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第二篇第6章直流电机原理 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的主要结构与型号直流电机的磁路直流电机的电枢绕组电枢电动势与电磁转矩直流电动机运行原理他励直流电动机的机械特性直流电机的换向 6 1直流电机的用途及基本工作原理 励磁机 测速 伺服 6 1 1直流电机的用途 直流电机的特点 直流发电机的电势波形较好 对电磁干扰的影响小 直流电动机的调速范围宽广 调速特性平滑 直流电动机过载能力较强 启动和制动转矩较大 易于控制 可靠性较高由于存在换向器 其制造复杂 价格较高 6 1 2基本工作原理 1 直流发电机的工作原理 电刷 换向片 转子 绕组 定子 f Blie Blv 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 从空间看 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场 4 产生的电磁转矩T与转子转向相反 是制动性质 2 直流电动机的工作原理 f Blie Blv 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 线圈是旋转的 电枢电流是交变的 4 产生的电磁转矩T与转子转向相同 是驱动性质 结论 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行 也可以作为发电机运行 同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理 在电机理论中称为可逆原理 6 2直流电机的主要结构与型号 主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 直流电机 6 2 1主要结构 1 定子部分 1 主磁极 1 主磁极铁心 2 励磁绕组 3 机座 主磁极铁心用1 1 5mm厚的钢板冲片叠压而成 4 转子 2 换向极 1 换向极铁心 2 换向极绕组 换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成 换向极绕组与电枢绕组串联 作用 改善换向 3 机座 作用 一是用来固定主磁极 换向极和端盖等 起机械支承的作用 二是作为电机磁路的一部分 机座通常由铸钢或厚钢板焊成 4 电刷装置 电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接 并与换向器相配合 起到整流或逆变器的作用 4 刷握 3 电刷 2 压紧弹簧 1 铜丝辫 2 转子部分 1 电枢铁心 作用 一是作为电机主磁路的主要部分 二是嵌放电枢绕组 为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗 电枢铁心通常用0 5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成 2 电枢绕组 电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成 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部件 线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成 嵌放在电抠槽内 上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘 然后用槽楔压紧 再用钢丝或玻璃丝带扎紧 以防止离心力将绕组甩出槽外 3 换向器 作用 是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流 在直流发电机中 它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势 换向器由许多换向片组成 换向片之间用云母绝缘 电枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在两个换向片上 直流电机的基本结构总结 主要由定子 转子两部分组成 直流电机 额定容量PN 输出功率 单位kW 额定电压UN 额定状态下出线端电压 单位V 额定电流IN 额定状态下出线端电流 单位A 额定转速nN 额定状态下的电机转速 单位r min 额定励磁电压 额定励磁电流和励磁方式等 