自控元件 第3章 直流电机

3.1 直流电机的基本原理、结构

视频介绍直流电机

尤其注意10min处的实物，我觉得对理解后边的鼓型绕组帮助很大，平面插图实在太抽象。

• 原理

  • 电动机：转子通电产生电流，电流在定子的磁场中受安培力的作用，安培力驱动转子旋转。
  • 发电机：外力驱动转子旋转，转子切割定子的磁场产生感应电动势。

• 结构

  • 定子
    • 磁极：小型直流电机可能使用永久磁铁，其它多半使用电磁铁
    • 电刷盒组件：持续运动/发电的关键。
    • 机壳：起支撑作用的同时还能起到导磁的作用。
    • 电枢：包括铁心和电枢绕组，绕组后边展开讲。
    • 端盖、轴承等等。
  • 转子
    • 电枢铁心：起支撑作用的同时还能起到导磁的作用。
    • 电枢绕组：下一节展开。
    • 换向器：持续运动/发电的关键。

3.2 电枢绕组的结构和直流电机的磁场

结构

参数

• 磁极对数\(p\)：如字面意思，即有多少对N、S磁极。
  • 多极对时，N、S是交替排列的。
• 支路对数\(a\)：电刷间等效的支路数的一半（后边看等效电路图）。
• 极距\(\tau\)：沿电枢表面，相邻两个磁极轴线间的距离，有\(\tau=\frac{\pi D}{2p}\)。

环形绕组的结构（\(p=1\)）

这样绕很简单，但是没有充分利用所有的通电导体：因为转子铁心导磁，处于转子铁心内部磁场很弱，处于转子铁心内侧的导体与磁场相互作用也就很弱。

鼓型绕组的结构（\(p=1\)）

这样绕就把所有轴向的导体都利用起来了，要注意一个元件会有两条有效边。

• 上边的蓝色和绿色是两个相邻的元件，红色和绿色是在相同槽内的元件。
• 中间的类似齿轮的东西是电枢铁心，轴端突出的是换向器。
• 下边的是中间的实物模型图

等效电路图（\(p=1\)）和电刷安装位置

本图表示的即是支路对数\(a=1\)的情况，对照着环形绕组结构示意图看效果更佳。

• 电刷安装的位置

  在这个位置上，与电刷相接触的换向片所连接的元件的有效边应该处于几何中性线上，以保证它们的电压应该是所有元件中最低的。

  • 保证了单个电刷不会短路有高电压的元件。
  • 保证了从两个电刷间获取到的电压尽可能地高。

磁场

以环形绕组为例

空载磁场/主磁场

此时电枢不通电，也不用外力驱动电枢转动，则磁场只是定子磁极产生的磁场。

电枢磁场

现在拿掉磁极，让电枢通电，则电枢相当于一个电磁铁产生磁场

合成磁场

实际直流电机工作过程中是上述两磁场的合成

电枢反应

电枢磁场对空载磁场的影响称为电枢反应。它使得单个电刷短路的元件上可能存在电压，且两个电刷间获得的电压也不是可能获得的最大值。补偿措施

• 改变电刷的位置
• 加装补偿绕组。

然而在后边的计算中是不会考虑电枢反应的