第01章-直流电机PPT讲稿.ppt

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1、第1页，共100页，编辑于2022年，星期一第一章第一章 直流电机直流电机 本章主要研究换向器式直流电机，分析它们的工作原理、结本章主要研究换向器式直流电机，分析它们的工作原理、结构、电路系统和磁路系统、运行时的电磁过程及工作特性，构、电路系统和磁路系统、运行时的电磁过程及工作特性，并对无换向器式直流电机作简单介绍。并对无换向器式直流电机作简单介绍。1.1 1.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 1.2 1.2 直流电机的铭牌数据及主要系列直流电机的铭牌数据及主要系列 1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场 1.5

2、1.5 直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算 1.6 1.6 直流电机的换向直流电机的换向 1.7 1.7 直流发电机直流发电机 1.8 1.8 直流电动机直流电动机第2页，共100页，编辑于2022年，星期一换向磁极电刷装置机座端盖电枢铁心电枢绕组换向器转轴风扇主磁极转子定子1-换向器 2-电刷装置 3-机座4-主磁极5-换向极6-端盖7-风扇8-电枢绕组9-电枢铁心1.11.1直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构直流电机剖面图第3页，共100页，编辑于2022年，星期一1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 直流电机的工作原理直流电机

3、的工作原理直流电机的工作原理直流电机的工作原理一一一一 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 右图表示一台最简单的两极直流电机的模型。N、S为定子磁极，由A和x两根导体连成的一个电枢线圈是放置在可旋转导磁圆柱体上（称为电枢铁心），线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首端和末端分别连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片1和2上。电枢线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷B1和B2进行的。图1-1第4页，共100页，编辑于2022年，星期一根据电磁感应定律，导体的感应电动势为e=BxLV。则整个线圈从xA的感应电动势eXA=

4、2BxLV。由于转速n是恒定的，故V为一定值；对于已制成的电机，L也是一定的，所以电动势eXA与磁通密度BX成正比，这说明线圈电动势的变化规律与气隙磁场沿圆周的分布规律相同。当原动机驱动电机转子以恒定的转速n逆时针方向转动，设在图1-1所示瞬间，如右图。根据右手定则，可以判定导体A的电动势方向为穿出纸面，用表示；导体x的电动势方向为进入纸面，用 表示。图1-1由图可见，此时电刷B1与导体A所连的换向片1相接触；而电刷B2则与导体x所连的换向片2相接触，因此电刷B1的极性为“”，电刷B2的极性为“”。第5页，共100页，编辑于2022年，星期一有了BX的分布曲线以后，因为eXA BX，所以只要改

5、变坐标刻度，曲线也可以表示为线圈电动势随时间的变化规律。可以看出，线圈电动势是交变的。当电枢转过180后，导体x到了原来导体A的位置，导体A则到了原来导体x的位置。根据右手定则，此时导体x的电动势方向为,导体A的电动势方向为图1-1图1-2 知道了BX的分布曲线，也就可以知道线圈电动势的变化规律。为此可以假想把电枢从外圆上某点切开，把圆周拉成一直线作为横坐标，并以磁通密度BX为纵坐标，而绘出BX的分布曲线，如图1-2所示。一般假定以N极下的磁通密度为负值，S极下的磁通密度为正值。第6页，共100页，编辑于2022年，星期一图1-1图1-2 若在B1、B2之间接上一个负载，负载上就会流过一个方向

6、不变的电流，这就是直流发动机的工作原理。显然在一个线圈的情况下，电刷B1与B2之间的电动势的方向虽然不变，但在数值上却是变化的，因此在实际电机中，电枢绕组是由许多线圈按照一定规律连接起来而构成的，这就使电刷间电动势的脉动程度大大降低，实用时可以认为产生的是一个恒定直流。由于电刷在空间是固定不动的，这时电刷B1与换向片2相接触，电刷B2与换向片1相接触。，所以电刷B1的极性仍为“”，电刷B2的极性仍为“”，这样就在电刷B1与B2之间得到一个方向不变电动势。第7页，共100页，编辑于2022年，星期一二二二二.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 如果不

