《电机及其拖动》-直流电机优质PPT.ppt

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,要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩,关键在于当线圈这边在不同极性的磁极下时,如何将流过线圈中的电流的方向及时地加以转换。

换句话说，尽管电枢在转动，但处于同一磁极下的线圈边中电流方向应始终不变，即进行所谓的“换向”。

换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在电机轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。

线圈的a边与b边分别接在换向器的两个换向片上，换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷相接触。

通过电刷将电流输入线圈。

（二）直流发电机的工作原理,用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。

由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势确是直流电动势。

一台直流电机作为电动机运行在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；

作为发动机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。

二、直流电机的结构,直流电机剖面图,1换向器2电刷装置3机座4主磁极5换向极6端盖7风扇8电枢绕组9电枢铁心,直流电机的主要结构,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,定子的主要作用是产生磁场,转子又称为“电枢”,作用是产生电磁转矩和感应电动势,要实现机电能量转换，电路和磁路之间必须在相对运动，所以旋转电机必须具备静止的和转动的两大部分，且静止和转动部分之间要有一定的间隙（称为：

气隙）,

（一）直流电机的静止部分,1、主磁极,2、换向极,1主磁极铁心2励磁绕组3机座,1换向极铁心2换向极绕组,3、机座用来固定主磁极、换向极和端盖；

另外，又作为磁路的一部分。

（二）直流电机的转动部分,4、电刷装置,1刷握2电刷3压紧弹簧4铜丝辫,1、电枢铁心,a）电枢铁心冲片b）电枢铁心,2、电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。

1槽楔2线圈绝缘3导体4层间绝缘5槽绝缘6槽底绝缘,电枢槽内的绝缘,3、换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。

1换向片2连接片,第二节直流电机的铭牌数据,直流电机的额定值有：

1、额定功率PN（kW）2、额定电压UN（V）3、额定电流IN（A）4、额定转速nN（r/min）5、额定励磁电压UfN（V）,在额定工况下，电机出线端的平均电压,发电机：

是指输出额定电压；

电动机：

是指输入额定电压。

在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流,在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速,对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。

电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。

电机的运行电流小于额定电流欠载运行；

运行电流大于额定电流过载运行。

长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。

电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。

第三节直流电机的绕组,从直流电机的工作原理可知,直流电机必须具有能在磁场里转动的线圈。

线圈中通过电流，产生电磁转矩，使线圈在磁场里转动，于是在线圈中感应产生反电势，吸收电功率，实现将电能转换为机械能。

这种能在磁场中转动的线圈是实现机电能量转换的枢纽，所以直流电机的转子称为电枢,在电机中，电枢表面上均匀分布的槽内嵌放着许多线圈，这些线圈按一定规律连接起来，构成直流电机的电枢绕组。

第三节直流电机的绕组,一、简单的绕组,1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈,右图只是说明原理的示意图。

它的缺点是：

随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。

这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。

解决办法：

用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。

每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。

共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。

从电刷外端看去，4个线圈的8个线圈边构成了两条并联支路。

由电刷将它们并联起来。

正1234负正8765负,沿线圈边6、7的中间切开，并展开成平面的连接图，如下,绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上，它是绕组的一个单元,称为元件。

直流电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组，这是直流电机电枢绕组构成的原则。

当电枢逆时针方向转过45时，线圈边分别为1、2和5、6的两个线圈却被电刷短路了。

但这也不要紧，因为在短路的瞬间，该线圈的线圈边位于两磁极之间的磁密最小处，所感应的电动势最小或为零。

所以按上述方法联接线圈，电枢旋转时，虽然组成每条支路的线圈边在轮换，但并联的支路数保持不变，每条支路的串联线圈边数也不变。

为了使一个元件的两个有效边（切割磁场的边）中所感应产生的电动势大小相等或相差不多，而且对一个元件回路来说，两个线圈边中的电动势是叠加的，要使元件中的电动势尽可能大一些，那么元件的跨距（元件边间的距离）应等于或接近于一个极距（每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长）。

二、绕组的基本形式,直流电机电枢绕组的基本形式有两种：

一种叫单叠绕组，另一种叫单波绕组。

在实际电机中，为了使元件端接部分平整地排列，每个槽中的元件边分上下两层叠放。

一个元件边放在一个槽的上层，另一个元件边放在另一个槽的下层。

元件边在槽内的放置情况1.上层元件边2.后端接部分3.下层元件边4.首端接部分,

（一）单叠绕组,单叠绕组的特点：

元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。

单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。

最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。

元件的跨距：

上层元件边与下层元件边的距离称为跨距,元件跨距称为第一节距y1（用所跨的槽数计算）。

一般要求元件的跨距等于电机的极距。

上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向器节距yc（用换向片数计算）。

右上图中，跨距为4槽。

举例分析单叠绕组的特点和支路组成：

一台直流电动机的绕组数据为：

极对数p=2，槽数Q=16，元件数S等于换向片数K,都等于16，取元件跨距为4槽，即y1=4,元件两端子所连换向片之间的距离为换向器节距yc=1。

画绕组展开图。

绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿（如以第16槽与第1槽间的1个齿）中间切开，并展开成平面的连接图。

