第2章：直流电机及其拖动控制

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本章目录



2.1 直流电机的概述 2.2 直流电机的电枢绕组 2.3 直流电机的磁场分布于换向的改善 2.4 直流电动机 2.5 直流发电机简介 2.6 他励直流电动机的机械特性 2.7 他励直流电动机的启动 2.8他励直流电动机的制动 2.9他励直流电动机的调速 2.10串励直流电动机的拖动与控制 2.11无刷直流电动机简介 2.12直流电机的故障分析及维护
1. 机座 一方面用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个 电机的支撑和固定作用； 另一方面也是磁路的一部分，借以构成磁极之间的 通路。磁通通过的部分称为磁扼。 2. 主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场，一般采用凸极式结 构。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成，

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定子结构
3．换向磁极 两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极 或间极。换向极的作用是改善换向，减小电机运 行时电刷与换向器之间可能产生的火花。 换向极由换向极铁心和换向极绕组组成。 4．电刷装置 电刷装置用以引入或引出直流电压和直流电流。电 刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。
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额定值
⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 ⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。
⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。 ⒌额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。
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额定值
直流电动机 PN=UNINηN×10-3 （KW） 直流发电机 PN=UNI N×10-3 （KW） 电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行 欠载运行电机利用不充分，效率低；过载运 行，能够使电机过热损坏。
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当电枢旋转到右图所示位 置时原N极性下导体ab转到S 极下，受力方向从左向右， 原S 极下导体cd转到N极下， 受力方向从右向左。该电磁 力形成逆时针方向的电磁转 矩。线圈在该电磁力形成的 电磁转矩作用下继续逆时针 方向旋转。 同直流发电机相同，实 际的直流电动机的电枢并非 单一线圈，磁极也并非一对。

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二、转子结构 主要包括转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器
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转子结构

1-齿 2-槽 3-通风孔
1．转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度 和刚度，一般用圆钢加工而成。 2．电枢铁心 是主磁通磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕 组。 3．电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势， 是直流电机进行能量转换的关键部件
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3、单叠绕组连接顺序表 上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽 号和换向片号， 下排带“＇”的数字代表下层元件边所在的 槽号。
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4.根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图(下图)。
5.单叠绕组的的特点： 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。 2）电刷数等于主磁极数， 电刷位置应使感应电动势 最大，电刷间电动势等于 并联支路电动势。 3）电枢电流等于各支路 电流之和。

