电机与电器——直流电机PPT讲稿.ppt
电机与电器直流电机第1页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机直流电机n n一、直流发电机n n二、直流电动机n n三、直流电机的可逆性三、直流电机的可逆性n n 在不同的外界条件下在不同的外界条件下，一台直流电机，一台直流电机原则上原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这在电机理论中称为可逆原理可逆原理。第2页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构第3页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构第4页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构n n1 1、主磁极、主磁极n n主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm0.5mm1.5mm 1.5mm 厚的硅厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，第5页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构n n2 2、换向极、换向极n n换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，数目与主磁极相等。极铁心和换向极绕组组成，数目与主磁极相等。第6页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构n n3 3、电刷装置、电刷装置n n电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1.71.7所所示。电刷装置由电刷、示。电刷装置由电刷、n n刷握、刷杆和刷杆座等组成。刷握、刷杆和刷杆座等组成。第7页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构n n4 4、电枢铁心、电枢铁心n n电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由一般电枢铁心采用由0.5mm0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。槽内嵌放电枢绕组。第8页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构n n5 5、换向器、换向器n n在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘向片之间用云母片绝缘第9页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的结构直流电机的结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向器配合：与换向器配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用，：起支撑和固定作用，机座也是电机中磁路的一部分。机座也是电机中磁路的一部分。定子定子转子转子 电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。是能量转换的中枢。是能量转换的中枢。换向器换向器：与电刷装置配合：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承第10页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理简单模型简介：简单模型简介：N N，SS静止磁场，产生磁通（定子主磁极）静止磁场，产生磁通（定子主磁极）电枢绕组电枢绕组线圈线圈abcdabcd换向器换向器固定在转轴上且与转轴绝缘的两个铜质的半圆环固定在转轴上且与转轴绝缘的两个铜质的半圆环电刷电刷与换向片滑动接触，是旋转的线圈与外界静止的电路相与换向片滑动接触，是旋转的线圈与外界静止的电路相连接。连接。第11页，共57页，编辑于2022年，星期一第12页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理n n1、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理 在图示瞬间，导体a b、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c。这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。第13页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理 当线圈逆时针方向旋转180时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。第14页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理n n 从图看出，和电刷从图看出，和电刷 A A接触的导体永远位于接触的导体永远位于 N N极下，同样，和电极下，同样，和电刷刷 B B接触的导体永远位于接触的导体永远位于S S 极下。直流发电机电枢线圈中的感极下。直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷在电刷A A、B B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。上输出的电动势是极性不变的直流电动势。n n因此，因此，电刷电刷 A A始终有正极性，电刷始终有正极性，电刷 B B始终有负极性，所以电刷端始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。这就是直流发电机的工作原理。第15页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理n n2 2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理在图示瞬间，导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，使电枢逆时针方向转动。第16页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理 当电枢转了180后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。第17页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理n n由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。直流电动机的基本工作原理。第18页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的工作原理直流电机的工作原理n n一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。