7、用原动机去带动电枢旋转，而是由外电源从电刷B1、B2输入直流电流，使电流从正电刷B1流入，从负电刷B2流出，则此时N极下的线圈电流总是由首端流向末端。S极下的线圈电流总是由末端流向首端，所以N极下和S极下的线圈受到的电磁力的方向是始终不变的，它们产生的转矩的方向也就不变。这个转矩使电枢始终沿一个方向旋转，就把电能变换成机械能，使之成为一台直流电动机而带动生产机械工作。图1-1第8页，共100页，编辑于2022年，星期一三三三三.直流电机的可逆性直流电机的可逆性直流电机的可逆性直流电机的可逆性 第9页，共100页，编辑于2022年，星期一1.21.2直流电机的铭牌数据及主要系列直流电机的铭牌数据

8、及主要系列 1 1）额定容量（额定功率）额定容量（额定功率）P PN N指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况额定运行情况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。直流电机的额定值主要有下列四项：第10页，共100页，编辑于2022年，星期一 对于直流电动

9、机，PN是指输出的机械功率，PNUNINN 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 第11页，共100页，编辑于2022年，星期一1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 直流电机系列直流电机系列直流电机系列直流电机系列 所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系列电机，我国目前生产的直流电机的主要系列有：Z3系列:为一般用途的小型直流电机系列，是一种基本系列。“Z”表示直流，“3”表示第三次改型设计。ZF和ZD系列:为一般用途的中型直流电机系列。“F”表示发电机，“D”表示电动

10、机。ZZJ系列:为起重、冶金用直流电动机系列。此时还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机和发电机系列等。第12页，共100页，编辑于2022年，星期一1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 组成电枢绕组的基本组成电枢绕组的基本单元称为单元称为“元件元件”，一，一个元件由两条元件边和个元件由两条元件边和端接线组成。端接线组成。绕组元件可以是一匝或绕组元件可以是一匝或多匝，匝数的多少也就多匝，匝数的多少也就等于每一元件边所包含等于每一元件边所包含的串联导体数。的串联导体数。1.3.11.3.11.3.11.3.1直流电机电枢绕组的一般介绍直流电机电枢绕组的一般介绍直流

11、电机电枢绕组的一般介绍直流电机电枢绕组的一般介绍一一一一 、元件、元件、元件、元件绕组元件在槽中的位置1-上元件边 2-后端接线 3-下元件边 4-前端接线第13页，共100页，编辑于2022年，星期一二、虚槽二、虚槽二、虚槽二、虚槽因为每一个元件有两个元件边，而每一换向片连接一个元件的始端和另一个元件的末端；又因为每一个虚槽包含着两个元件边，所以绕组绕组的元件数的元件数S S、换向片数、换向片数K K和虚槽数和虚槽数Z Zi i三者应相等，即三者应相等，即S=K=ZS=K=Zi i=uZ=uZ 为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽”的概念。设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽

12、看作包含有u个“虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表示u=3时，元件边的布置情况。若实槽数为Z，虚槽数为Zi，则Zi=uZ 第14页，共100页，编辑于2022年，星期一三、第一节距三、第一节距三、第一节距三、第一节距y y y y1 1 1 1一个元件的两个有效边之间的距离称为第一节距或后节距，用虚槽数表示。在电机中，若沿电枢圆周表面相邻两磁极的距离称为极距 ,则为了获得较大的线圈电动势，第一节距y1应等于或接近于一个极距，极距按下式计算：式中 Da电枢外径；P磁极对数。若极距用虚槽数表示，则 由于Zi不一定能被极数2P整除，而y1又必须为整数，所以应使 若=0，则y1=，称为整

13、距绕组；若0，则y1时，称为长距绕组，y1 时，称为短距绕组。第15页，共100页，编辑于2022年，星期一四、第二节距四、第二节距四、第二节距四、第二节距y y y y2 2 2 2 相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边之间的距离称为第二节距或前节距，用虚槽数表示。五、合成节距五、合成节距五、合成节距五、合成节距y y y y 相串联的两个元件的对应边之间的距离称为合成节距，用虚槽数表示。合成节距表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，它是反映不同形式绕组的一个重要标志。单叠绕组单叠绕组 y=y1-y2 单波绕组单波绕组 y=y1+y2 第16页，共

