直流电机 电机学 上海工程技术大学(教学课件).ppt

第3章直流电机本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理 讨论直流电机的磁场分布 感应电动势 电磁转矩 电枢反应及影响 换向及改善换向方法 从应用角度分析直流发电机和直流电动机的工作特性运行特性 3 1直流电机的工作原理与基本结构3 2直流电枢绕组3 3空载和负载时直流电机的磁场3 4电枢的感应电动势和电磁转矩3 5直流电机的基本方程3 6直流发电机的运行特性3 7直流电动机的运行特性3 8直流电动机的起动 调速和制动3 9换向 直流电机 实现机械能和直流电能相互转换的电磁机械装置 把机械能转换成直流电能的电机是直流发电机 反之 则为直流电动机 直流电机的用途 直流电动机特点调速范围宽 易于平滑调节过载 起动 制动转矩大易于控制 可靠性高调速时能量损失较小应用于对调速要求高的场所 轧钢机 舰船推进 造纸 挖掘机等 直流发电机给直流电动机 电解 电镀 冶炼 充电 交流发电机励磁等供电的直流电源 主要缺点换向困难 使容量受到限制 有换向器 费工费料 造价昂贵 需要经常维护 寿命较短 可靠性差 对环境要求高 3 1直流电机的工作原理和结构1 直流电机的工作原理 直流电机的构成 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 直流发电机的工作原理 此时 导体ab在N极下 a点高电位 b点低电位 右手定则 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 逆时针旋转 因此电刷A的极性总是正的 电刷B的极性总是负的 在电刷A B两端可获得直流电动势 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置 按照一定的规律连接起来 构成电机的电枢绕组 磁极也是需要N S极交替且成对 当原动机驱动电机转子逆时针旋转1800后 如右图 导体ab在S极下 a点低位 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 导体感应电势 但此电势在零和最大值之间脉动 波动太大 不能做直流电源 两线圈串联后的合成电势 与原有线圈相距90 电角度再设置一个线圈 其两端各接有换向片 并与原有换向片A B相距90 电角度 换向器包含4片换向片 相邻换向片间各相距90 电角度 当电枢旋转时 两个线圈的感应电势在时间相位上相距90 电角度 增加导体减小感应电势脉动 当每极下导体数大于8时 脉动可小于1 直流发电机实质是带换向器的交流发电机 直流电动机工作原理 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 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 电机转子逆时针方向旋转 当电枢旋转到右图所示位置时 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 直流发电机工作原理 励磁绕组通入直流电流产生磁动势 继而产生主磁场 电枢绕组切割磁力线产生感应电动势 由于换向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直流电动势 经电刷将直流电输出 直流电动机工作原理 励磁绕组通入直流电流产生磁动势 继而产生主磁场 由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始终一致 电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流电动机旋转 2 直流电机的主要结构 轴 端盖 电枢铁心 电枢绕组和槽碶 电枢绕组端部 换向器 轴承 直流电机的转子 励磁绕组和串换向极后的电枢绕组出线 定子机座 换向极铁心 换向极绕组 主磁极铁心 主磁极绕组 励磁绕组 换向极绕组与励磁的串联接线 直流电机定子 电枢铁心电枢绕组 电枢铁心冲片 0 5mm厚 硅钢片 涂绝缘漆冲片叠压而成 轴向通风孔 直流电枢的铁心模型 直流电机的主要结构 1 换向极铁心2 换向极绕组3 主极铁心4 励磁绕组5 电枢齿6 电枢铁心7 换向器8 电刷9 电枢绕组10 