第一章_直流电动机.ppt

1 2直流电机电枢绕组简介 1 3直流电机的电枢反应 主要讨论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的运行特性和直流电动机的工作特性 1 4直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1 5直流电机的换向 1 6直流发电机 1 7直流电动机 1 1直流电机的基本工作原理与结构 思考题与习题 第1章直流电机 1 1直流电机的基本工作原理和结构 1 1 1直流电机的主要结构 1 1 1直流电机的基本结构 1 轴承 2 轴 3 电枢绕组 4 换抽极绕组 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 1 1直流电机的基本工作原理和结构 直流电机的基本结构剖面图 直流电机的主磁极1 主极铁心 2 励磁绕组 3 机座 4 电枢 1 1直流电机的基本工作原理和结构 定子部分 转子部分 直流电机定子部分主要由主磁极 换向极 机座和电刷装置等组成 转子部分直流电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 直流电机的电枢 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 1直流电机的基本工作原理和结构 1 1直流电机的基本工作原理和结构 1 1直流电机的基本工作原理和结构 1 1 2直流电机的工作原理 一 直流发电机工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势 靠换向器配合电刷的换向作用 使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理 感应电动势的方向按右手定则确定 磁感线指向手心 大拇指指向导体运动方向 其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向 直流发电机原理模型 在图1 1所示瞬间 导体ab cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向c 这时电刷A呈正极性 电刷B呈负极性 1 1直流电机的基本工作原理和结构 当线圈逆时针方向旋转180 时 这时导体cd位于N极下 导体ab位于S极下 各导体中电动势都分别改变了方向 直流发电机原理模型 1 1直流电机的基本工作原理和结构 从图看出 和电刷A接触的导体永远位于N极下 同样 和电刷B接触的导体永远位于S极下 因此 电刷A始终有正极性 电刷B始终有负极性 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势 如果电枢上线圈数增多 并按照一定的规律把它们连接起来 可使脉振程度减小 就可获得直流电动势 这就是直流发电机的工作原理 1 1直流电机的基本工作原理和结构 二 直流电动机的工作原理 导体受力的方向用左手定则确定 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 直流电动机的原理模型 1 1直流电机的基本工作原理和结构 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 图1 4直流电动机原理模型 1 1直流电机的基本工作原理和结构 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 1 1直流电机的基本工作原理和结构 直流电机工作过程 1 1直流电机的基本工作原理和结构 1 1 3直流电机的铭牌数据 1 1直流电机的基本工作原理和结构 额定容量 功率 PN kW 额定电压UN V 额定电流IN A 额定转速nN r min 励磁方式和额定励磁电流IfN A 有些物理量虽然不在电机铭牌上 但它也是额定值 例如在额定运行状态下的转矩 效率分别为额定转矩和额定效率等 这些额定数据也叫铭牌数据 1 2 1直流电枢绕组基本知识1 2 2单迭绕组1 2 3单波绕组简介 1 2直流电机的电枢绕组简介 1 2直流电机的电枢绕组简介 电枢绕组与换向片 1 2 1直流枢绕组基本知识 1 2直流电机的电枢绕组简介 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 叠绕组 指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分 整个绕组成折叠式前进 波绕组 指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来 象波浪式的前进 第一节距 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离 合成节距 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离 第二节距 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 单叠绕组 单波绕组 换向节距 同一元件首末端连接的换向片之间的距离 1 2 2 单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件 线圈 相互叠压 合成节距与换向节距均为1 即 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里 构成绕组的所有元件取出来画在一张图里 展示元件相互间的电气连接关系及主磁极 换向片 电刷间的相对位置关系 单叠绕组的展开图 根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图 单叠绕组的的特点 1 同一主磁极下的元件串联成一条支路 主磁极数与支路数相同 2 电刷数等于主磁极数 电刷位置应使感应电动势最大 电刷间电动势等于并联支路电动势 3 电枢电流等于各支路电流之和 单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等 