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§2.1.3 ：励磁分类
1、它励直流电机 U Ia 2、并励直流电机 U
IL
Ia
IL If
Uf
Uf
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3、串励直流电机 U IL
4、复励直流电机 U
IL
Ia Ia If1
If
Uf
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§2.1.4 ：直流电机的额定值
额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工 作条件下运行时所规定的一些量值。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。并具有优良的性能。额定值也是制 造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的 铭牌上，故又叫铭牌数据。
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§2.1 ：直流电机的概述
§2.1.1 ：基本工作原理
一、直流电动机的模型结构和基本工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
把电刷A、B接到直流电源 上，电刷A接正极，电刷B接负极。 此时电枢线圈中将电流流过。如 右图。在磁场作用下，N极性下 导体ab受力方向从右向左，S 极 下导体cd受力方向从左向右。该 电磁力形成逆时针方向的电磁转 矩。当电磁转矩大于阻转矩时， 电机转子逆时针方向旋转。
表示。
叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联 起来，象波浪式的前进。
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第一节距 y1 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第二节距 y2 ：连至同一换向片上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间的距离。 合成节距 y ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 单叠绕组 单波绕组
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当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 1800 后 ，如右图。 导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位； 电刷A极性仍为正，电刷B极性 仍为负。 导体ab在S极下，a点低电 位，b点高电位；导体cd在N极 下，c点低电位，d点高电位； 电刷A极性仍为正，电刷B极性 仍为负。
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一台直流电机，Z=S=K=16，2P=4，接成单叠绕组。 1、计算节距
z 16 y1 τ ε = 4 2p 4
yk y 1
y2 y1 y 4 1 3
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2、绘制绕组展开图
1）画16根等长、等距的平行实线代表16个 槽的上层，在实线旁画16根平行虚线代表 16年槽的下层。一根实线和一根虚线代表 一个槽，编上槽号，如图所示。 2）按节距y1连接一个元件。取换向片宽度 等于一个槽距，元件号、上层边所在槽号 和该元件首端所连换向片的编号相同。
Ff I f N f
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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%。
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。
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6）标电流的方向 设电动机状态，使电枢绕组向左移动。由左 手定则可知电枢绕组各元件中电流的方向 如图所示。为此应将电刷A1、A2并联起来， 作为电枢绕组的“+”端，接电源正极；将 电刷B1、B2并联起来作“-”端，接电源负 极。 如果工作在发电机状态，设电枢绕组的转向 不变，则电枢绕组各元件中感应电动势的 方向用右手定则确定，与电动机状态时电 流方向相反，因而电刷的正负极性不变。
1、额定功率 PN
指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W” 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时，则用 kW 或 MW 表示。
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流 的乘积。
即 ：PN＝UNIN 对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以：PN＝UNINηN
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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。
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为了感应电动势或产生电磁转矩， 0 直流电机气隙中需要有一定量的每极磁 通 Ф ，空载时，气隙磁通 Ф 与空载 N 磁动势 Ф0 或空载励磁电流 If0 的关系， 称为直流电机的空载磁化特性。
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3）依次画出2至16号元件，从而将16年元 件通过16片换向片连成一个闭合的回路。 4）画磁极。本例有四个主磁极，在圆周上 应该均匀分布，即相邻磁极中心之间应间 隔四个槽。磁极宽度约为极距的0.6—0.7 N1、S1、N2、S2， 5）画电刷。电刷组数也就是刷杆数等于极 数，相互间隔16/4=4片换向片。为使被 电刷短路的元件中感应电动势最小，正负 电刷之间引出的电动势最大 ，刷中心线应 对准磁极中心线。电刷宽度等于一片换向 片的宽度。
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 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
ห้องสมุดไป่ตู้35
二、直流电机的电枢反应及负载磁场
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。 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。
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§2.2.3 ：单波绕组
单波绕组的合成节距与换向节距相等。
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。
y y1 y2 y y1 y2
换向节距 yk ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。
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§2.2.2 ：单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节 y yk 1 。 距均为1，即：
单叠绕组的 展开图是把放在铁 心槽里、构成绕组 的所有元件取出来 画在一张图里，展 示元件相互间的电 气连接关系及主磁 极、换向片、电刷 间的相对位置关系。
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基本工作原理
若在电刷A、B之间接上负载， 发电机就能像负载供给直流电流。从以 上分析可以看出，一台直流电机原则上 即可以作为电动机运行，也可以作为发 电机运行，要取决于外界不同的条件。
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§2.1.2 ：实际结构
直流电机的纵剖面示意图
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一、定子结构
主要包括主磁极； 换向磁极； 机座；电刷
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定子结构
第二章：直流电机及其拖动控制
本章主要讨论直流电机的基本结构和工作 原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、 电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向 方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性 和直流电动机的工作特性。以及电力拖动系统 的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机 械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。
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二、直流发电机的模型结构和基本工作原理
直流发电机是将机械能转变成电能的 旋转机械。
当原动机驱动电机转子逆时针旋转时 同，线圈abcd将感应电动势。导体ab在N 极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S 极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极 性为正，电刷B极性为负。 右图中N、S为定子磁极，abcd是固定 在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同 导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈 的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随 线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外 电路的连接是通过放置在换向片上固定不 动的电刷进行的。
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1-套筒 2-云母层 3-换向片 4-接线片
转子结构
4. 换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外 加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流， 使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电 机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中 感应产生的交变电动势转换为正、负电刷 上引出的直流电动势。换向器是由许多换 向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片 绝缘，换向片的紧固通常如图所示。
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两个串联元 件放在同极磁极 下，空间位置相 距约两个极距； 沿圆周向一个方 向绕一周后，其 末尾所边的换向 片落在与起始的 换向片相邻的位 置。
单波绕组的绕组展开图
单波绕组的并联支路图
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§2.3 ：磁场、电枢电动势与电磁转矩
§2.3.1 ：直流电机的磁场 一、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。 励磁绕组的串联匝数 为 N f，流过电流为 每极的励磁磁动势为：

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§2.2 ：直流电机的电枢绕组
§2.2.1 ：基本概念
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中 一根称为首端，另一根称为末端。 元件数S总等于换向片数K 元件数S又等于槽数Z S = K = Z
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极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 z 2p