直流电机.docx
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直流电机
一、直流电机
电枢铁锌、电枢线圈和换向器构成的整体成为电枢。
下图是工作原理，实际上直流电机的电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使得电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。
直流发电机的原理正是这个的逆过程。
所以直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种现象称为电机的可逆原理。
直流电机是由定子和转子组成的，定子是提供磁场的，转子是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。
电机的功率计算公式是：
如果电机的电流小于额定值，称为欠载运行，电机利用不充分，效率低；如果电流大于额定电流，称为过载运行，容易烧坏电机。
直流电机的定子部分包括：
1.主磁极：
其下部有扩宽的极靴，极靴宽于极身，既可以使气隙中磁场分布比较理想，又便于固定励磁绕组，励磁绕组用绝缘铜线绕制而成。
2.
换向极：
两个相邻的主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极，换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。
换向极用绝缘导线绕制而成，换向极的数目与主磁极的数目相等。
3.机座：
起到固定和支撑的作用，也是磁路的一部分，一次材料一般用铸钢件或者钢板焊接而成。
4.电刷装置：
用于引入或者引出直流电，电刷数目等于极数。
转子部分包括：
1.电枢铁心：
是主磁路的主要部分，同时用于嵌放电枢绕组，为了降低电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，用0.5mm的硅钢片叠压而成，外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
2.电枢绕组：
产生电磁转矩和感应电动势的部件，用绝缘线绕在电枢槽内，外面用槽楔固定，防止在离心力的作用下被甩出。
3.
换向器：
由换向片组成，换向片之间用云母片绝缘，换向器随着电枢绕组一块转动，也就是产生的感应电动势是交变的，但是由于用弹簧片压在换向器上的电刷是不转动的，所以引出的电动势是方向不变的。
4.转轴：
对转子起到支撑的作用。
电枢绕组的“元件”与“节距”：
电枢绕组的一个线圈就成为“元件”，每个元件有两个有效边（产生转矩或者电动势）嵌放在电枢槽中，称为元件边，元件边以为的部分称为端接部分，为了便于嵌线，每一个元件的一个元件边嵌放在某一个槽的上层，他的另一个元件边嵌放在另一个槽的下层，每个元件有两个出线端，称为首端和末端，均与换向片连接。
每一个元件有两个元件边，每片换向器又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S等于换向片数K，即S=K；又因为每个电枢槽内嵌放着两个不同元件的上、下元件边，所以元件数S又等于槽数Z，即S=K=Z。
电枢绕组的“节距”：
1.第一节距：
Y1同一个元件的两个边在电枢圆周上所跨的距离，用槽数表示就是第一节距Y1，一个磁极在电枢圆周上所跨的距离成为极距t，用槽数表示是：
t=Z/2p，p是磁极对数，Z是电枢槽数。
为使感应电动势最大，第一节距Y1应该等于一个极距t，但是极距不一定是整数，而Y1必须是整数，所以Y1=t-e（e小于1），不取t+e的目的是，Y1t效果相同，但是当Y1>t时，端接部分就比较长，耗钢多，一般不用。
2.第二节距：
第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距离，用槽数表示成为第二节距Y2。
3.合成节距：
直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示就是合成节距Y3。
4.换向器节距：
每个元件的首末端所接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数表示成为换向节距，他等于合成节距。
单叠绕组：
后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上，这种绕组称为叠绕组，当叠绕组的换向器节距=1时，成为单叠绕组。
单波绕组：
首末两端之间的距离接近与两个极距，两个元件串联起来形成波浪，故称波绕组。
直流电机不带负载运行时成为空载运行，空载运行的电枢电流为零或者接近于零，所以空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场，也称为主磁场。
主磁通和漏磁通：
当励磁绕组通上励磁电流后，产生的磁通大部分由N极出来，经过气隙进入电枢齿，通过电枢铁心到达S极，再经过机座形成闭合回路。
这部分同时与励磁绕组和电枢绕组相连的磁通称为主磁通。
