电机学第3章直流电机资料
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电机学第3章直流电机
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。 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。
y yk
k 1 p
• 画出4极15槽单波左行 绕组展开图 分析：合成节距 y＝ （k －1）/P＝（15－1） /2＝7（槽）（左行） 第一节距 y＝ Z/(2P)+ε=15/43/4=31（槽）采用短距 绕组(y1<τ) 第二节距 y2＝y－y1＝ 4（槽）； • 小结：常用直流电机绕 组型式的支路数2a。 单叠绕组：2a=2p； 单波绕组：2a=2； 双叠绕组：2a=4p； 双波绕组：2a
极靴 几何中性线
极身
（a）气隙形状
空载时的气隙磁通密度为 一平顶波，如下图(b) 所示。
空载时主磁极磁通的分 布情况，如右图(c) 所示。
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 0 ，空载时，气隙磁 通 0 与空载磁动势 F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。
发电机：是指输出额定电压；
额定转速 nN 在额定电压下，运行于
在额定状态下运行时，可以保证各电气设备 长期可靠地工作 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期 会影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量 不能充分利用，会降低效率； 当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。 又叫额定负载状态
3单波绕组
• 单波绕组：相邻联接的两个元件呈波 浪形 • 单波绕组的连接规律是从某一换向片 开始，把相隔约为一对极距的同极性 磁极下对应位置的所有元件串联起来， 直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰 好回到开始换向片的相邻换向片上。 然后，从该换向片开始，继续绕连， 一直把全部元件联完，最后又回到开 始出发的那个换向片，构成一个闭合 回路。 • 右行绕组端接交叉，且比左行绕组端 接线略长，故波绕组常用左行绕组。 对应元件边处于同极性主的磁极下， 所以其合成节距应接近或等于一对极 的距离，但不能正好等于二倍极距。 （如果相等的话无法绕下去）
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
《直流电动机》 知识清单
《直流电动机》知识清单一、直流电动机的定义与工作原理直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转电机。
它依靠直流电源供电，通过电磁作用来实现转动。
其工作原理基于安培力定律和电磁感应定律。
当直流电流通过电动机的电枢绕组时，会在绕组周围产生磁场。
同时，电动机内部的永磁体或励磁绕组产生的磁场与电枢绕组产生的磁场相互作用，从而产生电磁转矩，驱动电枢旋转。
二、直流电动机的结构组成1、定子定子是电动机中固定不动的部分，主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。
主磁极提供主磁场，通常由永磁体或励磁绕组构成。
换向极用于改善换向性能，减小电刷与换向器之间的火花。
机座起到支撑和固定的作用。
电刷装置用于将直流电源引入电枢绕组。
2、电枢电枢是电动机的转动部分，主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。
电枢铁芯由硅钢片叠压而成，用于减少涡流损耗。
电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩的关键部件。
换向器则用于将电枢绕组中的交流电动势转换为直流电动势，并保证电流在电刷间的换向。
3、气隙气隙是定子和电枢之间的空隙，它的大小对电动机的性能有重要影响。
三、直流电动机的励磁方式1、他励直流电动机励磁绕组由独立的直流电源供电，励磁电流不受电枢电流的影响。
2、并励直流电动机励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢电压。
3、串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，这种电动机具有较大的启动转矩。
4、复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组，综合了并励和串励电动机的特点。
四、直流电动机的机械特性机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。
1、自然机械特性在额定电压和额定励磁电流下，电动机的转速随电磁转矩的变化曲线。
2、人为机械特性通过改变电枢电压、励磁电流或电枢回路电阻等参数得到的机械特性。
五、直流电动机的启动启动时需要较大的启动转矩，但过大的启动电流会对电机和电源造成损害。
常见的启动方法有：1、全压启动直接将额定电压加在电枢两端，这种方法简单，但启动电流很大，一般只适用于小容量电机。
第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。
3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。
3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。
3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。
对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。
当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。
如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。
3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。
但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。
电机学第3章第1学期直流电机PPT课件
结构较复杂
直流电机
