直流电动机原理剖析.pptx

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1、11.1.1直流发电机的工作原理1、直流电机的种类：直流发电机和直流电动机。2、什么样发电机是直流发电机？能将机械能变为直流电压电流的发电机，也就是输出电压为直流的发电机就叫做直流发电机。3、直流发电机的结构 如图1-1，1-2所示：它是由磁极；电枢；滑环；1.1直流电机的基本工作原理第1页/共51页2电刷等组成。第2页/共51页34、直流发电机工作原理 当蒸汽机带动直流发电机电枢逆时针旋转时,线圈ab,Cd边切割磁力线,在线圈中产生感应电动势e=BLv.感应电动势通 第3页/共51页4 通过半圆滑环（换向器）和电刷整流,将ab,cd线圈中 的交流电动势变为直流电压输出.(若象图1-1那样用两

2、个圆形环输出,将获得交流电压,就称为交流发电机)直流发电机发出电压的高低和蒸汽机的转速n有关，转速n越高电压越高。当转速一定时，电枢线圈的长度L越长发出的电压越高。1。1。2直流电动机工作原理 直流电动机的结构如图1-3所示。它也是由磁极、电枢、换向器和电刷组成，当电刷上加上直流电压时，通过换向器将直流电流送电枢线圈，带电流线圈在磁场的作用下，产生电磁力f，电磁力的方向由左手定则决定，电动机的旋转方向和力的方向是一一致的。第4页/共51页5 电磁力的大小与磁感应强度B 的高低，电枢线圈的长短L和线圈中的电流i大小成正比。f=BLi (Wb/m2).m.A)直流电动机的旋转方向与线圈中的电流方向

3、，以及磁极的磁场方向（N-S）有关。所以改变电动机的工作电压的极性和磁场的方向（或励磁电流的极性），即可改变电动机旋转方向。由图1-2和1-3可见直流发电机和直流电动机的结构是相同的，所以直流发电机可以做电动机用，直流电动机可以做直流发电机用，两者是可逆的。第5页/共51页6 1.2 直流电机的主要结构及用途前面讲的是电机的简化的原理性结构；而实际的结构如图1-4；图1-5和图1-6所示：实际结构由锭子部分，转子部分等组成。1、定子部分 它是由主磁极，换向磁极，机座，电刷装置-等组成。（1）主磁极 如图1-5所示：它由主磁极铁心，励磁绕组等组成。磁极铁心是由1-1。5mm的低炭钢板冲片层叠压紧

4、而成。最后做成靴子状-称为极靴。靴子桶状头与定子固定，靴子大头-极靴将与电枢处于相对位置。第6页/共51页7 主磁极铁心上绕有励磁线圈。主磁极对（N-S）的个数P与电动机的转速n高低有关。主磁极对数P越多，转速越低。第7页/共51页8 2）.换向磁极在两个主磁极中间所增加的辅助磁极，以便迅速改变电动机的旋转方向。3）机底座（定子磁轭）作为定子和转子的支持。使主磁极和转子 轴承具有固定的位置。它一般用铸钢做成，有良好的导磁性。4）电刷装置：一般采用导电良好、而且耐磨的材料做成。它由铜丝软线+铜夹头+弹簧+碳刷头组成。第8页/共51页9 电刷装置的作用是直流电压电流导入导出电机的装置。电刷头（电刷

5、杆）的数目=电机主磁极的数目。2、转子部分 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。如图1-6 所示。（1）电枢铁心:电枢铁心通常也是采用0.5mm 厚度的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成,固定在转轴上.电枢铁心沿圆周上刻有均匀分布的槽,里面可以嵌入电枢绕组.(2)电枢绕组:绕组是用圆形和矩形截面导线绕制而成.将线圈(称为元件.每个元件有两个出线端)进行串联并联而构成.其功能是通过电流并在磁场的作用下产生感应电动势.以现实电能到机械能的转换,或者反之.第9页/共51页10 3、换向器：换向器是由金属块（换向片）和绝缘块（云母）相间组装成的一个圆形环状体，如图1-6所示。它安装在转轴

