第三章 直流电机的原理 本章首要介绍直流电机的结构和根本作业原理、 直流电机绕组的构成、 直流电机的电枢 反响、直流电机绕组的电动势和电磁转矩、直流发电机和直流电动机的功率转矩等内容。本 章共有 10 节课，内容和时刻分配如下： 1.把握直流电机的结构及作业原理。 2 节） （ 2.把握直流电机绕组有关的结构。 节 ） （2 3.把握直流电机绕组的电枢反响。 节） （1 4.把握直流电机的电枢电动势和电磁转矩。 节） （1 5.把握直流发电机的根本方程式和运转特性、并励发电机的条件。( 2.5 节) 6.把握直流电动机的根本方程式和运转特性。( 1.5 节) 第一节 一 直流电机的用处 直流电动机的长处： 1 调速规模广，易于滑润调理 2 过载、发动、制动转矩大 3 易于控制，牢靠性高 4 调速时的能量损耗较小 直流电机的根本作业原理 缺陷: 换向困难，容量遭到限制，不能做的很大。 运用: 轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。 直流发电机用作电解、电镀、电锻炼、充电、沟通发电机励磁等的直流电源。 二、直流电机的作业原理 原理：任何电机的作业原理都是树立在电磁感应和电磁力这个基础上。 为了评论直流电机的作业原理，咱们把杂乱的直流电机结构简化为作业原理图。 （一）直流发电机的作业原理 1．作业原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势 e 。 e=Blv。 B:磁密 l：导体长度； v：导体与磁场的相对速度。 正方向：用右手定则判别。电势 e 正方向标明电位升高的方向，与 U 相反。假如同一元件 上 e 和 U 正方向相一同，e= -U。 了解：电磁感应原理的变形（改动的磁通发生感应电动势） 2 发电机作业进程剖析：两磁极直流发电机的作业原理图。 （1） 构成： 磁场：图中 N 和 S 是一对停止的磁极，用以发生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦散布。 励磁绕组—— 容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。 容量较大的发电机的磁场是 由直流电流经过绕在磁极铁心上的绕组发生的。 用来构成 N 极和 S 极的绕组称为励磁绕组， 励磁绕组中的电流称为励磁电流 If。 电枢绕组：在 N 极和 S 极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称 为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流 Ia。 换向器：电枢绕组两头别离接在两个彼此绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片 上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。 （2）作业进程： P1：电动势发生 当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向滚动时，用右手定则能够断定，线圈 ab 和 cd 边切开磁力线发生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中发生电流 Ia，其 方向与电动势方向相同。电流由电刷Ａ流出，由电刷Ｂ流回。 *电动势与电流联系：同向 P2：换向 当电枢转到上图 b 所示方位时，ab 边转到了 S 极下，cd 边转到了 N 极下。这时线圈 中感应电动势的方向发生了改动，但由于换向器伴随一同旋转，使得电刷 A 总是触摸 N 极 下的导线，而电刷 B 总是触摸 S 极下的导线，故电流仍由 A 流出 B 流回，方向不变。 *尽管有换向器的效果，将线圈内的交变电动势在两电刷间变换为方向不变的电动势，但它 的巨细仍然是脉动的。欲取得在方向和量值上均为安稳的电动势，则应把电枢铁心上的槽 数和线圈匝数增多，一同换向器上的换向片数也要相应地添加。 （3） 电磁转矩与能量转化剖析 ： 电磁转矩：电枢电流 Ia 与磁场彼此效果而发生的电磁力构成了电磁转矩 T。 用左手定则能够断定，电磁转矩 T 的方向与电枢旋转方向相反。