直流電機電樞繞組

1、3.2 3.2 直流電機電樞繞組直流電機電樞繞組3.33.3空載和負載時直流電機的磁動勢和磁場空載和負載時直流電機的磁動勢和磁場 本章主要討論直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，討論直流電機的磁場分布、感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、電樞反應(yīng)及影響、換向及改善換向方法。3.4 3.4 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩3.63.6直流電機的運行特性直流電機的運行特性 3.73.7直流電動機的起動、調(diào)速和制動直流電動機的起動、調(diào)速和制動 3.8 3.8 直流電機的換向直流電機的換向3.1 直流電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)第三章 直流電動機的穩(wěn)態(tài)運行3.53.5直

2、流電機的基本方程直流電機的基本方程 3.1.1直流電機的主要結(jié)構(gòu)3.1 直流電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承風(fēng)扇機座電樞鐵心和繞組主磁極電刷換向器接線板接線盒勵磁繞組端蓋一、直流發(fā)電機工作原理 右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。3.1.2直流電機的工作原理 當原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn) 后 ，如右圖。0180 可

3、見，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下， 導(dǎo)體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導(dǎo)體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。 可見，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。 實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對。 氣隙磁場的分布波形bOeOeO電樞線圈電動勢波形 電樞繞組輸出電壓波形 二、直流電

4、動機工作原理 把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。如右圖。 直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。 在磁場作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S 極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S 極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時 同直流發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。3

5、.1.3 直流電機的銘牌數(shù)據(jù) 額定值 是制造廠對各種電氣設(shè)備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產(chǎn)品設(shè)計或試驗的依據(jù)。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。 額定功率 PN 指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PNUNIN 對于直流電機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應(yīng)有效率N存在。PNUNINN

6、額定電壓 UN 指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。 額定電流 IN 指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉(zhuǎn)速 nN 指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。 額定勵磁電流 If 指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。 一、直流樞繞組基本知識3.2 直流電機的電樞繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。pD2疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分

7、，整個繞組成折疊式前進。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。合成節(jié)距 ：連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。y第一節(jié)距 ：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。1y第二節(jié)距 ：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。2y21yyy單疊繞組21yyy單波繞組NSy1y2y132換向節(jié)距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。ky二、單疊繞組 單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即： 。1kyy1S14513612SN8109416N211514513612711810941

8、6321151451361271181094163215nA1A2B1B2+_繞組的并聯(lián)支路電路圖單疊繞組的的特點：1） 同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。電刷放置在幾何中性線上3）電樞電流等于各支路電流之和。4）電樞電流的方向以電刷為分界換向。三、單波繞組單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。單波繞組的特點1）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為1，與磁極對數(shù)無關(guān)；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；5）電樞電流

9、等于兩條支路電流之和。4）電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢； 兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。單波繞組的并聯(lián)支路圖一、直流電機的空載磁場3.2.3空載和負載時直流電機的磁動勢和磁場空載和負載時直流電機的磁動勢和磁場 直流電機工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動勢，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為 電樞反應(yīng)。 右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為 ，流過電流為 ，每極的勵磁磁動勢為：fNfIfffNIF 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，

10、主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。 如右圖 (a) 所示幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀 磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。 直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。 空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b) 所示。 空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c) 所示。xB（b）氣隙磁密分布 為

11、了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通 ，空載時，氣隙磁通 與空載磁動勢 或空載勵磁電流 的關(guān)系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。000fF0fI 為了經(jīng)濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通 設(shè)定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。NfNI0fF0fIA0N0二、 直流電機負載時的負載磁場 直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。 假設(shè)勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在

12、空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。 如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 所示。axF 由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中 所示。axBaxBaxFxB0 xBaxB主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線三、直流電機的電樞反應(yīng) 當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結(jié)果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。

13、1、當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點： 2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時不同。 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線

14、時的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢 和直軸電樞磁動勢 。如圖(a)(b)所示。2、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線也隨之移動 角，如圖(a)(b)所示。adFaqF3.4.1 直流電機的電樞電動勢3.4 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時,主磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢簡稱為電樞電動勢。大小:nCnapNEea60性質(zhì)性質(zhì): : 發(fā)電機電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機反電勢(與電樞電流反方向).)(電動勢常數(shù)為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中apNCe60可見，直流電機的感應(yīng)電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有

15、關(guān)。3.4.2 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:aTaemICIapNT2性質(zhì)性質(zhì): : 發(fā)電機制動(與轉(zhuǎn)速方向相反)； 電動機驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同)?？梢娭绷麟姍C其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中apNCT2eeTCCC55. 930一、電動勢平衡方程: 3.5 直流電機的基本方程 baaaURIUE2式中： ：電樞回路總電阻； 正、負電刷電壓降，一般為0.62伏；發(fā)電機：取“+”；電動機：取“-”； aRbU2忽略電刷壓降，則 aaaRIUE結(jié)論：發(fā)電機： ；電動機： ；即

