630V直流机组电动机设计.doc

毕毕 业业 论论 文文 题 目 630V 直流机组电动机设计 系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 学号 学生姓名 导师姓名 完成日期 2007 年 6 月 诚 信 声 明 本人声明 1 本人所呈交的毕业设计 论文 是在老师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 2 据查证 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 毕业设计 论文 中不包含其他人已经公开发表过的研究成果 也不包含为获 得其他教育机构的学位而使用过的材料 3 我承诺 本人提交的毕业设计 论文 中的所有内容均真实 可信 作者签名 日期 年 月 日 毕毕业业 设设计计 论论文文 任任务务书书 题目 630V 直 流 机 组 电 动 机 设 计 姓名 系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 电气工程及其自动化 学号 指导老师 职称 讲 师 教研室主任 一 基本任务及要求 机组由电动机拖动同轴发电机构成 机组电源使用 发电机发出电压为 630V 负载电流为 70A 根据负载电流选定所设电机型号及功率 进行所设电机的电磁计算 绘制该电机的总装图 冲片图 绕组展开图 注意发出电压的稳定性 二 进度安排及完成时间 1 2 月 20 日 下达设计任务书 2 2 月 20 日 3 月 10 日 查资料 写文献综述 开题报告 3 3 月 13 日 3 月 24 日 毕业实习 撰写实习报告 4 3 月 27 日 5 月 15 日 电机磁路设计 5 5 月 16 日 5 月 31 日 电机结构设计 撰写毕业设计说明书 6 6 月 1 日 6 月 12 日 修改 装订毕业设计说明书 7 6 月 13 日 6 月 16 日 毕业设计答辩 湖南工程学院毕业设计论文 目 录 摘摘 要要 Abstract 第 1 章 直流电动机工作原理 1 1 1 直流电动机的基本工作原理 1 1 2 直流电动机的主要结构及用途 2 1 2 1 主要结构 2 1 2 2 直流电动机的铭牌数据 4 1 2 3 直流电动机的用途和分类 5 1 3 直流电机的电枢绕组 6 1 3 1 单波绕组 6 1 4 直流电动机的磁场 9 1 4 1 直流电机的空载磁场 9 1 4 2 直流电机负载时的磁场和电枢反应 12 1 4 3 直流电机的励磁方式 16 1 5 直流电机的换向 17 1 5 1 直流电机的换向问题和换向极绕组 17 1 5 2 直流电机的补偿绕组 19 1 6 直流电动机的启动 20 1 6 1 直接加额定电压起动后果 20 1 6 2 限制起动电流的措施 21 1 7 直流电动机起动电阻的计算 21 1 7 1 关于起动电阻计算的分析 21 1 7 2 分析法计算起动电阻的步骤 21 1 8 直流电动机起动的过渡过程 21 1 9 直流电动机的制动 22 1 9 1 直流电动机的两种运转状态 22 1 9 2 电气制动方法 22 第 2 章 电动机功率的确定及其型号的选择 26 2 1 电动机功率的确定 26 湖南工程学院毕业设计论文 2 2 电动机的型号选择 26 2 3 电动机的额定参数 26 第 3 章 电磁计算 27 3 1 主要尺寸的选择 27 3 2 槽数及绕组的基本参数 28 3 3 槽形及电枢绕组 30 3 4 电刷换向器长度 31 3 5 主磁极及机座尺寸 31 3 6 磁路计算 33 3 7 空载特性及转速调整率 35 3 8 并励绕组 35 3 9 损耗与效率 37 参考文献 39 致谢 40 附录 A 直流电动机总装图 41 附录 B 转子冲片图 42 附录 C 绕组连线图 43 湖南工程学院毕业设计论文 直流机组电动机的设计 摘要 直流电动机是近年迅速兴起的一种新型电机 它广泛应用与工业 农业 以及 军事等领域 直流电动机既保持了直流电动机良好的调速控制特性 又消除了电刷和 换向器的机械接触 本文是对无刷直流电动机做出深入的剖析与设计 无刷直流电动 机是一种具有高效率 低磨损 低噪声的新型直流电机机种 本设计在介绍无刷直流电 动机设计中 关于相数 极数 槽数及绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律 而且 针对小功率直流电动机结构特点和工作性能 在电枢反应理论基础上设计出功率为 120w 的无刷直流电动机 并对霍尔位置传感器和无刷电动机的控制及驱动做了详细的 分析 关键词 直流电动机 结构特点 工作性能 湖南工程学院毕业设计论文 Direct Current Motor design Abstrsct Brushless DC motor is rapidly developing new motor in the recently and it widely used in industry agriculture and in the army The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and commutator is removed as well in brushless DC Motors This paper intends to make a better on the Design of Brushless DC motor The DC motor without coal brushless is in a new style with higher work efficiency Less wear and lower noise This paper presents the method of selecting phase slot number and winding connection type and introduces the laws that