直流电机工作原理.doc
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第三章直流电机的原理
本章主要介绍直流电机的结构和基本工作原理、直流电机绕组的构成、直流电机的电枢反应、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，内容和时间分配如下：
1.掌握直流电机的结构及工作原理。
（2节）
2.掌握直流电机绕组有关的结构。
（2节）
3.掌握直流电机绕组的电枢反应。
（1节）
4.掌握直流电机的电枢电动势和电磁转矩。
（1节）
5.掌握直流发电机的基本方程式和运行特性、并励发电机的条件。
（2.5节）
6.掌握直流电动机的基本方程式和运行特性。
（1.5节）
第一节直流电机的基本工作原理
一直流电机的用途
直流电动机的优点：
1调速范围广，易于平滑调节
2过载、启动、制动转矩大
3易于控制，可靠性高
4调速时的能量损耗较小
缺点:
换向困难，容量受到限制，不能做的很大。
应用:
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、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。
二、直流电机的工作原理
原理：
任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。
为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。
（一）直流发电机的工作原理
1．工作原理：
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：
用右手定则判断。
电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。
如果同一元件上e和U正方向相同时，e=-U。
理解：
电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势）
2发电机工作过程分析：
两磁极直流发电机的工作原理图。
（1）构成：
磁场：
图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。
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通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。
用来形成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：
电枢绕组两端分别接在两个相互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）工作过程：
P1：
电动势产生
当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流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。
*电动势与电流关系：
同向
P2：
换向
当电枢转到上图b所示位置时，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变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流仍由A流出B流回，方向不变。
*虽然有换向器的作用，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，但它的大小仍然是脉动的。
欲获得在方向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增加。
（3）电磁转矩与能量转换分析：
电磁转矩：
电枢电流Ia与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩T。
用左手定则可以判定，电磁转矩T的方向与电枢旋转方向相反。
因此，在电枢等速旋转时，原动机的驱动转矩T1必须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关系：
反向
能量转换：
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）增加时，电磁转矩和输出功率也随之增加，这时原动机的驱动转矩所供给的机械功率亦必须相应增加，以保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同时，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作用。
（二）直流电动机的工作原理
1．工作原理：
电磁力定律
载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：
f=B·l·i
力的方向用左手定则确定
理解：
电流产生磁场原理的变形（电流产生磁场）
一个通电线圈相当于一个具有NS极的磁体。
形成电磁力。
2电动机工作过程分析：
直流电动机的工作原理图。
（1）构成：
磁场：
图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。
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通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。
用来形成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：
电枢绕组两端分别接在两个相互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）工作过程：
P1：
电磁转矩产生
电枢绕组通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与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。
这一对电磁力所形成的电磁转矩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关系：
同向
P2：
换向
当电枢转到上图b所示位置时，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变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变。
（3）电动势与能量转换分析：
电动势：
电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势（用右手定则判定）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的作用不同。
发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。
