[理学]new自动 第二章 直流电机.ppt

n由于存在换向器，其制造复杂，价格较高 n直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。 n直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 n直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 优点 缺点 第二章 直流电机 直流电机的用途 直流电源 励磁电源 测速 伺服 主要由定子、转子两部分组成 直流电机 定子转子 机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 轴承换向器风扇 转轴 电枢绕组 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 n一、基本结构 直流电机结构-整体图 直流电机结构-去掉外壳 直流电机结构-定子 直流电机转子 直流电机结构-转子铁心 直流电机电刷和换向器结构 直流电机的物理模型 二、直流电机的工作原理 直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型， N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋 转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导 磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线 圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘 并可随线圈一同旋转的换向片上。转 子线圈与外电路的连接是通过放置在 换向片上固定不动的电刷进行的。 直流发电机是将机械能转变成 电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子逆时针 旋转时同，线圈abcd将感应电动势 。 如右图，导体ab在N极下，a点高电 位，b点低电位；导体cd在S极下， c点高电位，d点低电位；电刷A极 性为正，电刷B极性为负。 感应电动势感应电动势 方向方向dcbadcba 当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 后，如右图。 可见，和电刷A接触的导体总是 位于N极下，和电刷B接触的导体总 是位于S极下， 导体ab在S极下，a点低电位 ，b点高电位；导体cd在N极下， c点低电位，d点高电位；电刷A 极性仍为正，电刷B极性仍为负 。 直流发电机工作原理 感应电动势感应电动势 方向方向abcdabcd 直流发电机运行时的几点结论 1.电枢线圈内电势、电流方向是交流电； 2.电刷间为直流电势，线圈中感应电势与 电流方向一致； 3.产生的电磁转矩T与转子转向相反，是 制动性质。 把电刷A、B接到直流电源上， 电刷A接正极，电刷B接负极。此时 电枢线圈中将电流流过。如右图。 直流电动机是将电能转变成机 械能的旋转机械。 在磁场作用下，N极性下导体ab 受力方向从右向左，S 极下导体cd 受力方向从左向右。该电磁力形成 逆时针方向的电磁转矩。当电磁转 矩大于阻转矩时，电机转子逆时针 方向旋转。 直流电动机工作原理 电流方向电流方向 abcdabcd 原N极性下导体ab转到S极下，受力 方向从左向右，原S 极下导体cd转 到N极下，受力方向从右向左。该 电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 。线圈在该电磁力形成的电磁转矩 作用下继续逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的直 流电动机的电枢并非单一线圈， 磁极也并非一对。 直流电动机工作原理 电流方向电流方向 dcbadcba 直流电动机运行时的几点结论 1.外施电压、电流是直流,电枢线圈内电 流是交流； 2.线圈中感应电势与电流方向相反； 3.产生的电磁转矩T与转子转向相同，是 驱动性质。 直流电机的可逆原理 n同一台直流电机， 通过改变外界条件 ， 可当发电机运行， 也可当电动机 运行。 n励磁方式：励磁绕组的通电方式 n他励：两个独立电路，I=Ia n并励：电机电压U=励磁电压Uf n串励：电机电流I=励磁电流If n复励 他励并励串励复励 三、励磁方式 四、直流电机的额定值 额定容量PN： 输出功率（kW）； 额定电压UN：额定状态下出线端电压(V)； 额定电流IN：额定状态下出线端电流（A）； 额定转速n： 额定状态下的电机转速(r/min) 额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。 此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载 对于直流发电机，PN是指电刷端输出的电功率， 它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电动机，PN是指轴上输出的机械功率， 所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN 说明 系列：是一般用途的中小型直流电机，包括发 电机和电动机。 系列：是一般用途的大、中型直流电机系列 。 系列：是用于恒功率且调速范围比较大的拖动 系统里的广调速直流电动机。 国产直流电机的主要系列产品 对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生足够的电动势和电磁转矩 前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气 、热），运转可靠，结构简单等。 电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直 流电机的主电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。 2.2 直流电机电枢绕组 电枢绕组由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成 。按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组和单波绕组等 多种型式。 现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕 组和蛙形绕组。 电枢绕组的形式 叠绕组 波绕组 一、直流电枢绕组的构成 直流电枢绕组基本知识 n 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。 一个元件由两条元件边和前、后端接线组成，元件个数用S表示。 n 元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连， 其中一根称为首端，另一根称为末端。 