should be obey in the design of brushless DC motor Also based on introducing the structure of a light power DC motor a 120w light power DC motor is design according to the theory Not only make a lot of detail analyzed about the Hall position sensor in this paper but also the bruless DC s controls and the driving methods for bruless DC Keywords Direct Current Motor construction feature work performance 630V 直流机组电动机设计 1 第第 1 章章 直流电动机工作原理直流电动机工作原理 1 1 直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理 图 1 1 所示为直流电动机的原理模型 与直流发电机不同的是 线圈不被原动机 拖动 电刷 A B 接上直流电源 于是在线圈 abcd 中有电流流过 电流的方向如图 1 1 所示 根据电磁力定律可知 载流导体 ab cd 上受到的电磁力 f 为 f Bli N 1 1 式中 B 导体所在处的气隙磁密 Wb m2 L 导体的长度 m i 导体中的电流 A 导体受力的方向用左手定则确定 导体 ab 的受力方向是从右向左 导体 cd 的受 力方向是从左向右 如图 1 1 所示 这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩 这个 力矩在旋转电机里称为电磁转矩 转矩的方向是逆时针方向 企图使电枢逆时针方向 转动 如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩 例如由摩擦引起的阻转矩以及其它 负载转矩 电枢就能按逆时针方向旋转起来 当电枢转了 180 后 导体 cd 转到 N 极下 导体 ab 转到 S 极下时 由于直流电源供给的电流方向不变 仍从电刷 A 流入 经导体 cd ab 后 从电刷 B 流出 这时导体 cd 受力方向变为从右向左 导体 ab 受 力方向是从左向右 产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向 因此 电枢一经转动 由于换向器配合电刷对电流的换向作用 直流电流交替地由导体 ab 和 cd 流入 使线 圈边只要处于 N 极下 其中通过电流的方向总是由电刷 A 流入的方向 而在 S 极下时 总是从电刷 B 流出的方向 这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向 从 而形成一种方向不变的转矩 使电动机能连续地旋转 这就是直流电动机的工作原理 从上述基本电磁情况来看 一台直流电机原则上既可以作为发电机运行 也可以 作为电动机运行 只是其输入输出的条件不同而已 如用原动机拖动直流电机的电枢 将机械能从电机轴上输入 而电刷上不加直流电压 则从电刷端可以引出直流电动势 作为直流电源 可输出电能 电机将机械能转换成电能而成为发电机 如在电刷上加 直流电压 将电能输入电枢 则从电机轴上输出机械能 拖动生产机械 将电能转换 630V 直流机组电动机设计 2 成机械能而成为电动机 这种同一台电机 既能作发电机又能作电动机运行的原理 在电机学理论中称为电机的可逆原理 图 1 1 直流电动机的原理模型 1 磁极 2 电枢 3 换向器 4 电刷 1 2 直流电动机的主要结构及用途 1 2 1 主要结构 直流电动机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的 道理 但是要将其付诸应用 直流电机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理 的结构型式 直流电动机的结构型式是多种多样的 直流电动机是由静止的定子部分和转动的 转子部分构成的 定 转子之间有一定大小的间隙 以后称为气隙 现对各主要结构 部件的基本结构及其作用简述 1 定子部分 直流电动机定子部分主要由主磁极 换向极 机座和电刷装置等组成 1 主磁极 又称主极 在一般大中型直流电动机中 主磁极是一种电磁铁 只 有个别类型的小型直流电机的主磁极才用永久磁铁 这种电机叫永磁直流电机 主磁 极的作用是能够在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密 主磁极的 铁心用 1 1 5mm 厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成 把事先绕制好的励磁绕组套在主极 铁心外面 整个主磁极再用螺钉固定在机座的内表面上 各主磁极上的励磁绕组联接 630V 直流机组电动机设计 3 必须使通过励磁电流时 相邻磁极的极性呈 极和 极交替的排列 为了让气隙磁密 沿电枢圆周方向的气隙空间里分布得更加合理一些 铁心下部 称为极靴 比套绕组 的部分 称为极身 宽 这样也可使励磁绕组牢固地套在铁心上 2 机座 一般直流电动机都用整体机座 所谓整体机座 就是一个机座同时起 两方面的作用 一方面起导磁的作用 一方面起机械支撑的作用 由于机座要起导磁 的作用 所以它是主磁路的一部分 叫定子磁轭 一般多用导磁效果较好的铸钢制成 小型直流电机也有用厚钢板的 主磁极 换向极和端盖都固定在电机的机座上 所以 机座又起了机械支撑的作用 3 电刷装置 电刷装置是把直流电压 直流电流引入或引出的装置 电刷放在 电刷盒里 用弹簧压紧在换向器上 电刷上有个铜丝辫 可以引出 引入电流 直流 电机里 常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上 