第1章直流电机的原理与结构 而电枢绕组的感应电动势 E 6o= on=C.n (18) 式中C=2N—对已经制造好的电机,是一个常数,故称为直流电机的电动势常数 每极磁通φ的单位用Wb(韦伯),转速单位用r/min时,电动势Ea的单位为V。 式(1.8)表明:对已制成的电机,电枢电动势E。与每极磁通φ和转速n成正比。推导 式(1.8)过程中,假定电枢绕组是整距的(=r),如果是短距绕组0v<r),电枢电动势将稍 有减小,因为一般短距不大,影响很小,可以不予考虑。式(1.8)中的中一般是指负载时气 隙合成磁场的每极磁通 134电枢绕组的电磁转矩 电枢绕组中流过电枢电流l时,元件的导体中流过支路电流la,成为载流导体,在磁 场中受到电磁力的作用。电磁力∫的方向按左手定则确定,如图1.27所示。一根导体所受 磁力的大小为 f=B li 如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的,气隙磁密用平均值Ba表示,则每根导体 所受电磁力的平均值为 f a =Ba i (1.9) 根导体所受电磁力形成的电磁转矩,其大小为 式中 电枢外径。 不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同,所以电枢所有导体产生的电磁转矩 方向部是一致的,因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值Ta乘以电枢绕 组总的导体数N,即 D 更.12 T=NT=NBli一=N一l 12 Φl=Cr中la 式中c1=PN—对已制成的电机是一个常数,称为直流电机的转矩常数 磁通的单位用Wb,电流的单位用A时,电磁转矩T的单位为N·m(牛·米)。式(1.10), 表明:对已制成的电机,电磁转矩T与每极磁通φ和电枢电流成正比。 电枢电动势E=C朝m和电磁转矩T=C中l。是直流电机两个重要的公式。对于同一台 直流电机,电动势常数E和转矩常数Cr之间具有确定的关系 CT 9.55C 或者 C Cr=0.105C
第 1 章 直流电机的原理与结构 ·25· ·25· 而电枢绕组的感应电动势 a av e 2 2 2 60 60 N N p pN E e n nC n aa a == = = Φ ΦΦ (1.8) 式中 e 60 pN C a = ——对已经制造好的电机，是一个常数，故称为直流电机的电动势常数。 每极磁通Φ 的单位用 Wb(韦伯)，转速单位用 r/min 时，电动势 Ea的单位为 V。 式(1.8)表明：对已制成的电机，电枢电动势 Ea 与每极磁通Φ 和转速 n 成正比。推导 式(1.8)过程中，假定电枢绕组是整距的(y1＝τ )，如果是短距绕组(y1<τ )，电枢电动势将稍 有减小，因为一般短距不大，影响很小，可以不予考虑。式(1.8)中的Φ 一般是指负载时气 隙合成磁场的每极磁通。 1.3.4 电枢绕组的电磁转矩 电枢绕组中流过电枢电流 Ia 时，元件的导体中流过支路电流 ia，成为载流导体，在磁 场中受到电磁力的作用。电磁力 f 的方向按左手定则确定，如图 1.27 所示。一根导体所受 电磁力的大小为 x xa f B li = 如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密用平均值 Bav 表示，则每根导体 所受电磁力的平均值为 av av a f B= li (1.9) 一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为 av av 2 D T f = 式中 D——电枢外径。 不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩 方向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值 Tav 乘以电枢绕 组总的导体数 N，即 a av av a a T a 1 2 2 22 π 2π D Φ I pτ pN T NT NB li N l ΦI C ΦI τla a == = = = i i (1.10) 式中 T 2π pN C a = ——对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。 磁通的单位用 Wb，电流的单位用 A 时，电磁转矩 T 的单位为 N·m(牛·米)。式(1.10)， 表明：对已制成的电机，电磁转矩 T 与每极磁通Φ 和电枢电流 Ia成正比。 电枢电动势 E C e e = Φn 和电磁转矩T C= T a ΦI 是直流电机两个重要的公式。对于同一台 直流电机，电动势常数 Ea 和转矩常数 CT 之间具有确定的关系： T ee 60 9.55 2π a C C C a = = 或者 eT T 2π 0.105 60 a C C C a = = (1.12)