元件： 1元件边；2首端；3末端； n 换向片 元件边依次放在电枢槽内,一个元件一条边放在槽的上层， 另一条元件边放在槽的下层，槽数用 表示。 每个元件有两个元件边，每片换向片又 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总等于换向片数K。 即S=K。 n 槽和虚槽 虚槽：把一个上层元件边与一个下层元 件边看成一个虚槽，虚槽数用 表示。 如图所示：即一个 实槽里有三个虚槽 一个实槽里的虚槽数用u表示，则： 且满足 n 极对数p，电机的极数为2p n n 极距极距：一个磁极在电枢一个磁极在电枢（转子）表面（转子）表面上所跨的距离为上所跨的距离为 极距极距，用，用表示。表示。 n 极轴线：主磁极的中心线，把主磁极平分成两部分。 n 几何中性线：磁极之间的平分线。 n 绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的 距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。 n 第一节距 ： 一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨槽数 表示。选择的依据是尽量让元件里感应电动势为最大。此时 n 第二节距 ： 连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二 个元件的上层边间的距离。 n 合成节距 ： 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 n 换向片节距 ： 同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 单叠绕组 单波绕组 实际电机的电枢 n把导体的一条边放在一个磁极正下方 ，另一条边放在相临磁极下，以提高 导体利用率。 n一对导体边称为一个元件。 n每个元件接在一个换向片上，通过换 向片与电刷相连。 n电枢铁心为实心结构，表面加工有槽 ，导体边（线圈边）放在槽内。 n n 主磁极放置原则主磁极放置原则 n n N N、S S极交替放置极交替放置, ,间隔相等间隔相等. . 实际的槽实际的槽 直流电机结构-转子绕组 二、单叠绕组 y=yc=1 单叠绕组、单波绕组，都有y=yc 单叠绕组分析实例 数据计算： yyC1 计算数据y和y1 画绕组展开图 安放电刷和磁极 实例： P2， SK= 16 1 单叠绕组展开图 1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷 12345678910111213141615 234567891011121314 1615 槽展开绕组放置安放磁极、电刷 NSNS + + NSNS 1 12 2 3 34 4 电枢转向 e e e e 虚槽号虚槽号 元件号元件号 换向片号换向片号 1234567891011 12 13 1415 16 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 101011111212 1313 1414 某一瞬间电刷、磁极放置 磁极：均匀分布，N、S极交替放置。 n电刷：连接内、外电路。为了在正负电 刷间获得最大直流电势以及产生最大的 电磁转矩， 电刷放在被电刷短路的元 件电势为零的位置。根据这一原则，使 电刷恰好放在磁极中心线上。 n电势为零的元件：在一个主极下的元件 边电势具有相同的方向。在磁极的几何 中心线上电势为零。 单叠绕组的特点 n并联支路数等于磁极数，2a=2p; n元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上 ； n每条支路由不相同的电刷引出，电刷数等于 磁极数; n由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流 之和，即 单叠绕组和单波绕组的区别 单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件 ， 形成一条支路。 每增加一对主极就增加一对支 路。 2a2p。 叠绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数 少，适应于较大电流、较低电压的电机。 单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件 相连，形成一条支路。 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2。 波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数 多， 适用于较高电压、较小电流的电机。 2.3 直流电机的磁场和电枢反应 磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有 电流流过时，还将会产生电枢磁场。 电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气 隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转 矩大小的。 一、空载时直流电机的磁场 直流电机的空载直流电机的空载是指电枢电流等于零或是指电枢电流等于零或 者很小，且可以不计其影响的一种运行状者很小，且可以不计其影响的一种运行状 态，此时电机无负载，即无功率输出。态，此时电机无负载，即无功率输出。 直流电机空载时的气隙磁场可以看作就直流电机空载时的气隙磁场可以看作就 是主极磁场是主极磁场，即，即由励磁磁通势单独建立的由励磁磁通势单独建立的 磁场。磁场。 直流电机空载时的磁场分布示意图 1 极靴；2极身；3定子铁轭； 4励磁绕组；5气隙；6电枢齿；7电枢铁轭 N N S S 磁通、磁路 主磁通、主磁路：由N极出 发， 经气隙进入电枢齿部 ，经电枢铁心的磁轭到另外 的电枢齿，通过气隙进入S 极，再经定子轭回到原来N 极。 主磁通交链励磁绕 组和电枢绕组， 在 电枢绕组中感应电 动势或产生电磁转 矩。 漏磁通、漏磁路：不进入 电枢铁心，直接经过相邻 的磁极或定子轭。 影响饱和程 度 N N S S 图2.14 直流电机空载磁场的磁密分布 1）空载时气隙磁密度为 一平顶波 几何中性线 极靴 极身 （a）气隙形状 2）直流电机的空载磁化曲线 电机的磁化曲线 直流电机额定运行点通常取 在A点（称为膝点）。 直线，不 饱和部分 饱和部分 膝点 磁化曲线：表示空载主磁通0与 主极磁动势Ff之间的关系曲线， 0f（ Ff）。通过实验或计 算得到。 二、直流电机负载时磁场 负载时的气隙磁场将由 主极磁动势和电枢磁动势 共同作用建立。 假设励磁电流为零， 只有电枢电流。由图可 见电枢磁动势产生的气 隙磁场在空间的分布情 况，电枢磁动势为交轴 磁动势。 