6、上和电刷配合工作。在发电机中：其功能是将绕组内的交流电动势转换为电刷上的直流电动势。在直流电动机中：其作用是将电刷上的直流电压转换成绕组内的交流电压电流。换向片的数目与元件的数目相等。第10页/共51页11 1.2.2 直流电机的铭牌参数铭牌一般固定在机座表面。上面标注着电机的额定参数：；作为正确使用电机的依据。其标准额定参数有：1）额定功率 PN（KM）=（UN。IN）2）额定电压 UN （V）3）额定电流 IN （A）4）额定转速 Nn （r/mim）5)励磁方式和额定励磁电流 IfN(A).其他不在铭牌上的参数：直流电动机的额定效率N=输入功率/输出功率。第11页/共51页12电机轴上输

7、出的额定转矩：T2N=PN/N=9.55 PN/nN (Nm)1.2.3 直流电机的用途和分类 Z2-一般用途 Z ZF-大、中直流电动机和发电机。ZZJ-冶金工业用-ZT-恒功率调速 ZQ-电力机车 ZH-船用第12页/共51页13 ZU-龙门刨直流电动机 ZA-防爆电动机 ZKJ-矿山用电动机第13页/共51页14 1.3直流电(动)机的电枢绕组电机的转子绕组称为电枢绕组.绕组是由绕组元件串联、并联连接而成。1、元件 第14页/共51页15由图可见：一个元件可以是单匝的也可以是多匝的。一个单匝元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导线。多匝元件的元件边里有NY根导体。如图1-7中（

8、a）为多匝元件，其边数NY=3。2、一般整个电枢绕组的元件个数应=电枢上的换向片数：S=K3、元件在电枢槽内的放置方法如图1-7（b）所示，元件中间隔一定的槽数。一个槽内放1号元件的一条边和2号元件的另一条边。2号和3号依次类推。最后一个元件的一条边再和1号元件另一条边放在一个槽内。在同一个槽内的两个元件边一个在下另一个在上，但必须按同一顺序。第15页/共51页164）电枢绕组上的线槽，若用Q表示总的槽数。每个槽的上下各放置u个元件边，（例如u=3）,则声明每个实槽内含有3个虚槽。用Qu代表总虚槽数，有：Qu=Uq=S=K5)电枢 绕组最基本的形式有两种：一种叫单叠绕组。另一种叫单波绕组。单叠

9、绕组是前一个元件的一个边被后一个元件的一个边压着，依次类推。单波绕组其布线是波浪式的。第16页/共51页17 1.3.1单叠绕组 单叠绕组元件参数、元件数S 与电枢槽数Q、虚槽数Qu、换向片数K、电枢外径Da、主磁极对数P等之间的关系：1、绕组节距 绕组节距：是指被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离.第17页/共51页18 1)第一节距y1 它是一个元件的两元件边在电枢表面所跨的距离.如图1-8 所示.y1可以用虚槽数表示.y1的大小应该以获得感应电动势最大为原则.y1应等于或接近于一个极距;y1=Da/2P式中Da为电枢外径,P为磁极对数.若极距用虚槽数表示:=Qu/2P y1=Qu/2

10、P=整数第18页/共51页19若=0.y1=,称为整距绕组.若0,y1称为长距绕组,y1,y1,称谓短距绕组.2)2)合成节距y y和换向器节距ykyk 元件1 1和它相连的元件2 2对应边之间的跨距是y y 用虚槽数表示.每个元件首末端所连接两个换向片之间的跨距称为yk.yk.用换向片数表示.对于单叠绕组 有y=yk=1,y=yk=1,如图1-81-8中所示.3)3)第二节距y2y2 它是连之同一换向片的两个元件边之间的距离y2.y2.或是元件一的下层元件比在换向器端经过换向片连接到元件2 2的上层元件之间的跨距.对于单叠绕组有:y2=y1-y y2=y1-y2 2、单叠绕组的特点和元件的连

