为整矩绕组，当y1 为为短矩绕组。因为短矩绕组有利于换向，尚能节省部分短矩绕组。因为短矩绕组有利于换向，尚能节省部分端部用铜，故常被采用。端部用铜，故常被采用。为小于为小于1的分数。的分数。第二节矩第二节矩y2:在相串连的两个元件中，第一个在相串连的两个元件中，第一个元件的下层边与第二
16、个元件的上层边在电枢元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为第二节矩表面上所跨的距离，称为第二节矩y2，用槽，用槽数表示。数表示。合成节矩合成节矩y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节矩所跨的距离，称为合成节矩y。用槽数表示。用槽数表示。换向器节矩换向器节矩yk:每个元件的首末两端所连接的两片每个元件的首末两端所连接的两片换向片在换向器表面上的距离，用换向片数表示。换向片在换向器表面上的距离，用换向片数表示。注：换向器的节距总是等于合成节矩。注：换向器的节距总是等于合成节矩。y=yk 单波绕组单波绕组单叠绕组单叠绕组
17、本讲稿第十五页，共九十一页单单叠叠绕组绕组单叠绕组：相邻联接的两个单叠绕组：相邻联接的两个元件互相交错地重叠。多个元件互相交错地重叠。多个相邻元件依次串联，同时每相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依次焊接到个元件的引线端依次焊接到相邻的换向片上最后形成闭相邻的换向片上最后形成闭合回路。合回路。整个绕组成折叠式前整个绕组成折叠式前进进y=yk=1y=yk=1时绕组向右移动；时绕组向右移动；y=yk=-1y=yk=-1时绕组向左移动；时绕组向左移动；（用铜量较多，很少采用）（用铜量较多，很少采用）换向片数换向片数=元件数元件数=单迭绕组的单迭绕组的槽数槽数本讲稿第十六页，共九十一页电枢绕组的特
18、点电枢绕组的特点第一节距第一节距全部元件通过换向器连接成一个闭合回全部元件通过换向器连接成一个闭合回路，由于沿回路中各元件的电动势之和路，由于沿回路中各元件的电动势之和为零，所以不会产生环流为零，所以不会产生环流电枢绕组为双层绕组，电枢绕组为双层绕组，S=K=ZS=K=Z直流电机的电刷数目等于主磁极数直流电机的电刷数目等于主磁极数2P2P。安放电刷的原则：几何中性线上安放电刷的原则：几何中性线上单叠绕组：单叠绕组：y=yk=1,y=yk=1,且并联支路数且并联支路数a=Pa=P单波绕组：单波绕组：y=yk=y=yk=（k-1k-1）/p/p为整数为整数,a=1,a=1 本讲稿第十七页，共九十一
19、页一台一台4 4极极1616槽直流电机，换向片数槽直流电机，换向片数K=16K=16；元件；元件数数S=16S=16；试画出整距右行单叠绕组展开图。；试画出整距右行单叠绕组展开图。画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽，槽画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽，槽数等于平行线数，每个槽有一条实线和一条数等于平行线数，每个槽有一条实线和一条虚线，分别表示上层边和下层边。虚线，分别表示上层边和下层边。标出元件：画出第一个元件，跨从标出元件：画出第一个元件，跨从1515。展开。展开图中可以把一个元件画成一匝。图中可以把一个元件画成一匝。第一个元件的引出线端画出换向器的两根横第一个元件的引出线端画出换向器的两
20、根横平行线，并标换向片号；换向片编号与上层平行线，并标换向片号；换向片编号与上层边槽号及元件号相同。边槽号及元件号相同。依次串联依次串联1616个元件。个元件。再画出各磁极再画出各磁极N N、S S、N N、S S。本讲稿第十八页，共九十一页单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图本讲稿第十九页，共九十一页画电刷，电刷组数画电刷，电刷组数=主磁极主磁极数数,绕组的电刷中心线在每绕组的电刷中心线在每个磁极的中心线上。即保个磁极的中心线上。即保证电刷必须与位于几何中线证电刷必须与位于几何中线处的导体相接触。处的导体相接触。画出电枢转向和电刷连线画出电枢转向和电刷连线此时的等效电路图，一条主此时的等效电路图
21、，一条主磁极对应一条支路，单叠绕磁极对应一条支路，单叠绕组的支路数等于极数，这里组的支路数等于极数，这里为为4极，即有极，即有4个支路个支路a=p；电枢绕组的总电流；电枢绕组的总电流Ia=2a*ia(ia为各支路的为各支路的电流即元件电流或元件电流即元件电流或元件中每匝导体电流中每匝导体电流)本讲稿第二十页，共九十一页单波绕组单波绕组：相邻联接的两个元件呈波浪形单波绕组的连接规律是从某一换向片开始，把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到开始换向片的相邻换向片上。然后，从该换向片开始，继续绕连，一直把全部元件联完，最后又回到开始出发的那
22、个换向片，构成一个闭合回路。右行绕组端接交叉，且比左行绕组端接线略长，故波绕组常用左行绕组。对应元件边处于同极性主的磁极下，所以其合成节距应接近或等于一对极的距离，但不能正好等于二倍极距。（如果相等的话无法绕下去）本讲稿第二十一页，共九十一页画出画出4极极15槽单波左行绕槽单波左行绕组展开图组展开图 分析：合成节距分析：合成节距 y（k 1）/P（151）/27（槽）（左行）（槽）（左行）第一节距第一节距 yZ/(2P)+=15/4-3/4=31（槽）（槽）采用短距绕组采用短距绕组(y1)第二节距第二节距 y2yy14（槽）（槽）；小结：常用直流电机绕组小结：常用直流电机绕组型式的支路数型式的
