中国石油大学电机与拖动基础全部课件.ppt

电机与拖动基础 电气工程系 张磊 1 课程介绍 专业基础课电力电子技术直流电机调速电路 磁路 电机拖动交流电机调速电力系统考试 平时 实验 作业 课堂 期末答疑 初步为周六课后答疑办公室 基础实验楼B座 216电话2 参考教材 电机及拖动基础 林瑞光浙江大学出版社 电机与拖动基础 顾绳谷机械工业出版社 电机学 汤蕴璆机械工业出版社 电机学 许实章机械工业出版社 3 学习电机与拖动基础对本学科的意义 第一门专业基础课 发电机 电动机 变压器我们都要学习是电机调速的基础是电力系统相关学科的基础 4 学习这门课程的方法 重视原理 重视理解 不必过于重视计算 物理量的关系曲线 相量图 等效电路 重要的公式 温故而知新联系实际善于利用仿真软件 Matlab Maxwell多看看维基百科的知识 5 库仑定律 法 安培定律 法 法拉第 英 电磁感应定律 高斯定律 法 电磁学四大定律 麦克斯韦 英 6 绪论 1 电机的应用2 电机的主要类型3 基本电磁定律4 铁磁材料的性能 7 轧钢机 数控机床 石化工业 1 一般工业 电机拖动技术的应用 8 2 交通运输 电机拖动技术的应用 9 3 电力系统 三峡工程水力发电机 火力发电机 电机拖动技术的应用 10 4 家用电器 电机拖动技术的应用 11 5 其他 计算机 航天技术 新型能源 电机拖动技术的应用 12 电机拖动在油田的应用 采油设备注水泵站钻机 13 14 0 1 1电机的主要类型 电机 15 0 1 2电机的发展史简介 1821 法拉第 Faraday 发现了载流导体在磁场中受力的现象 也就是电动机的作用原理 并首次用模型表演了这种电能转换为机械能的过程 这就是最早的直流电机 当时是用电池供电的 1831年 法拉第发现了电磁感应定律 第二年 皮克西 Pixii 制成一台直流发电机的原型机 第三年 楞次 Lenz 证明了电机的可逆原理 1866年 西门子兄弟 W CWSiemens 发现了发电机的自励过程 1880年 爱迪生 Edison 提出采用叠片铁心 减少铁心损耗 降低绕组温升 GE的创始人之一 16 0 1 2电机的发展史简介 1882年 台勃莱兹 Depratz 将米斯巴哈水电站发出的2kW的直流电 通过一条长57km的输电线送到了慕尼黑 从而为电能和电机的应用开辟了广阔的前景 1884年 霍普金森兄弟发明了具有闭合磁路的变压器 交流电的远距离输电的问题得到缓解 1885年 费拉里斯 Ferraris 制成第一台两相感应电动机 并于1888年发表了 利用交流电产生电动机旋转 的经典论文 与此同时 特斯拉 Tesla 也是独立地从事旋转磁场的研究 也发明了感应电动机 17 0 1 2电机的发展史简介 1889年 多利夫多夫 罗夫斯基 Doliv Dobrovsky 又进一步提出了采用三相制的建议 并设计和制造了三相感应电动机 与单相和两相系统相比 三相系统效率更高 用铜省 电机的性价比 材料的利用率有明显改进 20世纪初 交流三相制在电力工业就占据了绝对统治地位 法拉第 楞次 爱迪生 西门子 特斯拉 相信 这些名字大家都不寞生 我们应站在这些前辈的肩膀上学好电机 用好电机 改进直流电机 异步电动机 交流输电 无线能量传输 无线电发射机 X射线 无线电遥控 机器人 创造出二十世纪的人 18 0 2磁路和磁路的基本定律 一 场和路分析流动量和流动轨迹的两种抽象方法 电的良导体构成电荷运动的顺畅通道 将绝大部分电荷约束在由良导体连接的电路中 所以分析电荷运动及运动的效果时 我们分析电路就可以了 19 一 场和路 如果我们能用高导磁材料在磁场中构建一条顺畅的通道 让绝大多数磁力线均从这条路上走 那么 我们分析磁场问题会大大简化 20 一 场和路 磁通所通过的路径就叫磁路 电流通过的路径就叫电路 磁路由大部分的高导磁材料和小部分的低导磁材料构成 高导磁材料的出现 使得磁通被限制在确定的路径中 与电流被限制在电路的导体中相似 低导磁材料起的作用与电路中的阻抗相似 即限制磁路的磁通不要太大 21 主磁通 漏磁通 漏磁通 漏磁通 漏磁通 22 主磁通 由于铁心的导磁性能比空气要好得多 所以绝大部分磁通将在铁心内通过 这部分磁通称为主磁通 漏磁通 围绕载流线圈 部分铁心和铁心周围的空间 还存在少量分散的磁通 这部分磁通称为漏磁通 主磁路 主磁通所通过的路径 漏磁路 漏磁通所通过的路径 励磁线圈 用以激励磁路中磁通的载流线圈 励磁电流 励磁线圈中的电流 23 二 基本概念和基本原理复习 1 磁场的四个基本物理量磁感应强度 单位 特斯拉 T 磁场强度 单位 A m 为介质的磁导率 磁通 单位 韦伯 Wb 磁链 单位 韦伯 Wb 24 二 基本概念和基本原理复习 2 法拉第电磁感应定律 楞次定律 磁生电 设匝数为N的线圈处在磁场中 它所交链的磁链为 当磁链发生变化时 在线圈中就有感应电动势产生 感应电动势的大小和磁链的变化率成正比 如果感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系 则电磁感应定律用下式表示 25 二 基本概念和基本原理复习 课堂练习 0 5 稍变形 对吗 26 二 基本概念和基本原理复习 关于感应电动势的方向 有另外一种说法 感应电动势的方向是企图在线圈内产生感应电流 使之所建立的磁通用来阻止线圈中磁通的变化 即楞次定律 一般用于判断实际方向 