11、接方法 如：直流发电机 ，2P=42P=4，S=K=Qu=16,S=K=Qu=16,连接成单叠右行绕组。第19页/共51页201）计算各节距 第一节距y1：y1=Qu/2p=16/40=4 合成节距：y和换向器近距yk y=yk=1 第二节距：y2:y2=y1-y=4-1=32)绘制绕组展开图（如图1-9）做图步骤如下：先画16根等长等距离实线，代表各槽上层元件边。再第20页/共51页21第21页/共51页22画16根等长等距虚线代表各槽下层元件边。一根实线和一根虚线代表一个槽。并依次将槽编辑好号码。放置主磁极，并标上N、S极性。画18个小方框代表换向片。并标上号码。为了做图方便，使换向片的宽

12、度等于槽与槽之间的宽度。连接绕组：将元件、槽、和换向片按顺序编号。元件上层边所在槽号以及元件上层边相连接的换向片号码编成一致。如图1-9所示。1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片连接，因为y1=4,则1号元件的下层边应放在第5号槽（1+y1=5）的下层（虚线）.因为y=yk=1,1号元件的末端应放这号换向片上（1+y1=2）.依次类推。确定每个元件边里导体感应电动势的方向。在图1-9已经用V表示出来。放电刷。在直流电动机里电刷组数也就是电刷杆数，与主磁极的个一样多。图1-9中示出了A。B 两组磁极。第22页/共51页23 3、绕组元件连接顺序图绕组元件连接顺序图用来表示电枢上所有愈加边的

13、串联顺序。根据图1-9的节距，就可以看出绕组各元件之间是如何连接的。从第虚槽上层元件边经y1=4接到第5虚槽的下层元件边构成了第一个元件，它的首末端分别接到第1，2两个换向片上。第5 虚槽的下层元件边经y2=3接到第二虚槽的上层元件边，这样就把第1，2号两个元件连接起来了。依次类推。见图1-10所示。第23页/共51页24 4、绕组电路图 绕组展开图如图1-9所示。根据电刷之间元件连接顺序，可以得到如图1-11所示绕组电路图。从图可见：从电刷外面看绕组时，电枢绕组由4条并联支路组成。上层边处在同一极下的元件中，感应电动势方向相同，串联起来通过电刷构成一条支路。被电刷短路的元件电动势等于0，这些

14、元件不参加支路的组成。所以单叠绕组的支路数=电机的主磁极数。a=p.第24页/共51页25第25页/共51页26电枢绕组中的单叠绕组有以下特点：1）位于同一个磁极下的元件串联起来组成一个支路。支路数=磁极对数。A=p2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正负电刷之间感应电动势最高。被短路的线圈没有电动势。3）电刷杆数=极数。第26页/共51页271.3.2 单波绕组简述 单波绕组是因为其形状类似于波浪一样而得名.其绕组节距参数也有:第一节距y1,合成节距y,换向器节距yk,第二节距y2等.1.绕组节距1)第一节距y1:其定义和计算方法完全相同,与图1-12中所

15、示.(一个元件的两条元件边在电枢表面所跨的距离.)2)合成节距y与换向器节距yk:合成节距y与换向器节距yk相等:y=yk.它是按电动势的方向进行选择的.当换向片数为K,所经过的元件数为P时:yk=(K1)/P=y第27页/共51页283)第二节距y2 y2=y-y1,如图1-12.第28页/共51页292、单波绕组展开图 1)设直流电机2P=4，S=K=Qu=15.计算得：y1=Qu/2P=15/4-3/4=3 y=yk=(K-1)/P=(15-1)/2=7 y2=y-y1=7-3=42)由计算参数画出单波绕组展开图 如图1-13所示3)由单波绕组展开图画出其单波绕组元件连接顺序图:如图1-

