第二章直流电机 2.1概述 21.1直流电机的工作原理 首先,复习e=Bsh公式,说明e正比于B结合图2.1解释v=2rRn60(m/s, n(r/min);机械角速度=vR=2xm60(r/s),电角速度a=p9=p2xn0(rad/s) (记下来);导体或线圈。 将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括:N、S磁极和A、B电 刷静止,换向片、线圈(导体)以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。 假设磁力线进入磁极为正方向,离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在 空间得分布曲线 Ba(0)0≤0=at≤2r)。进而得到导体电势e(ot)和线圈电势e(at) 经过合理的多个线圈均匀分布设计,按照一定规律连接起来就组成电枢绕 组,便可以获得近似直流电动势 工作原理: (1)发电机:电枢绕组中感应的交变电势,依靠换向器的换向作用,利用静止 的电刷把同一磁极 下导体电势引出,变为直流电势输出。(发电机惯例) (2)电动机:通过电刷和换向器的共同作用,使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变,导体 受力方向不变,进而产生方向恒定的电磁转矩,使电机连续转动。 结论:(1)电机内部(电刷为界),线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流 量 (2)电机外部(电刷两端),电动机运行外加直流电;发电机运行输出直 流电 (3)从原理上讲,同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行, 是可逆的。 (4)电动机惯例 发电机惯例 Motor Generator
第二章 直流电机 2．1 概述 2.1.1 直流电机的工作原理 首先，复习e=Bδlv公式，说明 e正比于Bδ。结合图2.1解释v=2πRn/60（m/s， n(r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn/60 ( r/s); 电角速度ω=pΩ=p2πn/60 (rad/s) （记下来）；导体或线圈。 将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括：N、S 磁极和 A、B 电 刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。 假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在 空间得分布曲线 Bδ(θ)(0≤θ=ωt ≤2π)。进而得到导体电势 e(ωt)和线圈电势 eAB(ωt)。 经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕 组，便可以获得近似直流电动势。 工作原理： （1） 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极 下导体电势引出，变为直流电势输出。（发电机惯例） （2） 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体 受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。 结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流 量。 （2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直 流电 （3） 从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行， 是可逆的。 （4）电动机惯例 发电机惯例 i i u Motor u Generator