因而，在电枢等速旋 转时，原动机的驱动转矩 T1 有必要与发电机的电磁转矩 T 和空载损耗转矩 T0 相平衡( T0 是发电机轴上的转矩)，即 T1=T+ T0 *电磁转矩方向与转速方向联系：反向 能量转化： 原动机（机械能）-电磁转矩-发电机负载（电能） 当发电机的负载(即电枢电流)添加时，电磁转矩和输出功率也随之添加，这时原动机 的驱动转矩所供应的机械功率亦有必要相应添加，以坚持转矩之间和功率之间的平衡。可见， 发电机向负载输出电功率的一同， 原动机却向发电机输出机械功率， 发电机起着将机械能转 换为电能的效果。 （二）直流电动机的作业原理 1．作业原理：电磁力规则 载流导体在磁场中将会遭到力的效果， 若磁场与载流导体彼此笔直， 效果在导体上的电磁力 巨细为： f = B·i l· 力的方向用左手定则确认 了解：电流发生磁场原理的变形（电流发生磁场） 一个通电线圈相当于一个具有 NS 极的磁体。构成电磁力。 2 电动机作业进程剖析：直流电动机的作业原理图。 （1）构成： 磁场：图中 N 和 S 是一对停止的磁极，用以发生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦散布。 励磁绕组—— 容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。 容量较大的发电机的磁场是 由直流电流经过绕在磁极铁心上的绕组发生的。 用来构成 N 极和 S 极的绕组称为励磁绕组， 励磁绕组中的电流称为励磁电流 If。 电枢绕组：在 N 极和 S 极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称 为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流 Ia。 换向器：电枢绕组两头别离接在两个彼此绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片 上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。 （2）作业进程： P1：电磁转矩发生 电枢绕组经过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷 A 流 入电枢绕组，从电刷 B 流出。电枢电流 Ia 与磁场彼此效果发生电磁力 F，其方向可用左手 定则断定。这一对电磁力所构成的电磁转矩 T，使电动机电枢逆时针方向旋转。 *电磁转矩与电枢旋转方向联系：同向 P2：换向 当电枢转到上图 b 所示方位时，ab 边转到了 S 极下，cd 边转到了 N 极下。这时线圈 电磁转矩的方向发生了改动，但由于换向器伴随一同旋转，使得电刷 A 总是触摸 N 极下的 导线，而电刷 B 总是触摸 S 极下的导线，故电流活动方向发生改动，电磁转矩方向不变。 （3） 电动势与能量转化剖析 ： 电动势：电枢滚动时，割切磁力线而发生感应电动势，这个电动势(用右手定则断定)的方向 与电枢电流 Ia 和外加电压 U 的方向总是相反的，称为反电动势 Ea。 它与发电机的电动势 E 的效果不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路发生电 流。而 Ea 是反电动势，电源只要战胜这个反电动势才干向电动机输入电流。 可见，电动机向负载输出机械功率的一同，却向电动机输入电功率，电动机起着将电能 转化为机械能的效果。 *电动势方向与电流方向联系：反向 能量转化： 电源（电能）-电磁转矩-负载（机械能） 比较： 发电机和电动机两者的电磁转矩 T、电动势的效果是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩 T1 的方向是相反的。电动机的电 磁转矩是驱动转矩，它使电枢滚动。电动机的电磁转矩 T 有必要与机械负载转矩 T2 及空载损 耗转矩 T0 相平衡，即 T＝T2 十 T0。 发电机的电动势是电源电动势。 电动机的电动势是反电动势， 电源只要战胜这个反电动 势才干向电动机输入电流。 直流电机作发电机运转和作电动机运转时，尽管都发生电动势和电磁转矩，但两者作 用截然相反。 第二节 电机的结构要求： 直流电机的结构 意图：了解它们各首要部件的称号、效果、彼此拼装及动作联系。以利正确选用和运用。 1 电磁要求: 发生磁场，感应出电动势，经过电流，发生电磁转矩 2 机械要求：传递转矩，坚持巩固安稳，冷却的要求，检修，运转牢靠。 从电机的根本作业原理知道，电机的磁极和电枢之间有必要有相对运动，因而，任何电机 都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的空隙叫空气隙。 