西安交大的电机学课件1第一篇、第1章直流电机原理结构额定值.ppt

第一篇第一篇直直流流电电机机DCMachinesq直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为即可作为发电机发电机使用，也可作为使用，也可作为电动机电动机使用。用作使用。用作发电机可以获得发电机可以获得直流电源直流电源，用作电动机，由于其具，用作电动机，由于其具有良好的有良好的调速性能调速性能，在许多调速性能要求较高的场，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。合，得到广泛使用。2024/5/21 周二1直流电机概述直流电机概述一一.直流电机的用途直流电机的用途 作电源用：作电源用：发电机；发电机；作动力用：电动机；作动力用：电动机；信号的传递：测速发电机，信号的传递：测速发电机，伺服电动机伺服电动机一般小于一般小于10万万kW的单机同步发电的单机同步发电机，用作励磁机机，用作励磁机直流电动机直流电动机是将直流电能转是将直流电能转化为机械能化为机械能直流测速发电直流测速发电机将机械信号机将机械信号转换为电信号转换为电信号直流伺服电动机直流伺服电动机将控制电信号转将控制电信号转换为机械信号换为机械信号。2024/5/21 周二2二二.直流电机的优缺点直流电机的优缺点直流发电机的直流发电机的电势波形电势波形较好，受较好，受电磁干扰电磁干扰的影响小。的影响小。直流电动机的直流电动机的调速范围调速范围宽广，调速特性宽广，调速特性平滑平滑。直流电动机直流电动机过载能力过载能力较强，较强，起动起动和和制动制动转矩较大。转矩较大。由于存在由于存在换向器换向器，其制造，其制造复杂，价格复杂，价格较高。较高。2024/5/21 周二3第第1章章直流电机的工作直流电机的工作原理和结构原理和结构1-1直流电机工作原理直流电机工作原理一、原理图一、原理图(物理物理模型图模型图)磁极对磁极对N、S不动不动线圈（绕组）线圈（绕组）abcd旋转旋转换向片换向片1、2旋转旋转电刷及出线电刷及出线A、B不动不动2024/5/21 周二4二、直流发电机原理（机械能二、直流发电机原理（机械能-直流电能）直流电能）定子（不动部件）上的励磁绕组定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流通过直流电流(称为励磁电流称为励磁电流If)时产生恒定磁场（励磁时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）；磁场，主磁场）；原动机带动电枢线圈旋转，原动机带动电枢线圈旋转，切割主磁场切割主磁场B,转速转速n(r/min)；电枢线圈的导体中将产生电枢线圈的导体中将产生感应电势感应电势e=Bl v；通过换向器与电刷的作用，通过换向器与电刷的作用，可以引出直流的端电势可以引出直流的端电势EAB，以便输出直流电能。以便输出直流电能。2024/5/21 周二5直流电机展开图直流电机展开图n2024/5/21 周二6电刷直接与导体接触电刷直接与导体接触电刷通过换向器与导体接触电刷通过换向器与导体接触2024/5/21 周二7问题问题1-1：直流电机电枢单个导体中感应电势的性质？直流电机电枢单个导体中感应电势的性质？问题问题1-2：直流电机通过电刷引出的感应电势的性质？直流电机通过电刷引出的感应电势的性质？气隙磁场分布波形线圈导体电势波形电刷引出电势波形2024/5/21 周二8问题问题1-3：直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流电势？直流发电机如何得到幅值较为恒定的直流电势？为了得到稳定的直流电势，直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在为了得到稳定的直流电势，直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置，并通过多个换向片联接成不同的位置，并通过多个换向片联接成电枢绕组电枢绕组。以前曾使用以前曾使用环形绕组环形绕组。2024/5/21 周二9问题问题1-4：环形绕组的缺点是什么？：环形绕组的缺点是什么？问题问题1-5：讨论电刷的位置。：讨论电刷的位置。析析：环形绕组最大的缺点就是线圈在环内的部分：环形绕组最大的缺点就是线圈在环内的部分不切割磁力线，即不参与机电能量转换，铜材利不切割磁力线，即不参与机电能量转换，铜材利用率太低。用率太低。析析：几何中性线以上的导体处于：几何中性线以上的导体处于N极下；几何中极下；几何中性线以下的导体处于性线以下的导体处于S极下，极下，电流方向与电流方向与N极下导体电流方向相反。通过电刷极下导体电流方向相反。通过电刷的连线将所有导体分为两部分，每一部分内的导的连线将所有导体分为两部分，每一部分内的导体串联成一个支路，两条支路由电刷并联。只有体串联成一个支路，两条支路由电刷并联。只有当电刷与处在几何中性线上的导体相接触时，每当电刷与处在几何中性线上的导体相接触时，每个支路的总电势即电刷引出分电势才会最大。如个支路的总电势即电刷引出分电势才会最大。