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1、 直 流 電 機 原 理王 嵩1直流電機原理1. 直流電機基本工作原理2. 直流電機基本結構（繞組）3. 直流電機磁場分析4. 直流電機基本方程5. 直流電機基本特性 6. 直流電機換向7. 直流電機拖動2 直流電機繞組 直流繞組構成 直流繞組的術語 直流電機單疊繞組 直流電機單波繞組 各種繞組的應用范圍2 直流電機繞組n繞組 q由一系列元件邊和端接線按一定規(guī)律排列構成的感應電勢和產(chǎn)生電磁力的導體集合 n作用 q將導體感應電勢有效組織起來 q將電樞電流有效分布 n要求 q節(jié)省材料 q結構簡單 q制造維護方便2.1 2.1 直流繞組的構成直流繞組的構成(1) 繞組的要求繞組的要求2 直流電機繞組

2、2.1 2.1 直流繞組的構成直流繞組的構成環(huán)形繞組示意圖鼓形繞組示意圖主要分類主要分類2 直流電機繞組環(huán)形電樞繞組eeeeeeeeeeeeee(2) 電樞繞組的演變電樞繞組的演變n優(yōu)點優(yōu)點q繞組不受極數(shù)的限制,即同樣的繞組可供不同極數(shù)的電機使用n缺點缺點q中空鐵心內(nèi)側導體無法切割磁極磁通（無磁通可切）以產(chǎn)生電勢,即只有一半導體產(chǎn)生電動勢，浪費材料且增加電樞電阻q須手工繞制,制造費時,且絕緣處理不易q使自感及互感增大致?lián)Q向不良2 直流電機繞組鼓形電樞繞組2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e2e 2e 2e 2e 2e 2e 2en優(yōu)點優(yōu)點q導體利用率較環(huán)形環(huán)形繞組高q可采用成形的繞組,繞置

3、容易及易于絕緣q自感及互感較環(huán)形環(huán)形繞組小,因此換向較環(huán)形環(huán)形繞組優(yōu)n缺點缺點q不能適用於不相同極數(shù)的電機,有可能電動勢方向或電磁力方向會相反而抵消一部分。2 直流電機繞組n將兩根導體組成一個線圈 n將多個線圈通過換向片連接起來 n所有換向片組成換向器 n所有線圈組成繞組(3) 電樞繞組的構成電樞繞組的構成2 直流電機繞組n元件邊：在電樞槽內(nèi)，感應電勢 和產(chǎn)生電磁力的導體n端接線：聯(lián)接兩元件邊的導體n元件：組成繞組的最小獨立部分，由兩個元件邊和端接線組成2.2 2.2 直流繞組的術語直流繞組的術語元件元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝

4、兩種。元件的首末端元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中：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。一根稱為首端，另一根稱為末端。極距極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。表示。pD2疊繞組疊繞組：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：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，整個繞組成折疊式前進。一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象

5、波浪式的前進。聯(lián)起來，象波浪式的前進。電樞繞組基本知識電樞繞組基本知識2 直流電機繞組2 直流電機繞組 槽數(shù)Q 虛槽數(shù)Qu= uQ u為每個槽上下層各有元件邊數(shù) 若每個槽上下層只有一個元件邊，則u=1 繞組元件數(shù)S 換向片數(shù)K一般情況下，u=1則 Qu=K=S極距 第一節(jié)距 y1 第二節(jié)距 y2 合成節(jié)距 y 換向節(jié)距 yK 單波繞組元件 右行 pKyy1K左行pKyy1K右行pQ2整數(shù)21pQy單疊繞組元件 右行 左行 2 直流電機繞組 第一節(jié)距y1 元件兩有效邊在電樞表面所跨的距離 盡量接近，必定為整數(shù) y1= 整距繞組 常用 y1 長距繞組 n第二節(jié)距y2q相串聯(lián)的兩個元件中，第一個元件