机座11 底脚 直流电机的主要结构 换向器结构1 换向片 2 垫圈3 绝缘层 4 套筒 安装在机座上的主极1 极身 2 极靴 3 励磁绕组 4 绝缘板 5 机座 主磁极 构成 主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组 机座 构成 用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成 作用 建立主磁场 作用 1 主磁路的一部分 2 电机的结构框架 电枢铁心 作用 1 主磁路的一部分 2 电枢绕组的支撑部件 构成 一般用厚0 5 且冲有齿 槽硅钢片叠压而成 电枢绕组 作用 直流电机的电路部分 构成 用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成 上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘 并用 槽楔压紧 换向器 作用 整流 发电机 或逆变 电动机 构成 由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒 片间 用V形云母绝缘 两端再用两个形环夹紧而 电刷装置 作用 电枢电路的引出 或引入 装置 构成 电刷 刷盒 刷杆和连线等 构成 3 直流电机的励磁方式指励磁绕组获得励磁电流的方式 他励 自励 除永磁式微型直流电机外 直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的 4 直流电机的额定值 额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时 电机的输出功率 以 kW 为量纲单位 对于直流发电机 PN是指线端输出的电功率 PN UNIN对于直流电动机 PN是指转轴上输出的机械功率 PN UNIN N 额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压 以 V 为单位 额定电流IN指电机在额定电压 额定功率时的线电流 以 A 为单位 额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速 以r min为单位 额定励磁电压UfN指电机在额定状态时的励磁电压值 他励 额定励磁电流IfN指电机在额定工作状态时的励磁电流值 此外 电机铭牌上还标有其它数据 如型号 额定效率 出厂日期 出厂编号等 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示 型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示 例如 Z2 72 表示直流电动机 第二次改进设计型 7 表示机座号 7后面的2表示长铁心 2号表示长铁心 1号表示短铁心 其他系列的直流电机型号 技术数据可从产品目录或相关的手册中查到 3 2直流电枢绕组 电枢绕组的特点电枢绕组的型式单叠绕组单波绕组 直流电机的电枢绕组 按联结方法 可分为 单叠绕组 单波绕组 复叠绕组 复波绕组 混合绕组 区别在于电枢绕组的并联支路数不同 电枢绕组产生感应电动势 通过电流 从而产生电磁转矩和电磁功率 是实现机电能量转换的重要部件 电枢绕组由结构相同的线圈组成 可以是单匝或多匝的 线圈由线圈边和线圈端部组成 有首端和末端 首 末端分别与不同的换向片联结 每个槽内放置两层线圈边 线圈的一个线圈边放在槽的上层 称为上层边 另一线圈边放在另一槽的下层 称为下层边 每个槽内放置两个线圈边 电枢槽数Q等于线圈数S 实际电机中 常在槽的上 下层放置多个线圈边 用虚槽来描述 如果每个实槽中有u个虚槽 则虚槽数与实槽数的关系为Qu uQ 通过换向器联结而成的闭合绕组为使旋转的各线圈能不断的依次改变电流方向 换向 必须使用闭合式绕组 从某一线圈边出发 按一定的规律依次串联所有线圈边后 再回到出发点 构成一个闭合回路 各线圈间的联结通过换向器完成 线圈间通过换向片相互联结 同一换向片既联一个线圈的首端 又联另一线圈的末端 换向片数K等于线圈数S 虚槽数 线圈数和换向片数的关系为Qu S K 节距 表示相关的两个线圈边之间的距离 用虚槽数或换向片数表示 第一节距y1 一个线圈的两个线圈边在电枢圆周表面上跨过的距离 