如果电刷偏离，则各个支路内部分导体电势相互抵果电刷偏离，则各个支路内部分导体电势相互抵消，导致机电能量转换效率降低。消，导致机电能量转换效率降低。2024/5/21 周二10三、直流电动机的原理三、直流电动机的原理将直流电源通过电刷和换向器接入将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流电枢绕组，使电枢导体有电流ia通过。通过。电机内部有磁场存在。电机内部有磁场存在。载流的转子（即电枢）导体将受到电载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力磁力f的作的作用用 f=B l ia（左手定则）左手定则）所有导体产生的电磁力作用于转子产所有导体产生的电磁力作用于转子产生电磁转矩，以便拖动机械负载以生电磁转矩，以便拖动机械负载以n(r/min)旋转旋转2024/5/21 周二112024/5/21 周二121-2直流电机的直流电机的结构结构旋转电机都是由旋转电机都是由定子定子和和转子转子两大部分组成两大部分组成 定子定子Stator转子转子Rotor主磁极（励磁绕组主磁极（励磁绕组主极铁心）主极铁心）电枢绕组电枢绕组换向极（绕组和铁心）换向极（绕组和铁心）电枢铁心电枢铁心机座机座换向器换向器端盖端盖转轴转轴电刷装置电刷装置风扇风扇2024/5/21 周二13主磁极主磁极的作用是建立主磁场。大多数主磁极不的作用是建立主磁场。大多数主磁极不是用永久磁铁而是由电励磁来建立磁场。极靴的是用永久磁铁而是由电励磁来建立磁场。极靴的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组固定。为了减少转子转动时由于齿并使励磁绕组固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的的钢片冲压固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整钢片冲压固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。个主磁极用螺杆固定在机座上。机座机座磁轭连同底座总成为机座磁轭连同底座总成为机座,有两个作用，一是作为主磁路的一部分，二是作为电有两个作用，一是作为主磁路的一部分，二是作为电机的结构框架。机的结构框架。机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。用螺杆固定在机座上。换向极的个数产生有害的火花。用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的。相串联的。2024/5/21 周二14端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。作用。电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引是电枢电路的引出（或引入）装置，它由入）装置，它由电刷电刷，刷握刷握，刷杆刷杆和和连连线线等部分组成，电刷是石墨或金属石墨等部分组成，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用组成的导电块，放在刷握内用弹簧弹簧以一以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。再引到出与换向器表面形成滑动接触。再引到出线盒。线盒。电枢铁心电枢铁心既是既是主磁路主磁路的组成部分，又是的组成部分，又是电电枢绕组枢绕组支撑部分；支撑部分；电枢绕组电枢绕组就嵌放在电枢铁心就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为且冲有齿、槽的型号为DR530或或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心型电机的电枢铁心冲片冲片先压装在转子支架上，先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。然后再将支架固定在轴上。2024/5/21 周二15电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。换向器（换向器（换向器实物换向器实物）在直流发电机在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。用塑料通过热压制成。2024/5/21 周二161-3电枢绕组电枢绕组 一般来说直流电机中至少应该有两套绕组：一般来说直流电机中至少应该有两套绕组：励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组。二者的功能不同二者的功能不同。励磁绕组励磁绕组用来产生用来产生主磁场，主磁场，为为集中绕组集中绕组；电枢绕组；电枢绕组实实现机电能量转换的现机电能量转换的枢纽，枢纽，称为称为功率绕组，功率绕组，是是分布绕组分布绕组。