chap3 直流電機的基本原理和電磁關系(1401-1402)

第3章直流電機

DCMachineryFundamentals基本原理Principle結構Structure電磁關系Electromagnetic~第一節(jié)、直流電機的基本結構一、直流電機的簡單工作原理直流電動機工作原理直流電源通過電刷、換向片向線圈供電。電刷A總與位于N極下的導體相連，極性為正。電刷B與位于S極下的導體相連，極性為負。線圈受到的電磁力方向不變，總是沿著同一旋轉方向旋轉。一、直流電機的簡單工作原理直流發(fā)電機工作原理由原動機拖動線圈切割磁力線，產生感應電動勢。電刷A總與位于N極下的導體相連，感應電動勢的極性為正。電刷B總與位于S極下的導體相連，極性為負。由電刷引出的電動勢總是單向流動的直流電動勢。（電動勢正方向是從負指向正）一、直流電機的簡單工作原理

單線圈導體及電刷間的感應電動勢氣隙磁場、線圈電動勢及電刷兩端的電動勢波形電刷、換向片的作用相當于整流器；但單線圈的脈動程度很大；線圈電動勢一、直流電機的簡單工作原理

多線圈串聯后電刷間的感應電動勢

為了使電刷端電動勢的脈動程度降低，實際電機中的電樞上就不只是敷設一個線圈，而是合理設計的多個線圈均勻分布，并按一定規(guī)律連接起來組成電樞繞組。兩串聯線圈換向后的電動勢波形某多線圈電樞繞組的電動勢波形二、直流電機的基本結構風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直流電機的主要結構主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋電樞繞組電樞鐵心換向器轉軸電刷刷握絕緣支架壓緊力調整裝置定子stator轉子rotor直流電機產生磁場產生電動勢、電磁轉矩磁極鐵心勵磁繞組換向極繞組補償繞組直流電機定子勵磁繞組串換向極繞組、電樞繞組出線盒定子機座換向極鐵心換向極繞組主磁極鐵心

主磁極繞組（勵磁繞組）換向極繞組與勵磁的串聯接線大型直流電機上的勵磁繞組和換相極繞組2、勵磁繞組3、補償繞組1、主磁極12344、換向極繞組電刷刷辮電刷刷握匯流條壓緊裝置軸端蓋電樞鐵心電樞繞組和槽碶電樞繞組端部換向器軸承直流電機的轉子

（一）直流電機的靜止部分1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—勵磁繞組3—機座1—換向極鐵心2—換向極繞組極靴（舊稱極掌）主磁極用1-1.5mm的沖片疊壓而成。（一）直流電機的靜止部分3、機座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；

又作為磁路的一部分。材料為厚鋼板，或者鑄鋼件。（小型機座用鑄鐵件）4、電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—刷辮（二）直流電機的轉動部分1、電樞鐵心b)—電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片2、電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片直流電機的勵磁方式他勵、自勵、永磁勵磁a：Armaturewindingf：Fieldwinding他勵并勵串勵復勵SeparatelyexcitedShunt~Series~compound~第二節(jié)、直流電樞繞組

ArmatureWindinginDCmachineSimplexlapwindingSimplexwavewindingFrog-legwinding單疊繞組單波繞組蛙繞組1、構成和基本術語電樞繞組：電樞繞組是電機中電流通道的主體，也是電磁力的載體，是實施機電能量轉換的樞紐。

特點：直流繞組是閉合繞組。勵磁繞組：建立磁場。閉合情景之一閉合情景之二直流繞組是閉合繞組環(huán)形電樞（已淘汰）鼓形電樞繞組的基本單元：元件(Coil)單匝疊繞組元件多匝疊繞組元件單匝波繞組元件多匝波繞組元件基本術語

(Terminology)雙層繞組

(double-layerwinding)當一線圈的一個邊在某槽中占有上層位置時，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。同一線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，