一、定子 定子的效果是发生磁场和作为电机机械支撑。它由主磁极、换向磁极、电刷、机座、端 盖和轴承等组成。 (一)主磁极——发生主磁通υ 。 主磁极铁心包含极心和极掌两部分。 极心上套有励磁绕组， 各主磁极上的绕组一般都是 串联的。直流电机的磁极如图所示。极掌的效果是使空气隙中磁感应强度散布最为适宜。 改动励磁电流 If 的方向，就可改动主磁极极性，也就改动了磁场方向。 (二)换向磁极——发生附加磁场，改进电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使 换向器烧坏。 在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极， 这便是换向磁极。 它的结构与主磁极 类似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。 主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值， 可是， 由于电枢电流经过电枢绕组时所发生 的电枢磁场， 使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。 所以使转到中性面内进行电流换向 的绕组发生感应电动势，使得电刷与换向器之间发生较大的火花。 用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零， 这样就改进了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。 (三)电刷设备 电刷设备首要由用碳一石墨制成导电块的电刷、 加压绷簧和刷盒等组成。 固定在机座上 (小容量电机装在端盖上)不动的电刷，借助于加压绷簧的压力和旋转的换向器坚持滑动接 触，使电枢绕组与外电路接通。 电刷数一般等于主磁极数， 各同极性的电刷经软线汇在一同， 再引到接线盒内的接线板 上，作为电枢绕组的引出端。 (四)机座——用来固定主磁极、换向磁极和端盖，是电机磁路的一部分。 机座用铸钢或铸铁制成。 机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端， 用来对外接 线。 (五)端盖 端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两头，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。 二、转子 转子又称电枢， 是电机的旋转部分。 它由电枢铁心、 绕组、 换向器等组成。 如右图所示。 (一)电枢铁心 电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有散布均匀的槽用来嵌放绕组。铁心也作 为电机磁路的一部分。 (二)绕组 绕组是发生感应电动势或电磁转矩，完成能量转化的首要部件。它是由许多绕组元件 构成，按必定规矩嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀 锌钢丝箍住，避免绕组因离心力而发生径向位移。 (三)换向器 换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。 三、铭牌和额外值 为了使电机安全而有用地运转， 制造厂对电机的作业条件都加以技能规则。 依照规则的 作业条件进行运转的状况叫做额外作业状况。电机在额外作业时的各种技能数据叫做额外 值，一般加下标 e 标明。这些额外值都列在电机的铭牌上，运用电机前，应了解铭牌。使 用中的实践值，一般不该超越铭牌所规则的额外值。 (一)类型：它标明电机的类别。例如：Z2--12 Z：直流；2：规划序号；1：铁心长度；2：机座号 (二)额外电流 Ie 这是指发电机长时间运转时电枢输出给负载的答应电流。 关于电动机则是指电源输入 到电动机的答应电流。 (三)额外电压 Ue 这是指发电机输出的答应端电压。关于电动机则指输入到电动机端钮上的答应电 压。 (四)额外转速 ne 这是指电机在额外作业状况时，应到达的转速。 (五)额外功率(额外容量) Pe 关于发电机来说，这是指在额外电压下，输出额外电流时，向负载供给的电功率 Pe,Pe=UeIe 关于电动机来说，则是指在额外电压，额外电流和额外转速下，电动机轴上输出的 机械功率 Pe=UeIeη e (六)额外功率η e 额外功率与输入功率之比，称为电机的额外功率，即η e=（额外功率/输入功率） ×100 % 四、电枢绕组 1 有关术语 1）极轴线——主磁极的中轴线) 几许中性线——相邻两个主磁极之间的几许分界线) 极距τ ： 相邻两磁极中心线间的间隔称为极距τ ，常用槽数标明， τ =z/2p 其间 z 为槽数，p 为极对数。 4)绕组元件——两头别离与两个换向器片联接的单匝或多匝线圈，每个元件由两个放在电 枢槽中能够发生感应电动势的有用边，叫元件边。槽外部分只起衔接效果，叫端接部分。 5)节距——绕组元件的宽度和元件之间的衔接规则。 第一节距: 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的间隔称为节距， y1 标明,一般用槽数计. 用 线圈可规模分为： 整距绕组: y1 = τ 短距绕组: y1 τ 长距绕组: y1 τ 换向节距: 一个元件的两个边在换向器上的间隔称为换向节距，用 yk 标明. 第三节 一、直流电机的励磁方法 按励磁方法不同，电机可分为 （一）他励直流电机 （二）并励直流电机 （三）串励直流电机 （四）复励直流电机 直流电机的磁场 电枢和励磁绕组由两个独立的直流电源供电。 电枢和励磁绕组并联后由一个独立的直流电源供电。 电枢和励磁绕组串联后由一个独立的直流电源 供电 复励电机有两个绕组，一个并励绕组，一个串励 绕组，并励绕组和电枢并联，和串励绕组串联后由 一个独立的直流电源供电。 直流发电机的首要励磁方法是他励式、并励式和复励式 二、直流电机的空载磁场 磁场的根本物理量 (1) 磁路：磁通 ? 经过的途径。 (2) 磁通 ?: 磁场中穿过某一截面积的总磁感线数称为经过该面积的磁通 单位韦伯 Wb。 (3) 磁感应强度 B: 描绘磁介质中实践的磁场强弱和方向的物理量，矢量， 有巨细和方向，单位特斯拉 T。B= ?/A(磁通除以截面积) (4) 磁场强度 H: 为 H=B/? (5) 磁通势：某一线圈的电流 I 与其匝数 N 的乘积。磁通势 F 的方向由发生 电流按右手定则确认。单位： （A） 1.直流电机的磁场构成 直流电机作业时的磁场是由各绕组的总磁动势一起发生的（包含励磁 绕组，电枢绕组，换向极绕组，补偿绕组等） 。励磁绕组的磁动势起 最首要的效果。 1)主磁通 Φ m 一切那些由 N 极经过气隙到转子， 再由另一个气隙回来 S 极的磁通， 一同 与励磁绕组和电枢绕组相交链，是直流电机中起有用效果的磁通，称为主磁通，它能够在旋 转的电枢绕组中感应出电动势，并和电枢绕组的磁动势彼此效果发生电磁转矩。 2)漏磁通 Φ 1σ 交链励磁绕组自身，不好电枢绕组相交链，只能添加磁极和定子磁轭的饱 和程度，不发生电动势和转矩。 2.直流电机的空载磁场 直流电机的空载是指电枢电流等于零或许很小，且能够不计其影响 的一种运转状况。 磁场的核算 全电流规则：在磁路中，沿任一闭合途径，磁场强度的线积分等于与该闭和途径交链的电流 的代数和。 它的线圈 是核算磁场时常用的物理量，也是矢量。它与磁感应强度矢量的联系 i1 i2 i3 ? ? H ? dl ? ? I ? ? l l 上式左边为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分； 右侧是穿过由闭合回线所围面积的电流的代 数和。电流的符号规则为：闭合回线的环绕方向与电流成右旋系时为正，反之为负。 由励磁磁通势独自树立的磁场， 以一台四极直流电机空载时为例， 由励磁电流独自树立 的磁场散布如图。 ? 空载磁密散布 不计齿槽影响，直流电机空载时，其气隙磁场(主磁场)的磁密散布波形如图所示 三.直流电机负载时的磁场和电枢反响 1.负载时磁场 电机带上负载今后，电枢绕组内流过电流，还会构成磁通势，该磁通称为电枢磁通势。 所 以，负载时电机中气隙磁场是由励磁磁通势和电枢磁通势一起树立。 由此可知，在直流电机中，从空载到负载，其气隙磁场是改动的 2.电枢反响 1)电枢磁通势 电枢磁通势对励磁磁通势所发气愤隙磁场的影响称为电枢反响。 为画图简略起见，元件边只画一层，以为电枢是润滑的， 并考虑某一极性下元件中流过电 流同一方向， 得电枢磁场散布。 电枢反响磁通势轴线的方位与电刷轴线重合,当电刷处于几许中性线时，电枢反响磁通 势与磁极轴线彼此笔直 。 ? 电枢反响使气隙磁场发生了畸变 电枢磁场使主磁场一半削弱，另一半加强，并使电枢外表磁密等于零处（物理中心线）脱离 了几许中性线。 ? 电磁反响呈去磁效果 * 在磁路不饱满时 主磁场削弱的量与加强的量刚好持平。 * 在磁路临界饱满时 增磁会使半个极下饱满程度进步，铁心磁阻增大，别的半个极下饱满程度减小，铁心磁阻减 小 ，因磁路临界饱满，从而使实践的组成磁场曲线要比不饱满时略低 。添加的磁通数量就 会小于磁通削减的数量 。 第四节 感应电动势和电磁转矩的核算 一.感应电动势的核算 1.运转时感应电动势一直存在 直流电机不管作电动机运转仍是作发电机运转， 电枢绕组内都感应发生电动势。 这个感应电 动势是指一条支路的电动势。 2.怎么核算感应电动势 要核算支路电动势，可先求出每个元件电动势的均匀值，然后乘上每条支路串联元件数，就 可得出支路电动势。 元件均匀电势 B 为每一个磁极下的均匀磁感应强度，等于每极磁通除以每极的面积 ?l, B= ?/?l 电磁感应规则: e=Blv 式中:v 为导体切开磁力线p?） n - 电枢的转速（r/min) p - 极对数 ? - 极距 每条支路总导体数 2N，则电枢感应电动势的均匀值为: E=2Ne=2NBlv=4pN?n/60 假如令 4pN/60=CE 则 E= CE ?n Ce 称为电动势常数 磁通的单位为 Wb，转速 n 的单位为 rpm，感应电动势的单位为 V 感生电动势的方向由磁场的方向和转子的旋转方向决议。 在直流电动机中，电动势的方向与电枢电流的方向相反，为反电动势； 在直流发电机中，电动势的方向与电枢电流的方向相同，为电源电动势。 二.电磁转矩的核算 1.元件边所受切线方向电磁力 设气隙中某处的径向磁密为 Bdx ，元件数为 Ny ；元件边中电流为 ia 依据电磁力规则，此处元件边所受的切线方向的电磁力为: fx = Blia B 为每一个磁极下的均匀磁感应强度，等于每极磁通除以每极的面积 ?l, Bdx= ?/?l 2.元件边所发生电磁转矩 设电枢的直径 2R ，由于 2?R=2p?,所以 R=p?/?. 元件数为 N， a 为并联支路对数，则电枢外表共有元件边数为 4aN ，则电磁力发生 的电磁转矩为: Te = 4aNfxR= 4aNBdx·iaR=2pN ?ia/? l· 若令 CT= 2pN /?, 则 Te= CT?ia 电磁转矩由磁场的方向和电枢电流的方向决议。 在直流电动机中，电磁转矩的方向与转子的旋转方向相同，为拖动转矩 在直流发电机中，电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，为制动转矩 第四节直流电动机运转剖析 教育意图 把握直流电动机的励磁方法 把握直流电动机的方程 教育要点 直流电动机的励磁方法 教育难点 直流电动机的电路方程 一、直流电动机的根本方程 在这里咱们将评论直流电动机的电压、功率和转矩的平衡方程，阐明其能量联系。 (一)电枢电路电压平衡方程 1.电动机的反电势 在电机作业原理的评论中， 咱们知道电枢旋转时， 电枢中的载流导体割切磁力线发生感 应电动势 Ea=Ceυ n。这个电动势的方向与电枢电流的方向相反，抵抗电枢电流的流入， 故称为反电动势。因而，电源要向电枢输入电流，就有必要战胜反电动势的效果，即有必要使加 在电枢绕组两头的电压 UEa。l 2.电压平衡方程 Ea=U–IaRa 式中，Ia 为电枢电流(A） Ra 为电枢绕组电阻(Ω) ； 上式改写后即得电压平衡方程为 U=Ea+IaRa 上式标明，电枢绕组两头的电压 U 可分为两部分，一部分用来平衡反电动势 Ea，另一部分 便是电枢绕组的电阻压降 IaRa。 3.电枢电流 由 U=Ea+IaRa 可导出电枢电流公式，即 I (二)功率平衡方程 a ? U ? Ea R a P P 1 ? M P ?P ?P ?P M 0 cu 2 (三)转矩平衡方程 T T ? T 2 ?T o ? 9.55 P M n 直流无刷电机 运用的是直流电 仅仅是没有电刷罢了 至于详细 是靠电子线路完成了电刷的功用。 当然 有 些品种的直流无刷电机的机械部分 和沟通电机简直相同 这品种型 就能够以为是先用电子 线路把直流电变成沟通电 再通给电机 直流电机尽管是供直流电 但转子内部的线圈还在沟通电路的。 带电刷的直流电机是经过电 刷换向。而无刷电机是经过逆变电路把直流变成沟通，然后共给线V 散热 电扇等。在电脑主机里常用。沟通电机 不需要换向片（电刷）。 直流无刷电机的定子绕组是星形衔接的， 他的转子是永磁体做成的而且转子上有一个方位传 感器用于检测转子方位反应给控制器， 控制器 是直流电源， 它依据方位传感器反应的 信号 别离使定子绕组通电，构成旋转磁场，直流无刷电机的机械特性比较硬。