電機學多媒體課件：第十九章 直流電機的基本原理和電磁關系

1、福州大學電氣工程與自動化學院電機學教研組電機學多媒體課件系列2013.10 第五篇 直流電機第十九章 直流電機的基本原理和電磁關系19.1直流電機的工作原理19.2直流電機的基本結構19.3直流電機的額定值19.4直流電樞繞組19.5直流電機的磁場和電樞反應19.6感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩定子：主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷裝置轉(zhuǎn)子：電樞鐵心 、電樞繞組、換向片、轉(zhuǎn)軸、風扇 直流電機的基本結構直流電機的特點: 優(yōu)點：1、直流發(fā)電機的電勢波形較好，對電磁干擾 的影響小。 2、直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。 缺點：由于存在換向器，其制造復雜，價格較高. 用途：1、直流電源用作同步機的勵磁機

2、 2、調(diào)速性能要求高的場所電車、電力機車 本篇主要介紹帶換向器的旋轉(zhuǎn)電樞式直流電機，介紹其基本結構和工作原理；分析它的磁場、電路系統(tǒng)、從應用角度討論直流發(fā)電機的運行特性和直流電動機的工作特性。19.1直流電機的工作原理 圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極;abcd是固定在電樞鐵心上的線圈(電樞繞組)，線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上,線圈連同電樞鐵心及換向片構成電機的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷(A+ 、B-)進行的。 當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時同，線圈abcd將感應電動勢。導體ab在N極下(a點高電位，b點低電位

3、);導體cd在S極下(c點高電位，d點低電位);電刷A極性為正,電刷B極性為負。 1、直流發(fā)電機運行 可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。 當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)過1800 后，如右圖。 導體ab在S極下(a點低電位，b點高電位);導體cd在N極下(c點低電位，d點高電;電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。 換向器與電刷配合，把電樞繞組內(nèi)部的交流電用機械換接方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電.2、直流電動機運行 把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線

4、圈中將電流流過。如右圖。 在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S 極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 當電樞轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過1800到右圖所示位置,即導體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右;原S 極下導體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩,線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。換向器的作用： 1、實現(xiàn)電刷與換向片的滑動接觸，使電樞旋轉(zhuǎn)回路與外電路（靜止）相連. 2、改變電勢、電流的方向.實際的電樞有多個線圈、多對磁極(減

5、小脈沖，提高功率）理論上一臺電機既可以作電動機又可以作發(fā)電機(可逆).外部電刷兩端電動勢為直流量內(nèi)部線圈中產(chǎn)生的感應電勢、流過的電流是交流量.結論：定子轉(zhuǎn)子直流電機機座、端蓋主磁極換向磁極電刷裝置直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構成：19.2 直流電機的基本結構電樞鐵心、電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸、軸承通風冷卻風扇一、定子部分 定子:包括機座、主磁極、換向極和電刷裝置等。 1 、主磁極： 作用:1、建立主磁場,使電樞繞組感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩. 材料:小電機:用永久磁鐵; 大電機:疊片鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成.主磁極鐵心:用11.2mm厚的低碳鋼板疊壓而成。主磁勵磁繞組通以直流電If產(chǎn)生主磁磁場

6、.圖19-4 主磁極示意圖1主磁極鐵芯；2極靴；3勵磁繞組4繞組絕緣；5機座；6螺桿123564圖19-5 主磁極和換向極分布示意圖1主磁極；2換向極；3機座1322、換向極：作用:用以改善換向,換向極裝在相鄰兩主極之間;材料:由鐵心和繞組構成,換向極繞組與電樞繞組串聯(lián).4 、電刷裝置：作用:把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，電刷與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。材料:由電刷(石墨)、刷握、刷 桿和連線等構成電刷固定在機座或端蓋上。 3 、機座： 作用:1、電機磁路一部分 2、固定主磁極、換向極及端蓋等,機械支撐的。 材料:要求好的導磁性能及足夠的機械強度。通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。彈