23、支路数2a。单叠绕组：单叠绕组：2a=2p；单波绕组：单波绕组：2a=2；双叠绕组：双叠绕组：2a=4p；双波绕组：双波绕组：2a 本讲稿第二十二页，共九十一页单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联起来）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为组成一条支路，支路对数为1 1，与磁极对数无关；，与磁极对数无关；2 2）当元件的几何形状）当元件的几何形状对称时，电刷在换向对称时，电刷在换向器表面上的位置对准器表面上的位置对准主磁极中心线，支路主磁极中心线，支路电动势最大电动势最大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢
24、电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。本讲稿第二十三页，共九十一页172 172 直流电机的磁场和电枢反应直流电机的磁场和电枢反应直流电机的励磁方式直流电机的空载时的磁场直流电机的负载时磁场本讲稿第二十四页，共九十一页直流电机的励磁方式他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。复励式：每
25、个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联）为先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联）为短复励；先串在并是长复励。如果短复励；先串在并是长复励。如果FsFs（串）和（串）和FfFf（并）方向一致，（并）方向一致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。本讲稿第二十五页，共九十一页 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的
26、影响称为磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。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，流过电流 ，每极的励，每极的励磁磁动势为：磁磁动势为：本讲稿第二十六页，共九十一页 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得多，大约
27、是主小得多，大约是主磁通的磁通的20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路本讲稿第二十七页，共九十一页 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取
28、决于气隙的大小和形状。时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。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磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。气隙磁通密度为零。直流电机空载时的磁场本讲稿第二十八页，共九十一页 空载时的气隙磁通密度为一平空载时的气隙磁通密度为
29、一平顶波，如下图顶波，如下图(b)(b)所示。所示。空载时主磁极磁通的分布空载时主磁极磁通的分布情况，如右图情况，如右图(c)(c)所示。所示。本讲稿第二十九页，共九十一页 为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。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，额定磁一般直流电机额定运行
30、时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。本讲稿第三十页，共九十一页直流电机负载时的磁场直流电机接上负载时，气隙磁场由主磁极的励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。规定：磁力线由电枢出来进入定子绕组磁极时为正，当磁力线从定子磁极出来而进入电枢时为负。磁通密度在极下若气隙均匀，则Bax正比于x；而在极间，气隙大，所以Bax很小，所以Bax为马鞍形磁密波。最后迭加得负载时气隙磁密波形。本讲稿第三十一页，共九十一页直流电机的电枢反应 负载时，电枢电流所生的磁动势对气隙中主磁场产生影响，称为电枢反应。气隙磁场发生畸变.在直
31、流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。本讲稿第三十二页，共九十一页直流电机电枢反应特点使气隙磁场发生畸变，电动机前极尖磁场被加强后极尖磁场减弱，发电机刚相反使物理中性线（气隙中各点磁密为零的连线）偏移。电动机逆向对磁通的影响。电刷在几何中性线上时，磁路不饱和时与空载时一样，磁路饱和时有电枢反应有去磁作用。本讲稿第三十三页，共九十一页交轴和直轴电枢反应当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。电枢磁势分解成两个分量
32、Faq和Fad；即FaFadFad交轴电枢反应：使主磁场的波形畸变。直流发电机，前极端（去磁），后极端（增磁）；。直流电动机，前极端（增磁），后极端（去磁）。直轴电枢反应：电刷偏移方向 直流发电机 直流电动机 顺转向偏 去磁 增磁 逆转向偏 增磁 去磁本讲稿第三十四页，共九十一页1 1 换向概述换向概述 173直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。的宽度。直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件元件里的电流方向改变，即里的电流方向改变，即换向换向。电枢移到电刷