14、100页，编辑于2022年，星期一六、换向器节距六、换向器节距六、换向器节距六、换向器节距y y y yk k k k 第17页，共100页，编辑于2022年，星期一1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 直流电枢绕组的基本形式直流电枢绕组的基本形式直流电枢绕组的基本形式直流电枢绕组的基本形式一一一一 、单叠绕组、单叠绕组、单叠绕组、单叠绕组下面通过例子说明单叠绕组的联接方法和特点。（2）画出展开图 如下图所示。作图步骤如下：设2P=4，S=K=Zi=16，单叠右行绕组。（1）计算节距 ，采用整矩绕组，因为单叠右行，故y=yk=1，所以y2=y1-y=4-1=3。第18页，共100页，

15、编辑于2022年，星期一 先画16个槽和16个换向片，并将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及与元件上层边相联接的换向片号码编得一致，即1 1号元件的上层边放在号元件的上层边放在1 1号槽内号槽内并与并与1 1号换向片相连接。号换向片相连接。因为y1=4,则1 1号元件的下层边应放在第号元件的下层边应放在第5 5号号槽（槽（1+y1+y1 1=5=5）的下层）的下层，下层边用虚线表示，编号为编号为5 5第19页，共100页，编辑于2022年，星期一1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 15 6 7 8 9 10 11

16、12 13 14 15 16 1 2 3 4上层下层 因y=yk=1，故1号元件的末端应联接在2号换向片上（1+yk=2）一般应使元件左右对称，这样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。第20页，共100页，编辑于2022年，星期一第21页，共100页，编辑于2022年，星期一 综上所述：综上所述：要使电刷间的电动势为最大，电刷必须和位于几何中性线（磁极之间的平分线）的元件相连接，在电机中把这种情况称为“电刷在几何中性线”。放置电刷：为了引出最大电动势，必须在换向片1和2、5和6、9和10、13和14之间，也就是在磁极轴线位置，放置4组电刷A1、B1、A2、B2，因为这时A、

17、B电刷之间所包含的元件，其电动势的方向都是相同的第22页，共100页，编辑于2022年，星期一单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：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。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。若以若以a a表示支路对数，表示支路对数，P P表示极对数表示极对数 则则2a=2p 2a=2p 电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。势等于并联支路电动势。电枢电流等于各支路电流之和。电枢电流等于各支路电流之和。第23页

18、，共100页，编辑于2022年，星期一二二二二 、单波绕组单波绕组单波绕组单波绕组单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。所谓单波绕组就是指当联接了p个元件后，第p个元件的末端应落在与起始换向片相邻的换向片上，即：pyk=k1 若取pyk=K+1，表示绕完一周后，落在起始换向片右边的换向片上，称为单波右行，这时端接部分交叉，一般不采用。反之，若取pyk=K-1，表示绕完一周后，落在超始换向片左边的换向片上，称为单波左行。第24页，共100页，编辑于2022年，星期一下面通过例子说明单波绕组的联接方法和特点。绕组展开图设2p=4，Zi=S=K=15，单波左行绕组。计算绕组节距 （为一短距绕组）作

19、图的过程与单叠绕组的相仿，画出15个槽和换向片，并进行编号。将1号元件的上层边放在1号槽内（实线）并与1号换向片相联，1号元件的下层边放在第4（1+y1=4）号槽内（虚线）并与第8号（1+yk=8）换向片相连，作图时第25页，共100页，编辑于2022年，星期一同样应使元件左右对称。与1号元件相联的元件的上层边应在第8号（1+y=8）槽内，与8号换向片相连，下层边在第11号（8+y1=11）槽内，并与第15号（8+y=15）换向片相连，因为p=2，所以绕了两个元件后就沿电枢前进了约一周，回到起始换向片左边的换向片上，依次类推，最后联接成一闭路，如图右图所示。第26页，共100页，编辑于2022

20、年，星期一绕组元件的联接顺序见表绕组元件的联接顺序见表 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 14 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 上层下层第27页，共100页，编辑于2022年，星期一图1-20图1-21第28页，共100页，编辑于2022年，星期一单波绕组的特点单波绕组的特点单波绕组的特点单波绕组的特点同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1即a=1,与磁极对数P无关；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；电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；电枢电动势等于支路感应电动势；电

21、枢电流等于两条支路电流之和。第29页，共100页，编辑于2022年，星期一单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a2p。迭绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。第30页，共100页，编辑于2022年，星期一三、复叠、复