另外有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻的磁极或定子形成回路，这部分磁通称为漏磁通，因为漏磁通的路径主要是空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只占主磁通的20%左右。
空载磁化特性：
直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通，电机空载运行时，每极磁通与励磁电流的关系就叫空载磁化特性。
由于主磁路中有4部分是铁性材料，而铁性材料有磁饱和的现象，所以空载磁化特性也有饱和的现象，为了充分利用磁性材料，又不致使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分（图中A点）。
其磁密度分布曲线是个礼帽形的。
当电枢通电后，因为电枢磁场的影响，使得气隙磁密度分布产生畸形，半个极磁密增加，半个极的磁密减小，但是由于磁饱和的原因，磁密增加量要小于减小量，这就使得整个磁极的磁通减小。
电枢绕组的感应电动势：
电枢绕组切割磁感线产生感应电动势，由于气隙中的磁场分布不是均匀的，所以感应电动势也是大小变化的，为了分析方便，磁场强度取一个平均值B。
电枢感应电动势：
E=C1*ø*n。
C1是电机的电动势常数，出厂就已经确定；ø是每极磁通；n是电枢的转速。
电磁转矩：
T=C2*ø*I。
C2是电机转矩常数，出厂就已经确定；ø是每极磁通；I是电枢电流。
对于同一台电机来说：
C2=9.55*C1。
励磁绕组分为：
他励、并励、串励、复励。
见下图
1.他励：
励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，永磁直流电机也属于他励直流电机，因为其励磁磁场与电枢电流无关。
2.并励：
励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢绕组端电压，以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1——5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。
3.串励：
励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数少。
4.复励：
每个主磁极上套有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组，一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，两个绕组产生的磁动势方向相同称为积复励，方向相反称为差复励，通常采用积复励。
现在介绍一下他励直流电动机：
1.电压平衡方程：
U=E+I*R。
R是电枢的电阻，E是点数的感应电动势，此式表明直流电动机在运行状态下的电枢电动势E总小于两端电压U。
2.转矩平衡方程：
总的拖动转矩=负载转矩+摩擦转矩。
3.功率平衡方程：
电动机从电源输入功率=电磁功率+电枢铜损。
电磁功率=3.14*2*M*w/60。
并励直流电机的工作特性：
工作特性指的是电动机的端电压在额定电压U，励磁电流在额定电流I，电枢回路不加电阻时，转速n、电磁转矩M、效率分别于电枢电流I之间的关系。
1.转速特性：
把把感应电动势E=C1*ø*n带入电压平衡方程得：
U=C1*ø*n+I*R1——>
当电枢电流增大到一定值时，考虑到电枢电流的去磁作用，ø会减小，因而特性曲线出现上翘的现象。
2.转矩特性：
当加到电枢上的U不变，励磁电流不变的时候，电磁转矩T=C2*ø*I与电枢电流I成正比关系，所以特性曲线开始时是一个过原点的直线，如果考虑到电枢反应的去磁作用，当电枢电流I大到一定值时，ø减小，所以曲线有所下降。
3.
效率特性：
当加到电枢上的U不变，励磁电流不变的时候，上式中总共有四个损耗，第一个是铁损耗，他是在电机旋转时切割气隙磁场而引起的涡流损耗与磁滞损耗，其大小决定于气隙磁密与转速；第二个是机械摩擦损耗；第三个是励磁绕组的铜损耗，由于加在励磁绕组的电压和电流都不变，所以前三个损耗都是不变的。
第四个损耗是电枢绕组的铜损耗，这个损耗与电枢电流的平方成正比，这个是可变损耗。
当电枢电流从零开始增加时，可变损耗增加缓慢，效率明显上升，忽略分母中的电枢电流时，由导数可以求得当：
可变损耗等于不变损耗时，效率达到最大值，当电流再增大，效率就会减小。
一般电动机的负载在额定负载的75%左右时效率最高。
串励直流电动机的工作特性：
在串励直流电动机中，电枢电流和励磁电流是相等的。
1.转速特性：
根据公式U=E+I*R2——>
式中R2是电动机的励磁电阻和电枢电阻的和；E是感应电动势；U是加在两端的电压。
因为ø是I的一次函数，所以化简后：
也就是说转速在磁饱和前期与电流成反函数关系，呈双曲线形式，但是当I继续增大的时候，由于有磁饱和现象，所以ø将不变，这时的转速特性便于并励电机一样，呈直线函数，向下斜的。
由表达式可以看出，当电枢电流I很小或者接近零的时候，转速理论上是无穷大的，导致转子烧坏，因此串励直流电机不允许空载、轻载运行。
2.
