第2章直流电机.ppt

第2章直流电机 直流电动机将电能转化为机械能 具有调速性能好 起动转矩大的优点 特别是小型号的 广泛用于自动控制中 直流发电机将机械能转化为电能 作直流电动机 同步电机励磁和蓄电池充电的电源 目前由二极管和晶闸管整流装置所取代 2 1 1直流电动机的工作原理 2 1 2直流发电机的工作原理 2 1 2直流电机的结构 转子包括电枢铁心 电枢绕组 换向器和风扇 定子包括主磁极 机座 换向极 电刷装置和端盖 1 轴承 2 轴 3 电枢绕组 4 换向极绕组 5 电枢铁心 6 后端盖 7 刷杆座 8 换向器 9 电刷 10 主磁极 11 机座 12 励磁绕组 13 风扇 14 前端盖 主磁极的作用是产生气隙磁场 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成 铁心一般用0 5mm 1 5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成 分为极身和极靴两部分 上面套励磁绕组的部分称为极身 下面扩宽的部分称为极靴 极靴宽于极身 既可以调整气隙中磁场的分布 又便于固定励磁绕组 励磁绕组用绝缘铜线绕制而成 套在主磁极铁心上 整个主磁极用螺钉固定在机座上 极身 极靴 换向极是改善换向 减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花 一般装在两个相邻主磁极之间 由换向极铁心和换向极绕组组成 换向极绕组用绝缘导线绕制而成 套在换向极铁心上 换向极的数目与主磁极相等 机座是电机定子的外壳 作用有两个 一是用来固定主磁极 换向极和端盖 并起整个电机的支撑和固定作用 二是机座本身也是磁路的一部分 磁通通过的这部分称为磁轭 为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能 一般为铸钢件或由钢板焊接而成 电刷装置是换向器和电刷相接触 用来引入或引出直流电压和直流电流的 电刷装置由电刷 刷握 刷杆和刷杆座等组成 电刷放在刷握内 用弹簧压紧 使电刷与换向器之间有良好的滑动接触 刷握固定在刷杆上 刷杆装在圆环形的刷杆座上 相互之间必须绝缘 刷杆座装在端盖或轴承内盖上 圆周位置可以调整 调好以后加以固定 转子电枢铁心是主磁路的主要部分 用以嵌放电枢绕组 一般电枢铁心采用由0 5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成 以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗 叠成的铁心固定在转轴或转子支架上 铁心的外圆开有电枢槽 槽内嵌放电枢绕组 转子电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量变换的关键部件 所以叫电枢 它是由许多线圈 以下称元件 按一定规律连接而成 线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成 不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中 线圈与铁心之间以及上 下两层线圈边之间都必须妥善绝缘 为防止离心力将线圈边甩出槽外 槽口用槽楔固定 线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎 换向器由绝缘的换向铜片组成圆筒状部件固定在转轴一端 与电枢绕组连接 换向片之间用云母片绝缘 换向片的下部做成鸽尾形 两端用钢制V形套筒和V形云母环固定 再用螺母锁紧 转轴起转子旋转的支撑作用 需有一定的机械强度和刚度 一般用圆钢加工而成 1 槽楔2 线圈绝缘3 电枢导体4 层间绝缘5 槽绝缘6 槽底绝缘 电枢铁心冲片 永磁测速发电机 直流电机的名牌额定值 额定电压 额定电流 额定转速 额定转矩 额定温升 励磁方式等 电动机额定功率 指轴上输出机械功率PN TN N 2 TNnN 60 发电机额定功率 指输出电功率 PN UNIN 额定角速度 额定输出转矩 额定转速 直流发电机参数额定转速2850转 分的发电机 直流电动机型号和功用 Z2系列直流电动机有全国统一设计和企业标准改型两个系列 可供恒转矩或转速范围不大于2 1 调磁场变速 的直流电力拖动之用 