線圈的跨距約等于一個極距。槽中有雙層繞組。線圈對稱排列極距：相鄰兩個磁極之間的跨距。若在同一極下，則電磁力/電動勢相互抵消。虛槽概念

VirtualSlot在大型電機中、每層可能有N個并列元件邊。實槽虛槽每個虛槽的上、下層依然只有一個元件邊一個上層邊和對應的一個下層邊所占的空間，即為虛槽。Z，C，Ze分別表示實槽數、并聯元件邊數、虛槽數，則：若每個線圈Nc匝，則電樞總導體數N在說明元件的空間布置情況時，一律采用虛槽編號，將虛槽數作為繞組分析時的計數單位。每一元件有兩個元件邊；每一換向片上接有兩個元件邊；每一虛槽內放置有兩個元件邊；虛槽數Q、換向片數K、元件數S之間的關系？線圈節(jié)距

(coilpitch)第一節(jié)距y1：元件的寬度，即兩個元件邊之間的距離，用虛槽數表示第二節(jié)距y2：連至同一換向片的兩個元件邊之間的距離，即前一個元件的下層邊到后一個元件的上層邊距離。合成節(jié)距y：緊相串聯的兩個元件的對應元件邊在電樞表面的跨距。換向器節(jié)距yk

：每一元件兩端所連接的換向片之間在換向器表面的跨距，用換向片數表示整距短距長距右行左行單疊繞組

Simplexlapwinding每個元件出線端依次連在相鄰的換向片上，后一個繞組元件相對前一個繞組元件僅移過一個槽。右行左行NSNSττττ直流電機的電樞繞組繞組展開圖1123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷+－++－－4極，16槽，整距，單疊，雙層，右行，繞組的展開圖和等效電路圖。這段距離為？電刷放置法使電刷間導出的電動勢有最大值；使與電動勢為零的元件所連接的換向片相短接； 當導體轉至交軸時，感應電勢為零，電刷應與處于交軸位置的導體相連；如導體對稱，則磁極的幾何中心線處為電刷位置；換向繞組的繞組軸線、磁極軸線和電刷位置在同一位置上。

N1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－4極，16槽，整距，單疊，雙層，右行，繞組的展開圖和等效電路圖。單疊繞組并聯支路對數＝電機的極對數：由電刷引出的電樞電流為各支路電流之和

2.4單波繞組為了使緊相串聯的元件所生的電勢同向相加，對應的兩元件邊應處于相同磁極極性下，即合成節(jié)距單波繞組-換向片極距yk必須符合為了使繞組從某一換向片出發(fā)，沿電樞鐵心一周后回到原來出發(fā)點相鄰的一片上，則可由此再繞下去。計算y,y1,y2畫繞組展開圖安放磁極和電刷1、繞組數據計算4極，15槽，短距，單波，雙層，左行，繞組的展開圖和等效電路圖。單波繞組

SimplexwavewindingNSSN2、單波繞組展開圖334567891110121314152145678910111213141512ττττ槽展開繞組放置安放磁極、電刷串聯順序3-10-2-9-1-8-15-7-14-6-13-5-12-4-11-3同極性下的所有線圈串聯在一起，形成一條支路所以單波繞組只有兩條支路！但一般也采用全額電刷單波繞組元件連接順序圖從繞組展開圖可以看出，全部15個元件串聯而構成一個閉合回路的順序是：1815714613512411310291用連接順序圖表示為：1815714613512411310291411310291815714613512上層邊下層邊按照合成節(jié)距7遞增串聯順序3-10-2-9-1-8-15-7-14-6-13-5-12-4-11-3單波繞組電路圖單波繞組把相同極性下的全部元件串聯起來組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對數a與極對數多少無關，永遠為1，即a＝1。單波繞組的特點同極性下各元件串聯起來組成一條支路，支路對數a=1，與磁極對數p無關。當元件的幾何尺寸對稱時，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。電刷組數應等于極數（采用全額電刷，即電刷數等于磁極數，理論上可以只用2個電刷）；電樞電流Ia=2ia。單疊繞組和單波繞組的差別單疊繞組：各個極面下上層的繞組元件構成一支路，并聯支路數等于極數；電樞間電勢較小，電樞電流較大，也稱并聯繞組；適應于較大電流、較低電壓的電機。單波繞組：N極下上層的繞組元件串聯為一支路，S極下的串聯為另一支路，并聯支路數恒等于2；電刷間電勢較大，電樞電流較下，也稱串聯繞組。適用于較高電壓、較小電流的電機。此外，還有復疊繞組、復波繞組、混合繞組（蛙繞組）等。第三節(jié)、直流電機的磁場和電樞反應MagneticField&ArmatureReaction3.1、空載時直流電機的磁場空間上，忽略極面下的齒槽效應，沿極面均勻分布?？臻g上，非正弦分布，在導體中感應電勢將包括有高次諧波。由磁極的直流勵磁電流產生，空氣隙磁場不隨時間變化，是恒定磁場；主磁通：產生感應電勢和電磁轉矩的有效磁通，通過氣隙，同時交鏈電樞繞組和勵磁繞組。（空載時用0表示）磁極漏磁通：從磁極的側面逸出，只和勵磁繞組交鏈。漏磁系數k：附：主磁路計算的基本原理主磁路計算的目的是：給定勵磁電流計算磁通。實驗方法

