第1章 直流电机的基本理论.ppt

1、LFChun 制作 河南科技学院机电学院第第 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.4 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩1.5 直流电机的换向直流电机的换向第第 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.4 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩1.5 直流电机的换向直流电

2、机的换向第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理NSU1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.1.1直流电动机工作原理直流电动机工作原理NS第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理U河南科技学院机电学院dabcdabc1.基本原理线圈边（通电的导体）在磁场的作用下，会受到电磁力线圈边（通电的导体）在磁场的作用下，会受到电磁力的作用，产生电磁转矩，拖动线圈转动的作用，产生电磁转矩，拖动线圈转动NS1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理NSUU电刷电刷换向片换向片1.1.1直流电动机工作原理直流电动机工作原理1.1.基本原理基本原理2.2.转子（电枢）内部导体的电流方向转子（电枢

3、）内部导体的电流方向图1.2 导体ab内电流随时间变化的规律 河南科技学院机电学院ddabcabc第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)机械机械负载负载克克 服服反电反电动势动势做功做功 电磁关系电磁关系换向换向旋转旋转第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院NS1.1.2直流发电机工作原理直流发电机工作原理NSE1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理E输出输出直流电直流电原动机原动机感应交流电动感应交流电动势、电流势、电流电磁转矩电磁转矩（阻转矩）（阻转矩）做功做功 电磁电磁 关系关系换向换向

4、1.1.基本原理基本原理2.2.转子（电枢）内部导体的电动势方向转子（电枢）内部导体的电动势方向ddabcabc图1.4 导体ab内电动势随时间变化的规律 河南科技学院机电学院1.1.3 1.1.3 直流电机的可逆原理及特点直流电机的可逆原理及特点1.1.可逆原理可逆原理能作电动机运行，又能作发电机运行的原理。河南科技学院机电学院2.2.直流电机工作时的特点直流电机工作时的特点（1）一个磁极下所有导体的电流方向必须一致。（2）相邻两磁极下所有导体的电流方向必须相反。（3）直流电机内部流的是交流。（4）电刷与换向器属于整流作用。第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理产生旋转产生旋转磁极磁极半

5、环形半环形金属环金属环支柱支柱直流电机模型直流电机模型第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院转向转向电流方向电流方向换向片换向片 线圈线圈磁极磁极直流电机模型直流电机模型第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院小型直流电机实物图小型直流电机实物图第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理11换向器换向器 22电刷装置电刷装置 33机座机座 44主磁极主磁极 55换向极换向极 66端盖端盖 77风扇风扇 88电枢绕组电枢绕组 99电枢铁心电枢铁心1

6、.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值河南科技学院机电学院图图1.5 1.5 直流电机装配结构图直流电机装配结构图 图1.6 直流电机纵向剖视图图河南科技学院机电学院第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理 图图1.7 1.7 直流电机的定子直流电机的定子 (b)主磁极主磁极 (a)机座机座 第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理 1.2.1 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构河南科技学院机电学院1.1.定子：电机的外壳称为机座定子：电机的外壳称为机座（1）机座：作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，支撑整个电机起固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以

7、构成磁极之间磁的通路(2)主磁极：主磁极的作用是产生气隙磁场（主磁场、定子磁场、励磁磁场、空载磁场）直流电机的定子直流电机的定子河南科技学院机电学院第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理图1.8 换向极河南科技学院机电学院1换向极铁心 2换向极绕组图1.9 电刷装置1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4刷辫第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理 1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构（3 3）换向极）换向极作用是改善换向作用是改善换向（4 4）电刷装置电刷装置直流电动机时电刷装直流电动机时电刷装置的作用是把外供的直置的作用是把外供的直流电压引入到换向器上；流电压引入到换向器上；直流发电机

8、时电刷装置直流发电机时电刷装置的作用是把换向器上的的作用是把换向器上的交流电压向外转换成直交流电压向外转换成直流电压。流电压。1.2.2 直流电机的原理直流电机的原理图图1.10 直流电机的转子结构图直流电机的转子结构图 (a)(a)转子铁芯转子铁芯(b)(b)转子转子1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘图1.11 电枢槽的结构河南科技学院机电学院2.2.转子（电枢）转子（电枢）(1)(1)电枢铁心：主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组电枢铁心：主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组(2)(2)电枢绕组：电枢绕组：电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势电枢绕组的作

