1、第16章 直流电机的作用原理三、直流电机的工作原理 旋转电枢式的直流电机旋转电枢式的直流电机 电枢旋转、磁极固定，带有换向器磁极定子电枢线圈转子旋转换向片静止电刷通过换向片，电刷1总与位于N极下的导体相连，极性为正电刷2与位于S极下的导体相连，极性为负3.1 单线圈导体的感应电势 电刷l、2间的电势e12为一含有很大脉动分量的直流电势，如单相全波整流一样。电势和电流电势和电流脉动的很大脉动的很大 3.2 两线圈串联后的合成电势 与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度，换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角度。当电枢旋转时，两个线
2、圈的感应电势在时间相位上相距90电角度 当有足够多的线圈当有足够多的线圈和换向片时，可获和换向片时，可获得稳定直流电势。得稳定直流电势。若电机每极下的导若电机每极下的导体数大于体数大于8，电势脉，电势脉动幅度可小于动幅度可小于1%直流发电机实质是带换向器的交流发电机四、直流电机的磁场和电枢反应4.1 空载时直流电机的磁场 由磁极的直流励磁电流产生，空气隙磁场不随时间变化不随时间变化，是恒定磁场；空间上，忽略极面下的齿槽效应，沿极面均匀分布沿极面均匀分布。边缘磁通空间上，非正弦分布，在导体中感应电势将包括有高次谐波。主磁通与磁极漏磁通 主磁通：产生感应电势和电磁转矩的有效磁通，产生感应电势和电磁
3、转矩的有效磁通，通过空气隙，同时键链电枢绕组和励磁绕组。磁极漏磁通磁极漏磁通：只和励磁绕组交链。磁极磁通：包括主磁通和漏磁通，k=+电枢磁通：主磁通的一半 定子磁轭磁通：磁极磁通的一半25.115.11一般为场漏系数K换向极换向极主主磁磁极极磁轭磁轭附：附：主磁路计算的基本原理1.实验方法通过空载特性或磁化曲线计算励磁电流和主磁通的关系2.计算方法磁路计算。假设全部磁通集中在一定路径上流通，则可以用路代替场。一台电机的磁化曲线仅和电机的几何尺寸以及所用的材料有关，而和电机的励磁方式无关 电机的运行性能，与磁化曲线密切相关 附.1 直流电机的主磁路 主磁路包括下列部分：磁轭、极芯、极靴、空气隙、
4、齿和电枢铁芯 将磁路分成若干段计算。假设假设：每段的材料相同，每段的几何形状规则，有相同的磁通密度；每段的平均磁场强度Hx和每段的平均长度方向lx相一致，各段磁势为Hxlx及总磁势为Hxlx 附.2 主磁通的计算1.求电机磁化曲线上的点n 设定一个主磁通n 算出流经各段磁路的磁通n 由各段尺寸及磁通算出各段的磁通密度n 根据各段磁路的磁通密度和相应材料的磁化曲线查取各段的磁场强度，计算各段磁路消耗的磁势n 各段磁势的总和即为主磁通对应的励磁磁势 2.用该磁化曲线，由主磁极磁势F0查出所产生的空载主磁通 计算出电机的磁化曲线，对应出相应磁势的磁通计算出电机的磁化曲线，对应出相应磁势的磁通 附.3
5、 各段磁势的简单分析把直流电机的磁路分成五段：空气隙，F代表两空气隙段两空气隙段所需磁势的安匝数；电枢齿，Ft代表该段两个齿高ht所需的安匝数；电枢铁芯，Fa主磁极铁芯(包括极靴)，Fm代表两个磁极段需安匝数；定子磁轭，Fy代表磁轭段所需安匝。空气隙：长度很短，但磁阻很大，总磁势的绝大部分将消耗于空气隙中。（65%以上以上）由于电枢齿槽的影响，需进行修正，取电枢齿：截面小，齿中磁密在整个磁路中最高，饱和现象最显著，消耗磁势较大。k4.2 负载时电枢电流产生的磁势 电枢反应：电枢反应：电枢磁势的存在使空气隙磁势的分布情况电枢磁势的存在使空气隙磁势的分布情况改变，使空气隙磁场分布改变改变，使空气隙
6、磁场分布改变。特点：对于一定的电枢电流，空气隙磁场仍然是一恒特点：对于一定的电枢电流，空气隙磁场仍然是一恒定磁场，即不随时间变化定磁场，即不随时间变化由于静止的电刷和运动的换向器的共同作用，电刷间连接的导体时刻在变化，但电电刷间导体电流产生的刷间导体电流产生的磁势不变磁势不变。电枢磁势和主磁极的相对位置一定。电枢磁势和主磁极的相对位置一定。比较：比较：同步电机的电枢磁势和主磁极也相对静止，但其相对位同步电机的电枢磁势和主磁极也相对静止，但其相对位置随负载功率因数而变化置随负载功率因数而变化4.2.1直流电机电枢绕组磁势波形 直流电机的电枢磁势是幅直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只值固