22、波绕组简介三、复叠、复波绕组简介三、复叠、复波绕组简介三、复叠、复波绕组简介复叠绕组复叠绕组图1-22构成两个“单叠绕组”，然后通过电刷把它们并联起来。显然双叠绕组的支路数是单叠绕组的两倍，一般来说，复叠绕组的支路数为：2a=2mp 它的联接方式与单叠绕组相似，只是y=yk=m，其中m为大于1的整数，m=2称为双叠绕组，m=3称为三叠绕组，。采用最多的是双叠绕组，它的联接示意图见图1-22。双叠绕组实际上可以看成是由单号元件和双号元件分别第31页，共100页，编辑于2022年，星期一复波绕组复波绕组复波绕组复波绕组复波绕组与单波绕组的区别在于P个元件串联后，不是回到与起始换向片相邻的换向片上，

23、而是回到与起始换向片距离m片的换向片上。即：m=2称为双波，m=3称为三波，。复波绕组也可看成是由m个“单波绕组”组成，并通过电刷所所有支路并联起来，显然复波绕组的支路数等于单波绕组支路数的m倍，即 2a=2m 蛙式绕组蛙式绕组蛙式绕组蛙式绕组 除了上述的复叠、复波绕组外，在大型直流电机中还采用叠、波绕组共同组成的混合绕组，也称为“蛙式绕组”。第32页，共100页，编辑于2022年，星期一1.4 1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场1.4.11.4.11.4.11.4.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁

24、动势为：下图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。下图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。第33页，共100页，编辑于2022年，星期一 直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由磁力线由N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S极，极，再经定子铁轭回到再经定子铁轭回到N极极主磁通主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极

25、直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路第34页，共100页，编辑于2022年，星期一 磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时空载时励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。气隙形状几何中性线极靴极身第35页，共100页，编辑于2022年，星期一图 1-24图1-25 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载

26、时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图1-25所示。为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中a点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如图 1-24 所示。第36页，共100页，编辑于2022年，星期一1.4.2 1.4.2 1.4.2 1.4.2 直流电机负载时的磁场及电枢反应直流电机负载时的磁场及电枢反应直流电机负载时的磁场及电枢反应直流电机负载时的磁场及电枢反应一一一一.直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场第37页，共

27、100页，编辑于2022年，星期一二二二二.电刷在几何中性线上时的电枢反应电刷在几何中性线上时的电枢反应电刷在几何中性线上时的电枢反应电刷在几何中性线上时的电枢反应 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。第38页，共100页，编辑于2022年，星期一当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位

28、置有关。第39页，共100页，编辑于2022年，星期一两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主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：第40页，共100页，编辑于2022年，星期一(1)(1)(1)(1)使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变磁路不饱和时，主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，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴

29、去磁性质。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。第41页，共100页，编辑于2022年，星期一二二二二.电刷不在几何中性线上时的电枢反应电刷不在几何中性线上时的电枢反应电刷不在几何中性线上时的电枢反应电刷不在几何中性线上时的电枢反应电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。如图(a)(b)所示。电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷不在几何中性线时

30、的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁第42页，共100页，编辑于2022年，星期一1.5 1.5 直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算1.5.11.5.11.5.11.5.1电磁转矩的计算电磁转矩的计算电磁转矩的计算电磁转矩的计算产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常

31、数，有其中第43页，共100页，编辑于2022年，星期一1.5.2 1.5.2 1.5.2 1.5.2 电枢感应电动势的计算电枢感应电动势的计算电枢感应电动势的计算电枢感应电动势的计算产生产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小大小:性质性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).()电动势常数为电机的结构常数其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第44页，共100页，编辑于2022年，星期一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。1.6 1.6 直流电机的换向

32、直流电机的换向1.6.1 1.6.1 1.6.1 1.6.1 换向概述换向概述换向概述换向概述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b图所示。电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如a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c图所示，大小为 。第45页，共100页，编辑于2022年，星期一第46页，共100页，编辑于2022年，星期一1.6.2 1.6.2 1.6.2 1.6.2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向的电磁理论换向的电磁理论一一一一 、换向元件中的电动势、换向元件中的电动势、换向元件中的电动势、换向元件中的电动势：自感电动势 和互感