电动机轴上输出的额定转矩 6 2 2电机的铭牌数据 Ch7直流电机的磁路电枢绕组 7 1 1直流电机的磁路 直流电机空载时的磁场分布 磁路从气隙1出发经 电枢齿 电枢轭 电枢齿2 气隙2 主磁极2 定子轭 主磁极1 最后又回到气隙1 每极磁势 气隙磁阻 电枢齿磁阻 电枢磁轭磁阻 主磁极磁阻 定子磁轭极磁阻 主磁极磁通势 7 1 2空载时气隙磁通密度的分布波形 由上图得 略去铁芯内磁阻 而 上式中分子为气隙 分母为空气导磁系数 磁管宽度和电机轴长 li为面积 整理可得 在一个磁极的范围内 励磁磁势大小一样 B 大小完全与气隙长度成反比 在主极直轴附近的气隙较小 并且气隙均匀 磁阻小 即此位置的主磁场较强 在此位置以外 气隙逐渐增大 主磁场也逐渐减弱 到两极之间的几何中线处时 磁密等于0 7 1 3空载磁化特性 为了感应电动势或产生电磁转矩 直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 空载时 气隙磁通与空载磁通势或空载励磁电流的关系 称为直流电机的空载磁化特性 为了经济 合理地利用材料 一般直流电机额定运行时 额定磁通设定在图中A点 即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置 7 1 4直流电机的励磁方式 Ua Uf 他励 并励 串励 复励 1 直流电动机按励磁方式分类 2 直流发电机按励磁方式分类 他励 串励 复励 并励 7 2直流电机的电枢绕组 对电枢绕组的要求 在通过规定的电流和产生足够的电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 是直流电机的电路部分 亦是实现机电能量转换的枢纽 电枢绕组的基本知识 元件 构成绕组的线圈称为绕组元件 分单匝和多匝两种 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 极距 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离 用 表示 首端 末端 绕组实物图 直流电机模型 看资料片 电枢绕组的基本知识 第二节距y2 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 第一节距y1 一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离 合成节距y 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离 换向节距yk 同一元件首末端连接的换向片之间的距离 电枢绕组的基本知识 K 换向片个数 S 元件数 Z 实槽 实际槽 u 虚槽 实槽中一层并列放置的元件边数 Ze 虚槽数 Ze uZ S k z 电枢绕组全部导体数 总导体数 z 2uZNy 2NyZe Ny 每元件串联匝数 7 2 1单叠绕组 单叠绕组的连接规律是 后一个元件紧接着前一个元件嵌放 相差一个槽 y 1 同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上 最后形成一个闭合回路 特点 虚槽数Ze 元件数S和换向片数K三者相同 单叠绕组的合成节距等于一个槽 换向节距等于一个换向片 y yk 1 即 Z Ze S K 16 图1 12单叠绕组展开图 p 1Z Ze S 6 直流电枢绕组 结论 整个电枢绕组通过换向片连成闭合回路 单叠绕组分析实例 1 数据计算 y yk 1 实例 极对数p 2 每槽两层 每层一边 u 1 Z Ze S K 16 有时 不是整数 但y1是整数 所以 夸一个极距是要得到最大转矩 2 单叠绕组展开图 槽展开 单叠绕组的电气连接图 3 绕组放置 元件1 上元件边在1槽 下元件边放在相距y1 4即5槽下层 元件2 上元件边在2槽 下元件边放在相距y1 4即6槽下层 以此类推 某一瞬间电刷 磁极放置 磁极 磁极宽度约0 7 N S极交替安排 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 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 电刷放置 电刷放置在主磁极轴线上 绕组电路图 结合电刷的放置 得到该瞬时的电路图 每个极下的元件组成一条支路 即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数 单叠绕组的特点 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上 