2.1.2直流电机的主要结构部件 主磁极、换向极 定子—一起机械支撑,产生磁场的作用机座、端盖、电刷、 轴承 直流电机结构气隙一—耦合磁场 转子 生电磁转矩、产生感应电势「电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇 部件名称作用 主磁极励磁绕组通入直流,建立气隙|1-1.5mm低碳钢片P43Fg28 磁场 叠制,降低涡流损 耗 换向极改善换向 整块钢或1~1.5mmFg2.9 钢片叠制 机座 机械支撑并构成磁回路 铸钢(小电机),厚P43Fg2.10 钢板焊接(大中型 电机) 电枢铁心构成磁路、嵌放电枢绕组035-0概述5mm硅P44 钢片叠制,降低涡|2.1 流损耗 电枢绕组「感应电势,承载电流,产生转|圆截面铜线或扁导|Fig212 线、空心导线 换向器与电刷配合,用机械换接的方铜换向片和片间绝Fg213 法引入(出)直流电势 缘云母构成换向片 电刷装置与换向器配合,实现直流量和石墨碳刷 Fg.2.142.15 交流量之间的转换 2.1.3直流电机的额定值 额定值:指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠 载或过载 额定功率:指输出功率W,kW。发电机PN=UN 电动机PN=nUN 额定电压UN(V).额定电流(A).额定励磁电压Um(V).额定励磁电流l(A) 额定转速n(rmin)
2．1．2 直流电机的主要结构部件 主磁极、换向极 定子——起机械支撑，产生磁场的作用 机座、端盖、电刷、 轴承 直流电机结构 气隙——耦合磁场 转子——产生电磁转矩、产生感应电势 电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇 部件名称 作用 材料 结构 主磁极 励磁绕组通入直流，建立气隙 磁场 1~1. 5mm 低碳钢片 叠制，降低涡流损 耗 P43 Fig. 2.8 换向极 改善换向 整块钢或 1~1. 5mm 钢片叠制 Fig 2.9 机座 机械支撑并构成磁回路 铸钢（小电机），厚 钢板焊接（大中型 电机） P43 Fig 2.10 电枢铁心 构成磁路、嵌放电枢绕组 0.35~0 概述.5mm硅 钢片叠制，降低涡 流损耗 P44 Fig. 2.11 电枢绕组 感应电势，承载电流，产生转 矩 圆截面铜线或扁导 线、空心导线 Fig. 2.12 换向器 与电刷配合，用机械换接的方 法引入（出）直流电势 铜换向片和片间绝 缘云母构成换向片 Fig 2.13 电刷装置 与换向器配合，实现直流量和 交流量之间的转换 石墨碳刷 Fig. 2.14 2.15 2．1．3 直流电机的额定值 额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠 载或过载 额定功率：指输出功率 W, kW。 发电机 PN=UNIN 电动机 PN=ηUNIN 额定电压 UN (V)， 额定电流 IN (A)， 额定励磁电压 UfN (V)， 额定励磁电流 IfN (A)， 额定转速 nN(r/min)
22直流电机的电枢绕组 2.2.1基本特点 设计绕组(线圈、电枢)时,主要考虑产生较大的感应电势和通过一定大小的电 流 直流电机有五种:单叠、复叠、单波、复波、蛙绕组 2.2.2单叠绕组 单叠绕组:绕制时,任何两个串联的元件都是后一个紧叠在前一个的上面。每绕 个元件便在电枢表面移过一个虚槽。 例题23(p49)已知电机极数2p=4,且Z=Z=S=K=16。绕制一个单叠右行整距 绕组 1)节距计算 单叠右行,合成节距 第一节距 第二节距 2)绕组连接表:确定16个元件(32个元件边)的串联次序 编号原则:槽号代表元件号也代表上元件边号 连接方法:某号元件m,上元件边号m,嵌放在m槽内,上元件边 接在m号换向片上;该元件的下元件边嵌放在编号m+yu 槽的下面,下元件边接在m+yk号换向片上。而m+y1槽 接另一个元件的上层边,编号为m+y1+y2。以下类推。 连接规律:实线表示一个元件的上、下元件边;虚线表示不同元件的 两个元件边接在同一个换向片上 m+yi+y2 3)绕组展开图:首先进行槽编号→按照连接规律把各元件边嵌入槽内 所有元件串联自行 闭合→→判断电动势方向,可见1、5、9、13元件被短路了 4)电路图 5)电刷放置: a)电枢绕组形成一个闭合回路,绕组产生的电动势要靠电刷引出(入) b)电刷放在换向器上的位置是根据电机空载时,在正、负电刷之间获得最 大电动势为原则 c)电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触,否则不能保证b)的 要求,并且如果感应电动势不为零的话,还会产生短路电流 d)只要元件轴线与主磁极轴线重合,元件中的电动势就是零。 e)电刷必须放在换向器的几何中性线上。 元件端接对称时,主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合
