第2章 直流电机的基本理论
合集下载
第2章直流电动机
Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1N )U N IN
Q Ia IN
Ra
(0.5
~
0.75)(1 PN UNIN
)UN IN
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.1 他励直流电动机的机械特性
4．机械特性的绘制
1）固有机械特性的绘制
(2) 求 KeN
额定运行条件Ra 下的反电势为：
EN
求出电枢电阻Ra 、KeφN 后，各种人为机械特性的绘制也就容易了。
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
Ra N
机电传动与控制
第二章 直流电动机
2.4.2 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路原理图如图2-19（a）所示，其最大特
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。当线 圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的 方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转。
机电传动与控制
ej Bjlv
第二章 直流电动机
2.2 直流电动机的的工作原理
2．直流电动机的感应电动势和电磁转矩
2.3 直流电动机的额定参数
4．额定转速nN 额定转速是指在额定电压、额定电流和输出额定功率的情
况下运行时，直流电动机的旋转速度，单位为r/min（转/分）。 5．额定励磁电流IfN
额定励磁电流指直流电动机在额定状态时的励磁电流值， 单位为A（安培）。 6．额定励磁电压UfN
额定励磁电压指直流电动机在额定情况下工作时，励磁绕 组所加的电压，单位为V（伏） 7. 额定转矩
第2章 直流电机
第二章直流电机内容提要一、直流电机的工作原理1、皮—萨电磁定律f=其方向用左手定则确定。
Bil2、直流电机电枢绕组内电流是交变的，直流电机具有可逆性。
二、直流电机的绕组1、绕组的基本形式：单迭绕组和单波绕组。
2、单迭绕组的特点a=a为支路对数，p为磁极对数。
p3、单波绕组的特点=a a为支路对数，即单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总等于1。
1三、直流电机的励磁方式1、直流电机的励磁方式：分为他励、并励、串励和复励。
2、他励直流电机他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无联结关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电机，励磁电流与电枢电流无关。
3、串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，电机的电枢电流与励磁电流相等。
4、并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是电枢两端的电压。
5、复励直流电机复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联(称为并励绕组)，然后再和另一个励磁绕组串联(称为串励绕组)。
也可以一个励磁绕组与电枢绕组串联后，再和另一个励磁绕组并联。
四、直流电机的磁场和电枢反应1、直流电机的主磁路分为五段：定子、转子之间的气隙；电枢齿；电枢磁轭；主磁路和定子磁轭。
2、直流电机的空载磁场空载时，气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁动势建立。
电机磁路中磁通数值不大时，磁动势随磁通成正比例地增加；当磁通达到一定数值后，磁动势的增加比磁通增加得快，磁化曲线呈饱和特性。
3、直流电机负载时的磁场及电枢反应(1)负载时气隙磁场发生了畸变；(2)呈去磁作用；五、并励直流电动机的基本方程感应电动势 n C E e a ϕ=电磁转矩 a T em I C T ϕ=转矩方程 02T T T em +=电动势平衡方程 a a a R I E U +=功率平衡方程 N N N N I U P η= n T T I E p em em a a em 602π=Ω== N Fe c m ec Cuf Cua P p p p p p P +++++=1六、直流电动机的工作特性1、并励直流电动机的工作特性(1)转速特性 当fN f N I I U U ==,时，()a I f n =的关系曲线。
电机学
产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
pN ΦI a CT ΦI a 大小: Tem 2 πa pN 其中C T 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
Ce为电势的结构常数， 由绕组结构决定。可 见感应电势正比于每 极磁通量和转子转速。 这一感应电势公式把 电量Ea、机械量n、磁 场量Φ联系起来了。
第2章 直流电机的基本理论 一、电枢绕组的感应电动势
设气隙磁场的分布所示，则每 根导体的感应电动势为 式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
v
l
— 导体的有效长度； — 导体相对气隙磁场的速度。
第2章 直流电机的基本理论 二、发电机功率平衡方程
功率流程图（永磁式时）
第2章 直流电机的基本理论
功率平衡方程 P1=PM+pm+pFe+pΔ=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+pΔ =P2+Σp 电磁功率PM：从机械功率转化为电功率的那一部分功 率,它是能量形态变化的基础。 PM= TΩ=CTΦIaΩ=pN/(2πa)ΦIa*(2πn/60) =pN/(60a)ΦnIa= EaIa
第2章 直流电机的基本理论 2.4电枢绕组中的感应电势
• 当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕 组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。 • 由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应 电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之 和。 • 本节将推导感应电势的计算公式。
电机学(刘颖慧)课件第2章直流电机基本理论
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
Department of Electrical Engineering, HUT
第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
电机学 Electric machinery