并联支路数等于磁极数 2a 2p 整个电枢绕组的闭合回路中 感应电动势的总和为零 绕组内部无环流 每条支路由不相同的电刷引出 电刷不能少 电刷数等于磁极数 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势 电枢电压等于支路电压 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和 即 7 2 2单波绕组 串联的元件所生的电势同向相加 合成节距 单波绕组 换向节距yk必须符合即 绕组从某一换向片出发 沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上 则可由此再绕下去 单波绕组的连接规律是 把相同极性磁极下的元件连接起来 yk为整数 单波绕组分析实例 实例 p 2 Ze S K 15 1 绕组数据计算 元件 磁极 电刷放置原则 元件 换向片的放置 1 元件上层边1 槽 下层边4 槽 首末端所连的换向片相距yk 7 为了端部对称 首末端所连的两换向片之间的中心线与1 元件的轴线重合 1 元件上层边所连的换向片定为1 依次联接 磁极放置 N S极磁极均匀交替的排列 电刷的放置 放在与主极轴线对准的换向片上 单波绕组展开图 槽展开 单波绕组元件连接顺序表 从绕组展开图可以看出 全部15个元件串联而构成一个闭合环路的顺序是 用联接顺序图表示为 上层边 下层边 槽号及元件号 槽号 换向片号 短路的换向片在环路中相邻 单波绕组电路图 单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路 由于磁极只有N S之分 所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关 永远为1 即a 1 单叠绕组和单波绕组的区别 一 电枢电动势 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势 也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势 所以 我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势 再求一条支路的 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 7 3电枢电动势与电磁转矩 7 3 1电枢电动势 一根导体 一个元件边 的平均电动势为 又因为 电枢感应电势为 为电动势常数 二 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 7 3 3直流电机的电枢反应 合成磁场 负载时的磁场 几何中心线 励磁磁场 空载磁场 物理中心线 电枢磁场 电枢反应 电枢磁通势主极磁场产生变化 第八章直流发电机 8 1 1直流发电机的基本方程式 他励直流发电机惯例 1 转矩方程式 稳定运行时 式中 T1为原动机的拖动转矩 T为发电机中产生的电磁转矩 其性质为制动转矩 T0为空载转矩 它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩 发电机的转向由原动机决定 T1 T 故电磁转矩为制动转矩 是阻碍原动机的阻力矩 2 电路方程式 电枢回路方程为 Ea U Ia Ra式中Ra为电枢回路总电阻 它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻 励磁回路方程为 Uf If Rf式中Rf为励磁回路总电阻 它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻 从发电机电压基本方程式可见 电枢电势Ea必须大于电枢端电压U 这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据 8 1 2功率平衡关系 从原动机输入的机械功率为 P1 PM p0式中 P1为输入的机械功率 PM为电磁功率 p0为空载损耗 空载损耗等于铁损pFe 机械摩擦损耗pm 附加损耗ps 即 p0 pFe pm ps其中附加损耗又称杂散损耗 一般难以精确计算 靠经验估算约为额定功率P 的0 5 1 功率公式 电磁功率为 从中可见电磁功率可表示为 PM T 上式说明电磁功率具有机械功率性质 同时电磁功率又可表示为 PM EaIa此表达式说明电磁功率又具有电功率性质 所以电磁功率是机电能量转换的桥梁 Ea U Ia Ra U Ea