27 二 基本概念和基本原理复习 正方向与实际方向的关系 正方向只是一种规定 有了这种规定 就可以用正负数来表示相同方向的量或不同方向的量 与实际方向没有任何关系 但是可以根据正方向的规定和在这种规定下物理量的正负来得到实际方向 若磁通的正方向与感应电动势的方向不符合右手螺旋法则 法拉第电磁感应定律公式应写成什么形式 为什么 28 二 基本概念和基本原理复习 根据法拉第电磁感应定律 写出 的表达式 课堂练习 0 4 用法拉第电磁感应定律和楞次定律两种方法 29 二 基本概念和基本原理复习 变压器电动势线圈和磁场相对静止 但穿过线圈的磁通本身发生变化 由此产生的感应电动势称为变压器电动势 运动电动势 旋转电动势 速率电动势若导体 磁力线和运动方向三者互相垂直 则导体内的感应电动势为 方向符合右手定则 30 若磁场与导体相互垂直 则作用在导体上的电磁力为 二 基本概念和基本原理复习 3 电磁力定律 电磁作用产生力 载流导体在磁场中受到力的作用 这种力是磁场与电流相互作用产生的 故称为电磁力 方向的规定 左手定则 31 二 基本概念和基本原理复习 左手定则和右手定则只是一种正方向的约定 如果不是这样的约定 前面的两个公式要带负号 与右手螺旋法则一样 左通力 右生电 32 二 基本概念和基本原理复习 4 安培环路定理 也称全电流定律 电生磁 麦克斯韦 安培定律 在电机和变压器中 我们认为没有变化的电场 也即没有位移电流 所以可以简化为 这仍是一个场的问题 如果由高导磁材料构成磁路 如下图所示 则可以写成分段形式 33 二 基本概念和基本原理复习 F为作用在整段磁路上的磁动势 与磁通的正方向一致 与电流i符合右手螺旋法则 在单回路的电路中 电流处处相等 那么在单回路的磁路中 什么处处相等 若截面积相同 B和H呢 H1和H2相等吗 若截面积相同 材料相同 则H相同 34 三 磁路的基本定律 1 磁路的欧姆定律 设铁心处截面积相等不计漏磁磁通磁通均匀通过各截面 且垂直于各截面 35 三 磁路的基本定律 磁阻 磁导 36 三 磁路的基本定律 2 磁路的基尔霍夫第一定律 37 三 磁路的基本定律 3 磁路的基尔霍夫第二定律 38 39 磁路与电路的区别 电路中有电流就有功率损耗 磁路中恒定磁通下没有功率损耗 电流全部在导体中流动 而在磁路中没有绝对的磁绝缘体 除在铁心的磁通外 空气中也有漏磁通 电阻为常数 磁阻为变量 对于线性电路可应用叠加原理 而当磁路饱和时为非线形不能应用叠加原理 综上所述 磁路与电路仅是数学形式上的类似 而本质是不同的 40 例1如图所示的磁路有尺寸Ac Ag 9cm2 lg 0 05cm lc 30cm N 500匝 假设铁芯材料的磁导率 r 7000 相对磁导率 求 1 磁阻Rmc和Rmg 2 对于磁路工作在Bc 1 0T的情况 求出磁通 电流i和线圈的自感 3 已知单位体积内的磁场能量为BH 2 比较铁芯和气隙中储存的磁场能量 假设i不变 气隙过大和过小对磁路的储能有何影响 41 1 气隙的磁阻和铁芯的磁阻之比为35 3 磁通相同 所以 气隙上的磁压降与铁芯上的磁压降之比为35 3 通常 铁芯中的磁压降可以忽略不计 42 2 线圈的自感与匝数的平方成正比 与整个磁路的磁阻成反比 与整个磁路的磁导成正比 43 与电路相对比 高导磁材料的作用与导线类似 就是构建磁通的便捷通路 3 44 0 3电机中铁磁材料的特性 高导磁材料也叫磁性材料 是指具有高导磁性能铁 钴 镍及其合金 这其中以铁及铁合金应用最广 所以一般又称为铁磁材料 最基本的特性 良好的导电性 高导磁性及磁化曲线的非线性 磁滞现象与磁滞损耗 涡流现象与涡流损耗 1 良好的导电性虽然电阻率较大 与铜 铝相比较 但仍是电的良导体 2 高导磁性与磁化曲线的非线性 45 0 3电机中铁磁材料的特性 磁畴假说 磁畴假说 没有外加磁场时 铁磁材料内部的磁畴杂乱无章 相互抵消磁作用 对外不呈现磁性 一旦将铁磁物质放入磁场 在外施磁场的作用下 磁畴的方向趋向一致 形成一个附加磁场 叠加在外磁场上 从而使磁场大大加强 46 两种思路 1 塑料环的磁场只是由电流励磁产生的 而铁芯中的磁场由两部分叠加而成 一部分是由电流励磁得到的磁场 铁心经磁化后 内部的磁畴变成同一方向 对外磁场有加强作用 2 励磁电流一样 磁路的总的磁动势一样 但前者的磁路的磁阻小 所以磁通大 所以B大 47 材料的导磁性能用磁导率来表示 如何来测材料的磁导率 先想一下 电阻率是如何测的 利用欧姆定律电压除以电流 测出电阻 然后测算出导线的长度和截面积 利用电阻公式可求电阻率 类比 可测磁导率 48 磁滞 磁滞回线 剩磁 基本磁化曲线 磁滞损耗 磁滞损耗的相关因素 最大磁感应强度 励磁频率 材料 剩磁 矫顽力 B的变化总是滞后于H的变化 这种现象称为磁滞现象 49 软磁材料用来制造铁芯 硬磁材料制造永久磁铁 也称为永磁材料 B A 软磁材料 H H B 硬磁材料 50 4 涡流及涡流损耗 叠片来减少涡流 是谁的创意 爱迪生 51 涡流损耗的影响因素 磁通的交变频率 磁通密度幅值 铁心的电阻率及铁心厚度 思考 铁心电阻率对涡流损耗有什么影响 为什么 52 本章小结 重点掌握正方向的含义 理解它与实际方向之间的关系掌握法拉第电磁感应定律 电磁力定律 安培环路定理理解磁路的概念掌握磁性材料的特性 良好的导电性 高导磁性 磁化曲线的非线性 理解磁滞损耗和涡流损耗产生的原因及影响因素 