第2章 直流电机.ppt

第二章直流电机Chapter2DCmachine 简述 电流有交流和直流之分 因此电机也有直流电机和交流电机两大类 直流电机具有调速性能好 启动转矩大的优点 但其制造工艺复杂 生产成本高 维护较困难 可靠性差等缺点 目前在很多场合直流电机已被交流电机和电力电子装置取代 但仍然有其应用场合 第一节直流电机的工作原理及结构 一 直流电机的工作原理 一 直流电动机的工作原理 问题的切入点 载流导体在磁场中受到的力 安培定律 所谓电动机是将电能转换为机械能 直流电机可以分为直流电动机和直流发电机 1 按照这种模式下 电枢将如何运动 2 如何解决这一问题 由电磁力产生转矩的过程 1 线圈ax中通入直流电流时 电流从a端流入 从x端流出 2 线圈边a和x上均受到电磁力 根据左手定则确定力的方向 3 这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩 将产生逆时针旋转 思考 把这个装有线圈的铁质圆柱体称为电枢 B A 解决上述振荡问题的办法 如果能使S极下的电流始终流出 而是N极下的电流始终流入 则可以产生连续的转矩 从而使电枢向一个方向运动 因此绕组ax在处于AB位置时必须交换一次电流方向 换向器换向器的构成 相互绝缘的两个半圆形铜片 换向片 与电枢连接在一起 每个与绕组的一端相连 换向片与电枢一起旋转 两个由石墨制成的电刷AB 当电枢旋转时 这种结构就能保证S极下的电流始终流入 而N极下的电流始终流出 换向片 电刷 二 直流发电机的工作原理 发电机将机械能转换为电能 问题的切入点 运动导体在磁场中切割磁力线产生电动势 1 用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动 原动机输入机械力 机械功率 2 线圈边ab和cd以相同转速顺次切割不同极性磁极下的磁场 线圈中产生了交变的电动势 机械能转换为电能 3 换向器配合电刷对电流的换向作用 电刷A B端的电动势为直流电动势 交流转换为直流 Flash 电刷上的电动势 一台直流电机作为电动机运行 在直流电机的两电刷端上加上直流电压 电枢旋转 拖动生产机械旋转 输出机械能 电能转换为机械能发电机运行 用原动机拖动直流电机的电枢 电刷端引出直流电动势 作为直流电源 输出电能 机械能转为电能注意 不要孤立的看待发电机和电动机问题 视频 直流发电机 直流电动机系统 旋转电机 定子 转子 气隙 二 直流电机的结构 一 直流电机的静止部分 定子 1 主磁极 2 换向极 1 主磁极铁心2 励磁绕组3 机座 1 换向极铁心2 换向极绕组 3 机座用来固定主磁极 换向极和端盖 另外 又作为磁路的一部分 主磁极铁心用1 1 5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成 4 电刷装置 1 刷握2 电刷3 压紧弹簧4 铜丝辫 二 直流电机的转动部分 1 电枢铁心 a 电枢铁心冲片b 电枢铁心 2 电枢绕组 由许多按一定规律连接的线圈组成 1 槽楔2 线圈绝缘3 导体4 层间绝缘5 槽绝缘6 槽底绝缘 由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动将导致铁耗 为了减小铁耗 电枢铁心常用0 5mm厚的硅钢片的冲片叠压而成 电枢绕组是由许多按照一定规律连接的线圈组成 它是直流电机电路的主要部分 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 3 换向器 由许多换向片组成 换向片之间用云母绝缘 1 换向片2 连接片 将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交流电流 第二节直流电机的铭牌数据 直流电机的额定值有 1 额定功率PN kW 2 额定电压UN V 3 额定电流IN A 4 额定转速nN r min 5 额定励磁电压UfN V 6 励磁方式 直流电机的额定有四个方面的考虑 1 功率 2 电气方面 3 机械方面 4 磁场方面 此外 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 出厂日期 出厂编号等 西门子公司的一台电机的铭牌 额定功率7457W 额定转速1180r min 额定电压500V 额定电流17A 励磁方式 并励 励磁电流 1 4 2 8A 励磁电阻166欧姆 绝缘等级F 工作制 连续 最高环境温度 40度 励磁电压300 150V 第三节直流电机的绕组 对绕组的要求 一 能够通过规定的电流 产生足够的电动势 二 尽可能节省铜和绝缘材料 并且结构简单 运行可靠 电机是以磁场为介质实现机电能量转换的电气设备 那么 对电机最基本的考核标准是什么 答案 能量转换能力 在单位时间内 尽可能在小的体积内实现多的能量转换 比功率概念 能量转换能力采用哪几个物理量描述 一 简单的绕组 1 2 3 4 5 6 7 8分别构成4个线圈 右图只是说明原理的示意图 它的缺点是 随着电枢的转动 始终只有一个线圈有电流 这样的话 材料没有充分利用 产生的总转矩或电势均很小 