16、14 所示:4)再由单波绕组展开图画绕组电路图:如图1-15所示.第29页/共51页30 2)图1.1.3单波绕组展开图 第30页/共51页31 3)图1-14 单波绕组元件连接顺序图 第31页/共51页324)图1-15 单波绕组电路图第32页/共51页33 由图可见:单波绕组是把所有上层边在N极下的元件串联起来构成一条支路.而把所有上边在S极下的元件串联起来构成另外一条支路.由于主磁极只有N,S之分,所以单波绕组的支路对数与磁极的对数无关,总是=1.a=15)单波绕组的特点:同一极性下各元件串联起来组成一条支路.支路数a=1,与磁极对数无关.当元件几何形状对称时电刷在换向器表面上的位置对准

17、主磁极中心.电刷获得感应电动势最大.第33页/共51页34电刷杆数也应等于极数(采用全额电刷)此外还有复叠和复波、以及混合绕组等。第34页/共51页35 1.4 直流电机的磁场前言:直流电机中存在三种磁场:一个是定子产生的磁场;另外一个是通过电流的电枢线圈会产生电枢磁场.定子产生的磁场与电枢磁场的合成产生电机中的气隙磁场.磁场的强弱将影响到电机的反电动势和电磁转矩的大小.1.4.1 直流电机的空载磁场1、什么叫空载？电枢绕组中电流等于0或者电流很小时的情况，称为空载。而且电机无负载，基本无功率输出。2、什么是空载磁场？第35页/共51页36 空载磁场就是在空载条件下，定子主磁极产生的磁场，也等

18、于定子与转子之间的气隙中气隙磁场。定子主磁极产生的磁场强度与励磁线圈中通过的励磁电流大小有关。空载磁场在定子和转子中的分布如图1-16所示：第36页/共51页37 从图可见：磁力线从主磁极N出发，经过定子与转子之间的气隙，进入转子铁心，再穿过气隙，达到S磁极，最后回到N主磁极，形成闭合磁路。3、主磁通和漏磁通 穿过主磁极铁心的且形成闭合磁路的磁通称为主磁通0；穿过磁极周围空气的磁通称为漏磁通。漏磁通约占主磁通20%。4、直流电机空载磁场的密度分布 由欧姆定律可知电路中的电阻越小电流越大.磁路中的磁通的也与磁路中的磁阻Rm的大小有关.而磁阻Rm的大小与主磁极的截面积S和材料的磁导 率有关.第37

19、页/共51页38 而磁隙中的磁通密度又与空气隙的宽度成反比.因为主磁极极靴的截面面积前面大,后面小,使得磁极极靴中的磁力线分布不均匀,边缘稀,中心迷.造成主磁极中的磁通也分布不均匀,如图1-17所示。第38页/共51页39 5、直流电机空载时的磁化曲线 在直流电动机中为了产生感应电动势和电磁转矩。气隙里用有一定数量的主磁通0 0，也就是要有一定的励磁电流If0If0、励磁磁通势Ff0Ff0。所以空载时主磁通0 是励磁磁通势Ff0 的函数：0=f0=f（Ff0Ff0）;o o也是励磁电流If0If0的函数：0=f（If0）。它们称为直流电机空载时的磁化曲线。如图1-18所示。第39页/共51页4

20、0 由图1-17看见：直流电机空载时的磁化曲线具有非线性特性，0-a曲线基本为一直线，随着励磁电流If0的增加，（或者随磁通势Ff0的增加而线性增加。）；但是超过a点后曲线将进入饱和状态。饱和的原因是：从图1-16可知：主磁极中的磁回路是由两段主磁极、两段气隙、两段电枢齿部、电枢磁彀，定子磁彀等几段磁通回路组成。由于有磁组存在，磁密B与磁通的非线性。（或者磁性材料的非线性）最后认为磁路磁压降的增加，而产生饱和。临界饱和点为a点，也称为漆点。第40页/共51页41 1、4、2直流电机负载时的磁场和电枢反应当直流电机负载时电枢绕组中有电流通过，它又产生一个磁通势，它称为电枢磁通势。在负载时的气隙磁