这些基本定律和磁性材料的特性是学好电机的基础 也是我们分析身边实际问题的基础 53 大作业 上图给出的是一个电磁开关的原理图 当控制回路上电 则负载运行 控制回路断电 负载停下 维修人员发现 在不经常运行的设备中 弹簧易生锈 拉动弹簧所需的力较大 控制回路上电后 A与B之间的缝隙较大 控制线圈容易被烧坏 试用所学的知识解释 要求有理论分析 两周后上交 负载 弹簧 作业 0 4 0 5 课后思考0 1 0 2 54 第一章直流电机 中国石油大学 华东 信控学院 55 直流电机概述 直流电机的优缺点优点 1 直流电动机的调速范围宽广 调速特性平滑 控制简单 2 直流发电机的电势波形较好 受电磁干扰的影响小 3 直流电动机过载能力较强 起动和制动转矩较大 缺点 1 由于存在换向器 使得制造复杂 维护困难 2 相比于相同容量的三相交流电机 体积大 重量大 造价高 3 电源不易取得 需要有直流电源配套装置 所以 在普通的直流电机已在大多数应用场合被交流电机取代 56 那我们为什么还要学习直流电机 1 有一些特定的场合直流电机仍有应用 如钻井平台 工作后仍要面对 2 采用电力电子开关换向的无刷直流电机 在生产生活中应用非常广泛 3 现代交流调速的理论是基于直流电机的模型发展而来的 只有学好直流电机的原理 才能更好地理解交流电机的调速理论 57 1 1直流电机的基本工作原理 58 至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机 59 60 直流电机的物理模型 61 电机是以磁场为媒介 机械能和电能相互转换的电磁机械 理想情况下 直流电机的磁场是由主磁极产生的恒定磁场 62 直流发电机的工作原理 线圈中 感应电动势与电流同向 线圈中的电磁力与F相反 起制动作用 只要ab仍在N极下 上述量的方向不会改变 但大小会如何变 此位置各量大小最大 然后越来越小 到何时最小 63 此时 发电机发出的电压为零 64 线圈中 感应电动势与电流同向 但与上一种情况相反 线圈中的电磁力与F相反 起制动作用 线圈中电流反了相 但N极和S极下的导体的电流方向变了吗 65 直流发电机的工作原理 原动机带动发电机转 发电机发电给外电路 实现机电能量转换 这一过程中主磁极起什么作用 有没有参与能量转换 66 电磁力做功率 为负的功率 表示这个电磁力是吸收功率 吸收的功率哪里去了 发电机输出的电功率 为正的功率 表示发电机向外电路输出功率 这个功率是从哪里来的呢 67 直流电机作发电运行时的特点 1 线圈内的感应电势ea和感生电流ia是交流电 换向片 通过电刷 起 整流 作用 2 电枢电势ea与电枢电流ia的方向始终相同 电枢电势供出电能 是电源电势 转子机械能转化成电能输出 3 从空间上看 N S极下的电枢电流ia方向保持不变 正确 因此由电枢电流建立的电枢磁场是恒定磁场 正确吗 4 电枢线圈的载流导体在磁场中受力产生电磁转矩T T的方向与电枢转向相反 是具有制动性质的阻力转矩 68 6 线圈的端部不切割磁力线 也不产生感应电动势 只是起结构和电路的连接作用 所以应尽可能地缩短 5 主磁场的媒介作用 参与机电能量转换吗 没有行吗 7 单线圈发电波动较大 e也较小 为什么 B小 l也小 为什么B小 磁路的磁阻太大 为什么l小 单个单匝线圈 如何减少磁路的磁阻 将线圈嵌在铁芯里 如何增大l 多个多匝线圈串联 69 70 电枢模型 71 直流电动机工作原理 线圈内电流方向 感应电动势的方向 电磁力的方向 72 直流电动机运行时的特点 1 外部输入的是直流电 而线圈内是交流电 换向片 与电刷配合 起逆变作用 2 ia与ea方向始终相反 ea从外加电源吸收电能 ea是反电势 3 由电枢电流ia建立的电枢磁场是恒定的 对于单个线圈来说 不对 但对由多个线圈构成的电枢来说 是正确的 4 T的方向和电枢转向一致 是驱动转矩 5 磁场的作用也是媒介作用 6 为了产性恒定的转矩 必须要有多个线圈 为了多出力 应加大磁场 应有转子铁心 73 发电机和电动机在电机本体结构一样 只是外部运行条件不一样 电路条件 是有源的还是无源的 机械条件 是驱动转矩还是制动转矩 同一台电机 既可以运行于发电状态 也可以运行于电动状态 是电机理论中的普遍原理 称为电机可逆原理 哪位最早发现此原理的 楞次 74 直流电机的结构 75 直流电机的结构简图 76 77 直流电机的主要结构 78 直流电机的结构 79 直流电机 直流电机的主要结构 气隙 80 主磁极 主磁极的作用是建立磁场 包括主极铁心和励磁绕组两部分 主极铁心用1 1 5mm钢板叠压而成 小容量直流电机主磁极可采用永磁磁极 无电励磁绕组 81 换向极 又称附加极 装在相邻主极的几何中心线上 用于改善直流电机的换向 包括铁芯和绕组两部分 铁芯用整块钢或1 1 5mm钢片叠成 82 机座 既是磁通的通路又起固定作用 导磁性好又要有足够的导磁面积还得有足够的机械强度和刚度 铸造的 也有用薄钢板冲片叠成的 为什么可以 83 84 电刷 与换向器配合 实现整流和逆变 85 电刷实物 86 转子铁心 电机主磁路的一部分 为减少电枢铁心的涡流及磁滞损耗 通常用0 5mm厚的双面涂漆的硅钢片叠压成圆柱型 与定子铁芯的区别 中心有孔 装置转轴 表面均布轴向槽 用来嵌放电枢绕组 87 转子铁心与电枢绕组及换向片 88 89 转子铁心与电枢绕组 90 电枢绕组 