7、簧壓板銅絲辮電刷刷握二、轉(zhuǎn)子部分 轉(zhuǎn)子:包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風扇、軸和 軸承等。 1 、電樞鐵心： 作用:電機主磁路的一部分，用來嵌放電樞繞組. 材料: 為了減少電樞鐵心中磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通 常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。2 、電樞繞組：作用:主要電路部分，是通過電流和感應 電動勢,實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關鍵性 部件。構成:許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成,圓 截面銅線或扁導線、空心導線.1槽楔；2線圈絕緣3層間絕緣4導體；5槽絕緣；作用:與電刷配合，把電樞 繞組內(nèi)部的交流電用 機械換接方法轉(zhuǎn)換為 電刷間的直流電. 構成:由許多鴿尾形的換向 片排成一個圓筒構成

8、彼此換向片間互相絕 緣的.4、軸和軸承、通風冷卻的風扇等。換向片墊圈絕緣層套筒3 、換向器:5、氣隙: 定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是主磁路一部分，其大小直接影響運行性能。 直流電機的換向片交流電機的集電環(huán) 電機廠家根據(jù)國家標準對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，亦稱為額定值。直流電機的額定值有：19.3 直流電機的額定值 1.額定功率 ：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行 時,電機的輸出功率，以kW表示 直流電動機:是指軸上輸出的機械功率。 直流發(fā)電機:是指電刷端輸出的電功率.3.額定電流 ：指電機運行在時,電機的電流， 以A表示。 5勵磁方式和額定勵磁電流 :以A表示。4.額定轉(zhuǎn)

9、速 ：指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速， 以r/min表示。2. 額定電壓 ：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓， 以V表示。19.4 直流電樞繞組一、電樞繞組概述（1）電樞繞組的基本要求： a)能產(chǎn)生足夠的感應電勢 b)允許通過規(guī)定的電流 c)節(jié)約材料、工藝簡單、運行可靠（2）直流電樞繞組的基本型式： 疊繞組，包括單疊繞組和復疊繞組； 波繞組，包括單波繞組和復波繞組；單疊繞組和單波繞組是最基本的兩種繞組。 (a)單匝線圈 (b)兩匝線圈 (a) 單匝線圈 (b) 兩匝線圈 圖19-10 疊繞組線圈 圖19-11 波繞組線圈單疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件的端接部分，整

10、個繞組成折疊式前進。單波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。單疊繞組和單波繞組是最基本的，本節(jié)主要介紹單疊繞組、波繞組NSNSSN1、繞組線圈（1）元件（線圈）：兩端分別與兩片換向片相連的單匝或多匝(Nc)線圈。 （2）元件邊:一個線圈有兩個元件圈邊(上元件邊和下元件邊),分別處于相鄰不同極面下,跨距約一個極距 .上元件邊下元件邊 （5）元件(線圈)數(shù)S 、虛槽數(shù)Ze 、換向片數(shù)K （6）導體:構成元件線匝的兩有效邊稱導體, 電樞總的導體數(shù):（3）實槽數(shù)Z:電樞鐵芯的實際槽數(shù) （7）極距 ：在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。用槽數(shù)表示: C=2C=3

11、（4） 虛槽數(shù)Ze:每一個實槽內(nèi)每層放置C個線圈邊，如將實槽內(nèi)每一列上、下線圈邊所占的槽空間看成是一個虛槽，虛槽數(shù)量用Ze表示，則：第一節(jié)距y1：指線圈的跨距第二節(jié)距 y2 ：前一元件下層邊與后一元件上層邊的距離合成節(jié)距y：相串連的兩元件對應圈邊在電樞表面跨過的距離換向節(jié)距yk：同一元件首末端連接的換向片之間的距離2、電樞繞組的幾個節(jié)距疊繞組波繞組 3、場移： 為了使繞組各線圈能沿著電樞表面分布，相鄰線圈在磁場中必須移過一定的距離，場移m用虛槽數(shù)或換向片數(shù)來表示。疊繞組：相鄰的兩個線圈處于同一極面下，為了使繞組能分布開，y2的絕對值不能等于y1。顯然，疊繞組的場移m與合成節(jié)距y 相等。即：m