电机与拖动 14直流电机的换向 换向是直流电机中一个非常重要问题,直流电机的换向不良,将会造成电刷与换向器 之间产生电火花,严重的会使电机烧毁。所以,要讨论影响换向的因素以及产生电火花的 因,进而采取有效的方法改善换向,保障电机的正常运行。 141换向的过程 直流电机运行时,电枢绕组的元件旋转,从一条支路经过固定不动的电刷短路,后进 入另一条支路,元件中的电流方向将改变,这一过程称为换向,如图1.28所示。图1.28是 电机中一元件K的换向过程,设bs为电刷的宽度,一般等于一个换向片bk的宽度,电枢 以恒速V从左向右移动,Tκ为换向周期,S1、S2分别是电刷与换向片1、2的接触面积 (1)换向开始瞬时(图1.28(a)所示),1=0,电刷完全与换向片2接触,S1=0,S2为最大 换向元件K位于电刷的左边,属于左侧支路元件之一,元件K中流的电流=+ia,由相邻 两条支路而来的电流为2i,经换向片2流入电刷。 (2)在换向过程中图1.28(b)所示),【=7k2,电枢转到电刷与换向片1、2各接触一部 分,换向元件K被电刷短路,按设计希望此时K中的电流0,由相邻两条支路而来的电 流为2i,经换向片1、2流入电刷。 (3)换向结束瞬时,(图1.28(c)所示),Tk,电枢转到电刷完全与换向片1接触,S1为 最大,S2=0,换向元件K位于电刷右边,属于右侧支路元件之一,K中流过的电流a 相邻两条支路电流2ia经换向片1流入电刷 随着电机的运行,每个元件轮流经历换向过程,周而复始,连续进行。 V 12 (a)换向开始瞬时b)换向过程中某一瞬时(c)换向结束瞬时 图128换向元件的换向过程 142影响换向的因素 影响换向的因素是多方面的,有机械因素、化学因素,但最主要的是电磁因素。机械 方面可通过改善加工工艺解决,化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向 元件K中,附加电流k的出现而造成的,下面分析产生k的原因
·26· 电机与拖动 ·26· 1.4 直流电机的换向 换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器 之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换向的因素以及产生电火花的 原因，进而采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。 1.4.1 换向的过程 直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进 入另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向，如图 1.28 所示。图 1.28 是 电机中一元件 K 的换向过程，设 bS 为电刷的宽度，一般等于一个换向片 bK的宽度，电枢 以恒速 Va从左向右移动，TK 为换向周期，S1、S2 分别是电刷与换向片 1、2 的接触面积。 (1) 换向开始瞬时(图 1.28(a)所示)，t =0，电刷完全与换向片 2 接触，S1=0，S2 为最大， 换向元件 K 位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件 K 中流的电流 i=+ia，由相邻 两条支路而来的电流为 2ia，经换向片 2 流入电刷。 (2) 在换向过程中(图 1.28(b)所示)，t =TK/2，电枢转到电刷与换向片 1、2 各接触一部 分，换向元件 K 被电刷短路，按设计希望此时 K 中的电流 i=0，由相邻两条支路而来的电 流为 2ia，经换向片 1、2 流入电刷。 (3) 换向结束瞬时，(图 1.28(c)所示)，t=TK，电枢转到电刷完全与换向片 1 接触，S1 为 最大，S2=0，换向元件 K 位于电刷右边，属于右侧支路元件之一，K 中流过的电流 i=-ia， 相邻两条支路电流 2ia经换向片 1 流入电刷。 随着电机的运行，每个元件轮流经历换向过程，周而复始，连续进行。 (a) 换向开始瞬时 (b) 换向过程中某一瞬时 (c) 换向结束瞬时 图 1.28 换向元件的换向过程 1.4.2 影响换向的因素 影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。机械 方面可通过改善加工工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向 元件 K 中，附加电流 iK 的出现而造成的，下面分析产生 iK的原因
