电机学第3章直流电机

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决于气隙的 大小和形状。 磁极中心及附近的气 隙小且均匀，磁通密度较 大且基本为常数，靠近极 尖处，气隙逐渐变大，磁 通密度减小；极尖以外， 气隙明显增大，磁通密度 显著减少，在磁极之间的 几何中性线处，气隙磁通 密度为零。
y yk
k 1 p
• 画出4极15槽单波左行 绕组展开图 分析：合成节距 y＝ （k －1）/P＝（15－1） /2＝7（槽）（左行） 第一节距 y＝ Z/(2P)+ε=15/43/4=31（槽）采用短距 绕组(y1<τ) 第二节距 y2＝y－y1＝ 4（槽）； • 小结：常用直流电机绕 组型式的支路数2a。 单叠绕组：2a=2p； 单波绕组：2a=2； 双叠绕组：2a=4p； 双波绕组：2a
极靴 几何中性线
极身

（a）气隙形状
空载时的气隙磁通密度为 一平顶波，如下图(b) 所示。
空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图(c) 所示。
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 的每极磁通 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。
发电机：是指输出额定电压；
额定转速 nN 在额定电压下，运行于
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 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期 会影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，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
3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）
• 归纳：（1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 • （2）电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p) 是一个偶数.注：a－支路对数 ；p－极对数 • （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 接触。 • （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。
eXA
2
3
图3-2a 线圈电动势的波形
图3-2b
电刷间的电动势波形
直流发电机工作原理 • （1）线圈中的电动势和 电流都是交流电，通过换 向片及电刷作用产生的直 流电动势及直流电流。 • （2）感应电动势和电流 的方向始终一致。 • （3）电磁电流产生的磁 U 场在空间上是一个恒定不 变的磁场。 • （4）电磁力制动性质与 转子转向相反，原动机必 须输入机械功率克服电磁 力矩制动作用使转子恒速 旋转产生电能。
2直流电机的主要结构
电刷盒
3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。 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。 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） 为短复励；先串在并是长复励。如果Fs（串）和Ff（并）方向一 致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。
+ U –
换向片
N
I
I
S
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（交 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。 （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 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。
上层元件边 下层元件边
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
＋y 1
2
13
14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
15
16
1 闭合
＋y
5 6 ＋y
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
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单叠绕组的联结规律可用绕组展开图来表示。绕组展开图, 是想象把电枢沿轴向剖开展成平面，所见到的绕组图。 绘制展开图的步骤是: 第一步: 计算绕组的各节距。
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• •
第二步: 画槽、画元件，按顺序编号。
第三步: 画换向片，按顺序编号。 第四步: 排列、联结绕组。
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第五步: 放置主磁极。
第六步: 安放电刷。 ［例1-1］一台4极16槽直流电机，换向片数K=16；元件数S=16；
试画出整距右行单叠绕组展开图解
计算绕组的各节距:
• • •
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• •
解 计算绕组的各节距: 。 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1~5。展开图中可以把 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。 依次串联16个元件。 再画出各磁极N、S、N、S。
单叠绕组的展开图
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• •
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画电刷，电刷组数=主 磁极数,绕组的电刷中 心线在每个磁极的中心 线上。〖即保证电刷必 须与位于几何中线处的 导体相接触。 画出电枢转向和电刷连 线 此时的等效电路图，一 条主磁极对应一条支路， 单叠绕组的支路数等于 极数，这里为4极，即 有4个支路 a=p；电枢绕组的总电 流Ia=2a*ia(ia为各支 路的电流即元件电流或 元件中每匝导体电流)
• 直流电机的用途：视频
• 1基本工作原理
• 定子上有磁铁（主磁极）和电刷。 • 转子有环形铁心和铁心上的绕组。 • 左图表示一台最简单的两极直流电 机模型， • 定子上，装设了一对直流励磁的静 止的主磁极N和S， • 转子上装设电枢铁心。定子与转子 之间有一气隙。在电枢铁心上放置 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。换向片之间互相绝缘， 由换向片构成的整体称为换向器。 换向器固定在转轴上，换向片与转 轴之间亦互相绝缘。 • 在换向片上放置着一对固定不动的 电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢 线圈通过换向片和电刷与外电路接 通。
E +
Ia
N
E
–
S
直流电动机工作原理 在磁场作用下，N极性下导体 直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左，S 极下导 成机械能的旋转机械。 体cd受力方向从左向右。该电磁 把电刷A、B接到直流电源上， 力形成逆时针方向的电磁转矩。 电刷A接正极，电刷B接负极。此 当电磁转矩大于阻转矩时，电机 时电枢线圈中将电流流过。 转子逆时针方向旋转。 电刷
单波绕组的并联支路图:
单波绕组的特点
1）同极下各元件串联 起来组成一条支路，支 路对数为1，与磁极对 数无关； 2）当元件的几何形 状对称时，电刷在 换向器表面上的位 置对准主磁极中心 线，支路电动势最 大； 3）电刷数等于磁极数；
4）电枢电动势等于支路感应电动势；
5）电枢电流等于两条支路电流之和。