转矩特性：
根据公式T=C2*ø*I，再加上ø是I的一次函数，所以转矩T在磁饱和前期与电流I的平方成正比，这一特性使得串励直流电动机在同样的电流限值（一般是额定电流的2倍）下具有比他励、并励直流电机大得多的启动转矩和最大转矩，适用于启动能力或者过载能力要求较高的场合。
3.效率特性：
串励直流电动机与并励直流电动机的效率特性基本相同。
复励直流电动机的工作特性：
复励直流电动机一般采用积复励（与励磁绕组串联和并联的两个线圈产生的感应电动势方向相同）。
其转速特性介于并励电动机和串励电动机之间，主要取决于并励绕组和串励绕组哪个感应电动势大。
一般来说复励直流电动机既具有较高的启动能力和过载能力，也可以允许轻载或空载运行。
直流电动机的换向：
拿单叠绕组进行说明：
刚开始换向时，电刷在换向片1上，元件1位于电刷的右边一条支路，电流为+I，当电枢继续转动，电刷位于换向片1和2的交界处，这时元件1被短路，当继续转动，电刷与换向片2完全接触，电流为-I，这表明1号元件换向完成，这一个换向周期大约只有千分之几秒甚至更短的时间，如果换向不良会产生火花。
直线换向、延迟换向和电磁火花：
1.
直线换向：
就是指元件1中的电流从+I均匀的变为-I，是一条直线变化。
这种是理想情况下，不产生火花。
2.延时换向：
实际换向过程中，元件1会产生自感电动势e1，一般的换向过程要经过2——3个换向片完成，因而相邻的几个元件同时进行换向，由于互感作用，换向元件中也会产生互感电动势e2，e1和e2和起来并成为电抗电动势。
根据楞次定律，电抗电动势总是阻碍电流变化的。
由于电枢电流自身也会产生磁场，换向元件切割这部分磁场也会产生电动势，这个电动势称为旋转电动势，也称为电枢反应电动势，这个电动势也是阻碍换向元件中电流的减小。
3.电抗电动势和电枢反应电动势方向相同，合起来阻止换向元件中电流的减小，使得换向电流的变化延迟，这种情况称为延迟换向。
这两个电动势合起来在换向元件中产生一个附加电流。
也就是说当换向元件在换向结束的瞬间，附加换向电流≠0，也就是在换向元件中还纯在能量，这个能量便会以弧光放电的形式释放出来，这种由电磁原因产生的火花称为电磁性火花。
大电流、高转速时电磁火花大。
4.产生火花的原因还有：
机械摩擦，化学反应难以形成氧化亚铜薄膜有关。
但是以电磁性火花为主
改善换向：
1.增大电刷与换向片之间的接触电阻，但是接触电阻一旦增大，接触压降就会增大，电能消耗也大，发热厉害。
2.
装设换向极：
在两个相邻的磁极的中间设置换向极，他的作用是使电枢在换向区产生磁动势，抵消换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。
使得换向元件中的合成电动势为零，换向过程为直线换向或者接近直线换向。
电动机：
换向极的极性应与顺电枢旋转反向下一个主磁极极性相反。
发电机：
换向极的极性应与顺电枢旋转方向下一个主磁极极性相同。
因为电枢反应电动势和电抗电动势和电枢电流成正比，为使换向极磁动势在电枢电流随负载变化时，都能抵消电枢反应电动势和电抗电动势，换向极应该与电枢线圈串联。
功率在1KW以上的直流电机一般都装有与主磁极数目相等的换向极。
3.环火及补偿装置：
产生原因：
电枢反应使气隙磁场发生畸变，当负载较大时，气隙磁密分布会严重畸变，元件边处于磁密最大位置的元件感应电动势很大，相应的换向片的电位差就会很大，当达到一定值后就会使换向片之间的空气电离击穿，产生电位差火花，在换向不利的情况下，这种电位差火花会和电刷与换向器之间的火花连成一片，形成跨越正负电刷之间的电弧，使得整个换向器被一圈火包围，这就是“环火”。
轻则烧坏换向器，重则烧坏电枢绕组。
防止措施：
产生环火的主要原因是电枢磁动势使得气隙磁场发生了畸变，消除环火就得消除这个畸变，有效的办法是在磁极上装置补偿绕组，主磁极极靴上开有均匀分布的槽，槽内嵌放补偿绕组，为了使补偿绕组在电枢电流变化的情况下仍能消除电枢反应，补偿绕组应与电枢绕组串联。
这样会提高电机的成本，所以只适用于负载变化剧烈、换向比较困难的大、中型电机。
二、直流电机的电力拖动
电机拖动的运动方程：
1.直线运动：
F1-F2=m*a——式中a是加速度
2.