展开图如下图所示 两个串联元件放在同极磁极下 空间位置相距约两个极距 沿圆周向一个方向绕一周后 其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置 单波绕组的并联支路图 单波绕组的特点 1 同极下各元件串联起来组成一条支路 支路对数为1 与磁极对数无关 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 支路电动势最大 3 电刷数等于磁极数 4 电枢电动势等于支路感应电动势 5 电枢电流等于两条支路电流之和 1 3 1直流电机的空载磁场1 3 2直流电机负载时的磁场1 3 3直流电机的电枢反应 1 3直流电机的电枢反应 1 3 1直流电机的空载磁场 直流电机中除主极磁场外 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 定义 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 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 一 直流电机的磁路 二 空载时气隙磁磁通密度的分布图形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 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 直流电机空载磁场的磁密分布 为一平顶波 三 直流电机的空载磁化特性 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图中的a点 称为膝部 1 3 2直流电机负载时的磁场 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 一 电枢磁通势和电枢磁场 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布 假设励磁电流为零 只有电枢电流 由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况 电枢磁动势为交轴磁动势 二 电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形为一三角波 气隙是均匀 四个元件所产生的电枢磁通势 如果气隙是均匀的 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 见书中图形 1 3 3直流电机的电枢反应 定义 电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应 电枢反应与电刷位置有关 一 电刷在几何中心线上的电枢反应 合成磁场 合成磁密分布 合成磁场 有负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应 电刷在几何中心线处时 电枢磁场与主磁场垂直 此时的电枢反应称交轴电枢反应 利用迭加原理 将空载时的主磁通密度BOX与负载时电枢磁通密度逐点相加 就得到负载时气隙中的合成磁通密度BX分布曲线 一 电刷在几何中心线上的电枢反应 合成磁场 交轴电枢反应的性质有以下两点 1 气隙合成磁场发生了畸变 在每一磁极下 主极磁场的一半被削弱 而另一半被加强 此时的物理中心线偏离了几何中心线 当运行于发电状态时 其物理中心线顺转动方向偏离几何中心线一个角度 当运行于电动状态时 其物理中心线逆转动方向偏移了一个角度 一 电刷在几何中心线上的电枢反应 对主磁场有附加去磁作用 在磁路不饱和时 主极磁场被削弱的数量恰好等于被加增的量 因此负载时的合成磁通量与空载时相同 但实际电机一般运行于磁化曲线的临界饱和点 主磁极因磁饱和的影响 增磁部分少而减磁部分多 从而使负载时合成磁通量略比空载时少 起到了去磁作用 合成磁场 一 电刷在几何中心线上的电枢反应 若电刷不在几何中心线处 此时的电枢反应磁场可以分解为交轴与直轴两个分量 产生的电枢反应除了有交轴电枢反应外 还存在直轴电枢反应 合成磁场 二 电刷在几何中心线上的电枢反应 直轴电枢反应磁场与主极轴线重合 若电枢反磁场与主磁场同向 则起增磁作用 若电枢反应磁场与主磁场相反 则起去磁作用 合成磁场 二 电刷在几何中心线上的电枢反应 为了保证电机的正常换向 就必须使直轴电枢反应不能起增磁作用 从而要求在电机运行时 最好是将电刷由几何中心线移到物理中心线上 即作电动机运行时 可逆转动方向移一个合适的角度 作发电机运行时 则要顺时针移动一个合适角度 合成磁场 二 电刷不在几何中心线上的电枢反 1 4直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1 4 1直流电机的电枢电动势 1 4 2直流电机的电磁转矩 1 4 1直流电机的电枢电动势 定义 电枢绕组中的感应电动势 运行时感应电动势始终存在 直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行 电枢绕组内都感应产生电动势 这个感应电动势是指一条支路的电动势 电动机 发电机运行时电枢元件中的电势与电流方向 要计算支路电动势 可先求出每个元件电动势的平均值 然后乘上每条支路串联元件数 就可得出支路电动势 计算感应电动势的计算 Ce为电动势常数 上式表明直流电机的感应电动势与电机结构 气隙磁通和电机转速有关 当电机制造好以后 与电机结构有关的常数Ce不在变化 因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关 改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小 1 4 2直流电机的电磁转矩 定义 根据电磁力定律 当电枢绕组中有电枢电流流过时 在磁场内将受到电磁力的作用 该力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩 式中Ct为转矩常数 仅与电机结构有关 从Ce与Ct的表达式可以看出Ct 9 55Ce 由Tem Ct Ia可看出 