9、用是产生电磁转矩和感应电动势电枢：电机进行能量变换的关键部件电枢：电机进行能量变换的关键部件直流电机的转子直流电机的转子运转的直流电机带电光铜头运转的直流电机带电光铜头第第1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院图图1.12 换向器结构 河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构(3)(3)换向器换向器直流电动机时换向器的直流电动机时换向器的作用是把电刷装置引入的作用是把电刷装置引入的直流电压转成交流输给转直流电压转成交流输给转子导体；直流发电机时换子导体；直流发电机时换向器作用是把转子内产生向器作用是把转子内产

10、生的交流电势通过电刷装置的交流电势通过电刷装置向外转换成直流电压。向外转换成直流电压。(4)(4)转轴与风扇转轴与风扇转轴：起转子旋转的支撑作用转轴：起转子旋转的支撑作用风扇：自冷风扇：自冷1换向片 2连接部分河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理与结构直流电机的原理与结构1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构直流电机直流电机第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构河南科技学院机电学院直流电容电机直流电容电机第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构河南科技学院机电学院直流电机直流电机第第

11、1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构河南科技学院机电学院 电机装配图电机装配图第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构河南科技学院机电学院+Ua+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励1.2 直流电机的基本结构和额定值直流电机的基本结构和额定值MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI1.2.2 1.2.2 直流电机的额定值直流电机的额定值额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数 河南科技学院机电学院1.2.3 直

12、流电机的励磁方式直流电机的励磁方式1.1.直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类自自励励1.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构他他励励串串励励复复励励并并励励GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI2.2.直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类河南科技学院机电学院河南科技学院机电学院第第 1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.3 1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组基本形式分为单叠绕组(见图1.14（a a）)、单波绕组(见图1.14(b)(b)派生形式分复叠绕组、复波绕组、蛙绕（混绕）绕组图有三种形式分别为绕组连接图、绕

13、组展开图、绕组电路图 1.3.11.3.1电枢绕组元件与节距电枢绕组元件与节距1 1电枢绕组元件电枢绕组元件图1.14（a a）单叠绕组元件图1.14(b)(b)单波绕组元件虚槽虚槽（a a）=1(b)=2(c)=3=1(b)=2(c)=3图图1.15 1.15 实槽与虚槽的关系实槽与虚槽的关系河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理2 2极距极距相邻两个磁极轴线之间的距离 3 3电角度电角度磁场电角度是电磁场在空间变化磁场电角度是电磁场在空间变化一周规定为一周规定为22的描述的描述 图1.16 极距与电角度4 4节距节距表征电枢绕组元件本身和元件之表征电枢绕组元件本

14、身和元件之间连接规律的数据间连接规律的数据y y1 1第一节距第一节距y y1 1、第二节距、第二节距y y2 2、合、合成节距成节距y y和换向器节距和换向器节距ykyk第一节距同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离 图1.17 电枢绕组节距0307第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.2.1 直流电机的结构直流电机的结构河南科技学院机电学院定子槽展开图可在定子布多极对数绕组河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.3.2 1.3.2 单叠绕组单叠绕组后一元件的端接部分紧叠在前一元件

15、的端接部分上，这种绕组称为叠绕组。有一台直流电机，有一台直流电机，Z=S=K=Z=S=K=1616，2 2p p4 4，现要接成单叠绕组。则，现要接成单叠绕组。则1 单叠绕组的特点（1）元件两端所接换向片之间的距离（K为换向片数目）=1。（2）所有元件连接成一个闭合回路。（3）一个极下所有上层边元件组成一条支路。（4）支路对数a=P（极对数）（5）电刷对数b=P（6）电刷位置：电刷所接换向片所接元件的边应处于相邻两磁极中间。2单叠绕组连接图绕组连接图的作用是方便于实际嵌线。图1.18 4极16槽单叠绕组连接顺序图河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理3 单叠绕组展开

16、图绕组展开图的作用是方便于电机电磁工作原理的分析。电枢从某一齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为绕组展开图电枢从某一齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为绕组展开图 N1S1N2S2n A1 B1 A2 B2 并联支路对数：并联支路对数：a=2。电刷的中心线对着磁极的中心线。电刷的中心线对着磁极的中心线。N1S2第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院图图1.19 1.19 单叠绕组展开图单叠绕组展开图(Z=S=K=Z=S=K=1616，2 2p p4)4)河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理4 单叠绕组电路图绕组电路图