而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。
可见，电动机向负载输出机械功率的同时，却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作用。
*电动势方向与电流方向关系：
反向
能量转换：
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、电动势的作用是不同的。
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，它使电枢转动。
电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩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，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。
直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。
第二节直流电机的结构
目的：
了解它们各主要部件的名称、作用、相互组装及动作关系。
以利正确选用和使用。
电机的结构要求：
1电磁要求:
产生磁场，感应出电动势，通过电流，产生电磁转矩
2机械要求：
传递转矩，保持坚固稳定，冷却的要求，检修，运行可靠。
从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。
一、定子
定子的作用是产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——产生主磁通φ。
主磁极铁心包括极心和极掌两部分。
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。
极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。
改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。
（二）换向磁极——产生附加磁场，改善电机的换向，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，这就是换向磁极。
它的构造与主磁极相似，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，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。
于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。
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，这样就改善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）电刷装置
电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。
固定在机座上（小容量电机装在端盖上）不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，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起，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端，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，在外圆上有分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
绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。
它是由许多绕组元件构成，按一定规则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，防止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、铭牌和额定值
为了使电机安全而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。
按照规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。
电机在额定工作时的各种技术数据叫做额定值，一般加下标e表示。
这些额定值都列在电机的铭牌上，使用电机前，应熟悉铭牌。
使用中的实际值，一般不应超过铭牌所规定的额定值。
（一）型号：
它表示电机的类别。
例如：
Z2--12
Z：
直流；2：
设计序号；1：
铁心长度；2：
机座号
（二）额定电流Ie
这是指发电机长期运行时电枢输出给负载的允许电流。
对于电动机则是指电源输入到电动机的允许电流。
（三）额定电压Ue
这是指发电机输出的允许端电压。
对于电动机则指输入到电动机端钮上的允许电压。
（四）额定转速ne
这是指电机在额定工作状态时，应达到的转速。
（五）额定功率（额定容量）Pe
对于发电机来说，这是指在额定电压下，输出额定电流时，向负载提供的电功率Pe,Pe=UeIe
对于电动机来说，则是指在额定电压，额定电流和额定转速下，电动机轴上输出的机械功率Pe=UeIeηe
（六）额定效率ηe
额定功率与输入功率之比，称为电机的额定效率，即ηe=（额定功率/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。
2）几何中性线——相邻两个主磁极之间的几何分界线。
3）极距τ：
相邻两磁极中心线间的距离称为极距τ，常用槽数表示，
τ=z/2p
其中z为槽数，p为极对数。
4）绕组元件——两端分别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可以产生感应电动势的有效边，叫元件边。
槽外部分只起连接作用，叫端接部分。
5）节距——绕组元件的宽度和元件之间的连接规律。
第一节距:
一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示,一般用槽数计.
线圈可范围分为：
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距离称为换向节距，用yk表示.
第三节直流电机的磁场
一、直流电机的励磁方式
按励磁方式不同，电机可分为
（一）他励直流电机电枢和励磁绕组由两个独立的直流电源供电。
（二）并励直流电机电枢和励磁绕组并联后由一个独立的直流电源供电。
（三）串励直流电机电枢和励磁绕组串联后由一个独立的直流电源
供电
（四）复励直流电机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。
直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复励式
二、直流电机的空载磁场