12、= y 波繞組 ：相串聯(lián)的兩個線圈處于相鄰的兩個同極性的磁極面下，為了使繞組能分布，合成節(jié)距y不能恰好等于一對極距，波繞組的場移m 等于合成節(jié)距與一對極距之差。即：一、單疊繞組: 單疊繞組:相鄰兩元件在電樞表面僅差一個槽,每個線圈的出線端依次接到相鄰的換向片上. 即: 第一個元件上層邊由N極出發(fā) ,下層邊繞嵌到相鄰S極下; 通過換向器與相鄰第二個元件的上層邊串聯(lián),回到原N極下,繼續(xù)直到所有的元件均串聯(lián)起來為止.特點：虛槽數(shù)Ze = 元件數(shù)S = 換向片數(shù)K； 合成節(jié)距:稱為左行繞組，用銅多，少采用 稱為右行繞組，用銅少，常采用（y0右行；y0左行）NS左行右行 2）第一節(jié)距： 3）合成節(jié)距：

13、4）第二節(jié)距：例：已知2p =4，電樞槽Ze=20 ，單疊右行繞組。畫繞組連接展開圖步驟如下：1、計算：1）極距：可見，依次連接完20個線圈后，又回到了第一個線圈，說明電樞繞組總是自行閉合的。則：繞組連接表如下2、作圖步驟：1）標槽號、換向片號、連接各元件.編號原則：元件和它的上層邊所在的槽，以及與其相連的換向片，三者取相同的編號。2）畫磁極、電刷 電刷放置原則：相鄰電刷間引出的電勢最大。 被電刷短路的元件，其電勢最小。結論：電刷應放置在換向器的幾何中心線上。換向器的幾何中心線：與主磁極軸線重合的元件所接的兩換向片的中心線。3）標電勢方向.4）畫電刷極性, 并聯(lián)支路，引出出線 .3、作圖開始演

14、示展開圖1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18NNSS_+-+-+1）標槽號、換向片號3）畫磁極、電刷 4）標電勢方向,電刷極性 5）畫并聯(lián)支路，引出出線 2）連接各元件n單疊繞組展開圖(p280圖19-15/16)4、小結：7）電刷位置在三線合一處，使得引出電勢最大6）總電流（支路電流之和）內(nèi)部無環(huán)流4）電刷數(shù)極數(shù)1）單迭繞組中，并聯(lián)支路數(shù)： （固定）3）在整個電樞閉合回路中2）每支路有本例有5個元件，其中一元件被短路個元件5）電

15、刷間引出電勢支路電勢 疊繞組:是一種并聯(lián)支路數(shù)較多,電樞電流較大.電刷間電動勢較小的并聯(lián)繞組. 二、單波繞組 單波繞組:相鄰二元件相隔約為一對極距,經(jīng)過P個繞組元件串聯(lián)后,回到原出發(fā)換向片的相鄰一片上。 即:第一元件處于某一對極面下（N1、S1), 第二元件在相鄰的另對極面下（N2、S2）, 若有P對極，則連接P個元件之后才回到出發(fā)元件的鄰槽，如此下去直至所有元件都串起來為止。特點：合成節(jié)距取“-1”稱為左行繞組，用銅少，常采用N1N2S2S1左行右行 2）合成節(jié)距： 3）第一節(jié)距： 4）第二節(jié)距：例：已知2p =4，Z=S=K=19,c =1，單波左行畫繞組連接展開圖步驟如下：1、計算：1）

16、極距：繞組連接表:依次連接完19個線圈后，又回到了第一個線圈自行閉合的。2、作圖步驟：1）標槽號、換向片號、連接各元件編號原則：元件和它的上層邊所在的槽，以及與其相連的換向片，三者取相同的編號。2）畫磁極、電刷 電刷放置原則：相鄰電刷間引出的電勢最大。 被電刷短路的元件，其電勢最小。結論：電刷應放置在換向器的幾何中心線上。換向器的幾何中心線：與主磁極軸線重合的元件所接的兩換向片的中心線。3）標電勢、電勢方向。連接各元件4）畫電刷極性, 并聯(lián)支路，引出出線 2、作圖開始演示展開圖1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 191 2 3 4 5 6

17、7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1 2 3 4NNSS-+-+-+1）標槽號、換向片號2）畫磁極4）標電勢方向,放電刷及標極性 5）畫并聯(lián)支路，引出出線 3）連接各元件n單波繞組展開圖(283圖19-18/19)N(上元件號)S(上元件號)3、結論 3) 電刷數(shù)2p(極數(shù)) 1) a2即單波繞組只有兩條支路,并聯(lián)支路與極數(shù)無關。 2)單波繞組每一條支路串聯(lián)了上線圈邊處于同一極性下的所有線圈，各線圈的電勢方向相同。 第一條支路：N極下所有元件串連第二條支路：S極下所有元件串連 單波繞:并聯(lián)支路數(shù)少（2條）、電刷間電動勢較大,電樞電流較小 ,故稱串聯(lián)繞組.三