成本较高 可靠性稍差
使它的应用受到 限制
5
3.1 直流电机的工作原理及结构
1. 直流电动机的工作原理
电刷
＋ U －
N
S 换向片
N
＋
U
－
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
6
直流电机模型
磁极
产生旋转
支柱
半环形 金属环
7
直流电机模型
转轴
换向片
电刷
8
直流电机模型
转向 电流方向 换向片
线圈 磁极
③ 换向器 ④ 转轴与风扇
(a) 转子主体 直流电机的转子
19
(b) 电枢铁心冲片
20
21
电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。
构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530 或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。
电枢绕组
作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用
电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。
（1）第一节距y1
一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称 为第一节距，用y1表示。
常采用短距绕组，可节省用铜。
y1
y1
Zi 2p
=整数
y1
整距绕组 短距绕组 长距绕组
+ Ia
If +
+ I Ia If
他 Ua
M
Uf
U
M
并
励－
－
－
励
+I
串U
励－
Ia
M
电机学第三章直流电机
t 2 电枢绕组的元件和节距 secre 3 单叠绕组举例
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
重大电机学第三章直流电机
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
2)、对主磁场起去磁作用
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。
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。
单波绕组的并联支路图
一、直流电机的空载磁场 空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：
01
04
02
03
定状态下运行时，电机的输出功率，以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。
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。PN＝UNIN
对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN
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。
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。
额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。
电机学第五版第3章 直流电机
2.转矩方程
发电机情况下 电磁转矩为制动转矩，有
— 原动机的驱动转矩； — 电机本身的机械阻力转矩； — 为电磁转矩。 电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩，有
图3-29 直流电机的电磁转矩和外施转矩 a)发电机 b)电动机
— 电动机轴上的负载转矩。
3.电磁功率
电磁功率用 因
表示，则 ，得
发电机： 机械能 电动机： 电能
1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节 3.直流电动机的制动
1.直流电动机的起动
直流电动机常用的起动方法： （1）直接起动； （2）电枢回路接入变阻器起动； （3）降压起动。
图3-48 三点起动器 及其接线图
2.直流电动机转速的调节
从直流电动机的转速公式
可知，调速方法有两种： (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
式中 令
为电枢绕组的总导体数， 为平均气隙磁密，
为并联支路对数。
则上式改写为
将
代入上式得出
1.电枢绕组的感应电动势
电动势公式 ：
式中：
— 每极的总磁通量；
— 电动势常数；
— 电动势公式。
2.电枢的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距
为
式中， — 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩
3.串励电动机的运行特性
串励电动机的特点是，电 枢电流、线路电流和励磁 电流三者相等
图3-42 串励电动机 的接线图
3.串励电动机的运行特性
图3-43 串励电动机的工作特性
3.串励电动机的运行特性
图3-44 串励电动机的机械特性
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2直流电机的主要结构
电刷盒
3直流电机的励磁方式
• • • •
他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。 并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。 串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。 复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。 先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联） 为短复励；先串在并是长复励。如果Fs（串）和Ff（并）方向一 致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。
• 直流电机的用途：视频
• 1基本工作原理
