1、第二篇 直流电机,直流电机的工作原理和基本结构,直流电机的磁场和基本方程,直流发电机的运行特性,直流电动机的运行性能,直流电机的换向,河北工业大学,第三章 直流电机的工作原理和基本结构,3.1 直流电机的工作原理 3.2 直流电机的基本结构 3.3 直流发电机的额定值 3.4 直流电动机的励磁方式 3.5 直流电机的电枢绕组,内容：,3.1 直流电机的工作原理,磁极 电枢铁心 气隙 电枢绕组 换向器（换向片） 电枢 电刷,在图示时刻，线圈abcd的感应电势方向由d到a。此时a端经换向片与电刷A接触，d端经换向片与电刷B接触，所以电刷A为正极性而电刷B为负极性。,直流发电机,3.1 直流电机的工
2、作原理,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电势。,导体ab在S极下，导体cd在N极下，线圈abcd的感应电势方向由a 到d 。此时a端经换向片与电刷B接触，d端经换向片与电刷 A接触，所以电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,3.1 直流电机的工作原理,直流电动机,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻力转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,电枢旋
3、转180后，右下图，原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右上图。,3.2 直流电机的基本结构,3.3 直流电机的额定值, 额定功率 PN 指电机额定状态下运行时，电机的输出功率对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PNUNINN 额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以
4、“V” 为量纲单位。 额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。此外，还有一些物理量的额定值，如额定效率N、额定转矩TN、额定温升 等，不一定标在电机铭牌上。,3.4 直流电机的励磁方式,复励式：装有两个励磁绕组，一个与电枢并联，二个与电枢串联。,1、他励式：其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。,2、自励式,发电机 ：利用自身发出的电流励磁；,电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。,串励式： 励磁绕组与电枢绕组串联；,并励式： 励磁绕组与电枢绕组并联；,3.5 直流
5、电机的电枢绕组,1. 电枢绕组的构成,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,直流电枢绕组的元件数S、换向片数K和虚槽数Qu三者相等。,3.5 直流电机的电枢绕组,2. 电枢绕组的节距,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,第二节距 ：连至同一换
6、向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向器节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,3.5 直流电机的电枢绕组,3. 单叠绕组的连接,单叠绕组：相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1。,以2p=4，S=K=Qu=16，u=1为例说明单叠绕组绕法的特点 。,3.5 直流电机的电枢绕组,单叠绕组的的特点：,1. 同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。,2. 电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电势等于并联支路电势。,3. 电枢电流等于各支路电流之和。,单叠绕组电路图,3.5 直流电机的电枢绕组
7、,4. 单波绕组,单波绕组的合成节距与换向节距相等。,以2p=4，S=K=Qu=15，u=1，左行为例 ：,单波绕组展开图,3.5 直流电机的电枢绕组,单波绕组电路图,单波绕组的特点,1. 同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2. 当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3. 电刷数等于磁极数；,5. 电枢电流等于两条支路电流之和。,4. 电枢电动势等于支路感应电动势；,第四章 直流电机的磁场和基本方程,4.1 空载时直流电机的磁场 4.2 负载时直流电机的磁场 4.3 直流电机的电枢反应 4.4 电枢绕组的感应电势 4
8、.5 直流电机的电磁转矩 4.6 直流电机的基本方程,内容：,4.1 空载时直流电机的磁场,空载时电机磁场由励磁电流产生。 左下图为4极直流电机磁路的一部分。整个主磁路分气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极及定子磁轭五个组成部分；漏磁路不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路。 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如右下图所示。,空载时直流电机内的磁场,空载时极面下的气隙磁场分布,4.2 负载时直流电机的磁场,负载时直流电机的气隙磁场由主极磁势和电枢磁势共同建立。 电刷是电枢表面电流分布的分界线。,负载时电枢磁场示意图,电枢磁势和磁场的分布,1. 电刷在磁极几何中性线上时的电枢磁场,
9、当电刷位于几何中性线时，电枢磁势是一个与主极轴线正交的交轴电枢磁势 。 在x点处气隙的电枢磁势为,电枢磁势产生的气隙磁场为,4.2 负载时直流电机的磁场,电枢磁势 磁势的交轴分量 磁势的直轴分量,2. 电刷不在磁极几何中性线上时的电枢磁势,当电刷不在几何中性线时，电枢磁势轴线与主极轴线不再正交 。在这种情况下，可以把电枢磁势分为两部分 ：直轴电枢磁势 和交轴电枢磁势,4.3 直流电机的电枢反应,1. 电刷在几何中性线上时的电枢反应,电枢磁势对主极磁场的影响称为电枢反应,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,4.3 直流电机的
