1、第五章 直流电机,51直流电机的构造及励磁方式52直流电机的基本工作原理53直流发电机54直流电动机,第五章小结,学习第五章应该注意的点,第五章学习应注意的几个问题： 1. 直流电机由什么组成？换向器的作用是什么？绕组元件中的电量是交流还是直流 ？ 2. 电枢电势和电磁转矩的表达式是怎样的？如何运用它们进行分析计算？ 3. 直流发电机有什么特性 ？直流发电机如何自励起压？ 4. 直流电动机的机械特性有什么特点？为什么直流电动机通常不能直接起动？本章的计算任务主要是： 根据电压平衡方程和有关特性进行计算。 比较难理解的点： 1. 直流电机电刷位置；2. 直流电机电枢反应去磁作用。,5-1.直流电
2、机的构造及励磁方式,本节的主要内容有三部分： 构造： 主要点：主要组成及作用，如换相器等。 铭牌数据： 参数个数、数据含义。 励磁方式： 种类。,基本构造： 定、转子 。,电刷、换向器作用： 起机械整流器作用 。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）。,注意：各部件的作用。,一、构造,风叶,磁极,电刷,电枢转子,转轴,换向器,换向片,压紧环,电枢绕组,绕组端部,结构细说,注：书P.62. 图5-1-1的电机是较大型的电机，其电枢绕组中间开有通风槽。,换向器,电枢绕组,另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。,不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变（微小脉动）。,二、主
3、要铭牌数据,铭牌数据： 额定容量、电压、电流、转速、励磁（电压、电流）等。 书P.64。,额定容量：都是指输出。 发电机：电枢绕组输出的电功率； 电动机：转子轴上输出的机械功率。,额定励磁电流： 额定负载时励磁绕组通过的励磁电流。通常由励磁回路串联的变阻器调节。 通常还标明励磁电压以备采用与电枢电压不同等级时参考。,励磁方式：他励、并励、串励和复励4 种。 复励：（从磁通叠加效果看）积复励、差复励；（从绕组连接情况看）长复励、短复励。 积复励：平复励、过复励、欠复励。直流电动机不能采用差复励，直流发电机不能采用串励。,第一节要点：基本结构（电刷、换向器作用）；铭牌数据；励磁方式。,三、励磁方式
4、,5-2.直流电机的基本工作原理,本节的主要内容有三部分： 基本工作原理 ： 主要点：注意元件和电刷两端电量的性质；注意：“电刷”、“换向器”的作用。 电势和转矩 ： 掌握电势和转矩的计算公式。P.66.式（5-2-1）、（5-2-2）。 电刷位置 ： 注意分清：“实际空间位置”和“短接元件边位置”。,一、工作原理,电刷A总是与处于正电位的换向片接触，而电刷B总是与处于负电位的换向片接触。虽然bc和de感应的电势是交变的，但电刷AB两端的电压却是直流的。 实际直流电机的换向片较多，电刷和换向器配合起机械整流器的作用。,电刷和换向器配合：每个绕组元件内部感应电势是交流的，但，一对电刷之间电势等于
5、一个支路中各绕组电势之和，因此，电刷间的电势为合成电势，是一个脉动的直流电势。,二、恒定的电动势和电磁转矩,并联支路图说明，转子旋转后电枢绕组所有元件被两个电刷所平分为2 个支路（1 对极），当n或Ia不变，电刷之间串接的绕组电势或产生电磁转矩不变（书P.66.公式）。,电势公式：E=Ken，式（5-2-1）,转矩公式：T=KTIa ，式（5-2-2）,Ke与KT关系是常数：Ke=pN/60a；KT=pN/2a。Ke/KT=/301/9.55。 N：总有效导体数，a：并联支路对数，p：极对数。,电刷放置的原则： 为了感应最大电势或产生最大电磁转矩，电刷所短接的（换向）元件的两个边应处于磁通最弱
6、（几何中性线）的位置上。,电刷的位置： 1. 实际位置：磁极的正中（说明不了原理等问题）。 2. 示意图位置：直接放在几中线的元件上。,三、电刷的正确位置,展开图上位置,原理图上位置,电刷与磁极的相对位置不变,换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，换向元件中若存在电势则短接时会产生火花 电磁原因（还有机械、电化学等原因）。 换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。 换向火花克服：（通过磁极尖增、去磁电枢反应的情况说明）：1. 换向极；2. 移动电刷（与转向有关，发电机和电动机正好相反）。 见书P.67 图5-2-4，注意：发
7、电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。 克服火花应移动的方向（助记）： “顺发、逆动”。, 第二节要点 ：原理（AC / DC转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向定义。,换向及换向火花,5-3.直流发电机,本节的主要内容有四部分： 空载特性 ：掌握空载特性的实质。 自励起压过程 ： 掌握自励起压的条件及起压过程分析。 外特性 ：定义、电压变化率。 转矩和功率的平衡：注意平衡关系。,一、空载特性,条件：I=0，n=nN。特性：E=f（If） 或 U0 = f（If）实质： 磁化曲线。与同步发电机相似，也是电机磁路的磁化曲线。,实验测量时注意：也应该单方向调节励磁电流，否则磁滞的影响，将使结果