电动机的励磁方式为并励或他励 带有少量串励绕组 他励电压为110V或220V 故此广泛应用在对起动和调遣要求较高的生产机械 如 冶金工业轧钢机 卷扬机 电力机车 金属切削机床 造纸 印刷 纺织 印染 水泥 塑料挤出机械的传动源 Z2型直流电动机技术数据表 Z2系列小型直流电机共分11个机座号 每个机座号有两种铁心长度 制造有直流电动机 直流发电机 直流调压发电机三种 适用于一般正常的工作环境 电动机作一般传动用 发电机作为一般直流电源用 调压发电机作蓄电池组充电用 励磁方式 电动机为带有少量稳定绕组的并激或他激励磁 发电机为复激或他激励磁 额定电压为230伏的发电机 调压发电机为并激励磁 不带串激绕组 电机的他激励磁电压制成有110伏或220伏二种 电动机额定电压110伏的仅有他励电压110伏一种 系列电机根据使用要求可制成湿热地区使用的具有防潮 防霉 防盐雾性能的湿热带型 TH 直流电机 型号含义 Z表示 直 流 2表示第二次全国定型设计 横线后数字表示机座号与铁心长短 例如Z2 11前一个1代表1号机座 后一个1代表短铁心 而Z2 112中11代表11号机座 2代表长铁心 结构型式1 直流发电机或直流调压发电机仅制造卧式 机座带底脚的一种 2 直流电动机可制成下表所示的结构型式 Z2系列电动机1 电动机可用三角皮带 正齿轮或弹性联轴器进行传动 不使电机轴承受轴向推力 2 电动机可在正转或逆转情况下正常工作 Z2系列发电机及调压发电机1 Z2系列发电机及调压发电机的旋转方向自换向器端看去为顺时针方向 根据使用要求亦可制成逆时针方向旋转的发电机或调压发电机 2 Z2系列发电机及调压发电机根据订货要求可制成与Y系列三相异步电动机配套成的发电机组成套供应 3 调压发电机的额定功率为平均电压 对110 160伏的为135伏 对220 320伏的为270伏 时的功率 当电压高于平均电压时其输出功率不大于额定功率 当电压低于平均电压时其输出电流不大于额定电流 Z3系列为型系列 用以代替Z2老系列 为一般工业用小型直流电动机 与Z2系列相比 具有调速范围广 体积小 转动惯量小 质量轻等优点 安装尺寸与国际电工委员会 IEC 推荐标准相同为卧式结构 机座带底脚 Z4系列直流电动机是统一设计的新系列 可取代Z2 Z3系列 使用于转速范围大 过载能力 1 6倍的电力拖动 恒功率弱磁向上调速可达到1 0 3 8nN 恒转矩降低电枢电压向下调速最低可至20r min Z4与Z2 Z3系列相比 具有更多的优点 它不仅可用直流电源供电 更适用与静止整流电源供电 转动惯量小 有较好的动态性能 并能承受较高的负载变化率 适用于需要平滑调速 效率高 自动稳速 反应灵敏的控制系统 额定电压为160V的电动机 在单相桥式整流器供电情况下 在电枢回路需要接入电抗器以抑制脉动电流 额定电压为440V的电动机不需要外接电抗器 Z4系列电动机一般不带有串励绕组 Z4 315 355型两个机组带有补偿机组 Z4 100 280型不带补偿机 15 000KW发电机圈式线圈 电机维修 直流电机电枢绕组 绕组元件 线圈 外包绝缘的单匝或多匝线圈 绕组的要求 在能通过规定电流和产生足够电势前提下 尽可能节省有色金属和绝缘材料 结构简单 运行可靠 同步机定子下线 1 槽楔2 线圈绝缘3 电枢导体4 层间绝缘5 槽绝缘6 槽底绝缘 电枢铁心冲片 有效边 每一个嵌放好的元件被切割的两条磁力线边 节距 第一节距y1表示元件两边之间的距离 y1 整距 y1 短距 y1 长距 端接 处在铁心端部连接上 下元件边的导体 上 下元件边 上 下圈边 双层绕组中的上 下层绕组 极距 相邻异性磁极间的距离 叠绕 波绕 第二节距y2 相互连接的前一元件下圈边与后一元件上圈边之间的距离 合成节距y 相串联元件对应边间的距离 单叠绕组y 1 总槽数 极数 叠绕 y y1 y2 yk 1波绕 y y1 y2 yk 换向节距yk 一个元件的上层元件边与下层元件边所连接两个换向片的距离 双层直流机 Q S K 元件数 换向片数 取y1 Q 16 2p 4 y 1 Nc 1的单叠右行绕组的展开图 y1 Q 2p 4 y2 3 实线 上层边 虚线 下层边 电刷放在磁极中心线上 与空载为零的元件1 5 9 13接触 磁极在上层 将同极性的电刷A1 A2以及B1 B2接在一起 故电枢绕组并联支路数2a 2p 4 电刷数 使每极下两个有效边的电流相同 