21、场，将由定子的励磁磁通和电枢磁通共同作用而产生，从而引起空载上上时的气隙磁场发生改变。1、电枢反应：通常将负载时的电枢磁通对定子的主励磁磁通的影响称为电枢反应。2、电枢反应带来的影响：1）电枢磁通与定子的主励磁磁通产生合成,使气隙磁场发生畸变.每磁极下因为电极磁场使主磁场一半被削弱,而另一半被加强.磁势的空间分布为:第41页/共51页42 第42页/共51页43 其中Ny为元件匝数,ia为元件线圈中通过的电流,则元件边产生的磁通势为iaNy-安培导线数,若N为电枢绕组的总导线数，S为元件数，p为磁极对数，为极距，D为电枢直径，则磁场阶梯数为S/（2P），则阶梯形，或三角形磁通势的幅值第43页/

22、共51页44 式中A=Nia/(Da)为电枢表面单位长度上的安培导体数。称为线负荷（A/m）。电枢磁场的磁密度（沿电枢的分布）为：2）对主磁场起去磁作用 电机在工作中，主磁极两边的磁场是变化的，一边是增加磁，一边是减少磁（称为去磁）。去磁作用可以减少磁阻，防止磁饱和。有利于磁场的变化和调整。去磁可使负载时合成磁通比空载每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。第44页/共51页45 1.4.3直流电机的励磁方式 有他励磁、并励磁、串励磁、复合励磁等方式。如图1。23。第45页/共51页46 （1）他励磁：特点是：电枢和励磁的工作电源是分开的，互相不受影响。机械特性硬。（2）并励磁：电枢和励磁

23、的工作电源是同一的，是并联工作的。（3）串联励磁：电枢和励磁线圈是串联工作的。公用一个电源。机械特性软。（4）复合励磁：励磁线圈分成两部分，一部分与电枢串联，另一部分与电枢并联起来。可以改善电机的机械特性。第46页/共51页47 1.5直流电机的换向1.5.1直流电机的换向问题和换向绕组 1、什么叫直流电机的换向？换向指电枢的元件在经过电刷时，元件绕组线圈中的电流要改变方向，称为直流电机的换向。（这里必须和和电机旋转方向的改变相区别，不是讲电机方向的改变）2、直流电机换向会带来那些问题？1）元件支路在换向的过程中由于电流方向的改变而产生自感电动势。换向元件之间又产生互感电动势。这两种电动势合称

24、为电抗电动势。该电动势会阻碍换向的进行。第47页/共51页48 2）、另外电枢磁场的存在，使得处在换向中线上的元件因为电流的变化而产生切割电动势。称为电枢反应电动势，它也是阻碍换想的作用的。3）、电枢反应电动势和电抗电动势使换向元件产生换向时间的延长，造成元件在换向时有很大的电磁能量在电刷上释放，它们以弧光放电的方式转化为热能，在电刷与换向片之间产生火花。而烧毁电刷。有时还会出现和环火现象。2、如何改善换向问题？1）在主磁极之间增加换向绕组 在换向时换向绕组（通过电枢电流）与该换向的元件串联，由于换向绕组换向元件中电流方向相反，产生的电动势互相抵消，使电刷与换向片之间不会产生火花了。图1-24给出了连接的情况。第48页/共51页49主磁极与换向绕组（磁极）的连接顺序如图：在直流电动机的顺序为S-Sk-N-Nk。在发电机中连接顺序是S-Nk-N-Sk。第49页/共51页502）在主磁极的极靴上冲出一些均匀的槽，在槽内增加补尝绕组，补尝绕组与电枢绕组串联。使补尝绕组与电枢绕组的磁通势作用相反，保证在任何负载下电枢磁通都能被抵消。防止换向片因为电压过高而产生的电位差火花。如图1-26所示。第50页/共51页51感谢您的观看！第51页/共51页