n n将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，作电动机运行；n n如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。引出直流电动势，作发电机运行。n n同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，称为机运行的原理，称为电机的可逆原理。第19页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的铭牌数据额定容量PN：输出功率额定电压UN：额定状态下出线端电压；额定电流IN：额定状态下出线端电流；额定转速n：额定状态下的电机转速直流发电机：PNUN IN直流电动机：PNUN IN 第20页，共57页，编辑于2022年，星期一第21页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的绕组n n绕组绕组：直流：直流电电机的机的线线圈，圈，实现电实现电能与机械能的机能与机械能的机电电能量能量转换转换的部件；的部件；为为直流直流电电机的主要机的主要电电路。在路。在电电机机中按一定中按一定规规律律连连接起来，构成直流接起来，构成直流电电机的机的电枢绕组。n n要求有：要求有：1 1，产产生足生足够够的的电动势电动势；2 2，尽可能节省材料；3 3，结构简单，运行可靠。第22页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组单一线圈是不能产生足够的电动势或电磁转矩，必须将多个线圈连接成绕组（称为电枢绕组）第23页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组第24页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组第25页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组第26页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组第27页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组第28页，共57页，编辑于2022年，星期一简单的绕组结论：位于对称位置的电刷将闭合的六个线圈分为两个并联的支路第29页，共57页，编辑于2022年，星期一绕组相关概念元件（线圈）：绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上，为绕组的一个单元。直流电机电枢绕组构成原则：将绕组通过换向片连接起来构成闭合绕组。极轴线：磁极的中心线；几何中性线：磁极之间的平分线，P:极对数；极距t：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽数表示，t=Z/2P槽），式中Z为电枢总槽数；第30页，共57页，编辑于2022年，星期一绕组相关概念n n第一节距第一节距（元件节距（元件节距 y y1 1）：）：同一个元件两个元件边之间的同一个元件两个元件边之间的距离。距离。n n换向节距换向节距（y yc c）：）：上层元件边与下层元件边所连接的两个换向上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离。以换向片数目表示。片之间的距离。以换向片数目表示。n n第二节距第二节距(合成节距合成节距 y y2 2)：连至同一个换向片的两个元件边之间连至同一个换向片的两个元件边之间的距离。的距离。Y Y2 2=y=y1 1y yc cy1=Q/2p=整数（Q为电枢的槽数，p为磁极对数）是使y1成为整数的一个分数第31页，共57页，编辑于2022年，星期一123ycy1y2第32页，共57页，编辑于2022年，星期一绕组相关概念n n基本形式有两种：1.单叠绕组：元件两个端子连接于相邻的两个换热片上。2.单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。第33页，共57页，编辑于2022年，星期一n n举例：极对数p=2，槽数Q=16，元件数S=16，换向片数K=16，即Q=S=K=16，画绕组展开图。n n解：1、计算数据：y1=Q/2p=4，n n 对于叠绕组 yc=1，n n y2=y1yc=3n n 2、画展开图单叠绕组展开图第34页，共57页，编辑于2022年，星期一n n（1 1）先画）先画）先画）先画1616根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画1616根等长等根等长等根等长等根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。距的虚线，代表各槽下层元件边。距的虚线，代表各槽下层元件边。距的虚线，代表各槽下层元件边。n n（2 2）根据第一节距）根据第一节距）根据第一节距）根据第一节距 ，画出第一个元件的上下层边（，画出第一个元件的上下层边（，画出第一个元件的上下层边（，画出第一个元件的上下层边（1 15 5槽），令上层边所在的槽号为元件号；槽），令上层边所在的槽号为元件号；槽），令上层边所在的槽号为元件号；槽），令上层边所在的槽号为元件号；n n（3 3）接上换向片，）接上换向片，）接上换向片，）接上换向片，1 1、2 2片之间对准元件中心线，之后等片之间对准元件中心线，之后等片之间对准元件中心线，之后等片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；分换向器，定出换向片号；分换向器，定出换向片号；分换向器，定出换向片号；单叠绕组展开图12345678910111213141615第35页，共57页，编辑于2022年，星期一n n（4 4）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第2 2槽，与第一个元件的下槽，与第一个元件的下槽，与第一个元件的下槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第层边联接；下层边在第层边联接；下层边在第层边联接；下层边在第6 6槽与槽与槽与槽与3 3号换向联接。按此规律，一直把号换向联接。按此规律，一直把号换向联接。按此规律，一直把号换向联接。按此规律，一直把1616个元件全部联起来。个元件全部联起来。个元件全部联起来。个元件全部联起来。n n（5 5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N N极磁力极磁力极磁力极磁力 线垂直向里（进入纸面），线垂直向里（进入纸面），线垂直向里（进入纸面），线垂直向里（进入纸面），S S极向外（从纸面穿出）；极向外（从纸面穿出）；极向外（从纸面穿出）；极向外（从纸面穿出）；n n（6 6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上KK很多，电刷宽很多，电刷宽很多，电刷宽很多，电刷宽2 23 3片宽）。并把相同极性下的电刷并联片宽）。并把相同极性下的电刷并联片宽）。并把相同极性下的电刷并联片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转。