—通過空載特性或磁化曲線查出。計算方法

—磁路計算。假設全部磁通集中在一定路徑上流通，則可以用路代替場。一般通過試探和疊代的方法求解。附.1直流電機的主磁路主磁路：磁軛、極芯、極靴、空氣隙、齒和電樞鐵芯；附.2主磁通的計算由點到線，繪制電機磁化曲線設定一個主磁通；算出各段的磁通密度；根據相應材料的磁化曲線查取各段的磁場強度；計算各段磁路消耗的磁勢；各段磁勢的總和即為主磁通對應的勵磁磁勢；繪制磁化曲線。If→F0→Φ0查磁化曲線法：給定勵磁電流計算磁通繪制磁化曲線順序附.2主磁通的計算實際上可試探一磁通，由此算出總磁動勢，若與給定磁動勢相等（或在容差范圍之內），則滿足要求，否則修改試探值，進行疊代求解；疊代計算法：可以參考教材習題1－2第2問3.2、負載時電樞電流產生的磁場電樞電流產生的磁場，即電樞磁場。基本術語磁極中性線（直軸線，d軸線）幾何中性線（交軸線，q軸線）物理中性線（氣隙B=0處）由于靜止的電刷和運動的換向器的共同作用，電刷間連接的導體時刻在變化，但電刷間導體電流產生的磁勢不變。直流電機的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數。階梯形波。如沿電樞分布的線圈無限增多，則將趨近于三角形波。

線負載A：最大的磁動勢點出現在交軸處，其值為：任意點x電樞磁勢的計算x點電樞磁勢ie.電負荷electricloading電刷位置對電樞磁勢的影響電樞磁勢幅值的位置恰在導體中的電流改變方向處，亦即在導體通過電刷處。如電刷移動，則電樞磁勢的軸線也就跟著移動。直流電機的電樞磁動勢軸線永遠位于導體中的電流改變方向處（電刷位置），且在空間是靜止不動的。3.3、交軸電樞反應當電刷位于交軸時，電樞磁動勢軸線也在交軸，此時電樞磁場（交軸電樞磁場）對主極磁場的影響為交軸電樞反應。影響之一：使得主磁通發(fā)生了畸變，且有去磁作用。3.3、交軸電樞反應當電刷位于交軸時，電樞磁動勢軸線也在交軸，此時電樞磁場（交軸電樞磁場）對主極磁場的影響為交軸電樞反應。影響之二：使得電機的物理中性線發(fā)生了偏移。發(fā)電機，順著旋轉方向偏移；電動機逆旋轉方向偏移；發(fā)電機電動機3.3、交軸電樞反應quadrature-axisarmaturereaction當電刷位于交軸時，電樞磁動勢軸線也在交軸，此時電樞磁場（交軸電樞磁場）對主極磁場的影響為交軸電樞反應。電樞進入極面處的磁極極尖為前極尖，離開極面處的極尖為后極尖