18、、其它形式的繞組1、雙疊繞組：y=2（兩個單疊） 并聯(lián)支路數(shù)為4p2、雙波繞組：并聯(lián)支路數(shù)為43、復疊、復波、混合繞組等電樞繞組是閉合回路:從電樞上某一導體出發(fā)，按一定的規(guī)律串連所有導體后，仍回到出發(fā)點，自成閉合回路。SN1)主磁通 :經(jīng)氣隙同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組,在電樞繞組中產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的有效磁通。19.5直流電機的磁場和電樞反應一、直流電機空載氣隙磁場空載時，Ia=0, If Ff B 1 、磁通與磁動勢主磁路：由N極出發(fā)，經(jīng)氣隙進入電樞齒部，經(jīng)電樞鐵心的磁軛到另外的電樞齒，通過氣隙進入S極，再經(jīng)定子軛回到原來N極。2)漏磁通 :磁力線不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極

19、或定子鐵軛形成閉合回路.3)漏磁系數(shù): 漏磁通所走的路徑氣隙大，磁阻大.在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的15% 20%。4)勵磁磁動勢F0：主磁路可分成5個部分，即由2個氣隙 、2個電樞齒hz、1個電樞磁軛La、2個主磁極hm、1個定子磁軛Lj。主磁通所走的路徑氣隙小，磁阻小. 根據(jù)全電流定律，產(chǎn)生主磁通所需的勵磁磁動勢:2、主磁場分布:平頂帽狀波極面下:氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù);極尖處:氣隙變大，磁通密度減小；磁極的幾何中性線(交軸線)處 :氣隙磁通密度為零。邊緣磁通：磁極邊緣至幾何中性線,氣隙磁密沿曲線平滑下降，稱邊緣磁通。主磁場性質(zhì)：恒定磁場3、磁化曲線aab

20、c氣隙線磁化曲線oF0 指電機的主磁通與勵磁磁動勢的關系曲線 = f（F0），如圖所示。 空載時,電機產(chǎn)生額定電壓對應的磁通所需磁動勢為F0 ，與同一磁通下的氣隙磁動勢為F比值，定義為磁路飽和系數(shù):一般k1.11.3 qq二 、直流電機的電樞磁場（電刷在幾何中性線時） 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機電樞磁場分布圖。假勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布為交軸磁動勢 。電樞磁動勢:電樞電流Ia產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。 d軸q軸電刷在幾何中性線:與電刷接觸的換向片所聯(lián)接的線圈邊在幾何中性線處。不考慮主磁極磁場時的電樞磁場a）一個Nc匝元件產(chǎn) 生的

21、氣隙磁動勢: 波形:正負半周對稱的矩形波b）三個Nc匝元件產(chǎn)生的磁勢 波形：階梯波 幅值：1、電樞磁動勢波形幅值：xxFF波形：近似于三角波幅值：位置: 幅值位置恰在導體中的電流方向改變處,即電刷處.c) N個Nc匝元件產(chǎn)生的磁勢則支路(導體)電流 :一個極內(nèi)的導體數(shù)為：設：總導體數(shù)為N，極數(shù)為2p，并聯(lián)支路為數(shù)為a， 電樞電流為 則在x處每個氣隙的電樞磁動勢:2、電樞磁動勢幅值(安匝/極)在x =/2處電樞磁動勢幅值:-線負荷( 約100 600 )(安匝/極)b)在x =/2處電樞磁勢達到最大值:a)在磁極中心線處: c)任意點處：0X=/2xdq總結：電刷放在幾何中性線上時,氣隙電樞磁動

22、勢 近似于三角波。3、電樞磁場 電刷放在幾何中性線上時,電樞磁勢為三角波, 由于氣隙不均勻的影響，其產(chǎn)生的電樞磁場分布曲線 為馬鞍形,最大磁密在極尖處. 當電刷處于幾何中性線上時，由于電樞磁動勢的軸線與幾何中性線（即q軸）重合，故稱為交軸電樞反應。三、交軸電樞反應 電樞磁場對主極磁場的影響稱為電樞反應。1 、電樞反應2 、交軸電樞反應不考慮主磁極磁場時的電樞磁場 3、負載后的氣隙磁場 當勵磁繞組中有勵磁電流時,負載后的氣隙磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線 負載后的氣隙磁場:將主磁場