在电路连接上 把同一个绝 缘刷杆上的电刷盒并联起来 成为一组电刷 一般直流电机中 电刷组的数目可以用 电刷杆数表示 刷杆数与电机的主磁极数相等 各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方 向均匀分布 正常运行时 电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置 如果电刷杆 的位置放得不合理 将直接影响电机的性能 电刷杆装在端盖或轴承内盖上 调整位 置后 将它固定 2 转子部分 直流电动机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组 换向器 转轴和风扇等组成 图 1 2 为直流电机电枢装配示意图 图 1 2 直流电动机的电枢 630V 直流机组电动机设计 4 1 转轴 2 轴承 3 换向器 4 电枢铁心 5 电枢绕组 6 风扇 7 轴承 1 电枢铁心 电枢铁心作用有二 一个是作为主磁路的主要部分 另一个是嵌 放电枢绕组 由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动 会在铁心中引起涡流损耗和磁 滞损耗 这两部分损耗合在一起称为铁心损耗 简称铁耗 为了减少铁耗 通常用 0 5mm 厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成 固定在转轴上 电枢铁心沿圆周上有 均匀分布的槽 里面可嵌入电枢绕组 2 电枢绕组 电枢绕组是由许多按一定规律排列和联接的线圈组成 它是直流 电机的主要电路部分 是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部 件 线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成 线圈亦称为元件 每个元件有 两个出线端 电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中 每个元件的两个出线端以一定规律与 换向器的换向片相连 构成电枢绕组 3 换向器 换向器也是直流电动机的重要部件 在直流发电机中 它的作用是 将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势 在直流电动机中 它将电刷上 所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流 换向器安装在转轴上 主要由许多换向 片组成 片与片之间用云母绝缘 换向片数与元件数相等 1 2 2 直流电动机的铭牌数据 每台直流电动机的机座外表面上都钉有一块所谓铭牌 上面标注着一些叫做额定 值的铭牌数据 它是正确选择和合理使用电机的依据 根据国家标准 直流电机的额定值有 1 额定功率 N P W 2 额定电压 N U V 3 额定电流 N I A 4 额定转速 N n min r 5 励磁方式和额定励磁电流 fN I A 有些物理量虽然不标在铭牌上 但它们也是额定值 例如在额定运行状态的转矩 效率分别称为额定转矩 额定效率等 关于额定功率 对直流发电机来说 是指电机 出线端输出的电功率 对直流电动机而言 则是指它的转轴上输出的机械功率 因此 直流发电机的额定功率应为 1 2 NNN PU I 而直流电动机的额定功率为 1 3 NNNN PU I 式中 为直流电动机的额定效率 它是直流电动机额定运行时输出机械功率与电源 N 630V 直流机组电动机设计 5 输入电功率之比 电动机轴上输出的额定转矩用表示 其大小应该是输出的机械功率额定值除以 2N T 转子角速度的额定值 即 2 9 55 NN N NN P T n 1 4 式中 的单位为 的单位为 的单位为 此式不仅适用于直流 N PW N n minr 2N T N m 电动机 也适用于交流电动机 直流电动机运行时 若各个物理量都与它的额定值一样 就称为额定运行状态或 额定工况 在额定状态下 电机能可靠地工作 并具有良好的性能 但实际应用中 电机不总是运行在额定状态 如果流过电机的电流小于额定电流 称为欠载运行 超 过额定电流 称为过载运行 长期过载或欠载运行都不好 长期过载有可能因过热而 损坏电机 长期欠载 电机没有得到充分利用 效率降低 不经济 为此选择电机时 应根据负载的要求 尽量让电机工作在额定状态 1 2 3 直流电动机的用途和分类 把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机 把直流电能转换为机械能的电机 称为直流电动机 直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上 如轧钢机 电力 牵引 挖掘机械 纺织机械等等 这是因为直流电动机具有以下突出的优点 1 调速范围广 易于平滑调速 2 起动 制动和过载转矩大 3 易于控制 可靠性较高 直流发电机可用来作为直流电动机以及同步发电机的励磁直流电源以及化学工业 中的电镀 电解等设备的直流电源 与交流电机相比 直流电机的结构复杂 消耗较多的有色金属 维修比较麻烦 随着电力电子技术的发展 由晶闸管整流元件组成的直流电源设备将逐步取代直流发 电机 但直流电动机由于其性能优越 在电力拖动自动控制系统中仍占有很重要的地 位 利用晶闸管整流电源配合直流电动机而组成的调速系统仍在迅速地发展 国产的 直流电机种类很多 下面列出一些常见的产品系列 Z2系列是一般用途的中 小型直 流电机 包括发电机和电动机 Z 和 ZF 系列是一般用途的大 中型直流电机系列 Z 是直流电动机系列 ZF 是直流发电机系列 ZZJ 系列是专供起重冶金工业用的专用直 630V 直流机组电动机设计 6 流电动机 ZT 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 ZQ 系列是电力机车 工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机 