磁场的基本物理量
（1）磁路：
磁通F经过的路径。
（2）磁通F:
磁场中穿过某一截面积的总磁感线数称为通过该面积的磁通
单位韦伯Wb。
（3）磁感应强度B:
描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量，矢量，
有大小和方向，单位特斯拉T。
B=F/A（磁通除以截面积）
（4）磁场强度H:
是计算磁场时常用的物理量，也是矢量。
它与磁感应强度矢量的关系为H=B/m
（5）磁通势：
某一线圈的电流I与其匝数N的乘积。
磁通势F的方向由产生它的线圈电流按右手定则确定。
单位：
（A）
1.直流电机的磁场构成
直流电机工作时的磁场是由各绕组的总磁动势共同产生的（包括励磁
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
最主要的作用。
1）主磁通Φm所有那些由N极经过气隙到转子，再由另一个气隙返回S极的磁通，同时与励磁绕组和电枢绕组相交链，是直流电机中起有效作用的磁通，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相互作用产生电磁转矩。
2）漏磁通Φ1σ交链励磁绕组本身，不和电枢绕组相交链，只能增加磁极和定子磁轭的饱和程度，不产生电动势和转矩。
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者很小，且可以不计其影响
的一种运行状态。
磁场的计算
全电流定律：
在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度的线积分等于与该闭和路径交链的电流的代数和。
上式左侧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。
电流的符号规定为：
闭合回线的围绕方向与电流成右旋系时为正，反之为负。
由励磁磁通势单独建立的磁场，以一台四极直流电机空载时为例，由励磁电流单独建立的磁场分布如图。
¨空载磁密分布
不计齿槽影响，直流电机空载时，其气隙磁场（主磁场）的磁密分布波形如图所示
三.直流电机负载时的磁场和电枢反应
1.负载时磁场
电机带上负载以后，电枢绕组内流过电流，还会形成磁通势，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共同建立。
由此可知，在直流电机中，从空载到负载，其气隙磁场是变化的
2.电枢反应
1）电枢磁通势
电枢磁通势对励磁磁通势所产生气隙磁场的影响称为电枢反应。
为画图简单起见，元件边只画一层，认为电枢是光滑的，并考虑某一极性下元件中流过电流同一方向，得电枢磁场分布。
电枢反应磁通势轴线的位置与电刷轴线重合,当电刷处于几何中性线时，电枢反应磁通势与磁极轴线互相垂直。
l电枢反应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，并使电枢表面磁密等于零处（物理中心线）离开了几何中性线。
l电磁反应呈去磁作用
*在磁路不饱和时主磁场削弱的量与加强的量恰好相等。
*在磁路临界饱和时
增磁会使半个极下饱和程度提高，铁心磁阻增大，另外半个极下饱和程度减小，铁心磁阻减小，因磁路临界饱和，从而使实际的合成磁场曲线要比不饱和时略低。
增加的磁通数量就会小于磁通减少的数量。
第四节感应电动势和电磁转矩的计算
一.感应电动势的计算
1.运行时感应电动势始终存在
直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势。
这个感应电动势是指一条支路的电动势。
2.如何计算感应电动势
要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。
元件平均电势
B为每一个磁极下的平均磁感应强度，等于每极磁通除以每极的面积tl,B=F/tl
电磁感应定律:
e=Blv
式中:
v为导体切割磁力线的线速度v=2pRn/60=2ptn/60（2pR=2pt）
n-电枢的转速（r/min）
p-极对数
t-极距
每条支路总导体数2N，则电枢感应电动势的平均值为:
E=2Ne=2NBlv=4pNFn/60如果令4pN/60=CE则
E=CEFn
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定。
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.电磁转矩的计算
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
根据电磁力定律，此处元件边所受的切线方向的电磁力为:
fx=Blia
B为每一个磁极下的平均磁感应强度，等于每极磁通除以每极的面积tl,Bdx=F/tl
2.元件边所产生电磁转矩
设电枢的直径2R，因为2pR=2pt,所以R=pt/p.
元件数为N，a为并联支路对数，则电枢表面共有元件边数为4aN，则电磁力产生的电磁转矩为:
Te=4aNfxR=4aNBdx·l·iaR=2pN Fia/p
若令CT=2pN /p,则
Te= CTFia
电磁转矩由磁场的方向和电枢电流的方向决定。
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行分析
教学目的 掌握直流电动机的励磁方式
掌握直流电动机的方程
教学重点 直流电动机的励磁方式
教学难点 直流电动机的电路方程
一、直流电动机的基本方程
在这里我们将讨论直流电动机的电压、功率和转矩的平衡方程，说明其能量关系。
（一）电枢电路电压平衡方程
1.电动机的反电势
在电机工作原理的讨论中，我们知道电枢旋转时，电枢中的载流导体割切磁力线产生感应电动势Ea=Ceφn。
这个电动势的方向与电枢电流的方向相反，抵制电枢电流的流入，故称为反电动势。
因此，电源要向电枢输入电流，就必须克服反电动势的作用，即必须使加在电枢绕组两端的电压U>Ea。
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上式表明，电枢绕组两端的电压U可分为两部分，一部分用来平衡反电动势Ea，另一部分就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
（二）功率平衡方程
（三）转矩平衡方程
直流无刷电机
使用的是直流电仅仅是没有电刷而已至于具体是靠电子线路实现了电刷的功能。
当然有些种类的直流无刷电机的机械部分和交流电机几乎一样这种类型就可以认为是先用电子线路把直流电变成交流电再通给电机
直流电机虽然是供直流电但转子内部的线圈还在交流电路的。
带电刷的直流电机是通过电刷换向。
而无刷电机是通过逆变电路把直流变成交流，然后共给线圈。
常见的是12V散热风扇等。
在电脑主机里常用。
交流电机不需要换向片（电刷）。
直流无刷电机的定子绕组是星形连接的，他的转子是永磁体做成的并且转子上有一个位置传感器用于检测转子位置反馈给控制器，控制器是直流电源，它根据位置传感器反馈的信号分别使定子绕组通电，形成旋转磁场，直流无刷电机的机械特性比较硬。
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