10、电枢反应,由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：,2)、对主极磁场起去磁作用,1)、使气隙磁场发生畸变,空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。,磁路不饱和时，主极磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同；电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，磁路饱和时，增加的磁通少些，因此负载时每极总磁通略为减少。即此时的电枢反应为交轴去磁性质。,4.3 直流电机的电枢反应,2. 电刷不在几何中性线上时的电枢反应,当电刷不
11、在几何中性线时，电枢磁势分为直轴电枢磁势 和交轴电枢磁势 ，交轴电枢磁势产生的电枢反应已经分析过，下面分析直轴电枢反应。,直轴电枢磁势和主磁极轴线重合，因此其作用直接影响主极下磁通的大小。若直轴电枢磁势与主磁极磁势方向相同，则起增磁作用；若直轴电枢磁势与主磁极磁势方向相反，则起去磁作用。,电刷不在几何中性线时的电枢反应,4.4 电枢绕组的感应电势,电枢绕组的电势应为一条支路各串联导体的电势的代数和，即,式中，, 每极的总磁通量；, 电机常数；, 电势公式。,可见，对已制成的电机，电枢电势正比于每极磁通及电机转速。,4.5 电枢绕组的电磁转矩,与电枢电势有类似的推导过程，可得电磁转矩：,式中，,
12、 转矩常数；,可见，对已制成的电机，电枢电势正比于每极磁通及电枢电流。,电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为,4.6 直流电机的基本方程,对应不同的励磁方式，方程中的电枢电流有不同的约束关系：,1. 电势平衡方程,结论：发电机： ；电动机： ；即根据 与U的大小判断直流电机的运行状态。,他励：,串励：,4.6 直流电机的基本方程,2. 转矩平衡方程,发电机： （电磁转矩为制动转矩）,电动机： （电磁转矩为驱动转矩）,发电机：机械能电能 电动机：电能机械能,3. 功率平衡方程,电机效率：,其中电磁功率,第五章 直流发电机的运行特性,5.1 他励直流发电机的运行特性 5.2 并励直流发电机的运
13、行特性 5.3 复励直流发电机的运行特性,本章主要内容：,直流发电机的运行特性：当直流发电机的转速由原动机驱动恒速运行时，表征直流发电机运行状态的物理量端电压U、负载电流I和励磁电流If等，在保持其中一个物理量不变的前提下，其他两个物理量之间的函数关系。主要有：（1）空载特性（2）外特性（3）调整特性,5.1 他励直流发电机的运行特性,1. 空载特性,当 、 时，,直流发电机的空载特性是非线性的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载时， 。由于 ，正比于 ，因此空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,5.1 他励直流发电机的
14、运行特性,2. 外特性,定义：当 、 时，,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。根据 可知，端电压下降有两个原因：,在励磁电流一定的情况下，电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降； 另一个原因是电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电枢电势减少，端电压下降。,由外特性可以计算出电机的电压调整率：,他励发电机不允许在额定励磁电流下发生持续短路。,5.1 他励直流发电机的运行特性,3. 调整特性,定义：当 、 时，,由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须增加励磁电流，以补偿电枢回路电阻压降及电枢反应对输出端电压的影响。,4. 效率特性,与其他类型电机一样，当不
15、变损耗与可变损耗相等时，效率就达到最大值。,定义：当 、 时，,5.2 并励直流发电机的运行特性,1. 自励,1) 电机的磁路中必须有剩磁; 2) 励磁磁势与剩磁要同方向，即励磁绕组的接线要正确; 3) 励磁绕组回路的总电阻必须小于建立电压所需的临界电阻。,并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。,自励条件有：,5.2 并励直流发电机的运行特性,2. 外特性,定义：当 、 时，,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。解释：,对并励发电机，除了像他励发电机存
16、在的电枢回路上的电阻压降和电枢反应的去磁作用使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,曲线出现拐弯现象：,5.3 复励直流发电机的运行特性,复励发电机：积复励；差复励。 积复励发电机中，并励磁势起主要作用，使发电机空载时能达到额定电压；串励磁势用来补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢电路的电阻压降。 按串励绕组作用的强弱，其外特性出现三种形式，若串励绕组的补偿作用适中，外特性将基本上成为一条水平线，这种情况称为平复励；若串励绕组的作用较强，外特性上翘，称为过复励；若补偿作用不足，外特性仍略有下降，称为欠复励。,U,UN,0,I,IN,过复
17、励,平复励,欠复励,串励,复励发电机的外特性,第六章 直流电动机的运行特性,6.1 直流电动机的运行特性 6.2 电力拖动系统的稳定运行条件 6.3 直流电动机的起动 6.4 直流电动机的调速 6.5 直流电动机的制动,本章主要内容：,6.1 直流电动机的运行特性,1. 并励电动机的运行特性,直流电动机励磁方式的不同，机械特性和工作特性也不同。,直流电动机具有良好的起动特性和调速性能，因而被广泛用于对起动和调速性能要求高的场合，如电车、电气机车、轧钢机等等。在正常运行时，直流电动机的运行性能由下面两种特性所决定： 工作特性： 机械特性：,指 时， 。,指 时， 。,1）工作特性,A. 转速特性