23、分布和電樞磁場分布疊加，可得負載后電機的氣隙磁場分布情況.如圖所示: B0(x)+Ba(x)=B(x)1）不考慮飽和現(xiàn)象: B(x)產(chǎn)生畸變，但每極總的磁通量不變4 、交軸電樞反應對電機運行的影響電動機 :前極尖加強;后極尖削弱發(fā)電機 :前極尖削弱;后極尖加電樞進入極面處的磁極極尖為前極尖，電樞離開極面處的極尖為后極尖。2) 交軸電樞反應使極面下的磁通密度分布不均勻。 4) 極面下的磁密分布不均，導體切割磁場產(chǎn)生的感應電動勢大小不均,各換向片的電動勢分布不均,導致電位火花,嚴重時燒壞換向器和繞組。Ff0:磁通的有效磁動勢:Ff:磁極實際磁動勢Faqd:交軸電樞去磁作用等效安匝 5)交軸電樞反應

24、使磁密分布畸變,物理中性線偏離幾何中性線。交軸處的磁場不為零,妨礙線圈中的電流的換向,產(chǎn)生換向火花。解決辦法:裝換向極補償繞組 3）若考慮飽和現(xiàn)象：由于B(x)畸變,交軸電樞反應使每極尖磁通增加的數(shù)量小于另一半極尖磁通減少的數(shù)量（面積S4S3），每極磁通略有減少。四、直軸電樞反應(當電刷偏離幾何中性線上時) 1、電刷順著發(fā)電機轉(zhuǎn)向(或逆著電動機轉(zhuǎn)向)移過一個角(a)圖時，電樞電流分布發(fā)生改變Fa軸線也移過角.Fadx :2范圍電流所產(chǎn)生磁勢，呈直軸去磁電樞反應。Faqx：( -2)范圍電流所產(chǎn)生磁勢，交軸電樞反應。 2、電刷順著電動機轉(zhuǎn)向(或逆著發(fā)電機轉(zhuǎn)向)移過一個角(b)圖,此時Fa軸線也移

25、過角;Fadx-2呈直軸助磁電樞反應?？梢?電刷移動將產(chǎn)生直軸電樞反應:直軸去磁使磁通減少;直軸助磁引起換相困難;所以應嚴格將電刷放在q軸處,避免直軸電樞反應。Faqx-( -2)仍為交軸電樞反應。3、交軸、直軸電樞反應磁動勢大小可見: a) 電樞磁動勢幅值位置(或軸線)永遠在導體電流方向改變處,即電刷處;且在空間是靜止的.b)電樞磁動勢的波 為空間三角波,軸線隨電刷移動而移動 。19.6 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩一、電樞繞組的感應電動勢 指直流電機正、負電刷之間的感應電勢，即一條支路里各串聯(lián)導體的電動勢代數(shù)和。 電刷電勢 = 位于電刷之間一定位置的各個導體的感應電動勢之和。1 、某一導體的感應電

26、動勢為： 設電樞繞組的總導體數(shù)為N，并聯(lián)支路數(shù)為a，則每條支路的串聯(lián)導體數(shù)為N/a，電刷之間的感應電動勢為：式中 可用平均磁密 代替 2 、電刷之間的感應電動勢： Bi：導體所在處的氣隙磁通密度 l ：電樞導體的有效長度 v ：導體切割氣隙磁場的速度設每一極面下的平均磁通密度為Bav，則每極磁通量為：每根導體的平均感應電動勢為：相鄰電刷之間的感應電動勢為：可見：電刷間的感應電動勢與極面下的總磁通量成正比,與極面下的磁通密度分布情況無關.-電勢常數(shù)3 、導體感應電動勢頻率: 電刷間的感應電動勢為直流，但電樞導體感應電動勢是交變的，其頻率為： 4 、實際電刷間的感應電動勢比以上推導的值小，可能的原因有：繞組不是整距繞組電刷不在交軸處交軸電樞反應以及鐵芯飽和