Ia Ra IaU IaEa Ia2 Ra发电机输出的电功率为 P2 PM pCua式中 pCua为电枢回路铜耗 P2为输出的电功率 同时输出功率又可表示为 P2 UIa 他励直流发电机功率流程图 他励直流发电机功率流程图 S M 效率 他励直流发电机的总损耗为 p pFe pm pad pCua 即 p p0 pCua效率为 例题 例题5 1一台并励直流发电机数据为 PN 82kW UN 230V nN 970r min 电枢绕组总电阻Ra 0 0259 并励绕组内阻Rf 22 8 额定负载时 并励回路串入的调节电阻Rf 3 5 一对电刷压降2 U 2V pFe pm 2 5kW 附加损耗pad 0 005PN 试求额定负载时 发电机的输入功率 电磁功率 电磁转矩和效率 解 1 求电磁功率励磁电流为 额定负载电流为 电枢电流为 电枢电势为 电磁功率为 2 求输入功率 3 求电磁转矩 4 求效率 他励 并励 直流电动机惯例 第九章直流电动机 9 1 1直流电动机的基本方程式 1 转矩方程式稳态时当负载转矩为TL 轴上输出有T2 TL 电动机匀速稳定运行时有 T T2 T0其中电磁转矩为 T CT Ia计算 T2 T0 为总的阻转矩 方向与T相反 2 电枢回路电压方程式 U Ea Ia Ra其中反电势Ea Ce n 并励时 U If rf Rfad 他励直流电动机输入功率为 P1 UI UIa Ia Ea IaRa EaIa Ia2Ra P1 PM pCua式中电磁功率PM的功率性质为电功率 pCua Ia2Ra为电枢回路上的铜耗 9 1 2 他励直流电动机的功率关系 电磁功率 在转矩平衡方程式T T2 T0两边同乘以角速度 可得 T T2 T0 则有 PM P2 p0也可表示为 P2 PM p0式中电磁功率PM的功率性质为机械功率 空载损耗 p0 pFe pm pad 他励直流电动机功率流程图 他励直流电动机的功率流程图 M 1 转速特性 指当U UN If IfN N 时 电枢回路外串电阻R 0时 n Ia 关系 根据电势方程式Ea Ce N n和电压方程式U Ea Ia Ra可得 9 1 3他励 并励 直流电动机的工作特性 2 转矩特性 转矩特性是指当U UN If IfN 电枢回路外串电阻R 0时 T Ia 关系 根据转矩公式T CT Ia 忽略电枢反应 转矩特性是一条过原点的直线 3 效率特性 效率特性是指当U UN If IfN 电枢回路外串电阻R 0时 Ia 关系 根据效率的定义可得 式中总损耗 另外 效率中p0与Ia无关 Ia变大使铜耗加大 工作特性 9 2直流电动机的机械特性 9 2 1机械特性的一般表达式他励直流电动机的机械特性是指n T 其数学表达式为 式中称为斜率 nN为额定负载时的转速降 在电源电压U UN 气隙磁通 N 电枢外串电阻R 0时 n T 的机械特性 其数学表达式为 空载转速 9 2 2固有机械特性 斜率 特性的软和硬 几个重要状态 理想空载转速n0 实际空载转速n0空载工作点 额定工作点启动转矩Ts 固有机械特性图 其他象限工作情况 2 人为机械特性 每台电动机只有一条固有机械特性 当变电源电压 变气隙磁通 变电枢外串电阻时的机械特性 为人为机械特性 电枢回路串电阻 U UN N 改变电枢外串电阻R 用途 1 降低启动电流和启动转矩2 调速 TL TS 降低电枢电压 N R 0 降低电枢端电压 减少气隙磁通 弱磁 U UN R 0 改变气隙磁通 时 3 根据铭牌数据估算机械特性 电机名牌数据 UN IN PN nN 他励直流电动机 PN 100kW UN 220V IN 517A nN 1200r min Ra 0 044 求 1 固有机械特性方程式 2 额定负载时的电枢电势和额定电磁转矩 3 额定输出转矩和空载转矩 4 理想空载转速和实际空载转速 5 电机额定运行 求电枢串电阻Ra 0 206 时的转速 6 电压U 50V时 求n 7 磁通 75 N 求n 例题 解 1 求固有机械特性方程式 2 求电枢电势和电磁转矩电枢电势为 电磁转矩为 解续 3 额定输出转矩和空载转矩输出转矩为 空载转矩为 4 求理想空载转速和实际空载转速理想空载转速为 实际空载转速为 解续 5 Ra 0 206 时的转速 6 电压U 50V时的转速 解续 7 磁通 75 N时的转速 9 3串励和复励电动机 特点是励磁绕组与电枢绕组串联 励磁电流If与电枢电流Ia相等 即 If Ia 气隙主磁通随电枢电流的变化而变化 接线图所示 串励直流电动机接线 3 9 1串励直流电动机的机械特性 1 固有特性 串励直流电动机的固有机械特性是指 在电源电压U UN 电枢回路外串电阻R 