Z 2p
基本术语：
第一节矩y1: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。当y1 =τ，为整矩绕 组，当y1 <τ为短矩绕组。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。ε为小于1的分 数。 Z y1
2p

第二节矩y2:在相串连的两个元件中， 第一个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y2，用槽数表示。 合成节矩y：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y。用槽数表示。 换向器节矩yk: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。注：换向 器的节距总是等于合成节矩。y=yk
第3章 直流电机
• • • • • • • • 3.1直流电机的基本工作原理和结构 3.2直流电枢绕组 3.3直流电机磁场 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5直流电机基本方程 3.6直流电动机的运行特性 3.7直流电动机的起动、调速、制动 3.8直流电机的换向
3.1直流电机的基本工作原理和结构
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、工作性能等比较好。
3.2 直流电机的电枢绕组
• 1.直流电机绕组的构成
• • 电枢绕组是直流电机的电路部分，实现机电能量转换的枢钮。 直流电机电枢绕组分三种形式：叠绕组、波绕组、混合绕组。 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。 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。 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 有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。 槽数Z=元件数S=换向片数K 极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示 p为 主磁极极对数
单波绕组
y y1 y2
单叠绕组
y y1 y2
2.单叠绕组
• 单叠绕组：相邻联接的两 个元件互相交错地重叠。 多个相邻元件依次串联， 同时每个元件的引线端依 次焊接到相邻的换向片上 最后形成闭合回路。整个 绕组成折叠式前进 • y=yk=1时绕组向右移动； • y=yk=-1时绕组向左移动； （用铜量较多，很少采用） • 换向片数=元件数=单迭绕 组的槽数
3.3 直流电机的电枢反应
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影响称为 电枢反应。 (1)直流电机的空载磁场 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 N f ，流过电流 I f，每 极的励磁磁动势为：
Ff I f N f
4直流电机的额定值
指轴上输出 电动机 指电刷间输出的 发电机 额定条件下电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率 额定电压 UN
额定功率 PN
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流 IN
额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下，运 电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 电机铭牌上还标有其它数 额定励磁电流 I fN 据，如励磁电压、出厂日 对应于额定电压、额定电流、额 期、出厂编号等。 定转速及额定功率时的励磁电流
0
N
A
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 通 N 设定在图中 A点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。
0
I fN
If0 If F f 0 IN
(2)直流电机负载时的负载磁场 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。电枢磁动势的 出现使电机的磁场发生变化。 右图为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布 情况。 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 为交轴磁动势。
电枢绕组的特点
• 第一节距
y1 Z 2p
• 同一个主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，有几个主 磁极就有几条支路; • 电枢绕组为双层绕组，S=K=Z
• 电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大， 电刷间电动势等于并联支路电动势;安放电刷的原则：几何 中性线上 • 单叠绕组： y=yk=1,且并联支路数a=P ＋y • 单波绕组： y=yk=（k-1）/p为整数,a=1
漏磁通
磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路
主磁通
磁力线由N极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极，再 经定子铁轭回到N极
主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得 多，大约是主磁通的20%。