产生感应电势和电磁转矩 实现机电能量转换的关键部件 91 电枢绕组 92 真实的绕组 93 自动下线 94 焊接 95 真正的转子 96 97 换向器与电刷相配合 实现整流 逆变作用 由许多彼此绝缘的铜换向片组成 98 气隙 磁极和电枢之间的间隙 主磁路的一部分 气隙磁场是电机进行机电能量转换的媒介 气隙的大小对电机的运行性能有很大的影响 过大有什么不好 过小又有什么问题 过大会导致励磁电流过大 而过小则容易受齿槽效应的影响而起动困难 另外安装困难 99 三 直流电机的额定值 额定状态 电机在运行时 若各物理量都符合它的额定值 则称该电机运行于额定状态 电机的额定值 电机制造厂根据国家标准及电机设计的数据 对每台电机在运行中的有关物理量 电压 电流 功率 转速等 所规定的保证值 额定值一般标志在电机的铭牌上 故又叫铭牌值 1 额定功率PN 额定状态下运行时 电机的输出功率 对发电机而言 是指从发电机引出端输出的电功率 对电动机而言 是指从它的转轴上输出的机械功率 单位为W或kW 100 2 额定电压UN 指额定状态下电机出线端的电压 单位为V 3 额定电流IN 指额定状态下电机出线端的电流值 单位为A 在实际运行中 电机的电流等于额定电流称为满载运行 大于额定电流称为过载或超载 小于额定电流称为欠载或轻载 4 额定转速nN 指额定状态下运行时转子的转速 单位为r min 还有一些 例如 N N TN IfN等 不一定都标在铭牌上 注意 1 直流发电机 PN是指输出的电功率 它等于额定电压和额定电流的乘积 PN UNIN 2 直流电动机 PN是指输出的机械功率 所以公式中还应有效率 N存在 PN UNIN N 101 铭牌数据 102 各种直流电机与铭牌数据 103 各种直流电机与铭牌数据 104 本节要点 理解直流电机的工作原理 发电 电动 注意判断几个方向 电枢电流感应电动势 电磁转矩 转向 主磁极 理解机电能量转换的过程及磁场所起的作用 掌握直流电机的结构及各部分的作用主磁极 电枢绕组 电枢铁芯 机座 换向器和电刷的作用 它们的构成各自有什么特点 要知道原理 额定功率是指电机的输出功率 105 1 2直流电机的电枢绕组 106 真实的绕组 107 108 109 元件 构成绕组的线圈称为元件 可以是单匝 也可以是多匝 元件的两条边分据电枢槽的上 下层 两个引出端分别称为元件的首末端 分别连接两个换向片 110 元件 111 元件 112 电枢绕组有两个作用 一是产生感应电动势 二是产生电磁转矩 是进行机电能量转换的重要部分 113 其中最基本的是单迭和单波绕组 114 槽数 用z来表示 115 极对数 用p来表示 极距 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离 通常用槽数来表示 116 单迭和单波绕组及其节距 选择的原则 应使每个元件的感应电动势和电磁转矩尽可能地大 所以应接近或等于一个极距 等于极距 称为整矩绕组 小于极距 称为短距绕组 大于极距 称为长距绕组 短距绕组端部接线短 省铜且利于换向 常用 哪种节距的元件产生的感应电动势最大 为什么 用槽数表示的y和用换向片表示的yk在数值上是相等的 两个直接串联的后一个元件的端部是紧叠在前一个元件的端部上 所以称为 迭 绕组 因为同一元件的换向器节距为1 所以称为 单迭 绕组 117 118 例1 1某直流电动机的极对数p 2 槽数z 元件数s和换向片数k为16 试绕成单迭绕组 1 计算绕组数据单迭 y yk 1 y1 4 整距绕组 2 画绕组展开图 119 槽按轴向展开俯视图并编号 120 展开 编号 放元件 元件接到换向片 放主磁极 放电刷 思考1 观察一下电刷的位置 这个位置是最佳的吗 为什么 以电动机为例说明 电刷应放在被其所短路的元件电动势为零的位置 使其中心线与磁极中心线重合 思考2 有多少条并联支路 121 放错了电刷使得电机输出电磁转矩降低 甚至转不起来 使电机发热 可能烧坏电机 122 123 电刷放在几何中性线上 并不代表电刷的实际位置 而是指被电刷短路的元件的两个有效边处于几何中性线 124 单迭绕组的并联支路数等于极数 并联支路对数等于极对数 a p 除了被电刷短路的元件 各元件的电流均相等 电机出线端的电流Ia与每个元件中的电流ia之间的关系为 Ia 2a ia 思考 2a条支路 有没有可能不并联 没有可能 假设A1与A2不并联 则A1 B2支路与A2 B1两条支路串起来 有什么后果 125 B2 A2这一支路被短路 剩下的一条支路电流较大 126 单波绕组并联支路对数a为1 适用于高压小电流电机 例2 某直流电机 极对数为p 电枢回路总导体数为N 每个元件有n匝 单叠绕组 则 每条支路的串联导体数为多少 每条支路的串联元件数是多少 一共有多少个元件 导体 元件一个有效边中的一匝导线总导体数 2n倍的总元件数 z倍的每槽导体数 每条支路串联导体数 N 2p每条支路串联元件数 N 2p 2n 127 本节要点 掌握相关的术语及其意义极对数 槽数 极距 节距 第一 合成 换向器 短距 长距 整距 并联支路对数 理解电刷的位置了解单叠绕组和单波绕组并联支路对数 适用场合 128 1 3直流电机的磁场 129 直流电机的励磁方式 电枢绕组与励磁绕组分别由两个独立直流电源供电 励磁电流不受电枢端电压和电枢电流影响 电机出线端电流等于电枢电流 