33、电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生。式中 Lr换向元件的等效合成漏电感。旋转电动势旋转电动势根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，因此 的方向是与换向前的电流方向相同。电抗电动势电抗电动势第47页，共100页，编辑于2022年，星期一 由于换向元件切割换向区域内的磁场而感应的电动势。换向区域内的磁场可能由下列三种磁动势的作用而建立，即主极磁动势、电枢交轴磁动势和换向极磁动势。当电刷放在几何中性线上时，该处的主磁场为零，换向区域的磁场仅由电枢交轴磁动势和换向极磁动势所建立，下面对这两种磁动势的作用分别进行考虑。根据楞次定律，换向元件切割电枢交轴磁场而产生的感应电动势方

34、向总是与元件换向前的电流方向相同，即与 同方向。而换向元件切割换向极磁场而产生的电动势方向取决于换向极磁场的极性，为了改善换向，换向极磁动势总是与极下电枢电动势的方向相反而换向元件中的总电势为e=e=，假定e的方向与元件换向前的电流同向时为正，反向时为负，则在换向元件中可能出现三种情况，e=0、e0、e 0，下面将分别进行讨论。第48页，共100页，编辑于2022年，星期一二二二二 、换向元件的电流变化规律、换向元件的电流变化规律、换向元件的电流变化规律、换向元件的电流变化规律图1-31图1-32第49页，共100页，编辑于2022年，星期一 三、换向元件中的电流变化规律三、换向元件中的电流变

35、化规律三、换向元件中的电流变化规律三、换向元件中的电流变化规律接触电阻Rs1和Rs2许多因素有关，其变化规律不能用一简单的数学公式表示。其次，电抗电动势ex与电流的变化规律有关，而使e 的值随时间的变化而变化。为了便于分析，假定：1）每一换向片与电刷接触表面上的电流分布是均匀的。2）电刷与换向片每单位面积上的接触电阻为一常数，即接触电阻与接触面积成反比。3）换向元件中的合成电动势e 在换向过程中保持不变，即取e 的平均值。令S、Rs为换向片与电刷完全接触时的接触面积和接触电阻，以换向开始时的瞬间作为时间的起点，t=0；S1、S2分别表示时间为t时，换向片1和2与电刷的接触面积，RS1和RS2表

36、示相应的接触电阻，则式中，称为换向电流换向电流；称为附加电流附加电流。第50页，共100页，编辑于2022年，星期一直线换向直线换向直线换向时，换向电流的变化规律仅由换向片的和电刷间的接触电阻的变化所决定，故也称为电阻换向。e=0，电动势方程为i1Rs1+i2Rs2=0，从数值来看说明说明:电刷与换向片1接触部分的电流密度始终等于电刷与换向片2接触部分的电流密度，当换向结束时S1为零，i1也为零，电刷下不会产生火花，所以直线换向是一种最理想的换向情况。当 时换向元件电流随时间线性变化。即第51页，共100页，编辑于2022年，星期一延迟换向延迟换向超越换向超越换向当当 时时换向元件电流随时间不

37、再是线性变化，出现电流超前现象。时时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。ik不为零，而且ik为正,由于ik的存在，使电刷滑出换向片的一边（后刷边）的电流密度大于电刷进入换向片的一边（前刷边）的电流密度，它使后刷边的发热加剧，并且当电刷离开换向片1的瞬间，因i1=ik0，在后刷边产生火花，这将对换向产生不良影响。电刷前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度，当发生过份的超越换向时，前刷边因发热过甚，也会发生火花。通常希望电机在换向时能略微超越。第52页，共100页，编辑于2022年，星期一1.6.31.6.31.6.31.6.3改善换向的方法改善换向的方法改善换向的方法改善换向的方法

38、 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：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大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势第53页，共100页，编辑于2022年，星期一1)1)、装置换向极、装置换向极对发电机对发电机，顺电枢转向，换向极极性应与下一个主

39、极极性相同，其排列顺序为N、SK、S、NK（NK、SK为换向极极性）。对电动机对电动机，顺电枢转向，换向极极性应与下一个主极极性相反，其排列顺序为N、NK、S、SK。为了使负载变化时，换向极磁动势也能作相应变动，使在任何负载时换向元件中的e始终为零，就要求换向极绕组必须和电枢串联，并保证换向极磁路不饱和。欲使e=0，就要求换向极磁场的极性与元件换向前所处的主极磁场的极性相反。换向极的极性布置和换向极绕组的联接示意图第54页，共100页，编辑于2022年，星期一2)2)、正确使用电刷、正确使用电刷合理选用电刷是一个重要的问题。根据长期运行经验，负载均匀，电压在80-120V的中小型电机通常采用石