6、的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離n合成節(jié)距yq相串聯(lián)的兩個元件對應邊在電樞表面所跨的距離q疊繞組 y=y1-y2q波繞組 y=y1+y2n換向（器）節(jié)距yKq在換向器表面上，同一個元件的出線端所接的 yK=y兩個換向片之間所跨的距離整數(shù)21pQy2 直流電機繞組 單疊繞組：所有相鄰元件依次串聯(lián)，同時每個元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個閉合回路。 y=1，右行； y=-1，左行 所有元件電勢全部串聯(lián)成一環(huán)狀，由電刷分割 電刷放在(感應電勢為零的元件上)幾何中心線上 支路為2p偶數(shù)，對稱1cyy2.3 直流電機單疊繞組2 直流電機繞組116424uQyp第一節(jié)距

7、y1合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk1Kyy214 13yyy 第二節(jié)距y2n畫出單疊繞組展開圖 某直流電機，極數(shù)2p=4，虛槽數(shù)Qu，元件數(shù)S，換向片數(shù)K均為16。2 直流電機繞組(1) 畫槽畫槽2 直流電機繞組(2) 放磁極放磁極2 直流電機繞組(3) 畫換向片畫換向片2 直流電機繞組(4) 連繞組連繞組2 直流電機繞組(5) 電動勢方向電動勢方向2 直流電機繞組(6) 放電刷放電刷2 直流電機繞組2 直流電機繞組4極電機，極電機，Qu=S=K=16 單疊右行整距繞組單疊右行整距繞組 并聯(lián)支路對數(shù)并聯(lián)支路對數(shù)a=2=p 單疊繞組是把一個單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)主極下的元件串聯(lián)成一條支路并

8、聯(lián)支成一條支路并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)路數(shù)等于極數(shù) n單疊繞組展開圖2 直流電機繞組n單疊繞組瞬間電路圖Next2 直流電機繞組發(fā)電機狀態(tài)電動機狀態(tài)2 直流電機繞組1kyyn單疊繞組特點n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：q1）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，2a=2p。q2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。q3）電樞電流等于各支路電流之和。n補充q為保證各支路電動勢相等，不產(chǎn)生環(huán)流，可在電樞繞組中理論上電位相等的點用均壓線聯(lián)結2 直流電機繞組 單波繞組：同一極性下對應位置的所有元件串聯(lián)起來

9、，直到沿電樞和換向器繞過一周后，恰好回到出發(fā)換向片的相鄰一片上；然后在從此換向片出發(fā)，繼續(xù)繞連，一直到把全部元件連完，最后回到開始出發(fā)的換向片，構成一個閉合電路為止。 單波繞組只有兩條并聯(lián)支路 -1為左行，+1為右行1KKyyp2.4 直流電機單波繞組2 直流電機繞組11514244uQyp第一節(jié)距y1合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yKK115172Kyyp21734yyy第二節(jié)距y211533244uQyp21743yyyn畫出單波繞組展開圖 某直流電機，極數(shù)2p=4，虛槽數(shù)Qu，元件數(shù)S，換向片數(shù)K均為15。2 直流電機繞組3345678911101213 1415214567891011 121

10、3 14 1512SNNS槽展開槽展開繞組放置繞組放置安放磁極、電刷安放磁極、電刷2 直流電機繞組4極電機，Q=Qu=S=K=15 單波左行短整距繞組 并聯(lián)支路對數(shù)a=1單波繞組是把所有處于相同極性下的元件都串聯(lián)起來構成一條支路并聯(lián)支路數(shù)等于2 n單波繞組展開圖2 直流電機繞組n單波繞組電路圖2 直流電機繞組n單波繞組特點q1）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；q2）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；q3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；q4）電樞電動勢等于支路感應電動勢； q5）電樞電流等于兩條支路電流之和。n單疊繞組與單波繞組

11、比較q并聯(lián)支路對數(shù)不同 q每條并聯(lián)支路所串聯(lián)的繞組不同 2 直流電機繞組n小結q直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組； q直流電機電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。q單疊繞組 a = p即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機極對數(shù) q單波繞組 a = 1即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1n另外q電刷放置的一般原則是確?？蛰d時通過正、負電刷引出的電動勢最大，或者說，被電刷短路的元件中的電動勢為零。 q對于端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。2 直流電機繞組 除單疊、單波繞組外 復疊繞組：兩個單疊繞組互相間隔嵌入槽內(nèi) 復波繞組：兩個單波繞組互相間隔潛入槽內(nèi) 混合繞組：一個單疊和一個單波繞組（蛙型） 應用 單波繞組支路