永磁直流电机可看作他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联 同接到一个直流电源上 电机出线端电流等于电枢电流与励磁电流之和 差 I Ia If 和 差 额定电流是指 励磁绕组与电枢绕组串联后接到同一直流电源上 电机出线端电流 电枢电流 励磁电流三者相等 I Ia Is 电机主磁极上有两个励磁绕组 一个与电枢绕组并联 称为并励绕组Nf 一个与电枢绕组串联 称为串励绕组Ns Ns接在里面为长复励 虚线 接在外面为短复励 实线 两绕组产生的磁动势一致 为积复励 不一致 为差复励 说明 1 额定电压与额定电流2 并励和他励绕组中的电流小 1 5 IN 导线细 匝数多 而串励绕组的电流近似为IN 导线粗 匝数少 130 空载磁场分布 空载即电机运行时 电枢电流为零或接近于零的情况 不是指电机停转的情况 空车 空载 为何要研究空载磁场 电枢有电流时 电机的磁场由两部分电流产生 即励磁电流和电枢电流 是两个磁动势共同作用产生的磁场 可否用叠加原理分别求出每个磁动势产生的磁场 然后将磁场叠加 类比电路中两个电压源产生的电流 131 空载磁场分布 主磁通所走的路径 称为主磁路 气隙小 磁阻小 漏磁通所走的路径 称为漏磁路 气隙大 磁阻大 故主磁通比漏磁通大得多 磁力线为何不穿过中心 理解铁磁材料的作用 利用其高导磁性 按需要构建磁场分布 主磁路与漏磁路是串联还是并联 132 气隙中主磁场磁密的分布 忽略了切向磁场 只考虑了径向磁场 为什么可以这样做 133 由此可见 法向气隙磁场产生切向力 切向力产生有效电磁转矩 切向气隙磁场产生法向力 法向力不产生有效电磁转矩 从传统电机观点上看 切向磁场是没有用的 所以只研究法向磁场 可否利用切向气隙磁场 可以 试想 如果下面的法向力都向上该多好 可实现磁悬浮电机 134 设电枢表面为x轴 主磁级轴线为纵轴 电枢长度为l 则 空载时每极主磁通为 当电枢长度确定后 每极主磁通只与B0 x 与x轴所围的面积成正比 与其波形无关 这是一个重要结论 135 主磁通回路按截面积和材料不同 可分为五段 电枢铁心 极靴 极身 定子磁轭 气隙 四段铁心的截面积相近 磁导率也相近 可近似看作一段 整个主磁路由两段构成 一段是铁心 一段是气隙 136 由磁路的基尔霍夫第二定律可知 电机的磁化曲线只与结构和材料有关 与励磁方式无关 137 励磁电流增大到一定程度 铁心饱和 磁阻增大 磁化曲线离开气隙线而转弯 呈非线性 为有效利用材料 额定运行 N的一般设计在A点 思考1 这条磁化曲线与铁磁材料的起始磁化曲线有何不同 为什么 思考2 于A点增大一点励磁电流 磁通会不会成比例增加 减少励磁电流呢 138 三 直流电机负载时的磁场 负载时 电机的磁场由两部分磁动势产生 这两个磁动势不易叠加 如果电机的磁路不饱和 可否分别求出这两个磁动势产生的磁场 然后把磁场叠加 励磁磁动势产生的磁场就是空载磁场B0 x 已经求出 如能求出电枢磁动势产生的磁场Ba x 则可求出负载时的磁场 139 一个规定 磁动势和磁密的正方向 以磁力线由电枢出来进入磁极时为正 磁力线从磁极出来进入电枢时为负 三条假设 电刷位于几何中性线上 电枢表面光滑 不计齿槽效应 电枢导体均匀地分布在电枢表面 140 从一电刷展开 取一主磁极中心线与电枢表面交点为坐标原点 离原点x处作一对称闭合磁回路 有 同一极下这些导体电流是否相等 磁路不饱和时 铁心磁阻小 磁动势主要消耗在气隙上 要求 关键是 一共有N根导体 均匀分布在直径为Da的电枢表面 那么长度为2x的电枢表面 一共会有多少导体 所以 一段气隙上的磁压降为 即 141 电枢磁动势 142 不计及饱和影响 每极主磁通如何变化 计及饱和呢 B为矢量 为何可以代数相加 电枢电流所产生的电枢磁动势将对气隙中的主磁场产生影响 我们把这种影响称为电枢反应 矢量若方向一致 可以直接代数相加 如同一方向的力可直接相加 143 电刷位于几何中性线上 1 气隙磁场发生畸变 对电动机而言 前极尖磁场被加强 而后极尖磁场被削弱 发电机则相反 2 物理中性线发生偏移 气隙中各点磁密为零的连线称为物理中性线 空载时物理中性线与几何中性线重合 负载时 对电动机而言 物理中性线逆转 角度 发电机则顺转 角度 3 对每极磁通的影响 电枢反应会使每极磁通减少 即具有去磁作用 144 电枢磁场与主磁场轴线正交 称这时的电枢磁动势为交轴磁动势 它对主磁场的影响称为交轴电枢反应 145 电刷不在几何中心线的电枢反应 说明 书中关于电刷正向转动 逆向转动助磁或去磁的问题 会分析 但不必死记 146 本节要点 掌握励磁方式 不同励磁方式的励磁绕组有何特点空载磁场的分布及电机的磁化曲线一个重要的结论 理解电枢反应交轴电枢反应有不考虑饱和时和考虑饱和时有何不同 直轴电枢反应的作用 147 1 4直流电机的电枢电动势 电磁转矩和电磁功率 148 电枢电动势是联系电路与磁场的物理量 电磁转矩是联系电能与机械能的物理量 是电机中重要的两个物理量 从一对正负电刷之间引出的直流电动势Ea称为电枢电动势 它是一条支路内所有串联导体电动势之和 一 直流电机的电枢电动势 149 和的平均值等于每一个加数的平均值之和 电动势常数 150 思考 不计饱和 交轴电枢反应对电枢电动势有何影响 计及饱和呢 直轴电枢反应呢 Ea与 成正比 与磁密的分布无关 因为Ea本身就是一个平均值 但磁密的波形会影响什么呢 