40、墨电刷；一般正常使用的中小型电机和电压在220V以上或换向较困难的电机采用电化石墨电刷；而对于低压大电流的电机则采用金属石墨电刷。增加电刷接触电阻可以减少附加电流ik。电刷的接触电阻主要与电刷材料电刷的接触电阻主要与电刷材料有关有关目前常用的电刷有石墨电刷、电化石墨电刷和金属石墨电刷石墨电刷、电化石墨电刷和金属石墨电刷等。石墨电刷的接触电阻较大，金属石墨电刷的接触电阻最小。从改善换向的角度来看似乎应该采用接触电阻大的电刷，但接触电阻大，则接触压降也增大，使能量损耗和换向器发热加剧，对换向也不利。强调强调:在更换电机的电刷时，必须选用同一牌或特性尽量接近的电刷，以免造成换向不良。第55页，共10

41、0页，编辑于2022年，星期一1.6.4 1.6.4 1.6.4 1.6.4 防止环火与补偿绕组防止环火与补偿绕组防止环火与补偿绕组防止环火与补偿绕组 环火环火:因某些换向片的片间电压过高而发生所谓电位差火花。差火花连成一片，在换向器上形成一条长电弧，将正、负电刷连通这种现象称为“环火”以单叠绕组为例说明电位差火花的形成以单叠绕组为例说明电位差火花的形成环火不仅会烧坏电刷和换向器，而且将使电枢绕组受到严重损害。任意相邻两换向片间的电压Ukx等于联接到该两换向片的元件内的感应电动势，在一定的电枢转速下，Ukx与元件边所处位置的BX成正比。空载时由于气隙磁场分布较均匀，片间电压的分布较均匀环火图片

42、间电压空载时片间电压分布曲线第56页，共100页，编辑于2022年，星期一负载时，由于交轴电枢反应，使气隙碰场发生畸变，从而使片间分布不均匀而出现一个最大值Ukmax，见右图。当Ukmax超过一定限度时，就会使换向片间的空气隙游离击穿，产生火花，这就称为电位差火电位差火花花。结论结论:要消除环火，就必须消除电位差火花，也就是要消除交轴电枢反应的影响，为此可采用装置补偿绕组的办法。电机负载时沿换向器上的片间电压分布曲线第57页，共100页，编辑于2022年，星期一补偿绕组补偿绕组嵌放在主极极靴上专门冲出的槽内，如图所示。补偿绕组应与电枢串联，并使补偿绕组磁动势与电枢磁动势相反，这就保证在任何负载

43、下，电枢磁动势都能被抵消，从而减少了因电枢反应而引起的气隙磁场的畸变，也就减少了产生电位差火花和环火的可能性。装置补偿绕组使电机结构变得复杂，成本增加，因此只在负载变动大的大、中型电机中采用。环火的发生除了上述的电气原因外，因换向器外圆不圆，表面不干净也可能形成环火，因此加强对电机的维护工作，对防止环火的发生有着重要作用。补偿绕组第58页，共100页，编辑于2022年，星期一1.7 1.7 直流发电机直流发电机1.7.1 1.7.1 1.7.1 1.7.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式是指电机励磁电流的供给方式，分为他励和

44、他励和自励自励两大类。他励他励励磁电流由另外的电源供给。励磁电路与电枢无电的联系。自励自励励磁电流由发电机本身供给。自励电动按励磁绕组与电枢的联接方式不同，又可分为并励、串励和复励三种他励并励串励复励实线接法称为短复励虚线接法称为长复励第59页，共100页，编辑于2022年，星期一 4)4)复励复励:发电机既有并励绕组，它们套在同一主极铁心上。串励绕组磁动势可以与并励绕组磁动势方向相同（称为积复励），也可以相反（称为差复励）。并励绕组与电枢并联，流过的电流小，故并励绕组匝数多、导线细；串励绕组与电枢串联，流过的电流大，故串励绕组匝数少、导线粗。1 1)他励：他励：他励直流发电机的电枢电流和负载