ZH 系列是船 舶上各种辅助机械用的船用直流电动机 ZU 系列是用于龙门刨床的直流电动机 ZA 系 列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机 ZKJ 系列是冶金 矿山挖掘 机用的直流电动机 1 31 3 直流电机的电枢绕组 电枢绕组是直流电动机的一个重要部分 电机中机电能量的转换就是通过电枢绕 组而实现的 所以直流电机的转子也称为电枢 电枢绕组是由许多个形状完全一样的单匝元件 当然也可以是多匝元件 以一定规律 排列和联接起来的 用表示元件数 S 所谓单匝元件 就是每个元件的元件边 一个元件有两个元件边 里仅有一根导体 对多匝元件来说 一个元件边里就不止一根导体了 若用代表元件的匝数 则多匝 y N 元件的元件边里就有根导体 图 1 4 a 就是一个多匝元件 3 不管一个元 y N y N 件有多少匝 其出线端只有两根 一根叫首端 另一根叫末端 同一个元件的首端和 末端分别接到不同的换向片上 而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的 这 样就必须在同一个换向片上 既联有一个元件的首端 又联有另一元件的末端 若用 表示换向片数 则整个电枢绕组的元件数应等于换向片数 即 K y N K 1 3 1 单波绕组 1 绕组节距 单波绕组的绕组节距也分为第一节距 合成节距 换向器节距和第二节距等 它 们的定义和单叠绕组的节距定义相同 1 第一节距 1 y 因为 与元件联接方式无关 所以单波绕组的第一节距 的计算方法与单叠绕 1 y 1 y 组的完全相同 2 合成节距 与换向器节距 y k y 选择 时 应使相串联的元件感应电动势同方向 为此 须把两个相串联的元件 k y 放在同极性磁极的下面 让它们在空间位置上相距约两个极距 其次 当沿圆周向一 个方向绕了一周 经过 个串联的元件后 其末尾所联的换向片 必须落在与起 p k py 始的换向片相邻的位置 才能使第二周继续往下联 即 1 k pyKu 630V 直流机组电动机设计 7 1 5 因此 单波绕组元件的换向器节距为 1 k Ku y p 1 6 式中正负号的选择 首先要满足 是一个整数 在满足 为整数时 一般都取负号 k y k y 这种绕组当把每一个元件联成绕组时 联接的顺序是从右向左进行 称为左行绕组 图 1 3 所示就是这种绕组 合成节距 k yy 3 第二节距 2 y 21 yyy 1 7 单波绕组各节距如图 1 3 所示 联接后的形状犹如波浪一样向前延伸 由此而得 名 图 1 3 单波绕组的节距 2 绕组展开图 所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿 图 1 4 中为第 16 槽与第 1 槽间 的 1 个齿 的中间切开 并展开成平面的联接图 作图步骤如下 第一步 先画 16 根 等长等距的实线 代表各槽上层元件边 再画 16 根等长等距的虚线 代表各槽下层元 件边 让虚线与实线靠近一些 实际上一根实线和一根虚线代表一个槽 指虚槽 依 630V 直流机组电动机设计 8 次把槽编上号码 图 1 4 单波绕组展开图 2p 4 Qu S K 15 第二步 放置主磁极 让每个磁极的宽度大约等于 0 7 4 个磁极均匀放置在电 枢槽之上 并标上 极性 假定极的磁力线进入纸面 极的磁力线从纸面穿 NSNS 出 第三步 画 16 个小方块代表换向片 并标上号码 为了作图方便 使换向片宽度 等于槽与槽之间的距离 为了能联出形状对称的元件 换向片的编号应与槽的编号有 一定对应关系 由第一节距来考虑 1 y 第四步 联绕组 为了便于联接 将元件 槽和换向片按顺序编号 编号时把元 件号码 元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相联接的换向片号码编得一样 即 1 号元件的上层边放在 1 号槽内并与 1 号换向片相联接 这样当 1 号元件的上层边放在 1 号槽 实线 并与 1 号换向片相联后 因为 4 则 1 号元件的下层边应放在第 5 1 y 号槽 的下层 虚线 因 所以 1 号元件的末端应联接在 2 号换 1 15y 1 k yy 向片上 一般应使元件左右对称 这样 1 号换向片与 2 号换向片的分界线 1 12y 正好与元件的中心线相重合 然后将 2 号元件的上层边放入 2 号槽的上层 12y 下层边放在 6 号槽的下层 2 号元件的上层边联在 2 号换向片上 下层边 1 26y 联在 3 号换向片上 按此规律排列与联接下去 一直把 16 个元件都联起来为止 校核第 2 节距 第 1 元件放在第 5 槽的下层边与放在第 2 槽第 2 元件的上层边 它们 之间满足的关系 其他元件也如此 2 3y 第五步 确定每个元件边里导体感应电动势的方向 图中 所考虑的是发电机 箭头表示电枢旋转方向 即自右向左运动 根据右手定则就可判定各元件边的感应电 动势的方向 即在 极下的导体电动势是向下 在 极下是向上的 在图示这一瞬间 630V 直流机组电动机设计 9 1 5 9 13 四个元件正好位于两个主磁极的中间 该处气隙磁密为零 所以不感应电 动势 第六步 放电刷 在直流电机里 电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数一样 多 对本例来说 就是四组电刷 它们均匀地放在换向器表面圆周方向的 1122 A B A B 位置 每个电刷的宽度等于每一个换向片的宽度 放电刷的原则是 要求正 负电刷之间得到最大的感应电动势 或被电刷所短路 的元件中感应电动势最小 这两个要求实际上是一致的 在图 1 9 里 由于每个元件 的几何形状对称 如果把电刷的中心线对准主极的中心线 就能满足上述要求 图 1 4 中 被电刷所短路的元件正好是 1 5 9 13 这几个元件中的电动势恰为零 实 际运行时 电刷是静止不动的 电枢在旋转 但是 被电刷所短路的元件 永远都是 处于两个主磁极之间的地方 