• 定子上有磁铁（主磁极）和电刷。 • 转子有环形铁心和铁心上的绕组。 • 左图表示一台最简单的两极直流电 机模型， • 定子上，装设了一对直流励磁的静 止的主磁极N和S， • 转子上装设电枢铁心。定子与转子 之间有一气隙。在电枢铁心上放置 电枢线圈，线圈的首端和末端分别 连到两个圆弧形的铜片上，此铜片 称为换向片。换向片之间互相绝缘， 由换向片构成的整体称为换向器。 换向器固定在转轴上，换向片与转 轴之间亦互相绝缘。 • 在换向片上放置着一对固定不动的 电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢 线圈通过换向片和电刷与外电路接 通。
发电机：是指输出额定电压；
额定转速 nN 在额定电压下，运行于
在额定状态下运行时，可以保证各电气设备 长期可靠地工作 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期 会影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量 不能充分利用，会降低效率； 当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。 又叫额定负载状态
第3章 直流电机
• • • • • • • • 3.1直流电机的基本工作原理和结构 3.2直流电枢绕组 3.3直流电机磁场 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5直流电机基本方程 3.6直流电动机的运行特性 3.7直流电动机的起动、调速、制动 3.8直流电机的换向
3.1直流电机的基本工作原理和结构
eXA
2
3
Байду номын сангаас
图3-2a 线圈电动势的波形
图3-2b
电刷间的电动势波形
直流发电机
• （1）线圈中的电动势和 电流都是交流电，通过换 向片及电刷作用产生的直 流电动势及直流电流。 • （2）感应电动势和电流 的方向始终一致。 • （3）电磁电流产生的磁 U 场在空间上是一个恒定不 变的磁场。 • （4）电磁力制动性质与 转子转向相反，原动机必 须输入机械功率克服电磁 力矩制动作用使转子恒速 旋转产生电能。
• 归纳：（1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 • （2）电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p) 是一个偶数.注：a－支路对数 ；p－极对数 • （3）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相 接触。 • （4）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流 电势。
单波绕组
y y1 y2
单叠绕组
y y1 y2
2.单叠绕组
E +
Ia
N
E
–
S
直流电动机工作原理 在磁场作用下，N极性下导体 直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左，S 极下导 成机械能的旋转机械。 体cd受力方向从左向右。该电磁 把电刷A、B接到直流电源上， 力形成逆时针方向的电磁转矩。 电刷A接正极，电刷B接负极。此 当电磁转矩大于阻转矩时，电机 时电枢线圈中将电流流过。 转子逆时针方向旋转。 电刷
4直流电机的额定值
指轴上输出 电动机 指电刷间输出的 发电机 额定条件下电机 的机械功率 额定电功率 所能提供的功率 额定电压 UN
额定功率 PN
在额定工况下，电机 出线端的平均电压
额定电流 IN
额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下，运 电动机：是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 电机铭牌上还标有其它数 额定励磁电流 I fN 据，如励磁电压、出厂日 对应于额定电压、额定电流、额 期、出厂编号等。 定转速及额定功率时的励磁电流
Z 2p
基本术语：
第一节矩y1:元件的两条有效边在电 枢表面上所跨的距离称为第一节矩。 用槽数来表示。当y1 =τ，为整矩绕 组，当y1 <τ为短矩绕组。因为短矩 绕组有利于换向，尚能节省部分端部 用铜，故常被采用。ε为小于1的分 数。 Z y1
2p
第二节矩y2:在相串连的两个元件中， 第一个元件的下层边与第二个元件的 上层边在电枢表面上所跨的距离，称 为第二节矩y2，用槽数表示。 合成节矩y：相串连的两个元件的对 应边在电枢表面所跨的距离，称为合 成节矩y。用槽数表示。 换向器节矩yk:每个元件的首末两端 所连接的两片换向片在换向器表面上 的距离，用换向片数表示。注：换向 器的节距总是等于合成节矩。y=yk
长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过 载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运 行于额定状态或额定状态附近，此时电机的 运行效率、工作性能等比较好。
3.2 直流电机的电枢绕组
• 1.直流电机绕组的构成
• • 电枢绕组是直流电机的电路部分，实现机电能量转换的枢钮。 直流电机电枢绕组分三种形式：叠绕组、波绕组、混合绕组。 绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。 电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。 元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有 效边是指线圈的直线部分。 端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。 上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个 有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。 槽数Z=元件数S=换向片数K 极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示 p为 主磁极极对数
+ U –
换向片
N
I
I
S
直流电动机
• • • • • • （1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 （交 流）流过。换向片和电刷起逆变作用。 （2）从空间上看，电枢电流产生的磁场是一个恒定磁场。 （3）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与 电枢电流方向相反。 （4）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是 驱动性质。