33、与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1的被的被短路，电流被分流。短路，电流被分流。电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为元件11 2本讲稿第三十五页，共九十一页 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使
34、电机不能正常工作。机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期换向周期。换。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。元件在经过电刷时都要经历换向过程。本讲稿第三十六页，共九十一页2 2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元
35、件中的电动势：自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为：根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应：在
36、几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。的电动势。换向电动势是帮助换向的换向电动势是帮助换向的。本讲稿第三十七页，共九十一页一、直线换向当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当当 时换向元件电流随时间再时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向直线换向延迟换向延迟换向超越换向超越换向本讲稿第三十八页，共九十一页3 改善换向的方法改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合
37、成电动势不为零，换向元除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向联，在换
38、向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势本讲稿第三十九页，共九十一页小结1 换向过程 直线换向时，直流电机不会产生火花。如果换向元件中电动势为零，则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。2 换向元件中的感应电动势 电抗电动势er；旋转电动势ea3 电刷下产生火花的电磁原因 在上面两种合成电动势的作用下，在换向元件经电刷短路而成的闭合回路中产生环流。然后能量以火花的形式放出。4 火花的危害 火
39、花会损坏电刷和换向器表面；同时又干扰附近的电子仪器和设备。本讲稿第四十页，共九十一页改善换向的方法 改善换向、减少火花就要使合成电势为零，方法就是装换向极。换向极的作用：在换向元件处建立一个磁动势。其一部分用来抵消电枢反应磁动势，其余部分用来建立磁场BK，换向元件切割BK产生ek，其方向与er相反，使换向元件的合成电动势为零。成为直线换向消除火花。对换向极的要求：（1）换向极应装在几何中性线处 （2）换向极的极性应使所生的磁感应强度与电枢反应的磁动势的方向相反 （3）换向极绕组必须与电枢绕组相串联，而且换向磁路为不饱和。环火及其防止 1环火的概念 电位差火花：当换向片间电压超过一定数值时，换向
40、片间便会产生火花。称为。电磁性火花：电枢电流急剧加大时使换向严重延迟而引起电刷下较强的火花，称为。环火：两种火花共同作用下使电刷间形成跨越正负电刷间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围即环火。2防止环火的有效方法 装置补偿绕组。装在主极的极靴里且与电枢绕组串联。产生与电枢磁动势相反的磁动势。作用：使气隙磁场不在畸变，防止电位差火花；又对换向有利，避免环火。本讲稿第四十一页，共九十一页174 174 电枢绕组的感应电动势和电磁转矩电枢绕组的感应电动势和电磁转矩电枢绕组是整距，电刷在几何中性线上 1.直流电机的电枢电动势 电动势常数 2.直流电机的电磁转矩 转矩常数 本讲稿第四十二页，共九十一页直
41、流电机的电磁功率 在电磁感应作用下机械能与电能相互转换的功率称为电磁功率。本讲稿第四十三页，共九十一页175 175 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式1.直流电动机的基本方程式（并励电动机）Ea和Ia方向相反，为反动势。T的正方向和n转向相同，驱动转矩。制动转短和空载转矩均与n转向相反，为制动转矩。本讲稿第四十四页，共九十一页电动势平衡方程式电动势平衡方程式：转矩平衡方程式：转矩平衡方程式：直流电机稳态时T=T2+T0=TZ 稳定运行时电枢电流为，理想空载时TZ=0，即Ia=0；本讲稿第四十五页，共九十一页功率平衡方程式输入的电功率为输入的电功率为：电磁功率电磁功率PMPM为：为：电机
42、的空载损耗：电机的空载损耗：本讲稿第四十六页，共九十一页第18章 直流电机的运行特性18-1 直流电动机的运行特性18-2 直流电动机的调速18-3 直流电动机的制动本讲稿第四十七页，共九十一页二、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性指U=UN=常数，电枢回路中不串入外加电阻时，励磁电流保持不变的条件下，转速、转矩和效率等与输出功率之间的关系曲线，也可用电枢电流表示。并励电动机的工作特性（他励）并励电动机的工作特性（他励）1。转速特性：U=UN，R=0，If=IfN设磁通不变n曲线如图，若考虑磁通减少时，则转速有可能上升。本讲稿第四十八页，共九十一页2 2。转矩特性。转矩特性U=UN，R=