当然感应电动势为零 实际的电机并不要求在绕组展开图上画出电刷的位置 而是等电机制造好 用试 验的办法来确定电刷在换向器表面上的位置 3 绕组电路图 单波绕组是把所有上层边在极下的元件串联起来构成一条支路 把所有上层边N 在极下的元件串联起来构成另一条支路 由于主磁极只有 之分 所以单波绕SNS 组的支路对数与磁极对数无关 总是等于 1 即 单波绕组有以下特点 1a 1 同极性下各元件串联起来组成一个支路 支路对数 与磁级对数无关 1a p 2 当元件的几何形状对称时 电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线 正 负电刷间感应电动势最大 3 电刷杆数也应等于极数 采用全额电刷 1 4 直流电动机的磁场 直流电动机中除主极磁场外 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 要了解气隙磁场的情况 就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性 1 4 1 直流电机的空载磁场 直流电机的空载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 态 此时电机无负载 即无功率输出 所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是 主磁场 即由励磁磁通势单独建立的磁场 630V 直流机组电动机设计 10 当励磁绕组通入励磁电流 各主磁极极性依次呈现为 极和 极 由于电机磁路 结构对称 不论极数多少 每对极的磁路是相同的 因此只要分析一对极的磁路情况 就可以了 图 1 5 是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图 一对极的情形 从图中 看出 由 极出来的磁通 大部分经过气隙进入电枢齿部 再经过电枢磁轭到另一部 分的电枢齿 又通过气隙进入 极 再经过定子磁轭回到原来出发的 极 成为闭合 回路 这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组 电枢旋转时 能在电枢绕组中感 应电动势 或者产生电磁转矩 把这部分磁通称为主磁通 用 0表示 此外还有一小 部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路 这部分磁通 仅与励磁绕组相匝链 称为漏磁通 用 表示 由于主磁通磁路的气隙较小 磁导 较大 漏磁通磁路的气隙较大 磁导较小 而作用在这两条磁路的磁通势是相同的 所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多 大约是主磁通的 20 左右 图 1 5 直流电机空载时的磁场分布示意图 1 极靴 2 极身 3 元子磁轭 4 励磁绕组 5 气隙 6 电枢齿 7 电枢磁轭 由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小 在极靴下的气隙又往往是不均匀的 所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同 在磁极轴线附近的磁回路中气隙 较小 接近极尖处的磁回路中气隙较大 如果不计铁磁材料中的磁压降 则在气隙中 各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势 因此 在极靴下 气隙小 气隙中沿电枢表面 上各点磁密较大 在极靴范围外 气隙增加很多 磁密显著减小 至两极间的几何中 性线处磁密为零 不考虑齿槽影响时 直流电机空载磁场的磁密分布如图 1 6 所示 630V 直流机组电动机设计 11 图 1 6 直流电机空载磁场的磁密分布 在直流电机中 为了感应电动势或产生电磁转矩 气隙里要有一定数量的主磁通 0 也就是需要有一定的励磁磁通势 或者当励磁绕组匝数一定时 需要有一定 的励磁电流 把空载时主磁通 0与空载励磁磁通势 或空载励磁电流 的关 系 即 0 或 0 称为直流电机的磁化曲线 它表明了电机磁路的 特性 电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到 直流电机磁路计算内容是 已知气隙每极磁通为 0 求出直流电机主磁路各段中的磁 压降 各段磁压降的总和便是励磁磁通势 对于给定的不同大小的 0用同一方 法计算 得到与 0相应的不同 经多次计算 便得到了空载磁化曲线 0 直流电机主磁通的磁回路从图 1 5 中可看出主要包括这样几段 两段主磁极 两 段气隙 两段电枢齿部 电枢磁轭 定子磁轭 对于每一段磁路 都是根据已知的 0 算出磁密 B 再找出相应的磁场强度 H 分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降 气隙部分的磁导率是常数 不随 0而变 或者说气隙磁压降与 0成正比 但其它各 段磁路 都是铁磁材料构成 它们的 B 与 H 之间是非线性关系 具有磁饱和的特点 也就是说它们的磁压降与 0不成正比 也具有饱和现象 当 0大到一定程度后 出 现饱和 0再增大 H 或磁压降就急剧增大 因此 造成了直流电机 0大到一定程 度后 磁路总磁压降即励磁磁通势 急剧增大 电机的磁化曲线具有饱和现象 如 图 1 7 所示 630V 直流机组电动机设计 12 图 1 7 电机的磁化曲线 考虑到电机的运行性能和经济性 直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁 化曲线开始弯曲的地方 称为膝部 如图 1 7 中的 a 点 称为膝点 对应的 N系 指在空载额定电压时的每极磁通 对应的励磁磁通势为 FfN 1 4 2 直流电机负载时的磁场和电枢反应 当电机带上负载后 电枢绕组中就有电流流过 在电机磁路中 又形成一个磁通 势 这个磁通势称为电枢磁通势 因此 负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁 通势共同作用所建立 电枢磁通势的出现 必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建 立的磁场 有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小 通常把负载时电枢磁通势 对主磁场的这种影响称为电枢反应 电枢反应对直流电机的运行性能影响很大 1 电枢磁通势和电枢磁场 电枢磁通势是由电枢电流所产生的 从对电枢绕组的分析可知 不论什么型式的 绕组 其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的 在一个极下元件边中电流方向是 相同的 相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的 因此 电刷是电枢 表面电流分布的分界线 在电枢磁通势的作用下 电刷在几何中性线上时的电枢磁场 分布如图 1 8 所示 630V 直流机组电动机设计 13 图 1 8 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布 由于电刷和换向器的作用 尽管电枢是旋转的 但是每极下元件边中的电流方向 是不变的 因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的 电枢磁场的轴线总是 与电刷轴线重合 并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直 现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况 首先讨论 一个元件所产生的电枢磁通势 设电枢槽内仅嵌放一个元件 该元件轴线 即元件的中心线 与磁极轴线垂直 即元件边位于磁极轴线上 如图 1 9 a 所示 元件有 匝 元件中的电流为 则元件边所产生的磁通势为 安培导线数 由该元件所建立的磁场的磁力线的路径 如图 1 9 a 所示 设想将电机从 处切开 展平如图 1 9 b 所示 根据全电 流定律可知 每个磁回路的磁通势均为 每根磁力线通过两次气隙 若不计铁磁 材料中的磁压降 则磁通势全部消耗在气隙中 在直流电机中 与磁极轴线等距离处 的气隙大小相等 所以磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电 流的一半 即 1 2 若以几何中性线为纵轴 电枢周长为横轴 但规定磁通势方 向与磁力线方向一致 即正磁通势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极 负磁通 势则为从主磁极到电枢 作这些规定后 一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布 为 630V 直流机组电动机设计 14 1 8 将式 1 8 用曲线形式表示 如图 1 9 b 中所示 从图中看出 一个宽度为一 个极距 的元件所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以 2 为周期 幅值为 1 2 的矩形波 图 1 9 一个元件所产生的电枢磁通势 a 磁力线分布 b 磁通势分布 若电枢表面均匀分布四个元件 如图 1 10 所示 根据上面分析 每个元件的磁通 势空间分布均为一个高为 1 2 宽度为 的矩形波 把这样的四个矩形波叠加起 来 可得一个每级高度为 阶梯级数为 2 的阶梯形波 630V 直流机组电动机设计 15 图 1 10 四个元件所产生的电枢磁通势 如果电枢表面均匀分布的元件数目较多 那么总的电枢磁通势波形会接近图 1 10 中所表示的三角形波 由于实际电机中 电枢上元件很多 可近似地认为电枢磁通势 分布波形为一三角形波 其轴线即位于三角形的顶点上 设 为电枢绕组的总导线数 为元件数 为极对数 为极距 为电 枢直径 则阶梯级数为 且阶梯形波或三角形波的幅值为 1 9 把 和 代入式 1 9 得 1 10 式中 电枢表面单位长度上的安培导体数 称为线负荷 A m 知道了电枢磁通势分布曲线 在忽略铁心中磁阻的情况下 即可求出电枢磁场的磁密 沿电枢表面的分布曲线 这条曲线表示为 1 11 式中 气隙长度 m 630V 直流机组电动机设计 16 真空中的磁导率 如果气隙是均匀的 即 为常数 则在极靴范围内 磁密分布也是一条直线 但 在两极极靴之间的空间内 因气隙长度大为增加 磁阻急剧增加 虽然此处磁通势较 大 磁密却反而减小 因此磁密分布曲线是马鞍形 如图 1 11 中所示 图 1 11 磁场分布和电枢反应 2 负载时的合成磁场和电枢反应 以直流电动机为例 把主磁场与电枢磁场合成 将合成磁场与主磁场比较 便可 看出电枢反应的作用 在图 1 11 中 表明了磁极极性和极下元件边中的电流方向 根据左手定则 决定转动 方向为由右向左 再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则 分别画出主磁场分布曲 线 及电枢磁场分布曲线 若磁路不饱和 可用迭加原理 将 沿电枢表面逐点相加 便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线 如图 1 11 中实线所表示 将 和 比较 得出 1 使气隙磁场发生畸变 每一磁极下 因为电枢磁场使主磁场一半被削弱 另 一半被加强 并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个 角度 称通过电枢表面磁密为零的这条直线为物理中性线 故在空载时 物理中性 线与几何中性线重合 负载时 由于电枢反应的影响 气隙磁场发生畸变 物理中性 线与几何中性线不再重合 而且磁场的分布曲线也与空载时不同 2 对主磁场起去磁作用 在磁路不饱和时 主磁场被削弱的数量恰好等于被加 强的数量 图 1 11 中表示出面积 因此负载时每极下的合成磁通量与空载时 