说明：

3、为了便于说明问题，将元件、槽和换向片按顺序编号，编号时元件的号码、元件上层边所放槽的号码以及上层边连接的换向片的号码应编得一致。

可以清楚地看出，绕组如何从1号换向片出发，绕经1号槽内1号元件上层边，依次绕过16个元件和16个换向片。

又回到1号换向片，形成一个闭合回路。

4、用元件连接顺序表表示绕组的连接顺序。

1、展开图上箭头的方向表示电磁转矩的方向，对于电动机，这个方向也是电枢旋转方向。

2、每个电刷都放在磁极轴线下方的位置上。

绕组连接表与展开图,根据电刷之间元件的连接顺序，可画出相应的电枢绕组电路图。

从电刷外面看绕组时，电枢绕组由4条并联支路组成。

凡上层边处在同一个磁极下的元件,其中的电流方向相同,串联起来通过电刷构成一条支路。

被电刷短路的元件其元件边处于两相邻磁极间的几何中心性线上，由于该处磁极磁场的磁密等于零或最小，元件中电动势亦等于零或很小。

此时这些元件不参加组成支路（被电刷短路）。

讨论：

1、单叠绕组的支路数等于电机的极数。

a=pa:

支路对数；

p：

磁极对数,2、对于元件端接部分对称的绕组，为了保证在电机作电动机运行时，每个磁极下两元件边中电流相同，使电动机能产生最大电磁转矩，作发电机运行时，能使每条支路的感应电动势最大，电刷必须固定在磁极轴线下的换向片上，且各电刷在换向器表面距离相等。

3、单叠绕组的支路是由电刷引出的，所以电刷数目必须等于支路数，也就是等于极数。

（二）单波绕组,单波绕组不是把元件依次串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。

这种绕组连接的特点是元件两出线端所连的换向片相隔较远，相串联的两元件也相隔较远。

顺着串联元件绕电枢一周以后，元件的末端不能与起始元件上层元件边所连的换向片相连，而必须与其相邻的换向片相连。

单波绕组连接特点：

绕组绕电枢一周后，经过p对磁极，就有p个元件串联起来，每个元件在换向器上跨过了yc换向片，所以总的所跨过换向片数为pyc个，这是单波绕组绕电枢一周后所跨越换向片数的计数的一个方面。

绕组绕过一周以后，须连接到起换向片的后（或前）一个换向片，若总的换向片数为K，则这个换向片正是第K-1（或K+1）。

所以：

因为换相器节矩yc必须是整数，所以，如果极对数是偶数，则换向片数必须是奇数。

单波绕组展开图,单波绕组元件连接顺序表,举例分析单波绕组的特点和支路组成：

极对数p=2，槽数Q=15；

元件数S等于换向片数K，均为15，即Q=S=K=15；

取元件跨距为3个槽，即y1=3，则元件两出线端所连换向片之间距离，yc=（K-1）/p=（15-1）/2=7,本例中元件跨距之所以取3，是因为一个元件的元件边所跨的槽数必须是整数，如果按极矩考虑，一个极矩应跨槽，本例取3，说明元件的节距小于一个极距。

按照单叠绕组编号的方法，将元件、槽以及换向片进行编号。

电刷也放置在磁极轴线上，数目也是4个。

但短路元件数不等于电刷数。

从绕组图看，元件5、12被两个正极性电刷所短路，元件1、8、9被两个负极性的电刷所短路。

元件15、7、14、6、13串联，构成一条支路。

元件4、11、3、10、2串联，构成另一条支路。

单波绕组电路图,讨论：

1、单波绕组的支路对数总等于1与磁极对数无关，。

2、由于单波绕组元件端接部分也是对称的，和单叠绕组一样，电刷必须放在磁极轴线下的换向片上。

3、单波绕组的电刷对数也等于磁极对数。

从绕组电路图上看，单波绕组不论其磁极对数多少，支路数都只有两条，仅需一对电刷，但如果这样通过电刷上的电流便增大，就需要增大电刷与换向器的接触面积，所以一般单波绕组的电刷对数还是等于磁极对数。

直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。

各种绕组的差别主要在于它们的并联支路，支路数多，相应地组成每条支路的串联元件数就少。

原则上，电流较大，电压较低的直流电机多采用叠绕组；

电流较小，电压较高，就采用支路较少而每条支路串联元件较多的波绕组。

所以大中容量直流电机多采用叠绕组，而中小型电机采用波绕组。

单叠绕组展开图与单波绕组展开图对比,单叠绕组元件连接顺序表与单波绕组元件连接顺序表对比,单叠绕组电路图与单波绕组电路图对比,第四节直流电机的励磁方式及磁场,一、直流电机的励磁方式,1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。

2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。

3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。

4、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与