电机学-直流电机原理与绕组

几何中性线
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
+－
+
－
N
+S
－N
S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
+
－
整理课件
－
电路图
结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图
每个极下的元件组成一条支路。 即单迭绕组的并联支路数正好等 于电机的极数。 这是单整迭理课绕件组的重要特点之一。
D a (弧长)
2p
Z （槽数）
2p
（电角度）
整理课件
有关电枢绕组名词、术语
元件（线圈）：
第一节距y1 y1
每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离， 常用槽数来表示
第二节距y2（y2<0）
联接在同一个换向片上两个不同元件的元件 边在电枢表面跨过的距离
合成节距y： y=y1+y2
0
整理课件
A
If0 If
I fN F f 0 IN
直流电机的空载磁场
空载时，励磁磁动势主要消
耗在气隙上。当忽略铁磁材料的
极靴
磁阻时，主磁极下气隙磁通密度
极身
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
几何中性线
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，
（a）气隙形状
整理课件
三、直流电机的额定值
额定容量PN： 输出功率 额定电压UN：额定状态下出线端电压； 额定电流IN：额定状态下出线端电流； 额定转速n： 额定状态下的电机转速
★
直流发电机： 电功率PN＝UN·IN 直流电动机： 机械功率PN＝UN·IN ·
为电动机整的理课工件作效率
§1-2 直流电机电枢绕组
电枢绕组的形式 每极二槽
Bx
e
每旋转90度，S1、S3和S2、S4交替 产生感应电势和电磁力矩
e AB T
e AB T 每转脉动四次
脉动量
eA% BeAm Bea A整x e m B A 理m 课a B件x/a2 x10 % 05% 0
2
x
2
x
2
x
电枢绕组的形式
e AB T 每转脉动
脉动量
分直轴电枢反应和交轴电枢反应
主磁极轴线——直轴、纵轴、d轴 极间（几何）中心线——
交轴、横轴、q轴
整理课件
第二节 电枢绕组的磁势
(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Fa。电枢磁动势 的出现使电机的磁场发生变化。 一、在几何中性线上时的电枢磁势
为制动转矩，吸收机械功率。
电枢电动势Ea与电流Ia方向相反 ， 吸收电功率。
电磁转矩Tem与转速n方向一致，为驱 整理课动件转矩，输出机械功率。
直流电机的空载磁场
当励磁绕组的串联匝数
为 N f ，流过电流为 I f ， 每极的励磁磁动势为：
Ff If Nf
整理课件
直流电机的空载磁场
为了感应电动势或产生电
相串联的两个元件的对应边在电枢表面跨过的距离
换向器节距yk：
每一个元件的两端所连接的两片换向片之间在换向表面上所跨过的距离
整理课件
基本绕组形式
一、 单迭绕组：
迭： 两个相邻联接的元件， 后一元 件的端部紧迭在前一元件的端部。 单： 首末端相联的两换向片相隔
一个换向片的宽度。
y=yk=1
特点： 槽数Z、元件数S和整换理课向件片数K三者相同
每极一槽
2次
eAB %10% 0
每极二槽
4次
eAB%5% 0
每极三槽
6次
eAB%3% 3
每极四槽
8次
eAB %2% 5
理论上每极槽数越多越好整理,课但件机械加工上有困难
最简单的直流电动机2P3Z
整理课件
绕组展开图
以第一个线图 被短路时画出
整理课件
有关电枢绕组名词、术语
极轴线：磁极中心线--d轴 几何中心线：磁极之间的平分线--q轴 极距：铁心表面， 一个极所占的距离。
单迭绕组分析实例
实例： P＝2， Z＝S＝K＝16
计算数据y和y1
1. 数据计算：
y＝yk＝1
y1
Z 164 2p 22
画绕组展开图 安放电刷和磁极
整理课件
单迭绕组展开图
1槽.槽展展开开 τ
2绕.绕组组放放置置 τ
安3.放安磁放极磁、极电电刷刷
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S 7 8 9 10 N11 12 13 14 S 15 16
整理课件
§20－1 直流电机的原理和结构
一、直流电机的结构
整理课件
定子和转子
整理课件
直流电机电枢绕组结构
整理课件
直流电机电刷和换向器结构
整理课件
直流电机电刷结构
整理课件
直流电机电刷结构
整理课件
直流电机的基本结构总结
直流电机
定子
转子
机座 主磁极
电枢铁心
电枢绕组
换向极
电刷装置 换向器
风扇 转轴
和n大小和方向可以改变 整理课件
二、电磁转矩
一根导体的平均电磁力：
fx Bxlia
ia
Ia 2a
作用在电枢上的总电磁力：
Tx
fx
Da 2
Bxlia
Da 2
Da
2 p
dT x (Bxlia
Da)•( Nd)x
2 Da
Tem0DadxT2p0dxT2p2 N ia
0Bxl
dx 2p2 N •2 Ia a
气、热）， 运转可靠，结整理构课件简单等。
绕组实物图
整理课件
电枢绕组的形式
A Z2, S2 B
槽数Z、 元件数S 换v向片数K
Z2,S2,K2
2p 2 每极一槽
整理课件
电枢绕组的形式
为加工方便，线圈分成两组,每槽一个线圈 线圈并联支整路理课数件 2a=2=2p
电枢绕组的形式
旋转90度，没有电势和电磁力矩 整理课件
单迭绕组的特点
• 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 • 并联支路数等于磁极数， 2a=2p; • 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为零，
绕组内部无换流； • 每条支路由不相同的电刷引出， 电刷不能少， 电刷数
等于磁极数; • 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势， 电枢
电压等于支路电压; • 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和， 即
电枢电功率
PemEa Ia Ce nIa 260CT nIa Tem 机械功率
直流电动机：从电源吸收的电功率， 通过电磁感应 作用， 转换成轴上的机械功率；
直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的
机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的
电功率。
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直流电机的电枢反应
当励磁绕组中有励磁电流，电机带 上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势 与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁 场对气隙磁场的影响称为电枢反应。 结果影响磁场的大小和形状（相位）
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
Bx
隙磁通密度为零。