8、出现偏差。,红色的曲线为空载特性,过程：发电机转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的数值上。条件：1. 有剩磁（若无，应可充磁）； 2. 接线正确（励磁与剩磁同向）； 3. 场阻线与空载特性有一个确定的交点（励磁电路电阻适当）。,二、自励起压,三、外特性,励磁方式：他励、并励和复励（前面已讲） P.69 图5-3-3。 外特性与励磁方式有关，以并励发电机为主进行说明，注意“条件”。 关系式 P.69 式（5
9、-3-2）。他励：励磁电压不受影响，只有内阻压降。 比并励较硬。并励：内阻压降使端电压略有下降，励磁相对减少。 注意：电压变化率的计算和区别（P.69）,重新解释： 直流发电机不用串励的原因。,转矩平衡方程： T1=T+T0， T电磁转矩，T1输入转矩，T0空载转矩。功率和效率公式：书P.70.式（5-3-6）、（5-3-7）。功率平衡：由转矩平衡关系及电压平衡方程得到功率的平衡关系。并由此引出效率的计算公式。, 第三节要点 ：空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁对应曲线形状）。,四、转矩和功率平衡,5-4.直流电动机,本节的主要内容有三大部分： 机械特性 ： 主要点：转动原理、影响
10、特性的因素、特性表达式和形状。 转矩特性 ： 了解不同励磁所对应的转矩特性 形状。 起动与反转 ： 主要点：起动的特点和方法（注意起动时励磁的作用）；反转的方法。,直流电动机说明,原理：结构上保证在相同极性磁极下，电流方向相同。因此就能产生恒定转矩。电压平衡方程式： U = E + Ia（ Ra + R ）励磁方式： 并、串、复励磁，书P.71. 图5-4-1。 电流之间的关系与励磁方式有关：书P.71.图5-4-1。注意：不用差复励。转动原理：电枢通电，在励磁绕组产生的磁场下，受力起动。电刷和换向器保证每个磁极下导体电流方向始终不变。电磁转矩： 书P.71.式（5-4-3）与发电机相同。,一
11、、机械特性,机械特性方程式：利用E0 = Ken、T=KTIa 和电压平衡方程可得：n = U/ KeRa/Ke KT2 = n0- kn。特点：并（他）励特性， 直线、硬特性；串励，空载时0，无理想空载转速，注意“飞车”；（积）复励，介于并励和串励之间。,自然机械特性：又称为“固有机械特性”（不人为改变参数）；人工机械特性：是人为改变参数（弱磁、降压、串电阻）。,二、转矩特性,转矩特性是指：电磁转矩 T 和电枢电流Ia的关系曲线，实际就是电磁转矩的计算公式。 不同的励磁方式，转矩特性的形状不同。,因为起动时，转速为零，电枢感应的电势为零，根据电压平衡方程，起动时电枢电流Ia = （U - E
12、a）/ Ra = U/ Ra 。而电枢电阻通常很小，所以起动电流很大（1020倍的额定电流）。0.5kW以上的直流电动机不能直接起动，否则Ia、T冲击很大，火花很大。,起动方法：在保持最大励磁电流情况下，1.电枢回路串电阻起动；2.降压起动。起动电流控制在1.52.0In。 注：1 .起动时，励磁磁场通常应该最大，才能减少起动电流，并增加起动转矩；2 .电枢绕组串联的起动电阻不能采用滑动变阻器，应采用分段切除的变阻器（大电流）。,三、起动和反转,反转,方法：1.改变电枢电流方向，励磁电流方向不变； 2.改变励磁电流方向，电枢电流方向不变。即：单独改变电枢绕组或单独改变励磁绕组的接线（将两个接线
13、端反接）。注意：反转时电枢电流更大，应该采取措施限流。 同时改变电枢和励磁绕组的接线，则电枢电流和励磁电流的方向将同时改变，电动机的电磁转矩的方向不变，电动机的转速也不变。交、直流两用电动机的工作原理就是以此为依据的。交、直流两用电动机实际上是一台直流电动机，使用时若电源为交流电，则转向仍然不会发生变化。, 第四节要点 ：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。,第五章 各节要点,各节要点：第一节：基本结构（电刷、换向器的作用）；铭牌数据；励磁方式。 第二节：原理（AC/DC转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向。 第三节：空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁曲线）。第四节：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。,第五章的主要内容,主要内容：知道直流电机的结构原理和励磁方式；掌握直流电机电枢电势和电磁转矩的分析方法；掌握直流发电机的特性；掌握直流电动机机械特性；能够根据电压平衡方程和有关特性进行相应计算。 也是“计算点”之一。 电枢绕组元件的交流电流、电势是如何转变成电刷两端的直流电流和电势的？发电机是如何自励起压的？电动机的起动方法和起动过程分析等概念应该掌握。计算任务主要是：电磁转矩、功率、电动势、转速、电动机起动电阻等的计算。本章的计算任务也是本课程的主要计算任务之一。,