17、的作用是方便于电路分析。A1A2B1B2 8 7 6 10 11 12 16 15 14 2 3 459131河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.3.3 1.3.3 单波绕组单波绕组元件首、末端之间的距离接近两个极距，两个元件串联起来形成的形状像波浪一样1 单波绕组的特点（1）元件两端所接换向片之间的距离（K为换向片数目）（2）所有元件连接成一个闭合回路。（3）同一极性下所有上层边元件组成一条支路。（4）支路对数a=1（5）电刷对数b=P（6）电刷位置：电刷所接换向片所接元件的边应处于相邻 两磁极中间。河南科技学院机电学院第第 1 1 章章 直流电机的原理直流

18、电机的原理1.4 直流电机的磁场、电动势、转矩1.4.1 直流电机的磁场1.直流电机的空载磁场空载运行就是直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态。空载磁场是指主磁极单独产生的磁场，亦称主磁场（1）直流电机的磁路如图1.24（2）直流电机的空载磁化特性如图1.25图1.24 直流电机空载磁场分布图 图1.25 直流电机铁心空载磁化曲线河南科技学院机电学院第第1 1章直流电机的原理章直流电机的原理1.41.4直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1.4.1 1.4.1 直流电机的磁场直流电机的磁场 1.1.直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场（3）空载磁场气隙磁密分布曲线

19、：平顶波平顶波（4）几何中线：相邻两磁极中间的中分线（5）物理中线：磁场为零的位置（线或面）图1.26 空载气隙磁密分布曲线几何几何中心线中心线 N S物理物理中心线中心线 励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）河南科技学院机电学院第第1 1章章 直流电机的原理直流电机的原理 1.4 1.4 直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1.4.1 1.4.1 直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2.直流电机负载磁场及电枢反应直流电机负载磁场及电枢反应（1 1）直流电机的负载磁场）直流电机的负载磁场（电枢磁场）（电枢磁场）图1.28一个元件产生的磁势，在气隙中的分布波形一个元件产生

20、的磁场在空间一个元件产生的磁场在空间的分布为矩形波或方波的分布为矩形波或方波 形波或方波内含有大量的谐形波或方波内含有大量的谐波磁场，严重的影响其它设备波磁场，严重的影响其它设备的工作；采用绕组分布形式可的工作；采用绕组分布形式可以降低或消除影响以降低或消除影响 图1.29 直流电机电枢磁势的分布直流电机的电枢磁势在空间直流电机的电枢磁势在空间的分布是一个三角波的分布是一个三角波河南科技学院机电学院1.41.4直流电机的磁场、电动势、转矩直流电机的磁场、电动势、转矩 1.4.11.4.1直流电机的磁场直流电机的磁场 2.2.直流电机负载磁场及电枢反应直流电机负载磁场及电枢反应（2）直流电机的电

21、枢反应电枢反应：电枢磁势对气隙磁密分布的影响 直流电机为双边励磁的电机（3）电枢反应的分析图1.30 直流电机电枢反应的磁密分布NS物理物理中心线中心线合成磁场（负载时的磁场）合成磁场（负载时的磁场）（4）电枢反应的结果1)使气隙磁场发生畸变 2）气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线 3）磁路饱和时，有去磁作用 NS直流电机的直流电机的空载磁场与空载磁场与电枢反应电枢反应合成磁场对比合成磁场对比几何几何中心线中心线 N S励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）物理物理中心线中心线电枢磁场电枢磁场合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）物理物理中心线中心线第第 1 1 章章 直流电

22、机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院ee E 第第 1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.4.2 直流电机电枢绕组的感应电动势直流电机电枢绕组的感应电动势电枢旋转电枢旋转 n n磁磁 场场BlR1.1.一根导体产生的平均电动势一根导体产生的平均电动势（1 1）气隙磁密的平均值）气隙磁密的平均值Bap=l（2 2）电枢导体切割气隙磁密的线速度）电枢导体切割气隙磁密的线速度V Vv=n2 R60=n2p 60（3 3）一根导体感应电动势的平均值一根导体感应电动势的平均值eap=Bap l V=l l n2p 602.2.电枢绕组总的导体数电枢绕组总的导体数N=2SNy则一条并联支路的

23、串联导体数则一条并联支路的串联导体数 N 2a3.3.直流电机感应电动势直流电机感应电动势(一条并联支路的电动势一条并联支路的电动势)Ea=eapN2a=n=Cen pN 60a河南科技学院机电学院 Ea=Ce n单位：单位：Wb单位：单位：r/min(V)第第 1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院4.4.电动势常数电动势常数C Ce eCe=pN60a5.方向：方向：由由 和和 n 共同决定。共同决定。6.性质性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。发电机为电源电动势；电动机为反电动势。7.7.感应电动势的物理意义感应电动势的物理意义表征机械大小的转速表征机械大