18、 或,6.1 直流电动机的运行特性,2）机械特性,B. 转矩特性,C. 效率特性,工作特性曲线,理想空载转速：,转速调整率 ：,结论：硬特性,提示：并励电动机在运行过程中，励磁绕组绝对不能断开。,6.1 直流电动机的运行特性,2. 串励电动机的运行特性,1）工作特性,A. 转速特性 或,特点：,转速调整率 ：,B. 转矩特性,轻载时，,负载增加，磁路饱和， 常值,6.1 直流电动机的运行特性,2）机械特性,提示：串励电动机不允许空载运行。,结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。,6.1 直流电动机的运行特性,3. 复励电动机的运行特性,复励电动机通常接为积复励，其特性介于并
19、励和串励电动机之间。,6.2 电力拖动系统的稳定运行条件,系统的稳定运行条件：,电机系统的稳定运行：当系统在某种扰动下(如电源电压、负载转矩波动等)，引起系统的转速发生变化，当扰动消失后，系统能够回复到原先状态下持续运行。若不能复原而引起“飞车”或停转，则为不稳定运行。,6.3 直流电动机的起动,1、对起动的要求：Tst足够大Ist尽量小（小于允许值）起动设备要简单、经济、可靠 2、起动方法直接起动：直接将电枢投入UN起动电枢回路串变阻器起动：起动时在电枢回路串入起动电阻Rst降压起动：起动时降低电枢绕组电压 UUN,6.4 直流电动机的调速,直流电动机的转速公式：可见，直流电动机的调速方法有
20、三种： （1）调节电枢回路电阻调速； （2）调节励磁电流，以调节主极磁通调速； （3）调节电枢绕组端电压调速。,1. 电枢回路串电阻调速,当串入电阻Rj 瞬间：因惯性机组转速不会突变，反电势Ea则不变，而电枢电流将突然下降为电磁转矩随电枢电流Ia一同下降，并小于负载转矩，电动机将减速。随着电动机转速的下降，反电势Ea跟着下降，电枢电流回升。,6.4 直流电动机的调速,恒转矩调速重新达到稳态时： ，,2. 调节励磁电流调速（励磁回路串电阻调速）（若磁升速）,提示：电枢回路串电阻调速时，只能从额定转速往下调，不能调高。串入的电阻越大则电机转速越低，效率也越低。,提示：弱磁调速时，只能从额定转速往上
21、调，不能调低。调速时效率近似不变。转速调高时要受到电机转子机械强度和换向等的限制。,6.4 直流电动机的调速,3. 调节电源电压调速,缺点：需要专用可变压电源,此时的机械特性：,改变电枢电压的大小，只是改变理想空载转速，而不改变机械特性的斜率，因此在不考虑电动机磁路的饱和影响时，机械特性为一族平行直线。即硬度不变，这是调节端电压调速的一大优点。,例题,6.5 直流电动机的制动,制动：在电动机的轴上加上一个与其旋转方向相反的转矩，使机组迅速停转，或将机组转速限制在一定的范围内。 常用的制动方法有三种： 1. 能耗制动：保持励磁电流不变，将电枢从电网上断开，并立即接到一个制动电阻RL上，将动能转换
22、成电能消耗到制动电阻上。 优缺点：能耗制动设备简单，操作方便，高速时有较大的制动转矩，但在低速时，制动转矩较小，停转较慢。 2. 反接制动：保持励磁电流不变，将电枢从电网上断开，并立即通过一个制动电阻RL反接到直流电源上，电动机同时从电网吸收电能，并将动能转换成电能消耗到制动电阻上。此时制动转矩很大，电动机会立即停车，停车后应立即将电动机从电网上断开，否则会反向起动起来。 优缺点：制动转矩大，能很快停车；但电枢电流过大，在停车后要立即从电源断开，否则电动机将会反转。,6.5 直流电动机的制动,3. 回馈制动：对电力机车类负载，一般使用串励电机（以串励为主）；在机车下坡时，如果不采取措施，机车的
23、速度会愈来愈快；电动机的感应电动势也将随之增大。当感应电动势大于电网电压时，电动机便处于发电运行状态，使电动机的电磁转矩由驱动变为制动，并且将下坡时的机械能转换为电能，回送给电网，由此称为回馈制动。,第七章 直流电机的换向,7.1 换向过程及换向元件中电流变化规律 7.2 产生火花的原因 7.3 改善换向的方法,本章主要内容：,7.1 换向过程及换向元件中电流变化规律,1. 换向过程,为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。,直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。,电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。,电刷与
24、换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。,电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。,7.1 换向过程及换向元件中电流变化规律,换向元件中的电动势：,自感电动势 和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。,切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。,换向元件中的合成电动势为：,根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。,换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。,2.换向元件中电流变化规律,7.1 换向过程及换向元件中电流变化规律,2.换向元件中电流变化规律,7.2 产生火花的原因,1. 电磁原因2. 机械原因3. 化学原因,7.3 改善换向的方法,除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。,改善换向一般采用以下方法：,选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻,装设换向磁极，位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势,