630V 直流机组电动机设计 17 相同 但在实际电机中 磁路总是饱和的 因为在主磁极两边磁场变化情况不同 一 边是增磁的 另一边是去磁的 主极的增磁作用会使饱和程度提高 铁心磁阻增大 从而使实际的合成磁场曲线 图中用虚线表示 比不计饱和时要低些 与不饱和时相 比 增加的磁通要少些 主极的去磁作用可使饱和程度降低 铁心磁阻减小 结果使 实际的合成磁场曲线 图中用虚线表示 比不计饱和时略高些 与不饱和时相比 减 少的磁通要少些 由于磁阻变化的非线性 磁阻的增大比磁阻的减小要大些 增加的 磁通就会小于减少的磁通 图 1 11 中表示出面积 因此负载时合成磁场每极 磁通比空载时每极磁通略有减少 这就是电枢反应的去磁作用 总的来说 电枢反应 的作用不仅使电机内气隙磁场发生畸变 而且还会呈去磁作用 1 4 3 直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电 产生励磁磁通势而建立主磁场的 问题 根据励磁方式的不同 直流电机可分为下列几种类型 1 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系 而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机 称为他励直流电机 接线如图 1 12 a 所示 图中 M 表示电动机 若为发电机 则用 G 表示 永磁直流电机也可看作他励直流电机 2 并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联 接线如图 1 12 b 所示 作为并励 发电机来说 是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电 作为并励电动机来说 励 磁绕组与电枢共用同一电源 从性能上讲与他励直流电动机相同 3 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后 再接于直流电源 接线如图 1 12 c 所示 这种直流电机的励磁电流就是电枢电流 4 复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组 接线如图 1 12 d 所示 若串励绕组 产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励 若两个磁通势方向相反 则称为差复励 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性 一般情况直流电动机的主要励磁方式 是并励式 串励式和复励式 直流发电机的主要励磁方式是他励式 并励式和和复励 式 630V 直流机组电动机设计 18 图 1 12 直流电机的励磁方式 a 他励 b 并励 c 串励 d 复励 1 5 直流电机的换向 1 5 1 直流电机的换向问题和换向极绕组 通过对直流电机电枢绕组的分析知道 当电枢旋转时 组成电枢绕组的每条支路 里所含元件数目是不变的 但组成每条支路的元件都在依次循环地更换 一条支路中 的某个元件在经过电刷后就成为另一条支路的元件 并且在电刷的两侧 元件中的电 流方向是相反的 因此直流电机在工作时 绕组元件连续不断地从一条支路退出而进 入相邻的支路 在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中 元件中的电流就要改 变方向 这就是所谓直流电机的换向问题 换向问题是换向器电机的一个专门问题 如果换向不良 将会在电刷与换向片之 间产生有害的火花 当火花超过一定程度 就会烧坏电刷和换向器表面 使电机不能 正常工作 此外 电刷下的火花也是一个电磁波的来源 对附近无线电通讯有干扰 国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定 读者可参阅 我国有关国家技术标准 产生火花的原因是多方面的 除电磁原因外 还有机械的原因 换向过程中还伴 随有电化学 电热等因素 它们互相交织在一起 所以相当复杂 至今还没有完全掌 握其各种现象的物理实质 尚无完整的理论分析 就电磁理论方面看 换向元件在换向过程中 电流的变化必然会在换向元件中产 生自感电动势 此外 因电刷宽度通常为 2 3 片换向片宽 同时换向的元件就不止一 个 换向元件与换向元件之间会有互感电动势产生 自感电动势和互感电动势的合成 630V 直流机组电动机设计 19 称为电抗电动势 根据楞次定律 电抗电动势的作用是阻止电流变化的 即阻碍换向 的进行 另外电枢磁场的存在 使得处在几何中性线上的换向元件中产生一种切割电 动势 称为电枢反应电动势 根据右手定则 电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用 因此 换向元件中出现延迟换向的现象 造成换向元件离开一个支路最后瞬间尚有较 大的电磁能量 这部分能量以弧光放电的方式转化为热能 散失在空气中 因而在电 刷与换向片之间出现火花 从产生火花的电磁原因出发 要有效地改善换向 就必须减小 甚至抵削换向元 件中的电抗电动势和电枢反应电动势 目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极 由于换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势均与电枢电流成正比 所以换向极绕 组中应通以电枢电流 即换向极绕组与电枢绕组串联 换向极绕组一般用截面较大的 矩形导线绕成 而且匝数较少 换向极绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反 大小比电枢磁通势大 这样换向极磁通势除抵削电枢磁通势在几何中性线处的作用外 剩余的磁通势在换向 元件里产生感应电动势 这个电动势抵消换向元件中的电抗电动势 只要换向极设计 和调整得合适 就能保证换向元件中总电动势接近于零 电机的换向就比较顺利了 使负载运行时电刷与换向器之间基本上没有火花 