一、主要分类一、主要分类 宏观分类为宏观分类为环形环形和和鼓形鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在此类绕组；鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。鼓形绕组又分为均用鼓形绕组。鼓形绕组又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组叠绕组、波绕组和蛙形绕组。环形电枢绕组（展开图）环形电枢绕组（展开图）鼓形电枢绕组（展开图）鼓形电枢绕组（展开图）2024/5/21 周二17鼓形绕组鼓形绕组有许多个形状相同的线圈组成，有许多个形状相同的线圈组成，每个线圈有两个每个线圈有两个有效边有效边，分别位于电枢圆，分别位于电枢圆周相距约一个周相距约一个极距极距的两个的两个槽槽中。一个边在中。一个边在上层上层时，另一个边一般在时，另一个边一般在下层下层。每个。每个换向换向片片接两个不同的接两个不同的线圈端头线圈端头。将所有的电枢。将所有的电枢线圈通过线圈通过换向片换向片按照一定的规律联接起来，按照一定的规律联接起来，就构成就构成电枢绕组电枢绕组。在实际电机中，电枢绕。在实际电机中，电枢绕组有多种形式。主要分为组有多种形式。主要分为叠绕组叠绕组，波绕组波绕组和蛙绕组和蛙绕组等。等。叠绕组示意图叠绕组示意图波绕组示意图波绕组示意图2024/5/21 周二18二、单叠绕组的联接方法二、单叠绕组的联接方法几个概念几个概念：极数极数2p，极对数，极对数p，极距，极距 ，绕组元件，元件边，上层边，下层边，第绕组元件，元件边，上层边，下层边，第1节节距，第距，第2节距，合成节距节距，合成节距等。等。单叠绕组的展开图举例：单叠绕组的展开图举例：一台一台4 4极极16 16 槽直流电机，已知换向片数槽直流电机，已知换向片数K=16K=16；电枢绕组的线圈数；电枢绕组的线圈数S=16S=16；试画出试画出整距右行单叠绕组整距右行单叠绕组展开图。展开图。【分析【分析】槽数槽数 z=z=线圈数线圈数S=16,S=16,极距极距z/2pz/2p16/416/44 4 槽。槽。整距线圈即第一节距整距线圈即第一节距 y y1 14 4（槽）；（槽）；单叠右行，则合成节距单叠右行，则合成节距 y y +1+1；第二节距第二节距y2y1y3（槽）；（槽）；一个线圈的一个有效边若放在一个线圈的一个有效边若放在1 1号号槽内，另一个有效边须放在槽内，另一个有效边须放在5 5号号槽内。槽内。一个线圈跨过一个线圈跨过4 4个槽个槽的位置的位置。2024/5/21 周二19【画出展开图【画出展开图】1.画元件边，下层边用虚线，上层用实线画；画元件边，下层边用虚线，上层用实线画；2.标出槽号并画出第一个元件，跨标出槽号并画出第一个元件，跨15。3.将第一个元件的引出线端连到对应的换向片上，并标出换向片号。将第一个元件的引出线端连到对应的换向片上，并标出换向片号。4.依次画出其他元件的连接。依次画出其他元件的连接。5.再画出各磁极再画出各磁极N、S、N、S。鼓形绕组的电刷中心线在每个磁极的中线上。鼓形绕组的电刷中心线在每个磁极的中线上。6.画出电枢转向和电刷连线。画出电枢转向和电刷连线。绕组展开图绕组展开图和和元件联接图元件联接图三、结论三、结论常用直流电机绕组型式的支路数：常用直流电机绕组型式的支路数：单叠绕组单叠绕组：2a=2p；双叠绕组双叠绕组：2a=4p单波绕组单波绕组：2a=2 ；双波绕组双波绕组：2a=42024/5/21 周二201-4直流电机的额定值直流电机的额定值额定值 是制造厂对各种电气设备在指定工作条件下是制造厂对各种电气设备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，可运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。以保证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。额定值通常标在电气的铭牌上，故又叫额定值通常标在电气的铭牌上，故又叫铭牌值铭牌值。直流电机的直流电机的额定值额定值(Rating)主要有：主要有：额定功率额定功率PN：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。若大于为量纲单位。若大于1kW或或1MW时，则用时，则用kW或或MW表示。表示。额定电压额定电压UN：指指正常正常状态下电枢出线端的电压，以状态下电枢出线端的电压，以V为量纲单位。为量纲单位。额定电流额定电流IN：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以A为量纲单位。为量纲单位。额定转速额定转速nN：指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。为量纲单位。额定励磁电压额定励磁电压Uf、电流、电流If：指电机在额定状态时的励磁电压、电流值。指电机在额定状态时的励磁电压、电流值。