1 1）交轴电枢磁动势）交轴电枢磁动势 沿几何中心线切开沿几何中心线切开 2）电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形 电枢磁动势及电枢B 电枢磁动势分布呈三角形 磁密分布呈马鞍形 三、直流电机的电枢反应 1 1）交轴磁动势及电枢反应）交轴磁动势及电枢反应 负载时电枢磁动势对主极磁场产生影响，电机 中的气隙磁场与空载时不同，这一现象称为电 枢反应。 电枢反应作用： 1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中 性线）偏离几何中性线， 2）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用 计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。 增磁 去磁 Na Sa 去磁增磁 2）电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁 动势和直轴电枢反应 直轴分量直接作用于F0方向,起直接的增磁或 去磁作用,对主极磁场影响较大.要避免产生直轴 电枢反应。 一、电枢绕组的感应电动势 二、直流电机的电磁转矩 三、电磁功率 2.4 电枢的感应电动势和电磁转矩 直流电机运行时感应电动势始终存在 直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内 都产生感应电动势。 电动机/发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向 一、电枢绕组的感应电动势 一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度 为 ，每极磁通为，则 电枢绕组有2a条支路,每条支路元件相同 每条支路所处磁场也对称相同 每条支路的合成电动势方向相同,大小相同 电机感应电动势即为一条支路电动势 一根导体的平均电动势为： n又因为： n所以： n因为一条支路里的串联总导体数 （z为 电枢总导体数），于是，电枢电动势为： 二 、直流电机的电磁转矩 如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可 以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的 ： 1）先求一个导体的平均电磁力： 2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所 受的平均转矩： 3）电机总的电磁转矩则为： 式中： 是一个常数，称为转矩常数， 是电枢总电流，从表达式 可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电 枢电流。 n ， 对于一个具体的电机而言，是一 个常数，并且通过换算，两者之间有一 固定的关系， n 或 一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每极 磁通和电枢电流， 与磁密分布无关。 三、电磁功率 直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作 用，转换成轴上的机械功率； 直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的 机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的 电功率。 n他励直流电机 2.5 直流电机的运行原理 稳态运行时直流电机的电路图 a)发电机 b)电动机 a) b) 特点：I=Ia； 电动势与电流关系： 电枢总电阻 同向 电枢 电阻 电刷 压降 一、电压方程一、电压方程 1 1）他励直流）他励直流发电机发电机 n电压方程 特点：I=Ia；电流方向 n电动势与电流关系： n电压方程 电枢总电阻 反向 电枢 电阻电刷 压降 2 2）他励直流）他励直流电动机电动机 该两种电压方程适合任何励磁方式的直流电机 发电机电 压方程 电动机电 压方程 直流电机运行状态的判定： 电动机运行电动机运行 发电机运行发电机运行 二、功率方程 P0：克服机械摩擦、风阻、铁心损耗等所需的功率. 原动机输入给发电机的机械功率 发电发电 机： 机械能 转转化为电为电 能 功率平衡功率平衡 方程方程 1 1）他励直流）他励直流发电机发电机 电动电动 机： 电电能 转转化为为机械能 其中：其中： 功率平功率平 衡方程衡方程 联立以上两式联立以上两式 2 2）他励直流）他励直流电动机电动机 n n 发电机的制动性质发电机的制动性质 分析步骤：分析步骤： 1 1）右手定则判定）右手定则判定e e方向方向 2 2）左手定则判定电磁转矩方向）左手定则判定电磁转矩方向 n n 电动机的驱动性质电动机的驱动性质 分析步骤：分析步骤： 外加电流外加电流i, i, 左手定则判定受力方向左手定则判定受力方向 三、转矩平衡方程 直流电机的制动运行状态 TemT1 T0 v n 1 1）他励直流）他励直流发电机发电机 a.a.右手定则判定右手定则判定e e方向方向 b.b.左手定则判定电磁转矩方向左手定则判定电磁转矩方向 直流电机的电动运行状态 Tem T2 T0 v n 2 2）他励直流）他励直流电动机电动机 外加电流外加电流i, i, 左手定则判定受力方向左手定则判定受力方向 四、直流电机的可逆性 n电机的可逆性： n从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦作为电动 机运行。 n电动机： n电动势方向与电流方向相反 n电磁转矩与转速转向相同 n发电机时： n电动势方向与电流方向相同 n电磁转矩与转速转向相反 五、直流电动机的运行特性 n n 分析分析: : I Ia a 增大时，影响电增大时，影响电 动机转速的因素动机转速的因素 n n 电枢电阻压降电枢电阻压降, ,使使nn n n 电枢反应去磁电枢反应去磁, ,使使nn n n 为稳定运行为稳定运行, ,使曲线稍使曲线稍 微下降微下降 并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的， 而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与 他励发电机不同。 六、并励直流发电机的自励和外特性 RL Ra rf Ia If I Ea U r n 请同学 们根据 电路图 写方程 等式： 曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线， 也称场阻线 （1）并励发电机的自励 若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自 励。 增大 ，场阻线变为曲线3时， 称 为临界电阻。如图所示。 原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则