16、根據(jù) 與U的大小判斷直流電機的運行狀態(tài)。UEaUEaaEfIfUaEaRU+aIfIfUaEaRU+aI 二、轉(zhuǎn)矩方程二、轉(zhuǎn)矩方程01TTTem02TTTem1.發(fā)電機2.電動機三、功率方程三、功率方程eaaemTIEP發(fā)電機： 三、功率流圖三、功率流圖01pPPempPpppPPbCufCuaem12bCufCuaempppPP1pPpPPem102%10012PP機械損耗p鐵耗Fep雜散損耗p電樞銅耗Cuap電刷損耗Sp勵磁銅耗Cufp輸入機械功率1P電磁功率emP輸出電功率2P機械損耗p鐵耗Fep雜散損耗p電樞銅耗Cuap電刷損耗Sp勵磁銅耗Cufp輸入電功率1P電磁功率emP輸出機械功

17、率2P電動機： （一） 直流發(fā)電機的勵磁方式一 直流發(fā)電機 供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復(fù)勵三種方式。1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。aIIGUUfIFaII 他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：3.6 直流電機的運行特性 2、并勵：發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足 。faIIIfIFIGUaI3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足 。IIIfaGIaIfIFU4、復(fù)勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結(jié)合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1

18、fI2fIF（二）、 直流發(fā)電機的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向aEGUaI1T0TemTnfIfU1、電樞電動勢和電動勢平衡方程aabaaRIUURIUE2aR 為電樞回路總電阻， 為正負電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動勢平衡方程為：bU2電樞電動勢：nCEea從方程式可見，直流發(fā)電機UEa直流發(fā)電機軸上有三個轉(zhuǎn)矩：原動機輸入給發(fā)電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 、電磁轉(zhuǎn)矩 和機械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩 。平衡方程為：2、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程01TTTem電磁轉(zhuǎn)矩：aTemICT直流發(fā)電機的勵磁電流ffRUI emT1T0T3、勵磁特性公式每極氣隙磁通),(faIIf4、功率平衡方程原動機輸入給發(fā)電

19、機的機械功率 1P電磁功率01PPPemaaemIETmecP機械摩擦損耗、鐵損耗FeP、附加損耗 。adP空載損耗 包括：0PaE 電磁功率一方面代表電動勢為 的電源輸出電流 時發(fā)出的電功率，一方面又代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時克服電磁轉(zhuǎn)矩所消耗的機械功率。aICuaP電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻是的銅損耗輸出的電功率CuaemPPP2fP自勵發(fā)電機中還應(yīng)減去勵磁損耗（三） 他勵發(fā)電機的運行特性1、空載特性1Cn0I)(fIfU 定義：當 、 時， 直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。 空載時， 。由于 ，因此空載特性實質(zhì)上

20、就是 。由于 正比于 ，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。aEUnCEea)(faIfE aE空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線UfI2、外特性Nnn fNfII )(IfU 定義：當 、 時， 外特性曲線如圖所示 由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵U0U0IaaeRInCU 根據(jù) 可知，端電壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。3、調(diào)節(jié)特性1Cn2CU )(IfIf定義：當 、 時， 外特性曲線如圖所示

21、由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應(yīng)及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響。fI0I（四）、 并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性 并勵的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。1、自勵條件fI0U10fIA20U3 曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻 特性曲線，也稱場阻線 。 fffRIUfR 原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生 。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確， 產(chǎn)

22、生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大， 增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與 相等時，達到穩(wěn)定的平衡工作點A。fIfIfIffRI增大 ，場阻線變?yōu)榍€3時， 稱為臨界電阻 。如圖所示。fRfRcrR若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵。可見，并勵直流發(fā)電機的自勵條件有：2、空載特性 并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確3、外特性4、調(diào)節(jié)特性 并勵發(fā)電機的電樞電流，比起他勵發(fā)電機僅

23、僅多了一個勵磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵發(fā)電機的相差不大。 對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的電樞反應(yīng)去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓進一步下降。并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似，也是一條下降曲線。二、直流電動機（一）、直流電機的可逆原理以他勵電機為例說明可逆原理： 一臺電機既可作為發(fā)電機運行，又可作為電動機運行，這就是直流電機的可逆原理。 把一臺他勵直流發(fā)電機并聯(lián)于直流電網(wǎng)上運行， 保持不變。 U 保持發(fā)電機的 不變，減少原動機的輸出功率，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速下降。當 下降到一定程度時，使得 ，此時 ，發(fā)電機輸出的

24、電功率 ，原動機輸入的機械功率僅僅用來補償電機的空載損耗。繼續(xù)降低原動機的 ，將有 ， 反向，這時電網(wǎng)向電機輸入電功率，電機進入電動機狀態(tài)運行。同理，上述的物理過程也可以反過來，電機從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機狀態(tài)。nUEa0I02PnUEaUaI（二） 直流電動機的基本方程aEMUaIemT0T2TnfIfU如圖規(guī)定各物理量的參考方向電機的基本方程如下：aTemICT02TTTem)(02adFemecememPPPPPPPaaemCuaemIETPPP1nCEeaaaabaaaRIEURIEU2UEa（三）直流電動機的工作特性（1）、轉(zhuǎn)速特性1、他勵（并勵）直流電動機的工作特性NUU 定義：當 、 時，fNII )(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