图 1 13 表示了一台直流电机换向极 绕组的联接与换向极的极性布置 在直流电动机中 换向极极性应和换向元件边刚离 开的那个主磁极极性一样 其排列顺序为 为换向极 极性 而在直流发电机中 应与将进入的那个主磁极极性相同 其排列顺序为 图 1 13 换向极绕组联接与极性 630V 直流机组电动机设计 20 1 5 2 直流电机的补偿绕组 在直流电机中 除了上述的电磁性火花外 有时还因某些换向片的片间电压过高 而产生的所谓电位差火花 在换向不利的条件下 电磁性火花与电位差火花连成一片 在换向器上形成一条长电弧 将正 负电刷连通 如图 1 14 所示 这种现象称为 环 火 是一种十分危险的现象 它不仅会烧坏电刷和换向器 而且将使电枢绕组受到 严重损害 图 1 14 环火 为了防止电位差火花和环火 在大容量和工作繁重的直流电机中 在主磁极极靴 上专门冲出一些均匀分布的槽 槽内嵌放补偿绕组 如图 1 15 所示 补偿绕组与电枢 绕组串联 并使补偿绕组磁通势与电枢磁通势相反 以保证在任何负载下电枢磁通势 都能被抵削 从而减少了因电枢反应而引起气隙磁场的畸变 也就减少了产生电位差 火花和环火的可能性 但是装置补偿绕组使电机的结构变得复杂 成本较高 所以一 般直流电机不采用 仅在负载变动大的大 中型电机中才用 还应指出的是环火的发生除了上述的电气原因外 因换向器外圆不圆 表面不干 净也可能形成环火 因此加强对电机的维护工作 对防止环火的发生有着重要作用 630V 直流机组电动机设计 21 图 1 15 补偿绕组 1 6 直流电动机的启动 直流电动机起动时 必须先保证有磁场 即先通励磁电流 而后加电枢电压 电枢电流 Ia 为 0 刚起动时 转速 n 0 Ea 0 因为电动机的电枢绕组电阻 Ra 很小 所以直接 加额定电压起动 可能突增到额定电流的十多倍 a a a UE I R 1 6 1 直接加额定电压起动后果 1 换向情况恶化 产生严重的火花 2 过大转矩将损坏拖动系统的传动机构 因此在起动时 必须设法限制电枢电流 1 6 2 限制起动电流的措施 1 降压起动 适用于电动机的直流电源是可调的 630V 直流机组电动机设计 22 2 电枢电路中串联电阻 当没有可调电源时 可在电枢电路中串联电阻以限制起动电流在起动过程中并将 起动电阻逐步切除 分级起动时可将每一级的 I1 或 T1 与 I2 或 T2 取得大小一致 以使电动机 有比较均匀的加速度 这能改善电动机的换向情况 缓和转矩对传动机构与工作机械 的有害冲击 1 7 直流电动机起动电阻的计算 1 7 1 关于起动电阻计算的分析 设最大电流为 I1 切换电流 I2 由于切除电阻进行很快 可忽略电感的影响 1 7 2 分析法计算起动电阻的步骤 1 算出电机电枢电阻 Ra 2 根据电机容量和工艺要求 3 求出各级起动时总的电枢回路电阻 Rm R1 4 求出各级电阻 RW1 RW2 1 8 直流电动机起动的过渡过程 1 什么叫电力拖动过渡过程 指电力拖动系统由一个稳态工作状态过渡到另一个稳定工作状态的过程 例如起动 制动 反转 调速 负载突变等过程 2 负载图 630V 直流机组电动机设计 23 过渡过程中 n T Ia 及 P 均为时间的函数其变化规律称为电力拖动运行的负 载图负载图是正确选择与校验电动机功率的依据 3 研究过渡过程的意义 研究过渡过程可以分析如何缩短过渡过程的时间从而提高生产率探讨减小过渡过 程损耗的途径提高电动机的利用率还可以研究如何改善电力拖动的运行情况 4 电力拖动系统中存在的惯性 电力拖动系统中一般存在以下三种惯性 1 机械惯性 体现在飞轮矩 GD2 上 它使转速 n 不能突变 2 电磁惯性 体现在电枢回路电感 La 及励磁回路电 1 9 直流电动机的制动 1 9 1 直流电动机的两种运转状态 1 电动运转状态 电动机转矩 T 的方向与旋转方向相同 电网向电动机输入电能 2 制动运转状态 转矩 T 与转速 n 的方向相反 电动机吸收机械能并转化为电能 1 9 2 电气制动方法 1 能耗制动 2 反接制动 3 回馈制动 或称再生制动 630V 直流机组电动机设计 24 应用上述三种电气制动方法 使电动机生产一个负的转矩 即制动转矩 以增加 减速度 使系统较快地停下 也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度 一 能耗制动 电路特点 U 0 电枢回路电阻 Ra Rz制动过程中 电动机靠系统的动能发电 转化成发电机工作状态 把动能变成电能 消耗在电枢回路的电阻上 因此称为能耗 制动 a 能耗制动机械特性方程式 2 az eT RR n C C 1 12 制动电阻 Rz 愈小 则机械特性愈平 T1 绝对值愈大 制动愈快 b 制动电阻选择 按最大制动电流不超过 2 IN 来选择 RZ 可近似取 630V 直流机组电动机设计 25 c 能耗制动的用途 除利用制动实现降速外 电动机带动位能负载时 可利用能耗制动实现等速下放 d 能耗制动时的过渡过程曲线 起始电流 Ia 起始转速 n1 稳态电流 Iz 稳态转速 nz 必须指出 在一定转速下进行能耗制动时电枢必须串联电阻 Rz 否则电枢电流将 过大 在高速时甚至接近短路电流的数值 二 反接制动 转速反向反接制动可用于位能负载稳速下放电枢电压反向反接制动一般用于反作 用负载刹 一 转速反向的反接制动 1 转速反向反接制动的电路及特点 2 机械特性 转速反向的反接制动特性方程式为与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式 上是相同的 3 制动过程中的功率平衡问题 630V 直流机组电动机设计 26 对电枢电路电势平衡方程式两边同乘以 Ia 得 表示由电网输入的功率和输入的机械功率之和消耗在电枢的电阻 Ra R 上 二 电枢反接的反接制动 1 反接制动电路及特点 为了使工作机械迅速停车或反向 突然断开触点 K 并接通触点 F 把电枢电源反 接 电枢电路中要串入电阻 R 2 机械特性 如果反接制动时最大电流不超过 2IN 则应使 这时机械特性