2.2 直流电机的电枢绕组 2．2．1 基本特点 设计绕组（线圈、电枢）时，主要考虑产生较大的感应电势和通过一定大小的电 流。 直流电机有五种：单叠、复叠、单波、复波、蛙绕组。 2．2．2 单叠绕组 单叠绕组：绕制时，任何两个串联的元件都是后一个紧叠在前一个的上面。每绕 一个元件便在电枢表面移过一个虚槽。 例题 2.3（p49） 已知电机极数 2p=4, 且 Z=Zi=S=K=16。绕制一个单叠右行整距 绕组。 1) 节距计算 单叠右行，合成节距 第一节距 第二节距 2) 绕组连接表：确定 16 个元件（32 个元件边）的串联次序 编号原则：槽号代表元件号也代表上元件边号 连接方法：某号元件 m，上元件边号 m，嵌放在 m 槽内，上元件边 接在 m 号换向片上；该元件的下元件边嵌放在编号 m+y1 槽的下面，下元件边接在 m+yk 号换向片上。而 m+y1 槽 接另一个元件的上层边，编号为 m+y1+y2。以下类推。 连接规律：实线表示一个元件的上、下元件边；虚线表示不同元件的 两个元件边接在同一个换向片上。 m+yk m+y1 m+y1+y2 3) 绕组展开图：首先进行槽编号 按照连接规律把各元件边嵌入槽内 所有元件串联自行 闭合 判断电动势方向，可见 1、5、9、13 元件被短路了。 4) 电路图： 5) 电刷放置： a) 电枢绕组形成一个闭合回路，绕组产生的电动势要靠电刷引出（入） b) 电刷放在换向器上的位置是根据电机空载时，在正、负电刷之间获得最 大电动势为原则。 c) 电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触，否则不能保证 b)的 要求，并且如果感应电动势不为零的话，还会产生短路电流。 d) 只要元件轴线与主磁极轴线重合，元件中的电动势就是零。 e) 电刷必须放在换向器的几何中性线上。 元件端接对称时，主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合
元件端接不对称时,主磁极轴线、元件轴线重合,但与换向器的几何中 性线不重合,电刷必须放在换向器的几何中性线上。注意:它与电枢上 得几何中性线无关 f)叠绕组的电刷数=极数 58)根据电路图,将同极性端接在一起,得电枢电动势。 绕组并联支路数: 单叠绕组a=p 双叠绕组a=m*p(m=2 2a=2mp 单叠绕组特点: 1)电枢绕组是一个自行闭合绕组 2)单叠绕组并联支路数=极数=电刷数(双叠绕组极数=电刷数=并联支路数 3)电枢电势就是支路电势,电枢电流是2p个支路电流的和。 4)电刷放在换向器上的几何中性线上。 5)电刷和磁极是静止的,必须把它们的相对位置合理对称的分布在圆周上。电 枢和换向器旋转。 6)适合于大电流的电机 2.2.3单波绕组 单波绕组特点 1)电枢绕组是一个自行闭合绕组 2)电刷放在主磁极轴线下的换向片上 3)单波绕组的支路数与极数无关,总有两个支路,即a=1or2a=2 4)电刷数等于极数(是为了减低电刷下的电流密度) 5)电枢电势就是支路电势,电枢电流是2个支路电流的和 6)因为每条支路元件数多,可以获得高电势,适合于小电流高电压的电机。 7)单波绕组连接规律 m+ m+yity2 绕组总结: 1)要根据电机额定电压或电流要求选择绕组形式。(叠-大电流,波-高电压,蛙 绕组一大型电机) )电枢闭合 3)电枢电势就是支路电势 4)电枢电流是各支路电流的总和。 5)电刷放在换向器上的几何中性线上(电刷放在主磁极轴线下的换向片上 对端接对称的绕组) 6)单叠绕组将每个极下的所有元件串联形成一个支路,2p=2a 7)单波绕组将所有同极性磁极下的所有元件串联形成一个支路,2a=2