为使线圈的感应电动势最大 y1应接近极距 p 整距线圈 y1 p短距线圈 y1 p长距线圈 y1 p 极距 相邻两个磁极轴线沿电枢表面之间的距离 用 p表示 以虚槽数计 Qu 2p注 p为极对数 第二节距y2 一个线圈的下层边和与其串联的另一线圈的上层边间的距离 合成节距y 两个串联的线圈的对应边的距离 单叠绕组 单波绕组 单叠绕组 y y1 y2单波绕组 y y1 y2 换向片节距yK 一个线圈的首 末端在换向器表面跨过的距离 用换向片数表示 yK y 单叠绕组 单波绕组 单叠绕组 yK 1 单波绕组 yK 2 p 单叠绕组 联结规律将同一个主极下的线圈联成一条支路 所有的相邻线圈依次串联 后一个的首端与前一个的末端相连 每个线圈的两端联到两个相邻的换向片上 yk 1 由同一个换向片联结的两个线圈在电枢表面圆周上相距一个虚槽 y 1 单叠绕组 单叠绕组的联结规律 以2p 4 Qu S K 16的直流电机为例 单叠绕组 绕组展开图 电枢在旋转 取某一时刻 磁极在上面 电动势方向 电刷的位置 磁极中心线下 实线表示上层边 虚线表示下层边 几何中性线 相邻两个主极间的中心线 单叠绕组 单叠绕组的并联支路图 绕组并联支路数2a 等于电机的极数 即 电刷数与极数相同 称为全额电刷 电刷数与并联支路数相等 单叠绕组自成一个闭合回路 单叠绕组的每一条并联支路都是由同一主极下的全部线圈串联构成 单波绕组 联结规律每一条支路都是由同一极性下的全部线圈串联构成 同一个换向片连接的两个线圈相隔约一对极的距离 从第一个线圈开始 沿电枢圆周方向行进一周 联结p个线圈后 回到与起始线圈相隔一个槽的线圈 继续串联下去 直到所有线圈都串联起来 单波绕组 单波绕组的联结规律 经过p对极后 应与换向片1相邻 即 y1接近极距 p 整数 单波绕组 单波绕组的联结规律 以2p 4 Qu S K 15的直流电机为例 整数 单波绕组 绕组展开图 单波绕组 并联支路图 实际中 电刷数通常与极数相同 全额电刷 绕组并联支路数2a 2 即 单波绕组自成一个闭合回路 单波绕组的每一条并联支路都是由同一极性下的全部线圈串联构成 并联支路对数闭合式绕组无固定的出线端 电枢旋转时 各线圈依次通过电刷作为出线端 为使闭合绕组内不产生循环电流 需使整个闭合回路的总电动势为0 从正 负极性电刷看进去 电枢绕组至少有2条并联支路 而且两者的电动势应该大小相等 方向相反 因电刷是正 负成对出现 并联支路数一定为偶数 一般用并联支路对数a 表示 直流电机电刷放置的原则 使正 负电刷间的电动势最大 使被电刷短路的线圈的电动势最小 电刷位于主极中心线上 单叠绕组与单波绕组的异同点 单叠绕组是将一个主极下的线圈联成一条支路 相邻两条支路的电动势方向相反 形成2p条并联支路 有2p组电刷 单波绕组是将同一极性的主极下的所有线圈联成一条支路 只能形成两条支路 理论上只需两组电刷 但为了减小每组电刷的接触面积从而缩短换向器轴向长度 实际上一般放置2p组电刷 应用 叠绕组并联支路数多 通常用于电流较大 电压正常 较低 和转速正常的大中型直流电机 波绕组并联支路数少 通常用于电流较小 电压较高和转速较低的中小型直流电机 3 3空载和负载时直流电机的磁场 直流电机的磁场和电枢反应 理解 空载时的磁场负载时的磁场 1 直流电机空载时的磁场 直流电机空载时 Ia 0 的气隙磁场仅由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff建立 磁动势Ff产生的磁场 2 直流电机负载时的气隙磁场 主要分析电枢绕组流过负载电流时产生的电枢磁动势及其作用 电枢磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产生影响 称为电枢反应 电枢反应对气隙磁通密度的大小 分布 电机的换向 运行性能都有影响 1 电刷位于几何中性线时的电枢反应 1 电刷位于几何中性线时的电枢反应 1 电刷位于几何中性线时的电枢反应 电枢磁动势及其产生的磁通密度波形 Fa使几何中性线处的气隙磁通密度不为零 1 电刷位于几何中性线时的电枢反应 1 电刷位于几何中性线时的电枢反应 1 电刷位于几何中性线时的电枢反应 使磁场畸变 几何中心线处的气隙磁通密度不为零 不饱和时 去磁 增磁作用相抵消 每极磁通量不变 饱和时 每极磁通量略有减小 有去磁作用 2 