2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
电机学 Electric machinery
2.1.5 直流电机的结构
❖ 直流电机由定子和转子两大部分构成，两者之间存在气隙。 ❖ 定子主要用来建立主磁场，并作为电机的机械支撑，包括主
磁极、换向极、机座、电刷装置和端盖等部件。 ❖ 转子又称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等
❖ 换向器
❖ 对于发电机，换向器的作用是将电枢绕组中的交变电动势转 变为直流电动势向外部输出直流电压；
❖ 对于电动机，它是将外界供给的直流电流转变为绕组中的交 变电流以使电机旋转。
（a) 换向片
图2.1.7 换向器结构
（b) 换向器
Department of Electrical Engineering, HUT
第2章 直流电机基本理论
直流电机是指能输出直流电流的发电机或通入直 流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调 速特性。
直流发电机主要做直流电源。
电机学 Electric machinery
2.1 直流电机的基本原理与结构
❖ 电机的分类： ❖ 应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
电枢绕组设计的基本要求：
1.电动势大，波形好； 2.电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大； 3.结构简单，连接可靠； 4.便于维修； 5.换向性能好；
电枢绕组的类型：
1.叠绕组：单叠绕组和复叠绕组； 2.波绕组：单波绕组和复波绕组； 3.蛙绕组：叠绕组和波绕组的组合；
直流电动机的原理及特性
直流电机
定子
机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器
转子
电枢绕组 轴承
风扇 转轴
2.1.2 直流电动机的励磁方式 定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。 实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么 样的励磁方式。
1.他励式
若励磁绕组不与电枢 绕组联接，励磁绕组单独 由其他电源供电的直流电 机称为他励式直流电机。
2.1.2 直流电动机的励磁方式
并励式
励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。 并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的 电流为If ，经过负载或电源供给电机的总电流 为 I，三者须满足以下关系： 直流发电机：Ia ＝I＋If 直流电动机：Ia ＝I－If
2.1.2 直流电动机的励磁方式
第2章 直流电动机的原理及特性
直流电机的用途
测速
伺服
励磁机
电源
直流电机的特点
• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 • 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，起动和制动性能良好。
• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高
2.1直流电动机的基本结构和工作原理
端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支 撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还 起防护作用。
定子部分
电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入） 装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右 图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在 刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋 转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在 刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同 极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆 装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。
第2章 直流电机的工作原理及拖动
直流发电机的工作原理
同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈 中的感应电动势的方向也是交变的，而通 过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、 B上输出的电动势是极性不变的直流电动 势。在电刷A、B之间接上负载，发电机 就能向负载供给直流电能。这就是直流发 电机的基本工作原理。
电机的可逆原理
一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也 可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的 不同条件。 将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将 电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为 电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的 磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能 转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势， 作发电机运行。
2.1 直流电机的基本结构
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产 机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采 用直流电动机驱动。 直流电动机的应用: （1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿 山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大 型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机 等。
2.6他励直流电动机的机械特性