起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转。起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转。起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转。单叠绕组展开图第36页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组展开图第37页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组展开图第38页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组展开图第39页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组展开图第40页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组展开图第41页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组的电路图n n元件元件1 1被电刷A1A1短路，元件2 2、3、4 4的电流方向一致，构成一条支路且与换向片5 5相相连连，同理，同理8 8、7、6 6的电流方向一致，构成另1 1条支路且与条支路且与换换向片向片6相连，而5 5、6 6换向片又被电刷B1B1短接，故短接，故2、3、4 4、6 6、7 7、8 8的电流从B1B1流出。构成一流出。构成一对对支路同理其他支路同理其他元件构成另元件构成另2 2条支路。故一共有4 4条并条并联联支路，两支路，两对对支路。支路。第42页，共57页，编辑于2022年，星期一单叠绕组的电路图 用用a a表示支路对数，且有表示支路对数，且有 a ap (pp (p为磁极对数）为磁极对数）第43页，共57页，编辑于2022年，星期一n n（1 1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片 上；上；n n（2）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数，2a=2p 2a=2p；n n（4 4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数；少，电刷数等于磁极数；少，电刷数等于磁极数；少，电刷数等于磁极数；n n（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；的电动势，电枢电压等于支路电压；n n（6）由正负电刷引出的电枢电流）由正负电刷引出的电枢电流 为各支路电流为各支路电流之和。之和。单叠绕组的特点第44页，共57页，编辑于2022年，星期一单波绕组n n(1)(1)单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。单波绕组：把元件相隔大约两个极距连接起来。n n(2)元件两出线端所连的换向片相隔较远相串连的两元件两出线端所连的换向片相隔较远相串连的两元件也相隔较远，这样连接起来的元件形式犹如波元件也相隔较远，这样连接起来的元件形式犹如波浪一样向前延伸。浪一样向前延伸。n n(3)支路对数永远等于1 1n n对比：电流较大电压较低的电机多采用叠绕组n n 电压较大电流较小的电机多采用波绕组电压较大电流较小的电机多采用波绕组第45页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的励磁方式n n按励磁方式的不同，直流电机可分为按励磁方式的不同，直流电机可分为4 4种：种：1 1、他励直流电机、他励直流电机 2.2.并励直流电机并励直流电机 3.3.串励直流电机串励直流电机 4.4.复励直流电机复励直流电机n n直流电机的运行特性随着励磁方式的不同有很大的差别。直流电机的运行特性随着励磁方式的不同有很大的差别。他励串励并励复励永磁材料励磁IIaIIaIfI=Ia+IfI=Ia第46页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的空载磁场n n直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零(电动机不带负载）因此，直流电机的空载磁场是指由主磁极单独建立的磁场。n n绝大部分磁通经由主磁极及气隙而通过电枢铁心，称为主磁通 0，n n另一部分不与电枢绕组相交链，称为漏磁通另一部分不与电枢绕组相交链，称为漏磁通 n n漏磁通的数量比主磁通的数量小得多，在直流电机中里，一般忽略不计。第47页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的空载磁场第48页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的负载磁场第49页，共57页，编辑于2022年，星期一n n由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化。由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化。主极磁场电枢磁场合成磁场第50页，共57页，编辑于2022年，星期一n n直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响，电枢磁场对主磁场的影响就称为就称为电枢反应电枢反应。n n具体表现：n n(1)(1)使气隙磁场分布发生畸变；n n(2)(2)去磁作用，使磁场总磁通减弱。去磁作用，使磁场总磁通减弱。直流电机的电枢反应第51页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的感应电势电枢电势：直流机正、负电刷之间的感应电势，即每个支路里的感应电势。计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。第52页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的感应电势具体计算：一根导体：Bav：平均磁密；li：导体长度；v：电枢旋转线速度n：电枢旋转速度（r/min)：每极磁通支路电势：Ce：电势常数N：总导体数第53页，共57页，编辑于2022年，星期一一台制造好的电机，它的电枢电势(V)正比于每极磁通（韦伯)和转速n（r/min),与磁密分布无关。对电枢电势的认识：直流电机的感应电势第54页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的电磁转矩一根导体的平均电磁力：作用在电枢上的总电磁力：电磁转矩：CM:转矩常数第55页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的电磁转矩一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流。电势常数Ce和转矩常数CM决定于结构常数。它们的关系为：第56页，共57页，编辑于2022年，星期一直流电机的电磁功率电枢电功率直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。机械功率第57页，共57页，编辑于2022年，星期一