12、最少，用于小容量電機和電壓較高或轉速較低的電機 復波繞組可用于多極數(shù)、低速的大中型電機 單疊繞組的支路數(shù)比波繞組多，主要用于中等容量、正常電壓和轉速的電機 復疊繞組用于大容量或低壓、大電流的電機 蛙型繞組常用在轉速較高、換向困難的大型直流電機2.5 各種繞組的應用范圍3 直流電機磁場3 3 直流電機磁場直流電機磁場n直流電機勵磁方式 n直流電機空載磁場n直流電機負載磁場(電樞反應) 重要性：磁場特性直接影響電機運行性能。重要性：磁場特性直接影響電機運行性能。3 直流電機磁場n他勵式：勵磁繞組與電樞繞組無關n自勵式： q并勵：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián) n電動機： n發(fā)電機： q串勵：勵磁繞組與電樞

13、繞組串聯(lián) q復勵：兼有串勵繞組和并勵繞組afafIIIIIIfaIII3.1 3.1 直流電機勵磁方式直流電機勵磁方式3 直流電機磁場3 直流電機磁場3 直流電機磁場n空載空載q輸出功率為零輸出功率為零q有損耗存在，電樞電流有損耗存在，電樞電流0 0 n理想空載理想空載q電樞電流為零電樞電流為零 且且 轉速轉速0 0q機械能不轉換成電能機械能不轉換成電能q電能也不轉換成機械能電能也不轉換成機械能q電機中的磁場完全由主極繞組產(chǎn)生電機中的磁場完全由主極繞組產(chǎn)生3.2 3.2 直流電機空載氣隙磁場直流電機空載氣隙磁場(1) 空載空載3 直流電機磁場(2)直流電機空載磁場分布直流電機空載磁場分布n勵磁

14、繞組通直流電產(chǎn)生的磁場n空載時電機中的磁場分布對稱 n主磁通 漏磁通3 直流電機磁場n主極磁場根據(jù)磁力線通路（磁路）差異區(qū)分 主磁通 ：通過氣隙，并形成氣隙磁場（主磁場），同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組 主極漏磁通f ：不通過氣隙的磁通，不產(chǎn)生感應電勢n主磁路 主磁通在轉子導體(電樞繞組)中產(chǎn)生感應電勢n主極漏磁路 漏磁通不產(chǎn)生感應電勢，可能引起主極鐵心飽和，增大磁路磁阻n除作用不同外，主磁通與漏磁路的路徑、大小也不同3 直流電機磁場 假設 鐵磁材料 不計齒槽影響(3) 空載氣隙磁密空載氣隙磁密 F2F2FF2FF2NI2dlHFff0 轉轉子子齒齒轉轉子子軛軛定定子子齒齒定定子子軛軛3 直流電機

15、磁場(3) 空載氣隙磁密空載氣隙磁密ffxxINH 22 xffxINB 0 F2NI2Fff0 幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀xB（b）氣隙磁密分布3 直流電機磁場n結構q感應電勢導體沿鐵心軸向分布q磁力線徑向分布q運動方向：轉子圓周切線方向qB、l、v三者正交 n運動導體感應電勢 n載流導體產(chǎn)生電磁力lvBexx liBfxx (4) 導體空載感應電勢及電磁力導體空載感應電勢及電磁力3 直流電機磁場fNI0fF0fINIfIA0N0(5) 直流電機空載磁化特性直流電機空載磁化特性思考：額定工作點應該設思考：額定工作點應該設計在哪里？計在哪里？ 空載時，主磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關

16、系，稱為直流電機的空載磁化特性。3 直流電機磁場3.3 3.3 直流電機負載氣隙磁場直流電機負載氣隙磁場(1) 電刷位于幾何中性線時電樞繞組磁動勢電刷位于幾何中性線時電樞繞組磁動勢3 直流電機磁場 以o為原點 以（x，-x）構成閉合磁路 則x處磁動勢大小 則x處磁密大小 主磁極正下方氣隙均勻 BF 幾何中性線附近氣隙很大 B很小2aaxaiNiFHxD00axaaxaFNiBHxD馬鞍形3 直流電機磁場電樞磁場磁通密度分布曲線主磁場的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n電機負載時，氣隙磁場由主極磁勢和電樞磁勢共同建立3 直流電機磁場n當電刷不在幾何中性線上q