所谓直流电动机的机械特性就是电机的转 速 n 随着负载转矩 T 的变化情况，研究电 机转速变化能够有助于更好地控制电机按 照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率 、低损耗地运行。
2.6.1. 他励直流电动机机械特性方程
直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁 转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：
2.8.2 直流电动机的反接制动
对位能负载而言，反接制动有两种情况： 一是转速反向的反接制动，另一是电压反 接的反接制动。
直流电动机的原理及特性
➢ 用包有绝缘层的导体构成电枢线圈； ➢ 将线圈按一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下 层中； ➢ 每个元件的两个出线端都按一定的规律与换向器 的换向片相连。
单叠绕组
②连接方式
单波绕组
（3）换向器
1-V形套筒 2-云母环 3-换向片 4-连接片
图2.6 典型的换向器结构图
1-电枢绕组 2-电枢铁心 3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚
（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；
（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示；
（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流， 用A表示；
额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINηN
n
UN
CEN
Ra
CECTN2
T
n
n0
n0'
nN
0 T0
TN
T
图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线
他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：
（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线； （2）其特性为硬特性； （3）实际的空载转速为 n0' n0 T0 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；
2.6.1他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢时电，压 转速U、与励转磁矩电之流间I的f保关持系一。定（通常保持额定值）
n Ea
CE
U Ia Ra
CE
U
CE
Ra
CECT
2
T n0
T
式中，n0
单叠绕组
②连接方式
单波绕组
（3）换向器
1-V形套筒 2-云母环 3-换向片 4-连接片
图2.6 典型的换向器结构图
1-电枢绕组 2-电枢铁心 3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚
（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；
（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示；
（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流， 用A表示；
额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINηN
n
UN
CEN
Ra
CECTN2
T
n
n0
n0'
nN
0 T0
TN
T
图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线
他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：
（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线； （2）其特性为硬特性； （3）实际的空载转速为 n0' n0 T0 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；
2.6.1他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢时电，压 转速U、与励转磁矩电之流间I的f保关持系一。定（通常保持额定值）
n Ea
CE
U Ia Ra
CE
U
CE
Ra
CECT
2
T n0
T
式中，n0
第2章 直流电动机的原理及特性
工作原理——直流发电机的工作原理 2.1.4 工作原理 直流发电机的工作原理
1.直流发电机的工作原理 1.直流发电机的工作原理 • 结论： 结论： ①在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流 交流的，通过换向 交流 片及电刷的整流 整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电 整流 动势。 ②虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但 从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因 此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不 变的磁场。 ③电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。 ④当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互 作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为 电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质 制动性质的。 电磁转矩 制动性质
第2章 直流电动机的原理及特性
2.1 直流电动机的基本结构和工作原理 2.2 直流电机的电枢绕组 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.4 感应电动势和电磁转矩 2.5 直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率 关系 2.6 直流电动机的机械特性 2.7 电力拖动系统稳定运行条件
第2章 直流电动机的原理及特性
• 知识点：直流电动机与交流电动机的比较 直流电动机比交流电动机结构复杂、价 格高、维修繁琐；但起动转矩大，起动和 制动性能优良、可平滑调速。
2.1
直流电动机的基本结构和工作原理
2.1.1 基本结构 组成：定子+转子+气隙
图2.1 小型直流电机的结构图
基本机构——1.定子部分 1.定子部分 2.1.1 基本机构 1.