电刷不位于几何中性线时的电枢反应 2 电刷不位于几何中性线时的电枢反应 直轴电枢反应 发电机 电刷顺电枢旋转方向移动 直轴电枢反应为去磁 电刷逆电枢旋转方向移动 直轴电枢反应为增磁 电动机 与发电机的情况相反 3 4电枢的感应电动势和电磁转矩 设气隙磁场的分布如图所示 则每 根导体的感应电动势为e b lv 一 电枢绕组的感应电动势 式中 导体所在处的气隙磁密 导体的有效长度 导体相对气隙磁场的速度 b 电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的 令为平均气隙磁密 则上式改写为 将代入上式得出 电动势的代数和 则 电动势公式 式中 每极的总磁通量 电动势常数 电动势公式 二 直流电机的电磁转矩电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为式中 该点处的气隙磁密 一个极下的载流导体上的电磁转矩应为式中 气隙平均磁密 整个电枢上的电磁转矩为 可得直流电机的转矩公式为 则 再考虑到 一 电压方程 基本方程二 转矩方程 一 电压方程1 他励直流电机 3 5直流电机的基本方程 他励时 励磁电流由其他电源单独供电 故 直流发电机的稳态电路图 直流电动机的稳态电路图 2 并励直流电机 其电枢回路的电压方程与他励时相同 但激磁 3 串励直流电机 其电枢回路的电压方程与他励时亦相同 但因励 另外 电压方程应加入串励绕组的电阻压降 电压为电枢端电压 即 发电机 电动机 磁绕组与电枢绕组相串联 有 二 转矩方程 为电磁转矩 1 发电机情况下 原动机的驱动转矩 电机本身的机械阻力转矩 电磁转矩为制动转矩 有 电动机轴上的负载转矩 式中 2 电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩 有 三 电磁功率 发电机 机械能转化为电能 电动机 电能转化为机械能 电磁功率用表示 则 将代入上式 得 直流发电机的功率流程图 并励时电枢得到的电磁功率Pem扣除电枢铜耗pCu和励磁铜耗pCuf 等于输出功率P2 轴上输入的机械功率P1扣除空载损耗p0 等于电磁功率Pem 空载损耗p0包括机械损耗pm 铁耗pFe和附加损耗pad 或杂散损耗 他励时 功率平衡方程式中不计励磁铜耗pCuf 0 空载损耗p0 机械损耗pm 轴承摩擦 电刷与换向器表面摩擦 电机旋转部分与空气的摩擦 风扇消耗功率等 与电机转速有关 铁耗pFe 电枢铁心中的涡流与磁滞损耗 与铁心中磁通密度的大小和交变频率有关 附加损耗pad 产生原因复杂 且较小 一般按 0 5 1 PN估算 直流电动机的功率流程图 并励时 输入功率P1扣除电枢铜耗pCu和励磁铜耗pCuf 等于电磁功率Pem 他励时 功率平衡方程式中不计励磁铜耗pCuf 四 直流电机的可逆性 电机的可逆性 从原理上讲 任何电机既可作为 发电机运行 电动机运行 发电机 亦可作为电动机运行 基本关系式 每极磁通量 3 6直流发电机的运行特性 他励发电机负载运行运行特性外特性调整特性效率特性并励发电机自励外特性复励发电机的外特性 1 他励发电机的负载运行 原动机将发电机拖动到额定转速 励磁绕组接到励磁电源 使端电压达到UN机械方面 负载后转速下降 需增加T1恢复至额定转速电磁方面 电枢反应使得端电压下降 需调节励磁电流 恢复至UNP2 UI 正常运行时保持UN P2与I成正比 满载 I IN 半载 I 0 5IN 空载 I 0 2 他励发电机的运行特性 I U If这3个主要变量之间的关系 发电机励磁方式不同 特性也不一样 负载特性 负载电流I Const时 U f If 空载特性 I 0时 U f If 外特性 If Const U f I 调整特性 U Const If f I 保持转速n为常数 一般为额定转速 Ia I 空载特性E0 f If 原动机拖动转子以恒速旋转 nN 电枢绕组开路 Ia 0 改变励磁电流If 端电压U0 E0 与If的关系 U Ea E0 f If 空载特性E0 f If 有磁滞 剩磁 饱和现象 If 0时Er 剩磁电动势Er 2 4 UN 各种直流电机的空载特性都在他励方式下测定 外特性U f I 通常指转速n nN If为额定值时 U与I的关系 U随I的增大而降低 是一条下垂的曲线 原因 IaRa 电枢反应的去磁作用 电压调整率 uN 额定励磁下不允许持续短路 原因 