第05章-直流电机

I a 2aia
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第5章 直流电机 单波绕组
波绕组：同一极性下得所以元件串联成一条支路，首末端相连 的两个换向片相隔很远，两元件紧相串联后形似波浪。
Baidu Nhomakorabea
最大特点：
支路对数恒为 1， 与磁极对数无关！ 电枢电流等于两倍支路电流
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电枢绕组图
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电枢绕组装配图-1
又增加了维护工作量
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第5章 直流电机
• 直流电动机应用于对起动和调速性能要求较 高的生产机械，例如电力机车、轧钢机、大 型机床、矿井卷扬机、船舶机械、造纸和纺 织机械等都广泛采用直流电动机作为原动机。 • 直流发电机主要用作直流电源，为直流电动 机、电解、电镀等提供所需的直流电能。
本章主要介绍直流电机的基本结构和工作原理、 电枢绕组的基本结构和磁场，以及直流电动机的基 本方程和工作特性。
1
2
3
yk
a)
yk
b)
图5-10 绕组的连接形式
a) 单叠绕组 b) 单波绕组
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第5章 直流电机
单叠绕组
是以相邻元件依次串联的连接规律练成的，每个元件的两个 出线端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一个闭合回路。
单叠绕组特点：
1）同一主磁极下的元件串联成一条支路， 主磁极数与支路数相同。2a=2p 2）电刷数等于主磁极数。 3）电枢电流等于各支路电流之和。 并联支路数 2a=2p，电枢电流：
分类：
• 直流电机分为直流电动机和直流发电机。 直流发电机：机械能——直流电能 直流电动机：直流电能——机械能
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直流电机
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直流电机
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直流牵引电机
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永磁无刷直流电动机
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第5章 直流电机
直流电机用途：
• 直流电动机的优点： （1）调速范围广，易于平滑调速； （2）启动、制动和过载转矩大； （3）易于控制，可靠性较高。 • 直流电机的主要缺点: 换向问题 限制了它的极限容量
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电枢绕组展开原理图-4
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第5章 直流电机
5.2.2 直流电机的磁场 1. 空载磁场 直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功 率输出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。
N
If N 励磁线圈 S 电刷
几何中线
电枢线圈 主磁通 主磁通 电动机 旋转方向
漏磁通
S
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第5章 直流电机 5.1 直流电机的基本原理与结构
5.1.1 直流电机的基本原理 根据第1章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化 模型，如图5-1所示。
电枢绕组
q
定子 电枢
q
A
Φ
d
N
S n
d
B
励磁线圈 电刷
- Uf +
a)
b)
图5-1 直流电机的简化模型
a) 直流电机结构 b) 直流电机模型
a)
b)
图5-9 元件边在槽内的放置情况
a) 线圈元件嵌放次序 b) 线圈槽的剖面图
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第5章 直流电机
按照元件首尾端与换向片联接规律的不同，电枢绕组可分为 叠绕组和波绕组，叠绕组又有单叠和复叠之分，波绕组也有单波 和复波之分。单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式。
y1
2
y
1
2
y y2
y1
y2
ea
0
π
2π
0


t
图5-7 直流电机感应电动势波形
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第5章 直流电机 5.2 直流电机的电枢绕组和磁场
5.2.1 直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现 机电能转换的核心部件。在实际的直流电机中，为增加电机的 感应电动势和电磁转矩其电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多 线圈， 这些线圈按一定规律与换向器联接起来， 组成电枢绕 组。
（5-1）
由电枢转动的机械角速度与感应电动势角频率e 的关系
e np
2π n 60
（5-2） （5-3）
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第5章 直流电机
式（5-1）表示的直流电机感应电动势可写成 2n p N n Ea Φ 4np NΦ （5-4） π 60 由于电枢绕组的匝数N与电枢总有效边数Z以及支路对数a的关系 为 N = Z/4a， Z n np Z E a 4n p Φ Φn 4a 60 60a 令 Ce
+
Ia M U U
-
+
I Ia
U U
-
+
Ia Ia
U If M
-
+
I Ia
U U
If2 M
-
M
If
Uff U
+
a)
-
If
b) c)
If1
d)
图5-15 直流电机的励磁方式
a) 他励式 b) 并励式 b) 串励式 b) 复励式
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第5章 直流电机 5.3 电枢绕组感应电动势和电磁转矩