元件端接不对称时，主磁极轴线、元件轴线重合，但与换向器的几何中 性线不重合，电刷必须放在换向器的几何中性线上。注意：它与电枢上 得几何中性线无关。 f) 叠绕组的电刷数=极数 g) 根据电路图，将同极性端接在一起，得电枢电动势。 6) 绕组并联支路数： 单叠绕组 a=p or 2a=2p 双叠绕组 a=m*p (m=2) or 2a=2mp 单叠绕组特点： 1) 电枢绕组是一个自行闭合绕组 2) 单叠绕组并联支路数=极数=电刷数 （双叠绕组极数=电刷数=并联支路数 /2） 3) 电枢电势就是支路电势，电枢电流是 2p 个支路电流的和。 4) 电刷放在换向器上的几何中性线上。 5) 电刷和磁极是静止的，必须把它们的相对位置合理对称的分布在圆周上。电 枢和换向器旋转。 6) 适合于大电流的电机 2．2．3 单波绕组 单波绕组特点： 1) 电枢绕组是一个自行闭合绕组 2) 电刷放在主磁极轴线下的换向片上 3) 单波绕组的支路数与极数无关，总有两个支路，即 a=1 or 2a=2 4) 电刷数等于极数（是为了减低电刷下的电流密度） 5) 电枢电势就是支路电势，电枢电流是 2 个支路电流的和。 6) 因为每条支路元件数多，可以获得高电势，适合于小电流高电压的电机。 7) 单波绕组连接规律 m+yk m+y1 m+y1+y2 绕组总结： 1) 要根据电机额定电压或电流要求选择绕组形式。（叠--大电流，波--高电压，蛙 绕组--大型电机） 2) 电枢闭合 3) 电枢电势就是支路电势 4) 电枢电流是各支路电流的总和。 5) 电刷放在换向器上的几何中性线上（电刷放在主磁极轴线下的换向片上---- 对端接对称的绕组） 6) 单叠绕组将每个极下的所有元件串联形成一个支路，2p=2a 7) 单波绕组将所有同极性磁极下的所有元件串联形成一个支路， 2a=2
2.2.4电枢绕组的均压线 为了避免由于电、磁不平衡、不对称导致支路间的环流,将理论上电位相等的点用均压线连 接起来。 2.3直流电机的磁场 2.3.1直流电机按励磁方式分类 给励磁绕组的供电方式,即励磁方式,有四种:他励、并励、串励、复励 2.3.2直流电机的空载磁场 空载磁场也叫主磁场,是当电枢电流为零,仅由励磁电流建立的磁场。(挂图) 1)磁通与磁动势 主磁通:经过气隙,且同时与励磁绕组和电枢绕组交链的磁通,亦称为工作 磁通。 漏磁通:不经过气隙,仅与绕组自身交链的磁通,其不参与机电能量转换。 则每极总磁通为 中m=中+中。=中0(1+中中=k。中0 k为主磁极漏磁系数,其值范围:1.15~1.25 假设每极磁通为φ,则每对极所需要的磁势为 Fo=dH-dl=2I/N,=2F8+F,+2Fm+Fa+2Fz 式中各量依次为:气隙磁势、定子轭、定子齿、转子轭、转子齿。(见图2.28) 2)主磁场分布 根据B0(x)=H0H(x)=H6 知气隙磁密与气隙长度成反比。根据磁极形 状可以知道磁场分布。气隙磁密在一个极下分布规律为平顶波 3)磁化曲线:指电机的主磁通φ与励磁磁动势Fo的关系曲线。它与铁磁材料 的磁化曲线形状相类似。主磁通φo与气隙磁动势F的关系曲线 称为气隙线性磁化曲线 电机磁路的饱和程度用饱和系数反映。它是空载额定转速下运行产生额定电 枢电压时所需要的磁动势与气隙磁动势之比 (数值范围11-135) 过饱和,浪费铜节省铁磁材料,电阻损耗增加:饱和系数小,浪费铁省铜 材料,铁耗增加
2．2．4 电枢绕组的均压线 为了避免由于电、磁不平衡、不对称导致支路间的环流，将理论上电位相等的点用均压线连 接起来。 2．3 直流电机的磁场 2．3．1 直流电机按励磁方式分类 给励磁绕组的供电方式，即励磁方式，有四种：他励、并励、串励、复励 2．3．2 直流电机的空载磁场 空载磁场也叫主磁场，是当电枢电流为零，仅由励磁电流建立的磁场。（挂图） 1) 磁通与磁动势 主磁通：经过气隙，且同时与励磁绕组和电枢绕组交链的磁通，亦称为工作 磁通。 漏磁通：不经过气隙，仅与绕组自身交链的磁通，其不参与机电能量转换。 则每极总磁通为： φm=φ0+φσ=φ0(1+φσ/φ0)=kσφ0 kσ为主磁极漏磁系数， 其值范围：1.15~1.25 假设每极磁通为φ0, 则每对极所需要的磁势为 f N f F Fj Fm Fa FZ F0 = H dl = 2I = 2 + + 2 + + 2 式中各量依次为：气隙磁势、定子轭、定子齿、转子轭、转子齿。（见图 2. 28） 2）主磁场分布 根据 ( ) ( ) ( ) ' 0 0 0 0 x F B x H x = = 知 气隙磁密与气隙长度成反比。根据磁极形 状可以知道磁场分布。气隙磁密在一个极下分布规律为平顶波。 3）磁化曲线：指电机的主磁通φ0 与励磁磁动势 F0 的关系曲线。它与铁磁材料 的磁化曲线形状相类似。主磁通φ0 与气隙磁动势 Fσ的关系曲线 称为气隙线性磁化曲线。 电机磁路的饱和程度用饱和系数反映。它是空载额定转速下运行产生额定电 枢电压时所需要的磁动势与气隙磁动势之比。 ' ' 0 F F k = （数值范围 1.1~1.35） 过饱和，浪费铜节省铁磁材料，电阻损耗增加； 饱和系数小，浪费铁省铜 材料，铁耗增加