151 二 直流电机的电磁转矩 电枢上所有导体产生的平均电磁转矩之和 等于一根导体产生的平均电磁转矩乘以总导体数N 转矩常数 Ce和CM都是取决于电机结构的参数 对于一台确定的电机 它们是常数 二者之间的关系为 与 成正比 与磁密的分布无关 因为 本身是一个平均值 但磁密的波形会影响什么呢 152 三 直流电机的电磁功率 在电磁感应作用下 电能和机械能相互转换的功率称为电磁功率 用PM来表示 电动机 从电源吸收电功率Ea Ia 通过电磁感应作用转换成轴上的机械功率T 发电机 从原动机吸收的机械功率T 通过电磁感应作用转换成电枢回路的电功率Ea Ia 153 1 5直流电机的运行原理 154 一 直流电动机的基本方程式 分析完了磁场的分布和磁场对电和机械量的影响 现在开始学习电路中的各物理量的关系 机械运动中各物理量的关系及能量流动的关系 基本方程式 电量和机械量之间的关系 工作特性 电动势平衡方程式 转矩平衡方程式 功率平衡方程式 列写方程式 必须先规定正方向 155 直流电动机惯例 1 U与I Ia If呈关联参考方向 2 Ea与Ia方向相反 是反电势 3 T与n相同 是驱动转矩 轴上的机械负载转矩T2和空载转矩T0均与n相反 是制动转矩 156 电动势平衡方程式 实际上就是电压回路方程 电枢回路 在电动机中 端电压U必须大于反电势Ea 转速公式为 157 只作为一个数值来使用 励磁回路 转矩平衡方程式 电机恒速旋转 转矩须平衡 Tz T2 T0为总的负载转矩 直流电动机稳定运行时的电枢电流为 每极磁通不变的情况下 稳态电枢电流由总负载转矩决定 158 为消耗在电枢回路总电阻上的损耗 功率平衡方程式 为消耗在励磁回路总电阻上的损耗 称为励磁损耗 为轴上输出的机械功率 159 为电机本身的空载损耗 包括铁耗pFe 机械损耗p 和附加损耗p 即 所以 并励直流电动机的功率平衡方程式为 电机的效率为 思考 为什么铁耗在电磁功率之内 电动机从电源吸收的总的电功率为P1 一部分消耗在电枢回路的总电阻上 一部分消耗在励磁回路的电阻上 剩下的转化成机械能 是电磁功率PM 电磁功率要克服轴上的磨擦和一系列杂散损耗 还要克服铁耗 为什么呢 铁耗是由于电枢转动使电枢铁心磁场的发生变化而铁磁材料用磁滞和涡流效应来阻碍这种变化引起的 160 是指在一定的条件下 转速n 电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系 即 二 工作特性 或 1 他励和并励直流电动机的工作特性 理想空载转速 161 n0 是一条下降的直线 Ra很小 所以n下降不多 考虑电枢反应去磁 下降更少 可能上升 思考 如果并励和他励直流电机在运行过程中 励磁线突然断了 会发生什么问题 空载或轻载会飞车 满载会使电机停转 烧坏电机 所以 使用直流电机时一定要注意 一定要保证励磁绕组通电 162 考虑电枢反应的去磁作用 曲线有所下降 课堂练习 1 26 163 效率曲线存在一个最大值 164 令可得 结论 当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时 此时效率最高 165 2 串励直流电动机的工作特性 串励电动机不允许在小于15 20 的额定负载下运行 166 如果磁路不饱和 根据转矩公式 特点 串励电动机有较大起动转矩与过载能力 结论 适用于重载起动的场合 不允许在空载和很轻负载下运行 167 例题1 思路 额定运行是什么意思 所有物理量都处于额定状态 要求转矩 额定转速有了 关键要求出相应的功率即可 电动机的额定功率是指 额定状态电动机轴上输出的机械功率 电磁转矩对应的是电磁功率 电磁功率可从电路中求解 求IaN和EaN 也可利用功率平衡方程式求解 可直接利用电磁转矩公式求解 关键是记住CM和Ce关系 168 理想空载是指电枢电流为零的理想情况 实际空载是指由于T0的存在 即使T2为零 电枢电流也不为零 思考 所求的T0是额定状态时的 用来求空载电流 对吗 注意书中的一句话 主磁通 不变且n变化不大 169 3 额定运行时突然在转子回路中串入的电阻 串入初瞬时的电枢电流和转速各为多少 意味着转速等机械量没有变化 而电磁量已完成过渡过程 如风扇在刚打开开关时 电机转速保持额定转速不变 则感应电动势变不变 170 结论 1 在不计饱和情况下 电枢电流取决于总的负载转矩 与转速无关 2 在电枢回路串入电阻 可以改变电机的转速 3 系统的输入功率不变 输出功率变小 那部分功率哪里去了 这种调速方法的代价是降低效率 171 本节要点 掌握直流电动机惯例 三个平衡方程式 转速公式 电流公式 直流电动机的功率流动关系并励和他励直流电机的转速特性 转矩特性 效率特性 一条重要注意事项 电机运行中励磁不能断线 利用额定值来估算电枢绕组电阻 串励直流电机的转速特性 转矩特性及这种电机的适用场合 牵引机械和重载起动 串励直流电机不允许工作在空载或很轻负载状态 额定电压条件下 172 1 6直流发电机的运行原理 173 一 直流发电机的基本方程式 电动势平衡方程式 转矩平衡方程式 功率平衡方程式 174 电动势平衡方程式 实际上就是电压回路方程 转矩平衡方程式 电机恒速旋转 转矩须平衡 功率平衡方程式 175 二 直流发电机的运行特性 1 他励直流发电机的空载特性 转速n 常数 发电机输出端开路 I Ia 0 