17、電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角q電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：n交軸電樞磁動勢Faqn直軸電樞磁動勢Fad(2) 電刷偏離幾何中性線時電樞繞組磁動勢電刷偏離幾何中性線時電樞繞組磁動勢3 直流電機磁場 交軸磁勢Faq：磁勢與電刷軸線重合 直軸磁勢Fad：磁勢與磁極軸線重合3 直流電機磁場 電樞反應：當勵磁繞組中有勵磁電流，負載后電樞中有電樞電流，氣隙中磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。 交軸電樞磁勢交軸電樞反應 直軸電樞磁勢直軸電樞反應(3) 直流電機電樞反應直流電機電樞反應3 直流電機磁場電樞磁場

18、磁通密度分布曲線主磁場的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交軸電樞反應交軸電樞反應3 直流電機磁場 交軸電樞磁勢對電機磁場的影響 磁場畸變 半個磁極內(nèi)助磁 半個磁極內(nèi)去磁 物理中性線發(fā)生偏移 發(fā)電機 順著電機運動方向偏移角 電動機 逆著電機運動方向偏移角 磁通變化 不飽和時，每極磁通不變 飽和時，每極磁通略有減少3 直流電機磁場 直軸電樞磁場對主極磁場的影響 與主極磁勢平行 去磁 或 助磁直軸電樞反應直軸電樞反應3 直流電機磁場(4) 直流電機電樞反應小結直流電機電樞反應小結n當電刷在幾何中性線上時q使氣隙磁場發(fā)生畸變 n空載時電機的物理中性線與幾何中性線重

19、合。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。q對主磁場起去磁作用n磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，每極下的磁通量與空載時相同。n 飽和時，每極磁通略有減少3 直流電機磁場n電刷不在幾何中性線時的電樞反應可用下列表格說明電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁FfFaFfFann切換到發(fā)電機電電動動機機狀狀態(tài)態(tài)SNSN4 直流電機基本方程4 4 直流電機基本方程直流電機基本方程n直流電機感應電動勢和電磁轉矩方程n直流電機機械運動方程n直流電機電壓電流方程 n直流電機轉

20、矩功率方程4 直流電機基本方程4 直流電機基本方程4.1 4.1 直流電機感應電動勢和電磁轉矩方程直流電機感應電動勢和電磁轉矩方程4 直流電機基本方程 導體感應電勢 導體電磁力vlBexxilBfxx4 直流電機基本方程aaNxxNxxaBvlvlBE11vlBexxaNNa2設電樞繞組總導體數(shù)為N，有2a條并聯(lián)支路導體感應電勢每條支路串聯(lián)導體數(shù)支路感應電勢導體切割磁場速度pnv260(1) 直流電機感應電動勢直流電機感應電動勢4 直流電機基本方程llldxBdxBNBBxxaNxxava001定義平均磁密1()60aNaxaavxpNEl vBl vNBna電樞繞組感應電勢4 直流電機基本方

21、程電樞繞組感應電勢nCnapNEea60其中稱為直流電機的電勢常數(shù)apNCe604 直流電機基本方程設電樞繞組總導體數(shù)為N，有2a條并聯(lián)支路電樞繞組總電流為Ia，電樞外徑為Da一根導體產(chǎn)生的電磁力每條支路電流一根導體產(chǎn)生的電磁轉矩liBfxx aIia2xaaxaxxBaIlpDliBDfT22222(2) 直流電機電磁轉矩直流電機電磁轉矩4 直流電機基本方程llldxBdxBNBBxxaNxxava001定義平均磁密電樞繞組產(chǎn)生的電磁轉矩電磁轉矩NxxaNxxemBaIlpTT112222222aemavaIppNTlN BIaa 4 直流電機基本方程apNCT2直流電機電磁轉矩其中稱為直流電機的轉矩常數(shù)aTaemICIapNT24 直流電機基