在直流电机运行时，电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感 应电动势，同时电枢绕组中有电流便会受电磁力的作用。下面讨 论感应电动势和电磁转矩的计算公式。 5.3.1 电枢绕组感应电动势 电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生 的感应电动势，如图5-16所示，电刷间感应电动势波形如同一个 交流正弦电压经过整流以后的波形，这说明直流电机电枢上产生 的是交流电，经过电刷换向后才输出直流电。
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第5章 直流电机 感应电动势的换向原理：
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第5章 直流电机
综上分析，可见直流电机通过换向器和电刷将电枢绕组内部 的交变电流转换为直流输出，其直流输出波形如图 5-7所示。换 向器的作用就像由二极管构成的静止整流器，将交流变换为直 流，所不同的是这里采用了机械换向方法。
ea a'
换向
换向片
a)
b)
图5-8 单匝和多匝线圈
a) 单匝线圈 b) 多匝线圈
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第5章 直流电机
电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图 5-8所示。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层， 另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图5-9所示。
槽楔
上层边
元件边
下层边 下层边
2 1 3
N
电动机 旋转方向 电枢线圈 n 电动机 旋转方向 N 励磁线圈 S
电刷
合成磁场
S
a) b)
发电机 旋转方向
图5-14 合成磁场磁通分布和磁密分布曲线展开图
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第5章 直流电机
5.2.3 直流电机的励磁方式 在直流电机中，由定子励磁线圈通电所产生的主磁场称为励 磁磁场。不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按 励磁绕组的供电方式不同，可把直流电机分成下列四种：
电机及拖动基础
第5章 直流电机
5.1 直流电机的基本原理与结构 5.2 直流电机的电枢绕组和磁场 5.3 电枢绕组感应电动势和电磁转矩 5.4 直流电机的基本方程和工作特性
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第5章 直流电机
引 言
• 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电 能和机械能相互转换的电磁装置，是电能 和机械能相互转换的旋转电机之一。
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直流电机模型
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第5章 直流电机
1. 直流发电机的工作原理
基本原理： 电磁感应定律
产生电能要两个必要 条件： 有一个磁场存在； 导体在磁场中有运动
磁极对N,S不动 线 圈（绕组）abcd 旋 转 换向片1，2旋 转 电刷及出线A,B 不动
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第5章 直流电机
2. 直流电动机的工作原理
a) b)
发电机 旋转方向
图5-11 空载时的磁场分布
a) 空载时的磁场分布 b) 主磁场磁密分布曲线
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第5章 直流电机
主磁通0 的大小决定于励磁磁动势Ff 、磁路各段几何尺寸和 选用的材料性质。在磁路尺寸和材料已定的情况下，0 与Ff 满足 图5-12所示的 0 = f（Ff ）关系曲线。若励磁绕组匝数一定，磁 动势Ff 便与励磁电流If 成正比，使 0 = f（Ff ）= f（If ），称为 磁化曲线。
Φ0
1
磁化曲线表明，电机中磁 通增大时，磁通与磁动势成线 性正比，但当磁通达到一定数 值时，磁通增长缓慢，呈饱和 趋势，随着磁动势继续增加， 磁通趋于平直。一般电机空载 时，电机的磁场处于磁化曲线 浅饱和区的a点。
2
ΦN
a
o
Fδ
Fδ0
I f , Ff
图5-12 磁化曲线
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第5章 直流电机
2. 电枢反应 直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时， 产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙 中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢 磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。 首先分析电枢磁场的单独分布。 由于电枢绕组中各支路电流 是经电刷与外电路连接的， 电枢表面的磁场分布与电刷分布有 关。电刷是电枢表面电流分布的分界线，如图5-13a所示，根据右 手螺旋定则，其磁通分布和磁密分布曲线展开如图5-13b所示。如 电枢元件在电枢表面的分布是均匀的， 则电枢磁动势在主磁极中 央为零，在两磁极的中间为最大。 两磁极中间的气隙磁阻大，使 磁通最大点出现在主磁极两端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。
np Z 60a
为电动势常数，那么就得到直流电机的电枢电动势
计算公式
Ea CeΦn
（5-5）
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第5章 直流电机
5.3.2 电磁转矩
这里利用第3章推导的一般电机电磁转矩方程式（3-18）来 计算直流电机的电磁转矩。
π 2 Te np sr Fr sin r 2
（5-6）
从直流电机的基本结构可以看出，它是一种定子绕组为凸 极的电机，现假定其满足以下条件： 1）可以忽略各种饱和与非线性。 2）电刷的位置在几何中心线上，即 r = 90，并忽略电刷 宽度。 3）忽略磁动势的空间谐波。 4）电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽。
ea
0
π
2π
et
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图5-16 直流电机电刷间输出的感应电动势
第5章 直流电机
由式（3-3）电机产生的感应电动势为
e NΦe sine t
这里，直流电机运转时在电刷间产生的平均感应电动势为
1 π 2 E a NΦ e sin e td e t e NΦ π 0 π