第1章直流电机的原理与结构 27 1.理想换向(直线换向) 换向过程所经过的时间(即换向周期Tk)极短,只有几豪秒,如果换向过程中,换向元 件K中没有附加其它的电动势,则换向元件K的电流i均匀地从+a变化到-i(+ia→0→-ia) 如图129曲线1所示,这种换向称为理想换向,也称直线换向 2.延迟换向 电机换向希望是理想换向,但由于影响换向的主要因素——电磁因素的存在,使得换 向不能达到理想,而出现了延迟换向,引起火花。电磁因素的影响有电抗电动势以及电枢 反应电动势两种情况。 (1)电抗电动势ex:电抗电动势又可分为自感电动势aL与互自感电动势eM。由于换向 过程中,元件K内的电流变化,按照棱次定律将在元件K内产生自感电动势e1= -Ldia/dt 另外,其它元件的换向将在元件K内产生互感电动势eM= Mdia/dt,则 exeter (1.12) ex总是阻碍换向元件内电流i变化的,即ex与换向前电流+ia方向相同,即阻碍换向电 流减少的变化 (2)电枢反应电动势(旋转电动势)ev:电机负载时,电枢反应使气隙磁场发生畸变,几 何中性线处磁场不再为零,这时处在几何中性线上的换向元件K将切割该磁场,而产生电 枢反应电动势ev;电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度,按右手定则,可确定ey 的方向,如图1.30所示,ev与换向前电流a方向相同。 图1.29直线换向与延时换向 图130换向元件K中产生的电枢反映电动势 (3)附加电流lk:元件换向过程中将被电刷短接,除了换向电流i外,由于e与ev的 存在,产生了附加电流k =(ex+ev)(R1+R2) (113) 式中,R1、R2分别为电刷与换向片1、2的接触电阻 ik与ex+evy方向一致,并且都阻碍换向电流的变化,即与换向前电流+i方向相同。k 的变化规律如图129中曲线2所示。这时换向元件的电流是曲线1与2的叠加,即如图1.29 中曲线3所示。可见,使得换向元件中的电流从+2变化到零所需的时间比直线换向延迟了 所以称作延迟换向 (4)附加电流对换向的影响。由于ⅸk的出现,破坏了直线换向时电刷下电流密度的均
第 1 章 直流电机的原理与结构 ·27· ·27· 1. 理想换向(直线换向) 换向过程所经过的时间(即换向周期 TK)极短，只有几豪秒，如果换向过程中，换向元 件 K 中没有附加其它的电动势，则换向元件 K 的电流 i 均匀地从+ia变化到-ia(+ia→0→-ia)， 如图 1.29 曲线 1 所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。 2. 延迟换向 电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素——电磁因素的存在，使得换 向不能达到理想，而出现了延迟换向，引起火花。电磁因素的影响有电抗电动势以及电枢 反应电动势两种情况。 (1) 电抗电动势 eX：电抗电动势又可分为自感电动势 eL 与互自感电动势 eM。由于换向 过程中，元件 K 内的电流变化，按照棱次定律将在元件 K 内产生自感电动势 eL=-Ldia/dt； 另外，其它元件的换向将在元件 K 内产生互感电动势 eM=-Mdia/dt，则 eX=eL+eM (1.12) eX总是阻碍换向元件内电流 i 变化的，即 eX 与换向前电流+ia方向相同，即阻碍换向电 流减少的变化。 (2) 电枢反应电动势(旋转电动势)eV：电机负载时，电枢反应使气隙磁场发生畸变，几 何中性线处磁场不再为零，这时处在几何中性线上的换向元件 K 将切割该磁场，而产生电 枢反应电动势 eV；电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，按右手定则，可确定 eV 的方向，如图 1.30 所示，eV与换向前电流 ia方向相同。 图 1.29 直线换向与延时换向 图 1.30 换向元件 K 中产生的电枢反映电动势 (3) 附加电流 iK：元件换向过程中将被电刷短接，除了换向电流 i 外，由于 eX与 eV的 存在，产生了附加电流 iK。 iK=(eX+eV)/(R1+R2) (1.13) 式中，R1、R2 分别为电刷与换向片 1、2 的接触电阻。 iK 与 eX+eV 方向一致，并且都阻碍换向电流的变化，即与换向前电流+ia 方向相同。iK 的变化规律如图 1.29 中曲线 2 所示。这时换向元件的电流是曲线 1 与 2 的叠加，即如图 1.29 中曲线 3 所示。可见，使得换向元件中的电流从+ia 变化到零所需的时间比直线换向延迟了， 所以称作延迟换向。 (4) 附加电流对换向的影响。由于 iK 的出现，破坏了直线换向时电刷下电流密度的均