定子部分=机座+主磁极+换向极+ 定子部分=机座+主磁极+换向极+电刷装置 （1）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分（定子磁 机座： 轭），二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支 承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强 度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。 。 。 主磁极： （2）主磁极：主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电 磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用 1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在 机座上。（装配图）
电机与拖动教案——第二章 直流电机
第二章直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理（一）直流电机的构成（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）气隙**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2）特点：e=BLV；a、电枢绕组中电动势是交流电动势b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2）特点：f=BiLa、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。
c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n同向）**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。
3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成（二）直流电机的基本结构1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3.电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4.电枢绕组——电路。
电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）5.换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）（三）励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例分为：他励式和自励式（包括并励式、串励式和复励式）他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。
电机学(第三版)第二章 直流电机
2 P UI I a Ra UI f em
P EI a em
机械输入功率
P P pmec pFe p来自d P p0 1 em em
P P2 pCua pCuf pmec pFe pad 1 P2 pCu p0 P2 p
I
电压变化率
U U N U 0 100% U0
4.调节特性: n=常数、U=常 数时，If=f(I)
直流电机总体结构
长沙理工大学电气工程学院
主磁极
长沙理工大学电气工程学院
换向极
长沙理工大学电气工程学院
机 座
长沙理工大学电气工程学院
电枢铁芯及绕组
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽中的绝缘情况
长沙理工大学电气工程学院
换向器
长沙理工大学电气工程学院
电刷装臵
长沙理工大学电气工程学院
直流电机的额定值
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽内的放臵
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组的连接
长沙理工大学电气工程学院
D a 2 p或 Z i 2 p
Z 整数 y 2p
i 1
y y 叠绕组 y 0
1 2 2
y
波绕组的 y 0
2
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组－展开图
Bavl
（1）
n （ 5） v 2 p 60
故式（2）最终可改写为
（4 ）
E
令
Na / 2 a
k 1
ek lv
Na / 2 a
k 1
B ( x)
（ 2）
pN a E n C E n 60a
P EI a em
机械输入功率
P P pmec pFe p来自d P p0 1 em em
P P2 pCua pCuf pmec pFe pad 1 P2 pCu p0 P2 p
I
电压变化率
U U N U 0 100% U0
4.调节特性: n=常数、U=常 数时，If=f(I)
直流电机总体结构
长沙理工大学电气工程学院
主磁极
