电机及拖动基础第二章.ppt

第2章 直流电机的工作原理和主要结构   模型中，当有外力带动电枢转动时，线圈边切割气隙磁场磁力线，将产生感应电动势。产生外力的设备机械称为原动机。设转子逆时针方向做匀速旋转，ab边在N极下感应电动势方向通过右手定则判定出为由b指向a；dc边在S极下，感应电动势方向为由d指向c。当转子逆时针转过180o时，导体ab和dc中感应电动势方向互换。（右手定则判定方法：磁力线垂直穿过右手掌心，拇指指向导体运动方向，其他四指指向即是感应电动势方向），线圈边感应电动势e的大小为 （2-1） 式中 BX—导体所在处的磁通密度； L—与极长相同，切割磁力线能感应电动势的导体有效长度； v—线圈转动的线速度。 由于导体随电枢旋转，转子每转过一周，导体移过一对磁极，导体边ab和dc中的电动势互换一次方向，或者说导体中的电动势是交变的。 对于线圈abcd来说，N极下和S极下线圈边的电动势大小相等，方向相反，a、b端的电动势为两个线圈边的电动势之和，eda=2e=2BXLv，eda是一个线圈边电动势的2倍， eda方向为dcba。当线圈转过180o后，电动势方向变为abcd。 线圈以匀速切割磁力线，且长度固定，从式（2—1）可以看出感应电动势e正比于所隙磁密，又可以说e的大小和方向由导体转到该点的磁密BX来确定。如BX的波形如图2—2所示时，e的波形将与BX波形相同。 图2—2中表示气隙磁密BX沿转子表面分布的波形。如果将图中纵坐标换个比例尺，这一特性曲线也可以表示线圈边的电动势e随时间变化的波形。图2—2中的横坐标原点，可理解为线圈边的ab转动时从N极下开始计量的沿圆周空间距离X的原点，也是转动时间t的初始时刻。 以上分析的为线圈边和线圈端的电动势，如何在电刷上得到直流电动势呢？ 这必须通过换向器，即换向片，共同构成的部分。换向器与空间上固定不动的电刷相连接，从图2—1所示瞬时可以看出，当导体ab在N极下时，e的方向从b指向a经电刷A引出，极性为正。 线圈转过180o，导体ab与dc互换位置，dc边处于N极与A刷相接触，电动势方向从c指向d经电刷A引出，极性仍为正。同理可分析出B刷极性为负。通过观察可见，运动在N极下的线圈边总是与电刷A相接触，A刷极性总为正；运动在S极下的线圈边总是与电刷B相接触，所以电刷B总是负极性，这样在A、B刷间得到的电动势波形就是如图2—3所示的直流电动势。 这样的方法得到的电动势为脉振直流，其大小在零和幅值之间变动。在实际电机中，为了减小电动势的脉振程度和提高电动势的幅值，则在转子铁心表面均匀放置着按一定规律联接的许多线圈，电刷间的电动势脉振减小，数值提高，变成实用的直流电机。 以上分析表明，线圈在转动过程中交替地处于N极或S极下，所以线圈边中的感应电动势是交变的。但磁极与电刷的位置固定，固定极下的线圈边接固定电刷，尽管线圈内部的电动势是交变的，在电刷上得到的电动势方向却是不变的。 2.1.2直流电动机的工作原理 将图2—1中的原动机去掉，在A、B电刷上改接入直流电源U，使电机模型运行于电动机状态，图2—4所示，可以把电能变为机械能输出。 从图中看出。接入直流电源后，电刷A为正极性，电刷B为负极性，电流从正电刷A经线圈边ab、cd到负电刷B流出。根据左手定则的电磁力定律，在载流导体与磁力线相互垂直的情况下，线圈一个有效边受的电磁力?的大小为： ?＝BXLi （2-2） 式中 BX—导体所在处磁通密度； L—导体有效长度； i—导体中的电流强度。 　　 （左手定则：磁力线垂直穿过手心，四指指向为导体中电流流向，与四指垂直并平行掌心的左手拇指方向为所受的电磁力的方向。） 图2—4所示瞬时，导体ab与dc中所受电磁力均为逆时针方向。在这个力的作用下，转子将受逆时针方向力的作用，形成逆时针方向的电磁转矩驱动转子逆时针方向旋转。转子转动后，线圈边中的电流方向随着转动而不断变换，这就需要换向。旋转的换向器与静止的电刷相互配合，滑动相接，使N极下的线圈边始终与A刷相接触，使运动在S极下的线圈始终与B刷相接触，保证电流总是由A刷流入N极下导体，再沿S极下导体经B刷流出，得以保证电磁力和电磁转矩方向始终不变，使电动机沿逆时针方向连续旋转。 从图2—4的电动机原理模型中，当转子受电磁力作用旋转后，导体运动又将切割磁力线，感应出电动势，不难判定出每一有效边中感应电动势方向，总是与流入导体的电流方向相反。 通过分析看出，直流电机是作为发电机运行还是作为电动机运行，主要在于外部条件，即输入给电机的功率形式。当从轴上输入给电机机械功率时,电机作发电机运行，通过电刷向外部输