电枢空载端电压U0与励磁电流之间的关系 U0 f If 剩磁电压 176 2 他励直流发电机的外特性 发电机的转速n nN 励磁电流If IfN不变 发电机端电压与线路电流I之间的关系U f I 课堂练习 1 32 177 3 并励直流发电机的空载自励过程 一定导致磁通增加吗 不一定 只有励磁电流产生磁通方向与剩磁一致才可以 这一过程是否会无休止进行下去 如何保证励磁电流产生的磁通方向与剩磁一致 如不一致 单独改变转向或励磁绕组接法 178 自励建压的稳定工作点 自励建压过程仍在继续 图中A点以下 不变 自励建压稳定于A点 自励建压的稳定工作点即为空载特性与场阻线的交点 Rf变大 n不变 n变大 Rf不变 179 自励条件 1 必须有剩磁 2 励磁绕组的接法与发电机的转向相配合保证励磁电流产生的磁通方向与剩磁一致 3 Rf不能太大 n不能太低 思考 如何才能使并励发电机发出的电压反向 习题33 34 25 180 181 本节要点 掌握直流发电机惯例 三个平衡方程式直流发电机的动率流动关系并励和他励直流发电机的空载特性 外特性并励直流发电机自励条件 182 1 7直流电机的换向 183 184 185 186 电流从ia变为 ia 在这一过程中 元件中会产生感应电动势阻碍电流的变化 这个电动势称为电抗电动势er 其方向是 与换向前电流方向相同 187 188 对于发电机 电抗电动势的方向 电动机呢 189 190 191 对于发电机 旋转电动势的方向 电动机呢 N S 思路 先判断转向 再判断旋转电动势方向 转向根据电流产生的电磁转矩方向来判断 结论 无论对于发电机还是电动机 旋转电动势的方向仍然与换向前元件电流的方向一致 192 危害 损坏电刷及换向器表面 损伤电机 电磁干扰 容易引起爆炸 193 改善换向的方法 增大换向回路电阻 装换向极 换向极作用原理 在换向元件处建立一个磁动势 不仅仅用来抵消电枢反应磁动势 而且在气隙中建立一个磁场 使换向元件切割磁力线后产生的感应电动势抵消电抗电动势 即ek er 0 换向极的要求 1 装在几何中性线处 2 换向极应产生与电枢反应磁动势相反的磁动势 3 换向极绕组与电枢串联 且换向极磁路应不饱和 194 小型直流电机可以通过偏转电刷的方式改善换向 195 有一些小型直流电机也可以只装一个换向极 196 本节要点 了解直流电机的换向过程了解直流电机换向引起的问题及应对的策略换向极工作的原理及要求 197 本章小结 直流电机的工作原理 结构直流电机的磁场 励磁方式 空载磁场 电枢反应 直流电机三个重要的物理量的公式直流电动机的三个平衡方程式 转速特性 转矩特性 效率特性 两个重要的注意事项 直流发电机的平衡方程式 空载特性 外特性及自励过程 直流电机的换向 198 1 一台并励直流电动机 若电源电压和励磁电流不变 当加一恒转矩负载后 发现电枢电流超过额定值 有人试图在电枢回路中串入一个电阻来限制电流 能达到目的吗 串入电阻初瞬 电动机输入功率及电枢电流将增大还是减少 稳定后电机的输入功率 电枢电流 转速和效率将如何变化 铁耗将如何变化 2 一台并励直流电动机拖动恒转矩负载 如果将电源电压降低20 则降压初瞬 电机的电枢电流将如何变化 稳定后电机电枢的电流为 倍的额定电枢电流 假设磁路不饱和 199 3 对于他励直流发电机而言 输入功率与电磁功率之差为 对于他励直流电动机而言 输入功率与电磁功率之差为 4 某他励直流电动机额定运行且正转时 转速为1500r min 现保持电枢端电压不变U UN 电枢电流不变I IN 励磁电流大小不变If IfN 电枢回路处接电阻R 0不变而只改变励磁电流的方向 使电机反转 发现其转速变为1520r min 试分析转速升高的原因 200 作业 1 一台直流电动机 2p 4 总元件数为120 每一元件的电阻为0 2 当转速为n 1000r min时 每元件的平均电动势为10V 求当电枢为单叠绕组或单波绕组时 电枢绕组的电阻和电枢电动势是多少 2 一台并励直流电机 接额定电压220V运行 已知 a 1 p 2 电枢总导体数N 398 此时 电机的相关运行数据为 n 1500r min N 0 0103Wb 电枢回路电阻Ra 0 17 IfN 1 83A pFe 276W p 379W p 0 86 P1 试问 1 此直流电机可能是单波绕组还是单叠绕组 为什么 2 此直流电机是处于发电运行还是电动运行 3 计算此时的电磁转矩和效率 大作业 1 6 201 第二章直流电机的电力拖动 202 以电动机为原动机 按人们所给定的规律来带动生产机械 称为电力拖动 皮带 齿轮等 203 204 2 1电力拖动的运动方程式 另外 还有单机多轴系统 抽油机 和多机多轴系统 轧钢机 单机单轴系统 单台电动机直接与生产机械同轴联接 简称为单轴系统 205 单轴系统的运动方程式 说明 1 在电力拖动系统中 通常称Tz为生产机械的总负载转矩 即 Tz T2 T0 T2为生产机械的转矩 T0为电动机本身的空载转矩 正方向的规定 首先规定电动状态下n的方向为系统旋转的正方向 电磁转矩T的实际方向与n相同则为正 相反则为负 负载转矩Tz的实际方向与n相同则为负 相反则为正 206 2 J为整个系统的转动惯量 包括电动机 传动机构和生产机械 工程上 通常用飞轮矩GD2来表征转动物体的惯性作用 GD2和J的关系为 GD2为电动机转子 传动机构和生产机械转动部分的飞轮矩之和 