转轴 轴承 换向器 电枢铁心 电枢绕组 风扇 轴承
图5-5 直流电机的电枢
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直流电机的转子
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转子结构图-1
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转子结构图-2
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直流电机的转子
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第5章 直流电机
3. 换向器和电刷
换向器安装在转轴上，有许多梯形截面的换向片围
叠组成一个圆柱体，相邻的换向片用云母片彼此绝缘。
图5-3 直流电机基本结构
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直流电机外部结构
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直流电机内部结构
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直流电机内部结构
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直 流 电 机 结 构
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第5章 直流电机
1. 定子 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面 结构示意图如图5-4所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机 的机械支架。
机座 主极 换向极 电枢 极靴 励磁线圈 极身 机座
基本原理：电磁力定律
产生力矩两个必要条件： 有一个磁场存在；导体中 有电流
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第5章 直流电机
Te
S n
N
Te
图5-2 直流电动机的工作原理
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第5章 直流电机
5.1.2 直流电机的基本 结构
直流电动机和直 流发电机在主要结构 上基本相同，常用的 中小型直流电动机结 构如图 5-3 所示。直流 电动机主要由定子、 转子，电刷装置、端 盖、轴承、通风冷却 系统等部件组成。
框架 电枢
图5-4 直流电机定子剖面结构
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直流电机的定子内部结构
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直流电机的定子内部结构
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直流电机的定子内部结构
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第5章 直流电机
2. 转子 转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴 和风扇等组成，如图5-5所示。它的作用是产生电磁转矩或感应 电动势，实现机电能量的转换。
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电枢绕组装配图-2
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电枢绕组放置原理图-1
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电枢绕组放置原理图-2
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电枢绕组放置原理图-3
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电枢绕组放置原理图-4
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电枢绕组放置原理图-5
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电枢绕组放置原理图-6
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电枢绕组展开原理图-1
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电枢绕组展开原理图-2
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电枢绕组展开原理图-3
换向器的作用是将电枢绕组内的交流电动势用机械
换接的方法转换成电刷间的直流电动势。
换向片与电刷接触， 通过固定的电刷与转动的换向
片之间的滑动接触， 使旋转的转子电路与静止的外电
路相连接，把电流引入或引出。
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换向器原理图
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换向器示意图
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换向器
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电刷示意图
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电刷结构图
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第5章 直流电机
励磁线圈
N
N
S
电刷
X=3/2
X=/2
电枢线圈 电枢磁密
S
a)
电枢磁动势
b)
图5-13 电枢磁场磁通分布和磁密分布曲线展开图
a) 电枢磁场磁通分布 b) 磁通和磁密分布曲线
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第5章 直流电机
直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减 少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几 何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。