获得最大电磁转矩 或每条支路的感应电势最大 单波绕组 从某个换向片出发 串联p个元件而绕电枢一周后所接的换向片与出发时换向片相邻 一般后退一片 端接短且避免交叉 又称左行绕组 例 极对数p 2 槽数 元件数及换向片数为Q S K 15 波绕组的支路对数a 1 与极对数无关 可获得最大电磁转矩 可用一对电刷 但因受允许电流密度限制 减少电刷将增大电刷截面 故选电刷组数应等于极数 还有复叠绕组 复波绕组 混合绕组 正常电压 大中容量的电流大 电压低的直流机用叠绕 几十千瓦以下的电流小 电压高的中小型电机和电压高中型电机用波绕 直流电机按励磁方式分类 它励 并励 串励和复励 后三种为自励 并励和复励发电机常用 直流电机的空载磁场 励磁磁通单独建立的磁场 电枢电流为0 因主极靴宽度 极靴下气隙不太均匀 每条磁力线不尽相同 极靴中间气隙磁密大 极靴以外气隙磁密小 磁化曲线 电枢反应是指电枢磁动势对励磁磁场的影响 电枢反应使气隙磁场发生畸变 有一定的去磁作用 使物理中性线偏离几何中性线 电刷在几何中性线上的电枢磁场 1 空载磁密平顶曲线 2 电枢磁势三角波曲线 3 电枢磁势产生的气隙磁密马鞍曲线 4 合成畸变的磁密曲线 直流电机的感应电势和电磁转矩 感应电势 并联支路电势 电枢电势 电角度 机械角速度 电磁转矩 直流电动机的运行原理 并励电势平衡方程式 不计饱和 稳定运行时 发电机的运行原理 稳定运行时 电动机转矩平衡方程式 稳定运行时 电磁转矩 机械转矩 空载转矩 惯性转矩 发电机转矩平衡方程式 原动机拖动转矩 稳定运行时 电动机功率平衡方程式 转矩平衡方程式同乘 输入电功率 电刷接触损耗 机械损耗 电刷电压降 发电机功率平衡方程式 直流电动机的工作特性 工作特性 当U UN If IfN时 Te f Ia n f Ia f Ia 他励 并励 直流电动机的工作特性 不计去磁作用 固定损耗 可变损耗 效率最大 且出现在80 负载时 串励直流电动机的工作特性 串励直流电动机不允许空载运行 不计饱和 计饱和时 Tem以高于Ia一次方的比例增加 以保证在同样大小起动电流下 比并励机有更大的起动转矩 串励电动机的 f Ia 和并励电动机相似 复励电动机工作特性 介于并励和串励之间 如果并励绕组磁通势起主要作用 其工作特性与并励电动机工作特性接近 如果串励绕组磁通势起主要作用 其工作特性与串励电动机工作特性接近 但因为有并励绕组磁通势的存在 磁通 不会趋近于零 所以空载或轻载时 仍能正常运行 例2 1一台他励直流电动机 PN 1325kW UN 750V IN 1930A nN 200r min Ra 0 0161 2 Uc 2V 设额定负载下 总制动转矩 即负载转矩 保持不变时 求 1 突然串电枢R 0 0743 串电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别为多少 2 将少磁通10 时 稳定的电枢电流和转速 解 例2 2一台他励直流电动机 PN 22kW UN 220V IN 115A nN 1500r min Ra 0 18 Rf 628 求 1 CE N CT N 2 Te T0 3 n0 n0 解 我们周围的电机举例 我们周围的电机举例 主磁极的结构 换向极 1 主磁极2 励磁绕组3 机座 1 换向极铁心2 换向极绕组 基本构造 定 转子 电刷 换向器作用 起机械整流器作用 后续基本原理中进一步介绍 元件交流 电刷两端直流 注意 各部件的作用 一 构造 风叶 磁极 电刷 电枢转子 转轴 换向器 换向片 压紧环 电枢绕组 绕组端部 结构细说 注 书P 62 图5 1 1的电机是较大型的电机 其电枢绕组中间开有通风槽 换向器 电枢绕组 另外一半电枢绕组也构成另外一条支路 不管电枢如何转动 一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变 微小脉动 换向定义 从一条支路换到另一条支路 元件内的电流改变方向 元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路 换向元件中若存在电势则短接时会产生火花 电磁原因 还有机械 电化学等原因 换向火花危害 烧坏换向器 绕组 过热 引爆引燃 换向火花克服 通过磁极尖增 去磁电枢反应的情况说明 1 换向极 2 移动电刷 与转向有关 发电机和电动机正好