Ra很小 Ik很大 他励发电机的 U约为5 10 变化不大 特性比较硬 U0为If IfN时的空载端电压 调整特性If f I n nN 保持U UN恒定时 If与I的关系 If一定时 U会随I变 原因 IaRa 电枢反应的去磁作用 为保持U不变 需调节If 负载增加时 U下降 若维持U不变 必须增加If I IN U UN时 If IfN 3 并励发电机的自励和外特性 并励发电机的自励建压 并励发电机要有一个自行建立励磁和端电压的过程 称为建压 空载时 I 0 Ia If 0 但If较小 故可近似认为Ia 0 利用空载特性来分析电压建立过程 建压 1 空载特性曲线 2 励磁回路的伏安特性曲线 励磁电阻线3 临界电阻线 空载特性直线段 建压临界电阻Rcr Rf Rfs 1 电机主磁路必须有剩磁 2 励磁绕组并联到电枢绕组两端的极性正确 即励磁磁动势与剩磁磁场方向必须相同 3 励磁回路总电阻必须小于建压临界电阻 自励建压条件 外特性 电压调整率 U比他励的大 约为20 30 因If还随U下降而减小 负载电流有 拐弯 现象 稳态短路电流Ik0 Er Ra并不很大 常小于IN 因Er数值很小 转速n nN 励磁回路总电阻不变时 U与I的关系U f I 积复励 串 并励绕组的励磁磁动势方向相同 差复励 串 并励绕组的励磁磁动势方向相反 复励发电机通常采用积复励并励磁动势为主 空载时能达到额定电压 串励磁动势主要补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢电路的电阻压降 4 复励发电机的外特性 按照串励绕组磁动势补偿作用的强弱 可分为三类 平复励过复励欠复励 3 7直流电动机的运行特性 并励电动机的负载运行并励电动机的运行特性工作特性 重点掌握转速特性 机械特性串励电动机的运行特性工作特性机械特性复励电动机的特点电力拖动系统运行的稳定性 并励电动机的负载运行有关方程式 2 并励电动机的运行特性 U UN If IfN时 n Te 与Ia 或P2 关系 转速特性n f Ia 转速公式 n f Ia 为硬特性 工作特性 转速调整率 n 并励电动机的转速调整率很小 约为3 8 注意 并励电动机在运行中 励磁绕组绝对不能断开 否则 If 0 主磁通迅速下降为剩磁 电枢电流迅速增大 轻载时 n迅速上升 造成 飞车 重载时 Te小于TL 可能停转 电枢电流增至启动电流 烧毁电机 转矩特性T f Ia Te近似与Ia成正比 电枢反应的去磁作用 效率特性 f Ia 可变损耗等于不变损耗时 最高 p0基本不随Ia变化 不变损耗 pCu随Ia变化 可变损耗 机械特性 机械特性的斜率 理想空载转速 U UN Rf Const n f Te 并励直流电动机的固有机械特性是一条略有下降的直线 是硬特性 很小 固有机械特性 U UN 电枢回路不串任何电阻时的机械特性 5 电力拖动系统运行的稳定性 处于某一转速下运行的电力拖动系统 由于受到某种扰动 如电源电压波动 或负载转矩波动 导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态 如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态 或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行 则系统是稳定的 否则系统是不稳定的 机械特性下降 A点 拖动系统的平衡点 若扰动使n Te TL 则 Te TL n 扰动消失后 系统转速可恢复至原来转速 A点为稳定点 机械特性上升 A点 拖动系统的平衡点 若扰动使n Te TL 则 Te增量 TL增量 n 造成 飞车 扰动消失后 系统转速无法恢复至原来转速 A点不稳定 一台并励直流电动机原运行于某一值下 设负载转矩增大 试分析电机将发生怎样的过渡过程 并将最后稳定的数值和原值进行比较 3 8直流电动机的起动 调速和制动 直流电动机的启动直接启动电枢回来串电阻启动降压启动直流电动机转速的调节他励和并励电动机的转速调节直流电动机的制动能耗制动反接制动回馈制动 1 直流电动机的起动 起动要求起动转矩大起动冲击电流小能量损耗小简单 便于控制 起动方法直接启动 全压起动 电枢串接电阻起动降压起动 电动机的起动是指电动机接通电源后 由静止状态加速到稳定运行状态的过程 起动转矩和起动