7、定的空间分布波，只是空间的函数是空间的函数 交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波 如沿电枢分布的线圈无限如沿电枢分布的线圈无限增多，则阶梯形波将趋近增多，则阶梯形波将趋近于于三角形波三角形波 4.2.2 电刷位置对电枢磁势的影响 电枢磁势幅值的位置恰在导体中的电流改变方向处导体通过电刷处。如电刷和位于交轴的导体相接触，则电枢磁势的轴线也在交轴；如电刷移动，电枢磁势的轴线跟着移动。直流电机的电枢磁势轴线水远位于导体中的电流改变方向直流电机的电枢磁势轴线水远位于导体中的电流改变方向处（电刷位置），且在空间是静止不动的处（电刷位置），且在空间是静止不动的。4.2.3 任意点电枢磁
8、势的计算 条件：设电枢绕组的导体数为W，极数为2p，则一个极距内的导体数为W2p。电刷电流为Ia，并联支路数为2a，则流过每一导体的电流为Ia2a ApaWIFpaWIaIpWFaaaaa21222182221线负载线负载A：沿着电枢圆周每单位长度内的电流安培数AxxFFax24.3 负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴电枢磁势位置取决于电刷位置，电刷位于交轴电刷位于交轴，电枢磁势轴线也在交轴，为交轴电枢反应交轴电枢反应。极尖处磁密最大极尖处磁密最大且由于其饱和程度的提高，且由于其饱和程度的提高，饱和影响使高峰略有下降，饱和影响使高峰略有下降，即极面下的总磁通略减小，即极面下的总磁通略减小，呈现去磁
9、作用呈现去磁作用4.3 负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴交轴电枢反应交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1.使气隙磁场发生畸变2.使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）3.磁路未饱和时，每极磁通不变4.如考虑磁路饱和的影响，则交轴电枢反应有去磁作用空载气隙磁场空载气隙磁场电枢磁场电枢磁场负载时合成磁场负载时合成磁场定义：前极尖前极尖电枢进入极面处的磁极极尖，后极尖后极尖电枢离开极面处的极尖发电机的后极尖下磁通密度增强，电动机前极尖下磁通密度增强发电机的后极尖下磁通密度增强，电动机前极尖下磁通密度增强 4.4 直轴电枢反应 如电刷顺着发电机的旋转方向顺着发电机的旋转方向或逆着电动机
10、的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷移动。在角度2范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，称为直轴电枢反应直轴电枢反应，其方向与主磁极极性相反，使主磁通减弱，呈现去磁作用。将使电枢电势减小将使电枢电势减小在角度2范围以外的导体所产生的磁势作用在交轴，为交轴电枢反应。4.4 直轴电枢反应 如电刷逆着发电机的旋转方向逆着发电机的旋转方向或顺着电动机的旋转方向移过一个角度，则电枢电流的分布随之改变，电枢磁势的轴线也随着电刷移动。在角度2范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，其方向与主磁极极性相同，呈磁化作用。将加将加剧换向的困难剧换向的困难在角度2范围以外的导
11、体所产生的磁势作用在交轴，为交轴电枢反应。削弱电枢反应负作用的措施 由于电枢反应使气隙磁场畸变而形成环火的可能性较大，须将电枢反应尽可能地予以补偿，以防止发生环火。装置补偿绕组补偿绕组，使其产生的磁势适能抵消电枢反应电势 补偿绕组的电流分布和电枢绕组各对应点的电流分布大小相等、方向相反；交轴附近的电枢磁势将由换向极磁势来补偿。补偿绕组和换向极绕组应和电枢绕组串联。简单分析设电枢磁势的每极安匝数为Fa则直轴电枢磁势的幅值为交轴电枢磁势的幅值为AFFaad2212AFFaaqaqdadffFFFF0 交轴电枢磁势的去磁作用交轴电枢磁势的去磁作用，用等效直轴去磁安匝Faqd表示，与磁路的饱和程度有关
12、，近似与电枢电流成正比。有效的励磁磁势为例16-1：分析电枢反应的等效去磁 由电枢回路电压方程，求得 利用插值法，在空载特性上，求得对应的有效激磁电流为 已知实际的额定励磁电流为 2.85 则交轴电枢反应的等效激磁电流为VrIUEaaNNaN5.242AIf43.22402582405.24238.274.238.20AIIIffNf43.285.20思考题1.为什么说直流电机的空气隙磁场是恒定磁场？2.设电刷位于交轴，试默绘直流电机的空载磁势分布曲线B0(x)、空载磁场分布曲线Fa(x)、电枢磁势分布曲线Fa(x)、电枢磁场分布曲线Ba(x)和合成磁场分布曲线B(x)五、电枢绕组的感应电动势