长沙理工大学电气工程学院
换向极
长沙理工大学电气工程学院
机 座
长沙理工大学电气工程学院
电枢铁芯及绕组
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽中的绝缘情况
长沙理工大学电气工程学院
换向器
长沙理工大学电气工程学院
电刷装臵
长沙理工大学电气工程学院
直流电机的额定值
长沙理工大学电气工程学院
电枢绕组在槽内的放臵
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组的连接
长沙理工大学电气工程学院
D a 2 p或 Z i 2 p
Z 整数 y 2p
i 1
y y 叠绕组 y 0
1 2 2
y
波绕组的 y 0
2
长沙理工大学电气工程学院
单叠绕组－展开图
Bavl
（1）
n （ 5） v 2 p 60
故式（2）最终可改写为
（4 ）
E
令
Na / 2 a
k 1
ek lv
Na / 2 a
k 1
B ( x)
（ 2）
pN a E n C E n 60a
电机与拖动第二章第二节直流电机的电枢绕组
• 对电枢绕组的要求
• 通过规定的电流 • 产生足够的电势和电磁转矩 • 消耗的有效材料最省 • 强度高（机械、电、气、热） • 运转可靠 • 结构简单
绕组实物图
3
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
一、电枢绕组的基本知识—名词、术语
1、磁极中心线：极轴线 2、几何中心线：磁极之间的平分线
二、单叠绕组
5、画绕组电路图（并联支路图） • 特点：每个极下的元件组成一条支路
19
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
二、单叠绕组
• 整个电枢绕组为一个闭合回路，无头无尾 - 感应电动势总和为零
• 元件的两个出线端要连接于相邻两个换向片上 • 并联支路数等于磁极数， 2a=2p; • 电刷数等于磁极数，每条支路由不相同的电刷引出 • 电枢电压等于每一个支路的电压 • 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和
• 单叠：电刷数=磁极数
• 原则： - 引出来的电势最大 （2，3，4） - 被电刷短路的元件电势最小（1，5）
• 规律： - 端部对称时，一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
二、单叠绕组
4、安放电刷，完成连线
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S7 8 9 10 N11 12 13 14 S15 16
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S 7 8 9 10 N11 12 13 14 S 15 16
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
• 通过规定的电流 • 产生足够的电势和电磁转矩 • 消耗的有效材料最省 • 强度高（机械、电、气、热） • 运转可靠 • 结构简单
绕组实物图
3
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
一、电枢绕组的基本知识—名词、术语
1、磁极中心线：极轴线 2、几何中心线：磁极之间的平分线
二、单叠绕组
5、画绕组电路图（并联支路图） • 特点：每个极下的元件组成一条支路
19
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
二、单叠绕组
• 整个电枢绕组为一个闭合回路，无头无尾 - 感应电动势总和为零
• 元件的两个出线端要连接于相邻两个换向片上 • 并联支路数等于磁极数， 2a=2p; • 电刷数等于磁极数，每条支路由不相同的电刷引出 • 电枢电压等于每一个支路的电压 • 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和
• 单叠：电刷数=磁极数
• 原则： - 引出来的电势最大 （2，3，4） - 被电刷短路的元件电势最小（1，5）
• 规律： - 端部对称时，一部分 电机原理 第二章 直流电机
第二节 直流电机的电枢绕组
二、单叠绕组
4、安放电刷，完成连线
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S7 8 9 10 N11 12 13 14 S15 16
τ
τ
τ
τ
1 2 N3 4 5 6 S 7 8 9 10 N11 12 13 14 S 15 16
15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
第一部分 电机原理 第二章 直流电机
第2章直流电机
n
a d
S φ
电刷
-
发电机模型
图 2-1 直流发电机的工作原理模型
