直流电机

什么是直流电机
直流电机的工作原理
- 直流发电机的工作原理：
- 直流电动机的工作原理
- 可逆性原理
直流电机的主要结构部件
直流电机的电枢绕组
- 基本特点
- - 并联支路对数
  - 电刷的放置
- 一些概念
直流电机的磁场
- 直流电机的空载磁场（电枢电流Ia=0）
- 直流电机的电枢磁场
- 电枢反应
- - 交轴电枢反应
- 直轴电枢反应
- 感应电动势和电磁转矩
- - 感应电动势E
  - 电磁转矩Tem
  - 电动势常数与转矩常数间关系
直流电动机的基本特性
- 基本方程
- 工作特性
- - 并励电动机
  - 串励电动机
直流发电机的基本特性
- 基本方程
- - 电动势平衡方程
  - 功率平衡方程
- 他励发电机的运行特性
- - 空载特性（负载电流=0，转速恒定时）
  - 负载特性（转速不变，负载电流不变）
  - 外特性（转速不变，励磁电流不变）
  - 调节特性（转速不变，电压不变）
- 并励发电机的自励条件
- - 自励条件
电力传动系统稳定运行条件
- 直流电动机的启动
- - 直接启动
  - 电枢回路串电阻启动
- 直流电动机的调速
- - 电枢回路串电阻调速
  - 改变励磁电流调速
  - 改变端电压调速
- 直流电动机的制动
- - 能耗制动
  - 反接制动
  - 回馈制动

什么是直流电机

直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。以良好的调速性能，运用在许多传动性能要求高的场合。

直流电机的工作原理

直流发电机的工作原理：

1.在定子绕组线圈上通入直流，产生励磁磁场
2.转子的电枢线圈在外在推力的作用下，切割磁感线，产生感应电动势
3.产生感应电流，产生制动的安培力，产生制动的电磁转矩
4.利用换向片和电刷（机械整流），把交流电转换成直流电输出。实现机械能向电能的转换。

为了降低供电电流和电压的波形脉动，增加导体，按照一定规律连接组成绕组。
在这里插入图片描述

直流电动机的工作原理

1.在定子绕组线圈通入直流，产生励磁磁场。
2.在外加直流电源的情况下，通入直流电经过电刷，换向器把直流电转换成为交流电。
3.产生交流电压，产生制动的安培力，产生驱动的电磁转矩。
4.实现电能向机械能的转换。

转速计算：3000（50hz*60s）/P（磁极对数），当磁极对数P=1时，转速为3000r/min

可逆性原理

电动机与发电机间可以相互转换，电机做发电机或是电动机运行的区别在于电流方向发生了变化。
电流自端口正极流出：发电机
电流自端口正极流入：电动机

直流电机的主要结构部件

在这里插入图片描述
定子：主磁极（铁芯+励磁绕组，以交替极性的方式均匀排列）、电刷装置、换向极、机座
转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向器

直流电机的电枢绕组

基本特点

直流电机电枢绕组分为三种类型：
1.叠绕组
2.波绕组
3.蛙绕组

并联支路对数

在直流电机中，通常用a表示并联支路对数：
单叠绕组a=p，并联支路对数等于电机极对数。
单波绕组a=1，与极对数无关。

电刷的放置

一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，也就是被电刷短路的元件中电动势为0。
单叠绕组中，放置在换向器上的几何中心线上。端接对称的元件，元件轴线，主极轴线和换向器上的几何中心线三线合一。

一些概念

虚槽：设槽内每层有u个元件边，意味着一个实槽包含了u个虚槽。实际槽数Z与虚槽数Zi满足关系：
Zi=uZ
极距：相邻两个主极间的距离。τ=Zi/2p
1.第一节距大于极距，长距
2.第一节距等于极距，整距
3.第一节距小于极距，短距

元件：构成直流电机电枢绕组的基本单元。
元件数S与换向器片数K、虚槽数Zi相等，有：
S=K=Zi

第一节距y1：从该元件的上边到下边所跨的虚槽数。且y1必须是整数：y1=Zi/2p+a=整数
第二节距y2：从该元件的下边指向相邻元件上边所跨的对应虚槽数
合成节距y：从元件的上边到另一个元件上边所跨越的虚槽数。y=y1+y2
换向器节距yk：每个元件相连的两片换向片在换向器表面的跨距。y=yk

单叠绕：y=yk=1or-1
单波绕：y=yk=（k±1）/p
其中：向右：+ 向左：-

直流电机的磁场

直流电机的空载磁场（电枢电流Ia=0）

励磁绕组通直流电产生的磁场———励磁磁场（主磁场）
空载时磁场分布是对称的
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直流电机的电枢磁场

直轴：主极中心线
交轴：N、S的分界线
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电枢反应

把电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。

交轴电枢反应

电刷在几何中心线上时，电枢磁场只有交轴分量，电机磁场由励磁磁动势和交轴磁动势共同建立。
在这里插入图片描述
交轴电枢反应对主极磁场的影响：
1.使磁场零点偏移。（原零点处在几何中性线），把实际过零点的连线成为物理中性线，物理中性线偏离几何中性线a°。对于发电机，偏移为顺电枢转向，对于电动机，偏移为逆电枢转向。
2.一半被增强，一半被削弱
2.不饱和时，每极磁通量不变
3.饱和时，（虚线所示）每极磁通量减小（去磁）

直轴电枢反应

当电刷偏离几何中性线（电流方向的分界线偏移），同时产生交轴电枢反应以及直轴电枢反应。因为直轴电枢磁场与主极轴线重合，作用只是影响每极磁通的大小。
发电机：
1.当电刷顺电枢转向，直轴电枢磁场与励磁磁场方向相反，起去磁作用，每极磁通量减小。
2.当电刷逆电枢转向，直轴电枢磁场与励磁磁场方向相同，起助磁作用，每极磁通量增大。
在这里插入图片描述

电动机：
1.当电刷逆电枢转向，直轴电枢磁场与励磁磁场方向相反，起去磁作用，每极磁通量减小。
2.当电刷顺电枢转向，直轴电枢磁场与励磁磁场方向相同，起助磁作用，每极磁通量增大。

感应电动势和电磁转矩

感应电动势E

支路中各串联元件感应电动势的代数和。
平均磁通密度Bav和气隙合成磁场的磁密分布关系图：
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电磁转矩Tem

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电动势常数与转矩常数间关系

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直流电动机的基本特性

基本方程

电枢回路总电阻Ra：绕组电阻+电刷接触电阻
P1=UI：输入电功率
P2：输出功率

Pcua=Ia^2Ra ：电枢回路的铜耗
Pcuf=If^2Rf：励磁回路中的铜耗
Pcu是可变损耗，通过改变励磁电流

Pem=EIa：电磁功率
Pfe：铁耗（转子中）
Pad：杂散损耗
Pmec：机械损耗
P0=Pfe+Pad+Pmec 称为不变损耗，也是空载损耗

Pem=P2+Pmec+Pfe+Pad
P1= P2+Pcua+Pcuf+Pmec+Pfe+Pad = P2+P损耗

工作特性

转速n，电磁转矩Tem，效率，负载P2的曲线

并励电动机

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1.P2较小，Ia较小，P0是主要部分，此时P2增大导致效率提高
2.当Pcu=P0时，效率达到最大
3.P2较大，Ia较大，Pcu是主要部分，此时P2增大导致效率降低
可以得出：负载过轻，转速过大，导致“飞速”。负载过重，电枢电流过大，超过额定电流，这时绕组温度升高，长时间过载运行，会造成绝缘老化而性能下降，直接影响电机的使用寿命，严重时会直接烧电机。