0时 n T 的关系曲线 其表达式为 当负载较小时 负载较小 则T较小 这时磁路未饱和 气隙住磁通 Ia 即 kfIa 故 故有 式中为一常数 所以 转速n随着转矩T的增大而减小 是双曲线关系 当负载较大时 负载较大 则T较大 这时磁路饱和 主磁通基本上为一常数 即 k 得 可见 转速n随电磁转矩T增大而下降 是条略微向下倾斜的直线 说明 由串励直流电动机特性曲线可见 串励直流电动机轻载时转速很高 特性曲线与纵轴无交点 理想空载转速为无穷大 故不允许空载运行 也不允许用于皮带传动的拖动系统中 因为皮带的老化脱落 将会造成 飞车 串励直流电动机的特点是 电磁转矩T与电枢电流Ia平方成正比 所以起动转矩大 过载能力强 适合于拖动闸门 电车等负载 串励直流电动机的机械特性 3 复励直流电动机的机械特性 复励直流电动机既有并励绕组 又有串励绕组 当并励与串励绕组产生的磁势极性相同时 称为积复励 当并励与串励绕组产生的磁势极性相反时 称为差复励 差复励在实际应用中很少 积复励在理想空载时 电枢电流为零 主磁通 0由并励绕组产生 故存在理想空载转速 为 不会出现 飞车 危险 当负载增大时 电枢电流增大 总磁通随之增大 使转速比并励下降更多 如图下所示 复励直流电动机机械特性 图1 35复励直流电动机机械特性 1 起动转矩要大 他励直流电动机的运行 直流电动机接到电源以后 转速从零达到稳定转速的过程 称为启动过程 对电动机起动的基本要求 2 起动电流要小 3 起动设备要简单 经济 可靠 一 他励直流电动机的启动 1 电枢回路串电阻启动 启动处理不好的危害 1 大电流使电机发热甚至烧毁电机2 大转矩损坏负载设备3 大电流使电网电压降低影响启动 影响其他设备运行 或使电网跳闸 2 降压启动 例题1 他励直流电动机 PN 96kW UN 440VIN 250A nN 500r min Ra 0 078 1 若电枢串电阻启动 IS 2IN 求 TS R1 2 降电压启动 IS 2IN 求 US 注意 启动时n 0 Ea 0 二 他励直流电动机的调速 电气调速方法 1 电枢串电阻调速 2 降低电源电压调速 3 弱磁调速 调速方式 机械调速 电气调速 调速要求 范围大 过程平滑 方法简单 经济 节能 调速目的 工艺方面 节能方面 1 他励直流电动机的调速方法 1 电枢串电阻调速 电磁转矩 电动机拖动恒转矩负载运行在不同的转速上 电枢电流的大小变化吗 稳定运行时有 电枢电流 稳定运行 TL 常数时 Ia 常数 保持U UN N不变 电枢回路串电阻 只能在额定转速 基速 以下调速 一般称为由基速向下调速 特点 机械特性变软 受负载波动影响大 有级调速 有损耗 效率降低 大电机不宜采用 它应用于中 小型电机对调速性能要求不高的场合 2 降低电源电压调速 电磁转矩 电动机拖动恒转矩负载运行在不同的转速上 电枢电流的大小变化吗 稳定运行时有 电枢电流 TL 常数时 Ia 常数 保持 N不变 电枢回路不串电阻 特点 基速向下调速 机械特性的硬度不变 速度稳定性好 可实现无级调速 损耗小 电动机效率高 3 弱磁调速 保持U UN不变 电枢回路不串电阻 电动机的电磁功率 若电动机拖动恒功率负载 即TL 常数 则有PM T TL 常数 2 恒转矩调速和恒功率调速 特点 基速向上调速 可实现无级调速 损耗小 电动机效率高 通常与降低电源电压调速配合使用 可以得到较宽的调速范围 能较好地满足生产机械的要求 当直流电动机调速运行时 不管转速是多少 如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值 即对应的电磁转矩为额定值 则称为恒转矩调速 直流电动机调速时 若采用弱磁升速 如果保持其电枢电流为额定值 其电磁功率保持不变 则称为恒功率调速 3调速的性能指标 a 调速范围 电动机在额定负载转矩下调速时 最高转速与最低转速之比 用D表示 b 静差率 相对稳定性 指电动机由理想空载加到额定负载所出现的转速降与理想空载转速之比 静差率越小 转速的相对稳定性越好 1 调速范围与静差率 2 调速的平滑性 平滑系数 相邻两级转速或线速度之比 D与 相互制约 越小 D越小 相对稳定性越好 在保证一定的 指标的前提下 要扩大D 须减少 n 即提高机械特性的硬度 具体如下 与D的关系 1 采用同一方法调速 越大 D的调速范围越宽 2 一定时 采用不同的调速方法 D值不同 3 需要调速的生产机械 和D同时提出才有意义 否则n可以为零 4 要提高 必须采用电压和速度负反馈 例 某他励直流电动机额定功率为PN 60kW 额定电压UN 220V 额定电流IN 305A 额定转速nN 1000r min 电