。發(fā)電機后極尖下磁通密度增強，電動機前極尖下磁通密度增強，增強處可能產生火花！

交軸電樞反應對氣隙磁場的影響：使物理中性線偏離幾何中性線一個α角。對發(fā)電機，偏移方向為順電樞轉向；對電動機，偏移方向為逆電樞轉向；不計飽和影響，對每個主極下的磁場，一半被削弱，但另一半被加強，總的磁通不變。記及飽和影響，對被削弱的一半來說，波形與不計飽和時相同；但對于被加強的一半，由于實際磁路中鐵磁材料的飽和影響，磁密曲線會下降，因此，每極磁通量也會減少。

綜上述，實際電機中，交軸電樞反應不但使氣隙磁場畸變，而且還有去磁作用。3.4、直軸電樞反應direct-axisarmaturereaction如電刷順著或逆著旋轉方向移過一個角度β，則電樞電流的分布隨之改變，電樞磁勢的軸線也隨著電刷移動。在2β范圍內的導體所產生的磁勢固定作用在直軸，稱為直軸電樞反應。起增磁或去磁作用。在2β范圍外的是交軸電樞反應；對于電動機而言，電刷順著旋轉方向偏移時，直軸電樞電動勢起助磁作用。（發(fā)電機則相反）由于直軸電樞磁場軸線與主極軸線重合，因此其作用應該只是影響每極磁通的大小。3.5、削弱電樞反應負作用的措施交軸電樞反應使得兩極尖處磁密不等，增強處可能產生火花(sparking)；每極磁通變小，可在在電機中裝置有補償繞組(compensationwinding)，使其產生的磁勢剛好抵消交軸電樞反應磁動勢（磁場）。補償繞組的電流分布和電樞繞組各對應點的電流分布大小相等、方向相反；交軸附近的電樞磁勢將由換向極磁動勢來補償。補償繞組和換向極繞組應和電樞繞組串聯。補償繞組補償繞組不能消除阻礙換向的運動電動勢和–Ldi/dt。造成的后果是換向延遲。因此在交軸處通常安裝上換向極，來產生反向磁場，抵消運動電動勢和Ldi/dt的影響，使得正在換向的線圈電動勢為0。裝上補償繞組的電機通常也要裝上換向極繞組(commutation~)。小容量的直流電機，僅僅將電刷偏移一個角度，使得使得正在換向的線圈的電動勢為0，來消除環(huán)火(flashoveracrossthecommutator)。3.5、削弱電樞反應負作用的措施換向極設電樞磁勢的每極安匝數為Fa則直軸電樞磁勢的幅值為交軸電樞磁勢的幅值為3.6、有效勵磁電流的簡單分析

交軸電樞磁勢的去磁作用，用等效直軸去磁安匝Faqd表示，它與磁路的飽和程度有關，可近似與電樞電流成正比。設電樞磁勢的每極安匝數為Fa則直軸電樞磁勢的幅值為3.6、有效勵磁電流的簡單分析有效勵磁磁勢為有效勵磁電流為磁動勢平衡方程式空載特性曲線上的勵磁電流相當于有效勵磁電流例16-1：分析電樞反應的等效去磁電流已知一臺4極DCGenerator，額定勵磁電流為2.85A，額定電樞反應電動勢為242.5V，空載運行時的空載特性曲線數據如下（設空載時的轉速等于額定運行時的轉速），勵磁繞組每極900匝，求當電刷位于交軸時等效去磁磁動勢。E0210240258If02.02.382.74例16-1：分析電樞反應的等效去磁電流一臺4極DG，UN=230V,IaN=84.8A,nN=1500r/min,Ra=0.147Ω,N=444,