根据分析，可以得出直流发电机以下结论： (1)在电枢线圈内感应电动势ea及电流ia都是交流电，通 过换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流 电动势，使外部电路得到方向不变的直流电流； (2)发电机电枢线圈中的感应电动势ea（称为电枢电动 势）与其电流ia（称为电枢电流）的方向始终一致； (3)电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，从 空间上看，N极与S极下的电枢电流方向不变，因此，由 电枢电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场； (4)电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f。据左手定则 可以得出f的方向。此电磁力f使转轴受到一个力矩 T=f.R(R为导体对转轴中心的半径)，称为电磁转矩，其 方向与转子转向相反，是制动性质。为此原动机须输入 机械功率克服电磁转矩的制动作用使转子继续恒速旋转 ，才能继续不断地发出电能输给负载，这就使机械能通 过电磁感应作用变成了电能。
2.3.1 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 机电能量转换到核心部件。 电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈， 线圈边是产生感应电动势和电磁转矩的有效元件， 简称元件，元件数用S表示 按照元件首尾端与换向片连接规律不同，电枢绕组可 分为叠绕组和波绕组 叠绕组又有单叠和多叠之分，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
2.1 直流电机的工作原理及结构
2.1.1直流电机的工作原理 （一）直流电动机的工作原理（电动机如何转起来？）
载流导体在磁场中受到的力
f Bil
B — 磁场的磁感应强度(Wb/m2) i — 导体中的电流(A)
4第二章直流电机_电动势及转矩方程(2.5)
Fx Bxlia
设电枢绕组总导体数为 N ， 一个极面下的导体数为 N/(2p)，并联支路数为2a（波绕组a=1），电枢总电流为 Ia，有：
ia I a /(2a)
N / 2a k 1
则一个极面下所有导体所受的电磁力为：
FP
N / 2a k 1
f
xk
B
xk a
li lia Bxk
6
直流电机的感应电动势
》 • • • 直流电机电动势的性质： 直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关 发电机——是电源电势（与电枢电流同方向） 电动机——是反电势（与电枢电流反方向）
7
直流电机
二、电磁转矩
设嵌在电枢槽内导体的有效长度为 l，Bx表示任一导体 所在处的磁通密度，ia为导体中流过的电流，则该导体所受 的电磁力为：
直流电机
§2-4 直流电机的基本方程
一、感应电动势
设嵌在电枢槽内导体的有效长度为 l，切割磁通的相对 速度为 ν ，用 Bx 表示任一导体所在处的磁通密度，则该导 体的感应电动势为：
ex Bxl
设电枢绕组总导体数为 N ，并联支路数为 2a （波绕组 a=1），则电枢正负电刷引出的电动势为：
Ea
Ea Ce n
什么关系？？？
Tem CT I a
- n : r/min - Ω ：rad/s – 国际单位 - 关系：
Ω n 2 2 n
60 60
11
直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系
1、Ce 和 CT 的关系
Ea
pN Ω CT Ω 2a
Tem CT I a
感应电动势的计算公式为：
Kf—比例常数。
第二章 直流电动机
把电枢外圆展开成直线，为分析气隙的磁动势画出. 如图+x O x 闭合回路。忽略铁心部分所需的磁压降， 则消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
。
Nia 1 2x Fa ( x) Nia x Ax 2 πDa πDa
式中 ——电枢表面单位长度上的安培导 体数； ia导体的电流；N电枢总导体数；Da电枢的直 径。
Nia A πDa
电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为
Ba ( x) 0 H a 0 Fa
0
Ax
Ba ( x) 0
Ax
Fa ( x) Ax
2.3.3 电枢反应
直流电机电枢磁动势对励磁磁场的影响，称为电枢反应 1、使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离。 2、电枢反应有一定的去磁作用。
2. 换向的基本概念 直流电机工作作时，电抠绕组各元件不断地 从一个支路，换入另一个支路，元件中的电 流也不断地改变方向，过程叫做换向。
磁通密度不为为 零
磁通密度为零
空载磁场
负载磁场
常用的改善换向方法有两种： 加装换向磁极和移动电刷
1、加装换向磁极: 换向极绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势与 电枢反应磁动势方向相反，
2.1 直流电机的工作原理
2.1.1 直流电动机的工作原理
直流电动机组成： NS磁极、绕有线圈的圆柱体电枢、换 向器、电刷
电刷和换向器
把转动的电枢与外 部固定的电源连接在 一起。 产生方向不变的电 磁转矩使电机连续转 动。 将输入的直流电能 变换为机械能输出。
2.1 直流电机的工作原理