43、0，If=IfNT=CMia 如果考虑去磁时，曲线下折。3 3。效率特性。效率特性U=UN，R=0，If=IfN 其中 是不变损耗，而电枢回路的铜耗即可变损耗PCua=Ia2Ra；求最大效率时，对效率公式求导可得出当 时电机具有最大效率。注：电机通常被制成电机运行于额定状态时效率最高。他励电动机额定运行时总损耗 则估算电路总电阻的公式如下：本讲稿第四十九页，共九十一页串励电动机的工作特性串励电动机的工作特性1.转速特性U=UN，R=0，If=Ia特点（1）负载增加时，转速下降很快。当负载增加时，功率P2增加，UN是常数，Ia增大使磁通增大，同时IaR也增大，结果使转速减少。（2）负载很轻或空载
44、时，转速n非常大，产生飞车现象。空载或轻载时Ia很小或趋于零，磁通也很少，因些要足够的反电势来维持与UN相平衡，所以电机转速高，导致飞车现象，会损坏电机。规定：（1）串励电动机不允许在小于1520%额定负载的轻载情况下运行，也不充许空载。（2）不易采用皮带等易滑落和断裂的传动机构，而采用齿轮或直轴连动器来拖动。本讲稿第五十页，共九十一页 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：呈线性关系。即：转速特性转速特性转矩特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他当负载电流较大时，磁路饱和，串
45、励电动机的工作特性与他励电动机相同。励电动机相同。当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。所以串励电动机不宜轻载或空载运行。本讲稿第五十一页，共九十一页U=UN，R=0，If=Ia时T=f(Ia)特点：转矩随负载增加而很快上升T=CMKfIa*Ia=CMIa2 当磁路不饱和时，T与Ia的平方成正比。对起动和过载很好，有较大的起动转矩与过载能力。当磁路饱和时，即负载大时，If=Ia,T正比于Ia为一直线，过载时转速下降P2变化不大，轻载时转速上升。上述特点决定于串励直流电动机适用于电力机车(牵引机械和重载起动场合)等。3.效率
46、特性(并励电动机)本讲稿第五十二页，共九十一页例 某并励直流电动机额定数据如下：PN=96KW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A,nN=500r/min.电枢回路总电阻Ra=0.078,电枢反应忽略不计。试求：（1）额定运行时的输出转矩TN与电磁转矩T。（2）理想空载转速n0与实际空载转速n0。（3）于额定运行时突然在电枢回路中串入电阻R=0.122,R串入初瞬时的电枢电流与转速各为多少？（4）保持额定运行时总负载转矩不变，则串入R=0.122,R而稳定后的电枢电流与转速各为多少？本讲稿第五十三页，共九十一页电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、生产机械的分类一、生产
47、机械的分类单机单轴系统：用一台电动机的转子轴直接拖动生产机械运转的系单机单轴系统：用一台电动机的转子轴直接拖动生产机械运转的系统。统。单机多轴系统：单台电动机通过多根转轴带动生产机械。单机多轴系统：单台电动机通过多根转轴带动生产机械。多电动机系统：多台电动机带动一个或多个工作机构。多电动机系统：多台电动机带动一个或多个工作机构。MM本讲稿第五十四页，共九十一页 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。矩。运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），
48、根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：可写出拖动系统的运动方程式：其中其中 为系统的惯性转矩。为系统的惯性转矩。本讲稿第五十五页，共九十一页运动方程的实用形式：运动方程的实用形式：系统旋转运动的系统旋转运动的三种状态三种状态1)1)当当 或或 时时,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态，即处运行状态，即处于稳态。于稳态。2)2)当当 或或 时时,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。3)3)当当 或或 时时,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。常把常把 或或 称为动负载转矩称为动负载转矩,把把
49、称为静负载转矩称为静负载转矩.本讲稿第五十六页，共九十一页生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性恒转矩负载特性特点：负载转矩恒定不变，与负载转速无关。1反抗性恒转矩负载特点：负载转矩的方向总是与运动方向相反，转矩的性质是反抗运动的制动性转矩。如机床刀架的平移运动、轧钢机、地铁列车等磨擦类型的负载。2位能性恒转矩负载 特点：负载转矩的方向固定不变，并与转速的方向无关。如电梯、起重机、提升机等。本讲稿第五十七页，共九十一页二、恒功率负载特性特点：负载功率保持不变，所以有 即转矩与转速成反比。这类负载如机床的切削加工，粗加工时切削量大，用低转速；精加工时切削量小，用高转速，在整个过程中功率不变
50、。三、通风机负载特性特点：此类负载负载转矩与转速的平方成正比，即 如通风机、水泵、油泵等。T TL Ln本讲稿第五十八页，共九十一页四、电力拖动系统的稳定运行条件1电力拖动系统的平衡状态 当电动机的负载转矩n=f(TZ)和与机械特性n=f(T)相交。即T=TZ时，dn/dt=0,转速不变（静止或匀速），Ia=T/CM维持不变，此时为拖动系统处于平衡状态。2电力拖动系统的稳定平衡状态 稳定平衡状态：原系统处于平衡状态，由于某种原因，偏离了平衡状态，但能够在新的条件下自动达到新的平衡或者外界扰动消失后，能够恢复到原来的平衡状态，称为系统稳定平衡状态，否则不稳定。电压突然变化时，转速不变，然后用T和