24、小的转速n n在磁场能力大小为在磁场能力大小为的转化下，通过电机结构大的转化下，通过电机结构大小为小为CeCe的载体，转换成电的大小为电动势的载体，转换成电的大小为电动势EaEa。1.4.3 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩BlR电枢电流电枢电流 i i磁磁 场场FTem 1.1.一根导体所受平均电磁力的大小为一根导体所受平均电磁力的大小为fap=Bap l ia 而而ia=Ia 2a则则fap=Bap l Ia 2a2.2.一根导体产生的平均电磁转矩一根导体产生的平均电磁转矩Tap=fap D 2=Bap l Ia 2a D 23.3.电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩T=NTap=N

25、Bapl Ia 2a D 2=N ll Ia 2a 1 22p =Ia=CTIa pN 2 a河南科技学院机电学院第第 1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理 T=CT Ia1.4.3 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm)河南科技学院机电学院4.转矩常数转矩常数CTCT=pN2 a5.方向方向:由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。6.性质性质发电机：发电机：T T与与 n n 方向相反，为制动转矩。方向相反，为制动转矩。电动机：电动机：T T 与与 n n 方向相同，为拖动转矩。方向相同，为拖动转矩。决定电磁转矩大小的因素是负载。决定

26、电磁转矩大小的因素是负载。IaIaI IN N （电机的额定电流）时为（电机的额定电流）时为过载；规定短时过载的最大电枢电流过载；规定短时过载的最大电枢电流IamaxIamax=(1.5 =(1.5 2)I2)IN N 7.7.转矩转矩的物理意义的物理意义表征电大小的电流表征电大小的电流IaIa，在磁场能力大小为，在磁场能力大小为的转化下，通过电机结构大小的转化下，通过电机结构大小为为CTCT的载体，转换成机械大小的为电磁转矩的载体，转换成机械大小的为电磁转矩T T。8.8.C CT T与与C Ce e的关系的关系CT=pN2 aCE=pN60aCTCE=602=9.55 则则 CT=9.55

27、 Ce第第 1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理 1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向1.5.1 1.5.1 换向的过程换向的过程换向换向:元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，进入另一条支元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，进入另一条支路，电流方向的改变过程。路，电流方向的改变过程。(a)(a)换向开始瞬时换向开始瞬时 (b)(b)换向过程中某一瞬时换向过程中某一瞬时 (c)(c)换向结束瞬时换向结束瞬时 图图1.33 1.33 换向元件的换向过程换向元件的换向过程1 1换向初始换向初始2 2换向中换向中3 3

28、换向结束瞬时换向结束瞬时河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理 1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向1.5.2 1.5.2 影响换向的因素影响换向的因素有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素 1 1电磁因素电磁因素有电抗电动势以及电枢反应电有电抗电动势以及电枢反应电动势影响动势影响图图1.34 1.34 影响换向的电磁因素影响换向的电磁因素(1)(1)电抗电势电抗电势e eX X：自感电势自感电势e eL L：eL=-Ldia/dt 互感电势互感电势e eM M：eM=-Mdia/dt 则则 eX=eL+eM(2

29、)(2)电枢反应电势电枢反应电势(旋转电势旋转电势)e ea a 图图1.35 1.35 换向元件换向元件K K中产生的中产生的电枢反应电动势电枢反应电动势2.2.附加电流附加电流i iK K：iK=(eX+ea)/(R1+R2)曲线曲线2 2 图图1.361.36直线换向与延时直线换向与延时（超前）换向（超前）换向3.理想换向理想换向(直线换向直线换向)：曲线：曲线1 1 4.4.延迟换向：曲线延迟换向：曲线3 3超前换向：曲线超前换向：曲线4 4河南科技学院机电学院第第1 1 章章 直流电机的原理直流电机的原理1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 1.5.2 1.5.2 影响换向的因素影响换向的因素1.5.3 1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法1.选择合适的电刷2.移动电刷位置(a)(a)移动电刷位置改善换向移动电刷位置改善换向 3.装置换向极(产生e eH H)换向绕组应与电枢绕组串联(b)(b)安装换向极改善换向安装换向极改善换向图图1.37 1.37 改善换向的方法改善换向的方法 4.加装补偿绕组(产生eB)应与电枢绕组串联（对于较大容量的直流电机）(a)(a)环火环火 (b)(b)补偿绕组补偿绕组 图图1.38 1.38 环火和补偿绕组环火和补偿绕组