28 电机与拖动 匀性,从而使后刷端电流密度増大,导致过热,前刷端电流密度减小,如图1.31所示。当 换向结束,即换向元件K的换向片脱离电刷瞬间,ⅸ不 为零,换向元件K中储存的一部分磁场能量Lk2k/2就 以火花的形式在后刷端放出,这种火花称为电磁性火花。 当火花强烈时,将灼伤换向器材和烧坏电刷,最终导致 电机不能正常运行。 143改善换向的方法 产生火花的电磁原因是换向元件中出现了附加电流 后刷端 ⅸk,因此要改善换向,就得从减小、甚至消除附加电流 图1.31延迟换向时附加电流的影响 ik着手。 1.选择合适的电刷 从k=(ex+ey)/(R+R)可见,当ex+ev一定时,可以选择接触电阻(R1,R2)较大的电刷, 从而减小附加电流来改善换向。但它又引起了损耗增加及电阻压降增大,发热加剧,电刷 允许流过的电流密度减小,这就要求应同时增大电刷面积和换向器的尺寸。因此,选用电 刷必须根据实际情况全面考虑,在维修更换电刷时,要注意选用原牌号。若无相同牌号的 电刷,应选择性能接近的电刷,并全部更换。 移动电刷位置 如将直流电机的电刷从几何中性线n-n移动到超过物理中性线m-m的适当位置,如 图132(a)中yv所示,换向元件位于电枢磁场极行相反的主磁极下,则换向元件中产生的 旋转电动势e为一负值,使-ey+εx≈0,k≈0,电机便处于理想换向。所以对直流电动机 应逆着旋转方向移动电刷,如图132(a)所示。但是,电动机负载一旦发生变化,电枢反应 强弱也就随之发生变化,物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化,这就要求 电刷的位置应做相应的重新调整,实际中是很难做到。因此,这种方法只有在小容量电机 中才采用 o n o b n NAIJ g⊙9 (a)移动电刷位置改善换向 (b)安装换向极改善换向 图132改善换向的方法
·28· 电机与拖动 ·28· 匀性，从而使后刷端电流密度增大，导致过热，前刷端电流密度减小，如图 1.31 所示。当 换向结束，即换向元件 K 的换向片脱离电刷瞬间，iK 不 为零，换向元件 K 中储存的一部分磁场能量 LKi 2 K/2 就 以火花的形式在后刷端放出，这种火花称为电磁性火花。 当火花强烈时，将灼伤换向器材和烧坏电刷，最终导致 电机不能正常运行。 1.4.3 改善换向的方法 产生火花的电磁原因是换向元件中出现了附加电流 iK，因此要改善换向，就得从减小、甚至消除附加电流 iK着手。 1. 选择合适的电刷 从i K XV 1 2 =+ + ( ) e e RR /( ) 可见，当 eX+eV一定时，可以选择接触电阻(R1,R2)较大的电刷， 从而减小附加电流来改善换向。但它又引起了损耗增加及电阻压降增大，发热加剧，电刷 允许流过的电流密度减小，这就要求应同时增大电刷面积和换向器的尺寸。因此，选用电 刷必须根据实际情况全面考虑，在维修更换电刷时，要注意选用原牌号。若无相同牌号的 电刷，应选择性能接近的电刷，并全部更换。 2. 移动电刷位置 如将直流电机的电刷从几何中性线 n-n 移动到超过物理中性线 m-m 的适当位置，如 图 1.32(a)中 v-v 所示，换向元件位于电枢磁场极行相反的主磁极下，则换向元件中产生的 旋转电动势 Ve 为一负值，使 VX K −+ ≈ ≈ ee i 0, 0，电机便处于理想换向。所以对直流电动机 应逆着旋转方向移动电刷，如图 1.32(a)所示。但是，电动机负载一旦发生变化，电枢反应 强弱也就随之发生变化，物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化，这就要求 电刷的位置应做相应的重新调整，实际中是很难做到。因此，这种方法只有在小容量电机 中才采用。 (a) 移动电刷位置改善换向 (b) 安装换向极改善换向 图 1.32 改善换向的方法 图 1.31 延迟换向时附加电流的影响