制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比 1 5直流电机的换向 1 5 1换向概述 1 5 2换向的电磁理论 1 5 3改善换向的方法 直流电机的换向是指电枢绕组元件经过电刷从一个支路进入另一个支路 该元件的电流也从一个方向变换成另一个方向的过程 换向过程是否顺利 良好 关系到直流电机能否正常工作直流电机的换向火花是影响直流电机正常运行及使用寿命的关键问题 解决换向火花过大 是直流电机维护的关键技术 1 5直流电机的换向 换向周期 元件从开始换向到换向终了所经历的时间 火花等级 1级 没有火花1 25级 一小部分地方有微弱点状火花1 5级 大部分电刷下有微弱火花2级 全部电刷边缘上均有火花3级 全部电刷边缘上均有很大的火花且火星向外飞溅对正常工作的电机 火花等级不能超过1 5级 1 5 1换向概述 1 5 2换向的电磁理论 概念 是指换向元件在换向过程中电流变化的情况 从而判断什么情况下会产生火花 什么情况下不产生火花 一 直线换向定义 是一种最基本的换向过程 换向元件里的换向电流随时间线性变化 特点 电刷下不产生火花 二 延迟换向定义 电抗电动势和电枢反应电动势的作用是阻止电流变化的 即阻碍换向的进行 特点 电刷与换向片之间出现火花 图1 23 1 5 3改善换向的方法 改善换向的目的 消除或削弱电刷下的火花 方法 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 一 选用合适的电刷增加电刷与换向片之间的接触电阻 在选用时 要综合考虑接触电阻的大小和电能损耗 发热 摩擦等因素 更换电刷时必须尽量选择同一牌号的 二 装设换向极目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极 1 6直流发电机 1 6 1直流发电机的励磁方式1 6 2直流发电机的基本方程式1 6 3他励发电机的运行特性1 6 4并励发电机的自励条件和外特性 1 6 1直流发电机的励磁方式 1 6直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式 分为他励和自励两大类 自励方式又分并励 串励和复励三种方式 1 他励 直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同 即 2 并励 发电机的励磁绕组与电枢绕组并联 且满足 3 串励 励磁绕组与电枢绕组串联 满足 4 复励 并励和串励两种励磁方式的结合 电机有两个励磁绕组 一个与电枢绕组串联 一个与电枢绕组并联 1 6 2直流发电机的基本方程 如图规定各物理量的参考方向 一 电动势平衡方程 从方程式可见 直流发电机满足 二 转矩平衡方程 发电机轴上有三个转矩 原动机输入给的驱动转矩 电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 转矩平衡方程为 直流发电机的励磁电流 三 励磁特性公式 每极气隙磁通 四 功率平衡方程 原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率 电磁功率一方面代表电动势为的电源输出电流时发出的电功率 一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率 电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗 输出的电功率 自励发电机中还应减去励磁损耗 1 6 3他励发电机的运行特性 一 空载特性 定义 当 时 直流发电机的空载特性是非线性的的 上升与下降的过程是不相同的 实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线 空载时 空载特性实质上就是 所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同 二 外特性 定义 当 时 由曲线可见 负载电流增大时 端电压有所下降 根据可知端电压下降有两个原因 一 在励磁电流一定情况下 负载电流增大 电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少 使电动势减少 二 电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加 使端电压下降 为什么低 三 调节特性 定义 当 时 由曲线可见 在负载电流变化时 若保持端电压不变 必须改变励磁电流 补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响 1 6 4并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的 而端电压是在励磁电流作用下建立的 这一点与他励发电机不同 并励发电机建立电压的过程称为自励过程 满足建压的条件称为自励条件 一 自励条件 曲线1为空载特性曲线 曲线2为励磁回路总电阻特性曲线 也称场阻线 原动机带动发电机旋转时 如果主磁极有剩磁 则电枢绕组切割剩磁通感应电动势 在电动势作用下励磁回路产生 增大 场阻线变为曲线3时 称为临界电阻 若再增加励磁回路电阻 发电机将不能自励 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通 使主磁路磁通增加 电动势增大 增加 如此不断增长 直到励磁绕组两端的电压与相等 达到稳定的平衡工作点A 可见 并励直流发电机的自励条件有 二 空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样 也是磁化曲线 由于励磁电压不能反向 所以它的空载特性曲线只在第一象限 三 外特性 四 调节特性 并励发电机的电枢电流 比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流 所以调节特性与他励发电机的相差不大 对并励发电机 除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外 还有第三个原因 由于上述两个原因使端