整理课件
（b）气隙磁密分布
直流电机的空载磁场
空载时的气隙磁通密度为一 平顶波（与正弦波相比）。
Bx
（b）气隙磁密分布
主磁通——同时与主磁极和电枢 （定子和转子）绕组相匝链的磁 通，主要部分，进行功率传递。
电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的 枢纽。 对电枢绕组的要求： 刷端的电势要尽可能大； 各个线圈（或称元件）电流分配相同； 尽量利用电刷圆周表面，使绕组展开。
在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前
提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电
得到最大的直流电势。 电枢绕组的电路支路数（2a）永远是成对
出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数. 迭绕组：2a=2p 波绕组：2a=2
分析时，以一对极进行分析。
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发电机
e i a fem
电动机
e fem i a
电枢电动势Ea与电流Ia方向一致； 输出电功率 电磁转矩Tem与转速n方向相反，
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。
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直流电机负载时的负载磁场
了解直流电机磁势和电枢反应。 掌握感应电势和电磁转矩的计算方法。
第一节
电枢绕组的感应电势和电磁转矩
每根电枢绕组导体中感应电势
ex Bxlv
dx范围内电枢绕组电势和为
dex
Bx
l
v(
N 2a
• dx )
N电枢绕组的总导体数
E0dxe2N a•v
0lBxd
x
vDa
n 2p n
60 60
v 整 理2课p件n 60
电枢绕组的形式 每极一槽
Bx
2
x
e
2
x
每根导体的电势
e AB T 每转脉动两次
e AB T
2
脉动量
电刷两端的电势和合成转x 矩
eAB %eA eA m B整m Ba 理x a0 课x 件10 %0 10 %0
电枢绕组的形式 每极二槽
4个线圈都切割磁力线 在一个主极下的元件边电势具有
相同的方向
旋转45度，S1、S3被短路（没电 整理课件 势），S2、S4产生电磁力矩
轴承
整理课件
直流电机的物理模型
整理课件
1 直流电机的工作原理
N极下
S极下
电势方向
A
B
ab
cd
a←b←c←d
+
-
cd
ab
a→整b理→课c件→d
+
-
（2）直流发电机运行时的几点结论
1. 电枢线圈内电势、电流是交流电；
2. 电刷间为直流电势。
3. 发电机运行时:线圈中感应电势与电流方向一致；
4. 电动机运行时:线圈中感应电势与电流方向相反；
0lBxdx
一 a•2 6 p0 • n6 N a 0n p
N：总导体数 Ce：电势常数
Ea Cen
Ce
Np 60a
n：电枢旋转速度（r/min) ：每极磁通
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于每极磁 通φ（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分布无关。
整理课件
电磁转矩
Tem2 paN IaCTIa
一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每极磁通 φ（韦伯)和电枢电流(A)， 与磁密分布无关。
和Ia大小和方向可以改变
电势常数Ce和转矩常数CT决定于结构常数。 它们的关系为：
C T 60 C e 2
Ea Cen TemCTIa
整理课件
三、电磁功率
Ia2aai
整理课件
二、单波绕组
波绕组：首末端所接的两换 向片相隔很远， 两个元件紧 相串联后形似波浪。
•同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数a＝1， 与磁极对数p无关。 •电刷组数应等于极数（采用全额电刷）; •电枢电流 Ia＝2ia 。
整理课件
直流电机绕组的归纳
• 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路. • 回路合成电势为零。 • 电刷总是与位于几何中线上的导体相接触，
第 20 章直流电机的基本原理和结构
• 直流电机的基本原理和结构 • 直流电机的电枢绕组 • 直流电机的磁场
整理课件
直流电机的用途
测速 伺服
励磁机 电源
整理课件
直流电机的特点
• 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。
• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高
漏磁通——仅与主磁极相匝链的
磁通，少量。
整理课件
直流电机的励磁方式
Is
Is
他励
并励
串励
复励
复励电机既有并励绕组Nf又有串励绕组Ns 积复励和差复励——并励绕组和串励绕组的磁势互为相加
称积复励；相减的则称差复励
长复励和短复励： 短复励 If IaIsI
整理长课复件 励 IaIs
第二十一章 直流电机的电势、磁势和转矩
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
+
－
+
－
+
整理课－件
某一瞬间电刷、磁极放置
磁极：磁极宽度约0.7τ , 均匀分布，N、S极交替安排。 在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。 在磁极的几何中心线上的元件电势为零。 • 电刷：连接内、外电路。 • 为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，
5. 3,由于换向片和电刷配合作用，才把线圈中的交流 电势“换向”成引出端的直流电势；
6. 4.线圈的每条有效边感应的瞬时值为e Bxl
，
电刷引出端电势的瞬时值为 2e
5.直流电机可逆.若在电刷上加上直流电压，产生电流
流经导体，产生电磁力整理，课件使电机旋转。
直流电机的可逆原理
• 同一台直流电机， 通过改变外界条件， 可当发电机运行， 也可当电动机运行。
电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。 • 电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。 • 被电刷短路（电势为零）的元件的位置在几何中性线上，所以
又称电刷放在几何中心线上
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展开图（2）
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S 7 8 9 10 N11 12 13 14 S 15 16
磁转矩，直流电机气隙中需要
0
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
N
为直流电机的空载磁化特性。
如右图所示。
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 设定N在图中A点，即在磁
化特性曲线开始进入饱和区的位 置。