第1章直流电机的原理与结构 29 3.装置换向极 直流电机容量在IkW以上一般均装有换向极,这是改善换向最有效的方法,换向极安 装在相邻两主磁极之间的几何中性线上,如图1.32(b)所示。改善换向的作用是在换向区域 (几何中性线附近)建立一个与电枢磁动势F相反的换向极磁动势Fk,它除了抵消换向区域 电枢磁动势F3(使ev=0)之外,还要建立一个换向极磁场,使换向元件切割换向极磁场产 生一个与电抗电动势x大小相等、方向相反的电动势e,使得e'+ex=0,则ⅸ=0,成为 理想换向。 为了使换向极磁动势产生的电动势随时抵消ex和ev,换向极绕组应与电枢绕组串联, 这时流过换向极绕组上的电流a,产生的磁动势与ia成正比。且与电枢磁动势方向相反便 可随时抵消。 换向极极性应首先根据电枢电流方向,用右手螺旋定则确定电枢磁动势轴线方向,然 后应保证换向极产生的磁动势与电枢磁动势方向相反,而互相抵消,即电动机换向极极性 应与顺着电枢旋转方向的下一个主磁极极性相反,如图1.32(b)所示。 144补偿绕组 在大容量和工作繁重的直流电机中,在主极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽,槽内 嵌放一种所谓补偿绕组,如图1.33(a)所示。补偿绕组与电枢绕组串联,因此补偿绕组的磁 动势与电枢电流成正比,并且补偿绕组连接得使其磁动势方向与电枢磁动势相反,以保证 在任何负载情况下随都能抵消电枢磁动势,从而减少了由电枢反应引起气隙磁场的畸变。 电枢反应不仅给换向带来困难,而且在极弧下增磁区域内可使磁密达到很大数值。当元件 割该处磁密时,会感应出较大的电动势,以致使处于该处换向片间的电位差较大。当这 种换向片间电位差的数值超过一定限度,就会使换向片间的空气游离而击穿,在换向片间 产生电位差光火花。在换向不利的条件下,若电刷与换问片间发生的火花延伸到片间电压 较大处,与电位差火花连成一片,将导致正负电刷之间有很长的电弧连通,造成换向器整 个圆周上发生环火如图1.33(b),以致烧坏换向器。所以,直流电机中安装补偿绕组也是保 证电机安全运行的措施,但由于结构复杂,成本较高,一般直流电机中不采用。 (a)环火 (b)补偿绕组 图1.33环火和补偿绕组
第 1 章 直流电机的原理与结构 ·29· ·29· 3. 装置换向极 直流电机容量在 1kW 以上一般均装有换向极，这是改善换向最有效的方法，换向极安 装在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图 1.32(b)所示。改善换向的作用是在换向区域 (几何中性线附近)建立一个与电枢磁动势 Fa相反的换向极磁动势 FK，它除了抵消换向区域 的电枢磁动势 Fa(使 eV=0)之外，还要建立一个换向极磁场，使换向元件切割换向极磁场产 生一个与电抗电动势 eX 大小相等、方向相反的电动势 e'V，使得 e'V+eX=0，则 iK=0，成为 理想换向。 为了使换向极磁动势产生的电动势随时抵消 eX 和 eV，换向极绕组应与电枢绕组串联， 这时流过换向极绕组上的电流 ia，产生的磁动势与 ia 成正比。且与电枢磁动势方向相反便 可随时抵消。 换向极极性应首先根据电枢电流方向，用右手螺旋定则确定电枢磁动势轴线方向，然 后应保证换向极产生的磁动势与电枢磁动势方向相反，而互相抵消，即电动机换向极极性 应与顺着电枢旋转方向的下一个主磁极极性相反，如图 1.32(b)所示。 1.4.4 补偿绕组 在大容量和工作繁重的直流电机中，在主极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内 嵌放一种所谓补偿绕组，如图 1.33(a)所示。补偿绕组与电枢绕组串联，因此补偿绕组的磁 动势与电枢电流成正比，并且补偿绕组连接得使其磁动势方向与电枢磁动势相反，以保证 在任何负载情况下随都能抵消电枢磁动势，从而减少了由电枢反应引起气隙磁场的畸变。 电枢反应不仅给换向带来困难，而且在极弧下增磁区域内可使磁密达到很大数值。当元件 切割该处磁密时，会感应出较大的电动势，以致使处于该处换向片间的电位差较大。当这 种换向片间电位差的数值超过一定限度，就会使换向片间的空气游离而击穿，在换向片间 产生电位差光火花。在换向不利的条件下，若电刷与换问片间发生的火花延伸到片间电压 较大处，与电位差火花连成一片，将导致正负电刷之间有很长的电弧连通，造成换向器整 个圆周上发生环火如图 1.33(b)，以致烧坏换向器。所以，直流电机中安装补偿绕组也是保 证电机安全运行的措施，但由于结构复杂，成本较高，一般直流电机中不采用。 (a) 环火 (b) 补偿绕组 图 1.33 环火和补偿绕组