单位为 N m2 一般可以查到 是一个完整的符号 不是G和D2的乘积 g为重力加速度 9 8m s2 T Tz时 n 常数 是使系统稳定的先决条件 T Tz时 n升高 系统加速 T Tz时 n降低 系统减速 207 3 转矩单位为N m 转速单位为是r min 时间为s 飞轮矩为N m2 如果从产品目录上查出飞轮矩以kg m2为单位 则必须乘以9 8m s2 在大多数的电力拖动系统中 控制转速是我们的目标 抽油机 风扇 空调 洗衣机 电动车等等 根据运动方程 系统的转速n与T和Tz有关 要控制n必须要知道Tz与n T与n之间的关系 即要知道负载的转矩特性n f Tz 和n f T 电动机的机械特性 即本章第二节和第三节的内容 208 2 2生产机械的负载转矩特性 根据n与Tz的关系 可以分为三种类型的负载特性 恒转矩负载 恒功率负载 风机泵类负载 一 恒转矩负载 转速变化时 负载转矩的大小保持不变 称为恒转矩负载 可分为两类 反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载 209 该负载的大小与转速无关 方向始终与转向相反 属于这类负载的生产机械有机床的平移机构等 1 反抗性恒转矩负载 210 生产机械工作机构中具有位能部件 其转矩具有固定方向 不随转向的改变而改变 如起重机系统 2 位能性恒转矩负载 为简单起见 在今后的分析中 除非特别说明 位能性负载都采用理想特性 211 恒功率负载是指负载的功率为常数 不随转速变化 二 恒功率负载特性 恒功率负载的转矩与转速成反比 比如机床主轴和轧机 212 对于通风机 水泵及油泵等生产机械 其负载是介质对机器叶片的阻力产生的阻转矩 基本上与转速的平方成正比 即 三 通风机负载特性 实际生产机械的负载特性 往往是上述几种典型特性的组合 例如 考虑空载转矩 实际鼓风机的负载特性如图中的虚线所示 213 2 3他励直流电动机的机械特性 电磁转矩 感应电动势 电枢回路电势平衡式 电动机转速特性 机械特性一般表达式 214 一 直流电动机机械特性的一般形式 电动机的机械特性与端电压U 主磁通 及电枢回路外接电阻R 有关 励磁方式不同时 主磁通与电磁转矩的关系是不同的 机械特性也不同 但上式是通用的 215 二 他励直流电动机的固有机械特性 n0理想空载转速 N固有机械特性的斜率 额定负载时的转速降为 216 n 0 T n0 TN nN 由于电枢回路电阻Ra很小 固有机械特性是一条的斜率很小的直线 可通过直线上的两个点来确定 通常取理想空载点和额定点来确定固有机械特性 额定负载时的转速降落很小 他励直流电动机的固有机械特性较 硬 217 例2 2某他励直流电动机数据如下 PN 40 kW UN 220 V IN 210 A nN 750 r min 试计算其固有机械特性 要求 已知 UN IN PN nN 须先求出 Ce N或CM N Ra Ra可由估算公式估算出 然后利用电动势平衡方程式可求出Ce N 做题或者分析问题的时候 一定要先画出等效电路 218 三 他励直流电动机的人为机械特性 219 1 电枢回路串入电阻的人为机械特性 保持U UN及 N不变而在电枢回路中串入电阻 所得的n f T 关系 对于给定的 为常数 220 2 改变端电压时的人为机械特性 保持 N不变而且电枢回路中串入电阻为零 改变电动机的端电压U所得的n f T 关系 电动机受耐压限制而不能在过电压状态下运行 所以一般只能使U UN 221 改变端电压人为特性的特点 1 理想空载转速比固有特性的理想空载转速低 端电压下降越多 其理想空载转速越低 2 端电压不同 但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等 因此各条特性彼此平行 222 3 减弱磁通时的人为机械特性 保持U UN不变而且电枢回路中串入电阻为零 改变电动机的励磁电流If 使If IfN 所得的n f T 关系 如何改变励磁电流 改变励磁回路的调节电阻 小容量电机 改变励磁电压 大容量电机 为何励磁电流只能在额定值以下调 往上调没有效果 因为磁路已饱和 弱磁 223 N N 减弱电机主磁通人为特性的特点 1 由于 N 理想空载转速比固有特性的理想空载转速高 2 人为机械特性的斜率比固有机械特性大 即人为特性比固有特性软 224 四 电力拖动系统的稳定运行条件 1 电力拖动系统的平衡状态 电动机机械特性与负载转矩特性交点处 电磁转矩与总的负载转矩相等 转速不变 电枢电流不变 称该系统处于平衡状态 225 2 电力拖动系统的稳定平衡状态 系统原来处于平衡状态 如果由于某种原因 电压的波动 负载的变化或电动机参数的正常调节 使系统离开了原来的平衡状态 但能够在新的条件下自动地达到新的平衡 或者在外界扰动消失后能够恢复到原来的平衡状态 则称该拖动系统原来的运行状态是稳定平衡状态 如不能达到新的平衡或在外界扰动消失后不能够恢复到原来的平衡状态 则称该拖动系统原来的状态不是稳定平衡状态 226 他励直流电动机带恒转矩负载端电压突然下降 然后又恢复到原来电压的动态过程 到达B点是什么意思 TB Tz 系统转速下降 最后到达C点 新的平衡点 在C点 当电机端电压恢复时 到达D点 转矩为TD TD Tz 系统转速上升 最后到达A点 外界扰动消失后又恢复到原来的平衡状态 电动机运行于红线上 此时转速不变 对应