旋转运动方程：
T1-T2=J*角加速度——J是转动惯量J=m*r^2
——>
其中GD*D被称为飞轮矩，这个可以从相应的产品目录中查到，但是大多数单位是Kgm^2，因此要乘以9.8才是Nm^2。
工作机构中转矩、力、飞轮矩、质量的折算：
在实际工作中，一般电机传动都是多轴系统，为了分析方便，都看成一个等效负载折算到电机轴上。
折算的原则是保持传递的功率和系统存储的动能不变，折算的方法是以电动机轴作为折算对象，把工作机构转矩、系统中各轴（电动机轴除外）的飞轮矩、直线运动部分的质量和直线运动的负载力都折算到电机主轴上。
1.旋转运动：
功率P=T*w或者P=3.14*T*n/30。
当作为电动机时：
当作发电机时：
也就是说当作为电动机时，电动机轴上的功率应大于机构所需的功率；当作为发电机时，传到电动机轴上的功率小于机构所提供的功率。
这个比值就是效率，总的效率等于各级传动效率的乘积。
飞轮矩的折算：
根据系统存储的动能不变的原则
式中=左边是折算到电动机轴上的等效飞轮矩，=右边第一个是电动机轴的飞轮矩，中间的是各级轴的飞轮矩除以各级减速比的平方，最右边的是工作机构的飞轮矩。
由于飞轮矩的折算值与速比的平方成反比，所以一般情况下传动轴和工作机构的飞轮矩折算到电机轴上后的数值不大，总的飞轮矩中电动机本身的飞轮矩占主要部分，这个值在产品说明书上可以查到，在实际中，采用经验公式：
式中那个系数一般取0.2——0.3。
等效飞轮矩也就是1.3倍的电动机轴的飞轮矩。
2.工作机构平移运动时：
P=F*v，这是负载的所需的功率
根据折算前后功率不变的原则：
T1*w=P，——>T1=F*v/w——>T1=9.55*F*v/n。
折算到电动机轴上的负载转矩：
T2=T2/效率。
飞轮矩的折算：
3.工作机构做升降运动：
折算到电动机轴上的负载转矩与上一种同样的分析方法：
提升运动：
下降运动：
从上面可以看出，提升时的传动效率和下降时的传动效率是不同的，根据提升和下降过程中的功率损耗相等可以推出：
此式表明，如果在空载或者轻载提升时的效率<0.5时，那么等号左边的那个效率就小于零，说明此时工作机的功率不足以克服传动机构的功率损耗，电动机仍工作在电动状态，输出功率与工作机构共同承担传动损耗，电梯空载下放时就是这种工况。
飞轮矩的折算与平移运动相同，就是把那个力F换成重力G。
他励直流电动机的机械特性：
电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T的关系n=f（T），这个关系式与运动方程T1-T2=GD*D*a/375）（a是角加速度）联系起来，就可以对电力拖动系统的稳态运行和动态过程进行分析计算。
机械特性方程：
根据E=C1*ø*n、U=E+I*R、T=C2*ø*I
（I是电枢电流，R是电枢电阻）
推出n=U/（C1*ø）-T*R/（C1*C2*ø*ø）
当T=0时，n=U/（C1*ø）称为理想空载转速，R/（C1*C2*ø*ø）称为机械特性斜率
从表达式中可以看出：
1.他励直流电动机在理想空载的情况下，转速与电压U成正比，与每极磁通ø成反比；2.当电枢回路中的总电阻和每极磁通ø不变的时候，机械特性斜率也就不变。
当电机在额定工况下工作时转速降n1=n-n2=T*R/（C1*C2*ø*ø）——（n是空载理想转速，n2是额定工况转速），额定转速变化率=n1/n2，中小型他励直流电动机的这个数值一般为（5——10）%。
人为特性：
当使用他励直流电动机时，有时候其固有机械特性不能满足要求，可以改变电枢电压U、每极磁通ø、电枢总电阻R，来获得想要的机械特性。
1.电枢回路中串接电阻时：
特性斜率绝对值就会变大，向下斜的厉害。
2.降低电枢两端的电压时：
理想空载转速n就会下降，但是特性斜率不变。
3.减弱每极磁通（减小励磁电流）时：
理想空载转速会上升，机械特性绝对值回变大,一般磁通都已经饱和了，所以每极磁通只能在原来的基础上减小，不能增加。