Da=29.5cm.Nf=900。在額定運行情況下勵磁電流IfN=2.85A,，當轉速為1500r/min時，測得的空載特性如下：E0210240258If02.02.382.74思考題為什么說直流電機的空氣隙磁場是恒定磁場？設電刷位于交軸，試默繪直流電機的空載磁勢分布曲線B0(x)、空載磁場分布曲線Fa(x)、電樞磁勢分布曲線Fa(x)、電樞磁場分布曲線Ba(x)和合成磁場分布曲線B(x)第四節(jié)、電樞繞組的感應電動勢ElectromotiveForceEMF4.1、電樞繞組的感應電動勢電樞繞組的感應電勢——電機正、負電刷之間的電勢，即每一并聯支路的電勢。位于電刷之間固定位置的各個導體的感應電動勢之和氣隙磁密和導體的分布4.1、電樞繞組的感應電動勢假設平均磁密為Bav，導體的有效長度為l，電機轉述為n（r/min,revolutionsperminute），電樞直徑為Da，極對數為p運動線速度為v(m/s,meterspersecond)4.1、電樞繞組的感應電勢直流電機的感應電勢與每極磁通量及轉速有關。如將每極磁通量保持不變，直流電機的感應電勢將和轉速成正比。如將轉速保持不變，直流電機的感應電勢將和每極磁通量成正比。電刷間的感應電勢僅和極面下的總磁通量有關，而和極面下磁通密度的分布情況無關。4.1、電樞繞組的感應電勢通常電刷在交軸，如果移動電刷位置，則支路中一部分導體的感應電勢將因方向相反而互相抵消，導致電刷間電勢Ea的減小。使用負載時的每極磁通，得負載時電刷感應電勢Ea。當負載時，由于電樞回路的電阻電壓降，直流發(fā)電機電刷間的端電壓U比負載時的電刷電勢Ea小。4.1、電樞繞組的感應電勢一臺4極直流發(fā)電機，電樞繞組是單波繞組，電樞繞組的元件數S=162，每個元件匝數Nc=2，每極磁通Φ=0.0051Wb，轉速n=1450r/min，求電樞電動勢。電樞總導體數電動勢常數電樞電動勢

3.5、直流發(fā)電機的平衡方程式并勵發(fā)電機ΔU——每一電刷的接觸壓降電刷接觸電阻隨電流的增大而減小，通常假定為常數，石墨電刷或碳石墨電刷，取為1V電流、電壓平衡式4.2直流發(fā)電機的平衡方程式電磁功率附加損耗產生pad的原因電樞存在齒槽，使氣隙磁通發(fā)生脈動，在電樞鐵心、主極鐵心和極靴表面中產生脈動損耗電樞反應使磁場畸變產生的額外電樞損耗電樞拉緊螺栓在磁場中旋轉引起的鐵耗由換向電流產生的損耗輸入功率ra：串接在電樞回路中各種繞組的總電阻，如電樞繞組、串勵繞組和換向極繞組等。并勵發(fā)電機直流發(fā)電機的功率圖電磁功率輸入功率各下標的意義：mec-mechaniclosses;Fe-ferro~;cu-copper~;ad-additional(stray)~a-armature~;b-brush~;f-field~;L-load,em-ElectroMagnetic

一般電磁功率、電磁轉矩下標用em表示，即Pem,Tem.4.3直流電動機的平衡方程式電壓平衡式電流平衡式（并勵時）并勵電動機4.3直流電動機的平衡方程式輸入功率輸出功率并勵電動機功率平衡式直流電動機的功率圖輸入功率扣除電樞銅耗、電刷的電損耗、以及勵磁損耗后，才是電樞繞組吸收的電磁功率。電磁功率產生電磁轉矩,使電機轉動并拖動機械負載，實現電能到機械能的轉換。在此過程中，勢必要克服因轉動而引起的各種損耗（鐵耗，機械損耗，附加損耗/雜散損耗），最終在電機轉軸上輸出的機械功率?？蛰d損耗：機械損耗+鐵耗負載損耗：銅耗類+附加損耗空載損耗例題16-2講解（板書）第五節(jié)、電樞繞組的電磁轉矩ElectromagneticTorqueTem5.1、電樞繞組的電磁轉矩電磁力和電磁