5-直流电机的运行原理与换向--注册电气工程师供配电专业
－
－
3. 转矩
=
U－E
Ra+ Rf
=
T CTΦ
T = CTΦ Ia (1)当 Ia 较小、磁路未饱和时，Φ∝Ia →T ∝Ia2
(2)当 Ia 较大、磁路已饱和时，Φ≈常数 →T ∝Ia
即 T∝Iam (1＜m＜2)
◆ 与并励电动机比较，有如下特点：
① 对应于相同的△T ，△Ia 小； ② 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T 大，
Tst 和 Tmax 较大。
T
◆ 转矩特性：
U = UN 时， T = f (Ia )
O
Ia
4. 转速 n= E
= U－(Ra + Rf ) Ia
CEΦ
CEΦ
=
U －Ra + Rf
CEΦ CECTΦ2
T
(1) 当T = 0 时，Ia = If = 0，Φ =Φr ，
n 很大，n = (5 ~ 6) nN (2) 当T 很小时，Ia 很小，磁路未饱和，
T↑→ Ia↑ →Φ↑ → n 迅速下降； (3) 当T 很大时，Ia 很大，磁路已饱和，
T↑→ Ia↑ →Φ 基本不变 → n下降较少；
n
n
O
T
O
Ia
◆ 转速特性： n = f (Ia )| UN= U
n=
U－
CEΦ
Ra + Rf CEΦ
Ia
=
U－
CE' Ia
Ra + Rf CE'
5. 应用
(1) 特别适用于起重机和电气机车等运输机械;
T = CTΦN Ia
O
Ia
= CT' Ia
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0.18 1654 5.7 r / min 1648r / min 0.1331.27
31
第2章
结 束
上一章
返回主页
下一章
32
助磁效应 去磁效应
2.4 电枢绕组中的感应电势
一、直流电机的感应电动势
1. 感应电动势的产生 电枢旋转 n ex →ex→E 磁 场 2. 感应电动势的大小 (1) 每根导体的感应电动势 ex = Bxlv ※ Bx —— 导体所在处的气隙磁密。 l —— 导体的有效长度。 v —— 导体切割磁场线的线速度。
26
2.6 直流电机的功率平衡方程
1. 输入功率 P1 2. 电磁功率 Pe P1 = U I = UaIa Pe=EIa 2 CT n Ia = Te Pe = EIa = Ce n Ia = 60
2n 其中，机械角速度： (rad / s ) 60
27
结论： 电动机将电枢吸收的电功率 EIa 转换成了机械 功率 Te ，故称 EIa 和 Te 为电磁功率。
Fad
+ bβ + + + + bβ
直轴电枢反应 当电刷不在几何中性线上时，电枢反应不仅有交轴 分量，还有直轴分量。 直轴电枢反应：直轴电枢磁动势对主磁场的影响。 直轴电枢反应的作用为：
运行状态 发电机 电动机
电刷顺旋转方向 移动一个角度
去磁效应 助磁效应
电刷逆旋转方向 移动一个角度
3. 空载损耗 P0
铁损耗
附加损耗
P0 = PFe＋P ＋Pad
机械损耗
4. 输出功率 P2 Te = T0 ＋T2 P2 = T2 2 = Pe－ P0 = T2n 60
28
P1
Pe
P2
PCu
功率流程图
P0
5. 效率 P2 = ×100% P1
29
【例2－1】 已知某并励直流电动机，PN = 22 kW, UN = 220 V, IN = 115 A, nN = 1500 r/min, 电枢电阻Ra = 0.18 ，励磁 电阻 Rf＝628 。试求：(1) CEN、CTN ； (2) 电磁转矩 Te；(3) 额定输出转矩 T2；(4) 空载转矩T0 ； (5) 理想空载转速 n0 与实际空载转速 n0 。
11
直轴电枢磁动势
Faq A b （安 / 极） 2 Fad Ab （安/ 极）
· ··· · · · · + · F β + a · + · + · + ++ + + + ++
· ··· · · ·
＝
++
bβ bβ
Faq
+ + ++ +
＋
· · · · ·
UN 220 解：(1) I a I N 115 114.7A Rf 628 U N Ra I a 220 0.18114.7 CEΦN Nm A nN 1500 0.133 N m A CTΦN 9.55CeΦN 1.27 N m A Te CTΦN I a 1.27114.7 N m 145.7 N m
第2章 直流电机的基本理论
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 直流电机的励磁方式 空载时直流电机的气隙磁场 负载时直流电机的气隙磁场 电枢绕组中的感应电势 直流电机的电势平衡方程 电磁转矩
2.7 直流电机的损耗和功率平衡方程
1
2.1 直流电机的励磁方式
励磁方式
他励
并励
U Ea,Ia I + U Ea I + Ia If
23
5. 电动势和电磁转矩的关系
E = Ce n = CT =K Te = CT Ia =KIa 注：速度的两种表示： n: r/min : rad/s 国际单位 只要有转速，就有电势
只要有电流，就有转矩
2n 关系： 60
结论：（1）不管是发电机还是电动机，电势和转矩是 同时存在的。 （2）说明了能量的转换关系。 Pe = EIa = Te = K Ia
30