电枢回路的电阻R=（0.03——0.07）*U/I，U和I都是额定电压和额定电流。
或者R=（1/3——1/2）*（U*I-P）/I^2，这个是根据功率平衡推出来的公式。
他励直流电机的启动：
电动机接通电源，由静止状态开始加速到某一稳定转速的过程称为启动过程，如果不能正确启动，直流电机便无法正常运行，甚至烧坏电机。
他励直流电机的启动条件：
1.启动过程中启动转矩T要足够大，要有角加速度，且启动时间越短越好，以提高生产效率；2.启动电枢电流I不能太大，否则会使换向困难，产生强烈的火花，损坏电机，产生转矩冲击，损坏传动机构。
3.启动设备与控制装置简单、可靠、经济、操作方便。
由直流电动机的转矩公式T=C2*ø*I，可知为使T较大而I又不至太大，首先单极磁通ø必须大，也就是励磁电流必须达到额定值。
如果启动的时候将电枢的额定电压直接加到电枢两端，称为直接启动，由于启动的初始时刻n=0，电枢电动势E=C1*ø*n=0，忽略电枢回路中电感的作用时，可以得到电流的初始值：
I=（U-E）/R=U/R。
电枢的阻值R=（0.03——0.07）*U/I，根据这两个公式可以推出直接启动时，电流的初始值是额定电流的10——30倍，远远超出一般电机换向条件、转矩冲击、绕组发烧等因素要求的2倍这一规定，所以只有功率很小的家用电器才允许直接启动，工业用他励直流电机则不允许直接启动。
为限制启动电流过大，一是降低启动电枢电压，二是启动时串接附加电阻到电枢绕组。
电枢回路串接电阻分级启动：
启动过程中逐渐短路r3、r2、r1，启动路线是abcdefg，这样就完成了分级启动。
其中在b点短路r3，在d点短路r2，在f点短路r1。
机械特性的绘制与附加电阻的计算：
图解解析法
1.首先绘制出电机的固有机械特性；
2.预选启动级数，左图选的启动级数m=3；
3.确定两个电流，一是启动过程中的最大电流I1=（1.5——2）I额定，本例中取2I；二是预选切换电流I2=（1.2——1.5）I额定，本例中取1.2I；
4.过I1和I2各作一条垂直横轴的虚线，I1与横坐标轴交与a点，连接得到n0——a，得到当串接所有启动电阻时的机械特性。
这条线与I2作的虚线交与b点，过b点作水平线，交另一条虚线与c点，再连接n0——c，得到串接r1、r2时的机械特性。
就这样依此类推，知道与电机的固有机械特性曲线交与g点。
根据转速降公式n=R*I/（C1*ø），可知，当ø是额定值时，同一电流下转速降与电枢回路总电阻成正比。
在电机的固有机械特性时转速降是gh，在上图中，电流都是额定电流，电枢回路总电阻为R3、R2、R1时，认为机械特性的转速降分别是ah、ch、eh。
因此得到下面的关系式：
量出各段线段的长度可以导出r1、r2、r3的值：
解析法：
在上图中，从特性n0ba的b点转换到n0dc的c点时，由于机械惯性，b点和c点的转速相同，因此，Eb=Ec，忽略电感影响时，在b点：
I2=（U-Eb）/R3。
在c点：
I1=（U-Ec）/R2。
两式相比：
I1/I2=R3/R2。
同理从d点转换到e点，从f点转换到g点时：
I1/I2=R2/R1
I1/I2=R1/R0（R0是电枢绕组的本身的电阻）。
于是：
根据上面的公式，有两种结果：
1.启动级数m已定，则选择适当的I1，算出Rm=U/I1，将Rm，m及Ra的数值带入公式算出λ值，再按照I2=I1/λ，计算出I2，这样就可以算出各级电阻值，如果I2过大或者过小，说明级数m应加以调整，I2过大，应适当减小级数。
2.启动级数m未定，则先选定I1、I2，这样，先计算出λ=I1/I2、Rm=U/I1，则可以根据公式计算出m，m值不为整数时，取为相近的整数作为选定的m值，再将此m值代入公式，修正λ，进而修正I2，然后再算出各级电阻。
他励直流电动机的过渡过程：
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