13、五、电枢绕组的感应电势 电枢绕组的感应电势电枢绕组的感应电势每一并联支路的电势，电机正、负电刷之间的电势。大小：大小：位于电刷之间固定位置的各个导体的感应电势之和 假设电枢导体是连续均匀分布的，则电势为恒定的直流电势 5.1 电枢绕组的感应电势 设电枢总导体数为N，有2a条并联支路，则每一支路中的串联导体为N2a 电刷间的感应电势为每一支路中的串联导体的感应电势之和 avaNjjaeaNeE221nCnNapEanpnplBlvBenpnDvvlBeavavavaav6060260260260则，运动线速度为导体有效长度为，假设平均磁密为5.1 电枢绕组的感应电势直流电机的感应电势与每极磁通量
14、及转速有关。如将每极磁通量保持不变，直流电机的感应电势将和转速成正比。如将转速保持不变，直流电机的感应电势将和每极磁通量成正比。电刷间的感应电势仅和极面下的总磁通量有关，而和极面下磁通密度的分布情况无关 n 电刷在交轴，如果移动电刷位置，则支路中一部分导体的感应电势将因方向相反而互相抵消，导致电刷间电势Ea的减小。n根据负载时的每极磁通，计算负载时感应电势Ea。n当负载时，由于电枢回路的电阻电压降，直流发电机电刷间的端电压U比负载时的电刷电势Ea小 磁通导体间包括的每极有效为相邻两电刷所连接的nCEea解释电刷位置偏移对电势的影响电刷偏移后，极面下电刷间包含的磁通量减小5.2 直流发电机的平衡
15、方程式并励发电机IaILfLaIIIUrIUEaaa2U每一电刷的接触电压降电刷接触电阻随电流的增大而减小，通常假定为常数，当用石墨电刷或碳石墨电刷时，取为1V 电压平衡式电压平衡式5.2 直流发电机的平衡方程式并励发电机IaIL功率平衡式功率平衡式bafaaafLaaMpppPUIrIUIUIIEP222电磁功率输入功率pppPPFemecM1空载损耗空载损耗负载损耗负载损耗ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。附加损耗产生附加损耗产生P 的原因的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额
16、外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗5.3 直流电动机的平衡方程式 IaIIa电压平衡式UIIUEaaa2电流平衡式（并励时）faIII5.3 直流电动机的平衡方程式 IaIIa功率平衡式（并励时）)()2(221pppPPppUIUIrIUIIEPpUIUIUIUIPFemecMbaaaaaaaaMfafa输出机械功率电磁功率输入电功率并励回路损耗电枢回路铜损电刷接触电损耗机械损耗铁损耗杂散损耗六、电枢绕组的电磁转矩六、电枢绕组的电磁转矩设流过电刷的电流为Ia电枢导体中的电流是Ia2a设电枢直径为Da，电枢导体的有效长度为l电枢总的电磁转矩 aaavaaavava
17、ajajjajjIappaIlBDaIlBTDaIlBDFTaIlBF2222222222aTavNjjICNTTT16.1 直流发电机的转矩平衡并励发电机IaIL转矩平衡式输入机械转矩11PT电磁转矩电磁转矩aTaaaMICInnNapIEPT6026001TTT6.2 直流电动机的转矩平衡 IaIIa转矩平衡式02TTTaaaMIapNIEPT222PTpppTFemec0思考题 16-12 电刷之间的感应电势与某一导体的感应电势有什么不同 各种数量之间的相互关系：导体总数、换向片数、元件数、圈边数、槽数、每元件匝数、每一槽中并列圈边数 思考题 16-6 一台六极电机原为单波绕组，加改绕成
18、单叠绕组，并保持元件数、导体数、每元件匝数、每槽并列圈边数不变，问该电机的额定容量要不要改变不要改变?其它额定量要不要改变要改变 答：单波时，并联支路数恒为2，设导体额定电流为I，则电刷的电流为2I；电刷间感应电势为Ea=E2。单叠时，并联支路数等于极数，2a=2p=6，则电刷的电流为6I；电刷间电势为Ea=E6=E2/3。nCnNapEea60思考题 16-7 有一四极直流电机，电枢为单叠绕组，如发生以下故障：（1）有一主磁极失磁；（2）有一对相邻电刷跌落试分析电机会发生什么现象？作业 16-2单波绕组，并联支路数2a=2 16-3单叠绕组，并联支路数2a=2p 16-10 16-11加强加强：16-8 16-9