2024/5/21 周二21注意注意:对于对于直流发电机直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即电压和额定电流的乘积，即PNUNIN对于对于直流电动机直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率还应有效率N存在存在，即，即PNUNINNv本章作业：本章作业：p22题题11,2,3,42024/5/21 周二222024/5/21 周二232024/5/21 周二242024/5/21 周二252024/5/21 周二26直流电机剖面图返回返回2024/5/21 周二27直流电机结构图返回返回2024/5/21 周二28直流电机转子照片直流电机转子照片返回返回2024/5/21 周二29直流电机定子照片直流电机定子照片返回返回2024/5/21 周二30直流电机换向器照片直流电机换向器照片返回返回2024/5/21 周二31直流电机补偿绕组照片直流电机补偿绕组照片返回返回2024/5/21 周二32电刷装置照片电刷装置照片返回返回2024/5/21 周二33直流电机照片返回返回2024/5/21 周二34定转子冲片返回返回2024/5/21 周二35换向器构造图返回返回2024/5/21 周二36电刷装置刷杆座刷杆座弹簧压板弹簧压板刷杆刷杆电刷电刷刷握刷握刷握刷握电刷电刷刷瓣刷瓣压指压指弹簧弹簧返回返回2024/5/21 周二37主磁极与换向极主磁极与换向极返回返回2024/5/21 周二38风扇风扇铁心铁心绑带绑带 换向器换向器轴轴转子转子冲片冲片梨形槽梨形槽矩形槽矩形槽直流电机转子直流电机转子返回返回2024/5/21 周二39环形绕组和鼓形绕组虚槽虚槽的概念：每个线圈（的概念：每个线圈（绕组元件绕组元件）Nc匝，每一层有匝，每一层有C个个圈边圈边并列，若并列，若实际槽数为实际槽数为Z，则，则虚槽数虚槽数为为Ze=CZ,每一个换向片接连个圈边，每一个换向片接连个圈边，每一虚槽中有两个圈边，所以换向每一虚槽中有两个圈边，所以换向片数片数等于等于虚槽数虚槽数。总导体总导体为为N=2NcZe返回返回2024/5/21 周二40环形绕组过渡到鼓形绕组环形绕组过渡到鼓形绕组返回返回2024/5/21 周二412024/5/21 周二NSSN图直流电机4极16槽单叠绕组展开图单迭绕组展开图返回返回2024/5/21 周二432024/5/21 周二元件连接次序图元件连接次序图返回返回2024/5/21 周二45线圈节距返回返回2024/5/21 周二46附1：双迭绕组双迭绕组换向片数为换向片数为偶数时为双闭路。偶数时为双闭路。2a=4p附1：双迭绕组双迭绕组返回返回2024/5/21 周二47双迭绕组元件连接次序双迭绕组元件连接次序返回返回2024/5/21 周二482024/5/21 周二2a=2单波绕组返回返回2024/5/21 周二50单波绕组元件连接次序返回返回2024/5/21 周二51合成节距为偶数合成节距为偶数,则为双闭路则为双闭路,2a=4双闭路双波绕组返回返回2024/5/21 周二52双波绕组元件连接次序返回返回2024/5/21 周二53直流电机的电枢绕组是由两条或者两条以上的并联支路组成的直流电机的电枢绕组是由两条或者两条以上的并联支路组成的,为了使得空为了使得空载时电枢绕组内部不产生环流载时电枢绕组内部不产生环流,以及负载时流过各支路的电流能够平决分配以及负载时流过各支路的电流能够平决分配,各条并联支路必须完全对称各条并联支路必须完全对称.由于各对磁极极面下的磁特性可能有某些不对称由于各对磁极极面下的磁特性可能有某些不对称,即使绕组完全对称即使绕组完全对称,也会引也会引起各支路间电势不平衡起各支路间电势不平衡.从而在支路间引起环流从而在支路间引起环流.环流使得铜耗增加环流使得铜耗增加,绕组过热绕组过热,换向困难换向困难.将支路理论上的等位点用低电阻的粗铜线连接起来将支路理论上的等位点用低电阻的粗铜线连接起来,则大部分环流将通过粗则大部分环流将通过粗铜线而不是经过电刷铜线而不是经过电刷,从而改善电刷的工作条件从而改善电刷的工作条件.这种低电阻的粗铜线称为均压线这种低电阻的粗铜线称为均压线.甲种均压线甲种均压线:单叠绕组各支路连接的串联的元件位于不同的极面下单叠绕组各支路连接的串联的元件位于不同的极面下,各极面下磁特性的不各极面下磁特性的不对称会引起支路间电势的不对称对称会引起支路间电势的不对称.把单叠绕组理论上的等位点连接起来把单叠绕组理论上的等位点连接起来,这种这种连接线成为甲种均压线。连接线成为甲种均压线。理论上讲理论上讲,相隔一对极距的换向片应该等电位。甲种均压线的跨距为相隔一对极距的换向片应该等电位。甲种均压线的跨距为附附2:均压联接概念均压联接概念2024/5/21 周二54如果每对极距内有如果每对极距内有10个换向片，则将有个换向片，则将有10组等位点。每组等组等位点。每组等位点用一个均压环连接，需要位点用一个均压环连接，需要10个均压环。个均压环。为了节省铜材，通常只做为了节省铜材，通常只做5个均压环，即每隔一个换向片装一个均压环，即每隔一个换向片装一个均压线。个均压线。在单叠绕组上接均压环附附2:均压联接概念均压联接概念2024/5/21 周二55直流电机换向器直流电机换向器返回返回2024/5/21 周二56