PN PN 22 T2N 9550 9550 N m 140 N m ΩN nN 1500
T0 Te T2 145.7 140 N m 5.7 N m UN 220 n0 1654 r min CEΦN 0.133 UN Ra n0 T 2 0 CEΦN CECTΦN
交轴q
2OxFra bibliotek2 Fa(x)
x
几何 中性线
Fa
Ba(x)
6
消耗在 x 点处每个气隙上的电枢磁动势为 1 2x Fa(x) = Zaia = Ax － ≤x≤ 2 2 Da
2
※ ia —— 导体的电流； Za —— 电枢总导体数； Da —— 电枢的直径。 Zaia A = D —— 电枢表面单位长度上的安培导体数， a 称为电枢的线负荷。
(N· m)
单位：A
3. 电磁转矩的方向和性质 方向：由 和 Ia 共同决定。 性质：发电机为制动转矩，Te 与 n 方向相反。 电动机为拖动转矩，Te 与 n 方向相同。 4. 电动势常数和转矩常数的关系 pZa pZa Ce = ，CT = 因为 2a= 60a= 60 则 CT = Ce = 9.55 Ce 2
18
一、电势平衡方程
1.他励直流电机
a)发电机 b)电动机
发电机： Ea>U， 则有 Ea=U+IaR+2ΔUs=U+IaRa 电动机： Ea<U， 则有U=Ea+IaR+2ΔUs=Ea+IaRa
19
2.并励直流电机
其电枢回路的电压方程与他励时相同，但有 激磁电压为电枢端电压，即 Uf=U。
U U Ea I + Ia If R
16
单位：Wb
E = Ce n
※ Ce —— 电动势常数。
(V)
单位：r/min
3. 感应电动势的方向和性质 方向：由 和 n 共同决定。 性质：发电机为电源电动势； 电动机为反电动势。
17
2.5 直流电机的电势平衡方程
电机的基本方程即电机稳态运行时内部 物理过程的数学描述。因为电机中存在着机、 电、磁耦合关系，稳态运行时必须满足机械 方面和电磁方面的平衡要求，因此电机的基 本方程包括电势平衡方程、转矩平衡方程和 功率平衡方程。
3
B0
几何 中性线 磁场轴线 磁极轴线 几何 中性线
空载时电枢电流可忽略不计。 空载磁场由主磁极的励磁磁 动势单独作用产生。 空载时磁场轴线与磁极轴线 相重合。 几何中性线： 相邻两主极之间的中心线。 该处的径向磁通密度为零。
4
Φm
5
2.3 负载时直流电机的气隙磁场
一、负载时的电枢磁动势
直轴d
21
电枢直径为：
2p D=
电枢电流与支路电流的关系为： Ia ia = 2 a = D 则 Te = ZaTav = Za Bav lia 2 p Ia pZa = Za l = Ia 2 a 2 a l = =
单位：Wb
Te = CT Ia
※ CT —— 转矩常数。
22
f
发电机：Ea与Ia方向一致， 发电机向负载输出电功率。 Ia=I+If 电动机：Ea与Ia方向相反， Ea为反电动势，电动机从 电源吸收电功率。 I=Ia+If
20
RL Ea I + Rf Ia If
发电机
电动机
2.6 电磁转矩
1. 电磁转矩的产生 电枢电流 ia F →Te 磁 场 2. 电磁转矩的大小 设电刷在几何中性线处，元件为整距。 (1) 同一极下每根导体受到的平均电磁力为 fav = Bavlia ※ ia —— 导体中的电流 。 每根导体受到的平均电磁转矩为 D D Tav = fav = Bav lia 2 2
8
▲分析思路（图解）
＋
＝
励磁电流形成的磁场
电枢电流形成的磁场
负载时的磁场
9
交轴电枢反应
N
※ 将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为 零的点连接成的直线——物理中性线。 N S
2 几何 中性线 物理 中性线
O
2 B
B0
x
Ba
S
10
电枢反应的结果 ① 气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用： 电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。 磁路不饱和时，每极下的磁通量不变； 磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。 ② 物理中性线偏离了几何中性线： 对发电机：顺着电枢旋转方向偏移； 对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。
15
B
（D=2R=2p ） 2R 2p v= n= n 平均气隙磁密 60 60 (2) 电枢电动势的大小 B
设电枢总导体数为 Za， Za 则每条支路的导体为 2a ， 故
Za/2a= Za/2a= Za/2a=
Bav
每极的总磁通量： E = ex = Bxlv = lv Bx 1 1 1 = BavS= Bav l Za 每极下的磁通 = lv Bav 2a= 2 p pZa Za =l n = n = Ce n 60 60a= 2a= l
24
6. 转矩平衡方程 （1）发电机情况下，电磁转矩为制动转矩，有
T1 = T0＋Te
※ T1—— 原动机的驱动转矩； T0—— 空载转矩，它是电机空载运行时自身的阻力 转矩； Te—— 电磁转矩。
25
（2）电动机情况下，电磁转矩为驱动转矩，有 Te = T0＋T2 = T0＋TL