45、电流相同3 3)串励：串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足 。2)2)并励：并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。满足 。通常If 仅为电视额定电流IN的1%-5%。不同的励磁方式，将使电机的运行性能发生很大的差异第60页，共100页，编辑于2022年，星期一1.7.2 1.7.2 1.7.2 1.7.2 直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式 直流发电机的基本方程式包括电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式。一、一、一、一、电动势平衡方程式电动势平衡方程式电动势平衡方程式电动势平衡方程式发电机空载时发电机空载时，电枢电流Ia很小（对他

46、励发电机Ia=0），电枢电动势Ea等于端电压U。负载时负载时，在Ea作用下，电枢有电流Ia流过，若以Ea、U、Ia的实实际方向为正方向际方向为正方向，则电动势平衡方程式电动势平衡方程式:Ea=U+IEa=U+Ia aR Ra a+2+2U Ub b式中Ra为电枢的总电阻，包括电枢绕阻本身的电阻和串励绕组、换向极绕组和补偿绕组的电阻。2Ub为一对电刷的接触压降，不同牌号的电刷其值也不同，一般为0.6-1.2V。在一般定性的分析讨论中，也可把电刷接触压降归并到电枢回路的压降中去，电动势平衡方程式电动势平衡方程式可写成 Ea=U+IEa=U+Ia aR Ra a 此时Ra中应包括电刷接触电阻。对直流

47、发电机来说，对直流发电机来说，EaEaU U。第61页，共100页，编辑于2022年，星期一二、二、二、二、转矩平衡方程式转矩平衡方程式转矩平衡方程式转矩平衡方程式发电机空载时，为了使发电机能维持恒速运转，则原动机的输出转矩T（即驱动转矩）必须克服由于机械摩擦等引起的制动转矩T0，T0也称为空载转矩。当发电机有负载时，电枢电流Ia与气隙磁场相互作用产生电磁转矩Tem。在发电机中，电磁转矩Tem是制动转矩，所以为了使电机恒速旋转，驱动转矩T除了克服空载转矩T0外，还必须克服电磁转矩Tem 的制动作用 T=TT=Temem+T+TO O 转矩平衡方程式转矩平衡方程式:发电机中发电机中T TT Te

48、mem 直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩驱动转矩 T、电磁转矩电磁转矩 Tem 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩空载转矩T0 。第62页，共100页，编辑于2022年，星期一三、三、三、三、功率平衡方程式功率平衡方程式功率平衡方程式功率平衡方程式 发电机工作时，原动机向发电机输入机械功率P1。P1中因机械摩擦等消耗的一部分称为空载功率Po，其余部分便转化为电功率Pem，Pem也称为电磁功率，功率平衡方程式功率平衡方程式:p:p1 1=p=pemem+p+po o 以下对电磁功率pem和空载功率po作进一步分析。1)1)电磁功率电磁功率p pemem 负载时电枢有电动势Ea，

49、在Ea作用下产生电流Ia，显然发电机中的电磁功率 pem=EaIa 式中 电枢旋转的机械角速度物理意义：物理意义：是原动机为克服电磁转矩所需输入的机械功率，EaIa则为电枢发出的电磁功率，两者相等，所以电磁功率就是机械功率转换为电功率的部分，它是从机械量计算电磁量的一个桥梁第63页，共100页，编辑于2022年，星期一 电磁功率pem除去电枢回路电阻上的损耗pcua=I2aRa和电刷接触损耗pcua=2UbIa外，其余的便是对负载输出的功率p2和励磁回路的损耗pcuf（对他励机，pcuf 不包括在电磁功率中）。E Ea aI Ia a=UI=UIa a+UI+UIf f+I+I2 2a aR

50、Ra a+2I+2Ia a U Ub b =U =U（I Ia a+I+If f）+I+I2 2a aR Ra a+2I+2Ia a U Ub b 2)2)空载功率空载功率P Po o Po主要包括机械损耗功率P和铁耗功率PFe，空载功率也称作空载损耗。机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定子与转子和空气的摩擦损耗（也称为通风损耗）等部分。铁耗PFe是由于电枢转动时，主磁通在电枢铁心内交变而引起的机械损耗和铁耗与负载大小无关，电机空载时即存在，而且在运行过程中数值几乎不变，所以空载损耗也称作不变损耗。空载功率也可表示空载功率也可表示P Po o=T=To o,T,To o为空载转矩为空载转