考虑一个事实 N极和S极下的磁场方向是一致的 因此若能将3 4 7 8线圈通以1 2线圈中类似的电流 那么就可以增加电机的利用率 1 1 2 3 4 7 8串连在一起 2 1 2 3 4 7 8并连在一起 解决办法 用4个换向片将4个线圈都连接起来 成为一个闭合绕组 两个不同的元件边连接一个换向片 每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片 共用了4个换向片 节省了材料 提高了输出转矩 N S 61832547 二 绕组的基本形式 第一节距 y1 元件的跨距 一个元件边到另一个元件边的距离 常用所跨的槽数表示 称为第一节距 其值经常等于或者接近一个极距 换向器节距 yc 上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向器节距 绕组的每个线圈的两个端子各接在一个换向片上 它是绕组的一个单元 称为元件 每个主磁极在电枢圆弧上所分得的弧长 经常采用电枢槽数或者机械角度表示 y1 yc 一 单叠绕组 一台直流电机绕组数据为 极对数 p 2 槽数Q 16 元件数S 槽数Q 换向片数K 16 第一节距 y1 4换向器节距 yc 1 单叠绕组的特点是元件的两个端子连接于相邻的两个换向片 yc 2 1 1 y1 5 1 4 一 2号元件是叠放在1号元件上方 错开了一个槽 叠绕组二 yc 1 单叠绕组 电流流向 A1 1号换向片 1上 5下 2上 6下 3上 7下 4上 8下 5号换向片 B1A1 1号换向片 4下 16上 3下 15上 2下 14上 1下 13上 14号换向片 B2A2 9号换向片 9上 13下 10上 14下 11上 15下 12上 16下 13号换向片 B2A1 9号换向片 12下 8上 11下 7上 10下 6上 9下 5上 5号换向片 B1 当电机运行时 依次被短路的线圈是1 2 5 6 9 10 13 14 并联支路对数 a p 并联支路对数等于极对数 二 单波绕组 一台直流电机绕组数据为 极对数 p 2 槽数Q 15 元件数S 槽数Q 换向片数K 15 第一节距 y1 3换向器节距 yc K 1 p 7 单波绕组的规律是将相距大约两个极距 在磁场中位置差不多的对应元件连接起来 yc 8 1 7 y1 4 1 3 电流流向 A1 5号换向片 5上 8下 12上 15下 4上 7下 11上 14下 3上 6下 10上 13下 2上 5下 12号换向片 B1A2 12号换向片4上 7下 11上 14下 3上 6下 10上 3下 15上 15号换向片 B2 单波绕组 不是把元件依串联 而是把相隔大约两个极距 即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来 当电机运行时 依次被短路的线圈是1 8 5 6 9 10 13 14 并联支路对数 a 1 直流电机的电枢绕组除了单叠 单波两种基本形式以外 还有其他形式 如复叠绕组 复波绕组 混合绕组等 第四节直流电机的励磁方式及磁场 直流电机存在两种电流 1 励磁电流 2 电枢电流 励磁方式 是为了研究这两种电流之间的关系 他励式 并励式 串励式 复励式 并励绕组 串励绕组 按照上面的描述 存在如下四种情况 1 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系 而是由其他直流电源对励磁绕组供电 2 并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联 3 串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联 4 复励直流电机 两个励磁绕组 一个与电枢绕组并联 另一个与电枢绕组串联 复励式直流电机又分为积复励和差复励两种 自励直流电机 二 直流电机的空载磁场 直流电机存在两种电流 1 励磁电流 2 电枢电流 这两种电流都会产生磁场 那么什么可以称为空载磁场呢 直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时 由励磁磁动势单独建立的磁场 电机的功率可以从两个方面认识 1 P e i 2 P Te 当电流为零或者很小时 1 等于零 2 中Te也很小或者为零 绝大部分磁通同时交链主磁极绕组和电枢绕组 称为主磁通 0 一部分磁通仅交链励磁绕组 称为漏磁通 气隙中主磁场磁通密度的分布 极靴的宽度小于一个极距 在磁极轴线下气隙较小 在极尖处气隙较大 在磁极轴线下磁密B较大 在极尖处磁密B较小 可以看出 由于气隙中的磁密B不是均匀分布的 这就为工程分析带来了麻烦 磁化曲线 在电机的工程问题中 往往不关心气隙中磁密的分布 而更加关心一个极距内磁通的多少 直流电机励磁曲线的演化 气隙磁通 0是由励磁绕组的总磁动势Nfif产生的 磁通与磁动势的关系曲线被称为电机的磁化曲线 电枢电动势ea0正比气隙磁通 可用某一角速度下电机的电动势来表示磁化曲线 磁动势较小时 电机铁心未饱和 此时磁通主要由气隙的磁阻决定 电枢电动势ea0表示为励磁电流if的曲线 这种关系可以不关心电机设计细节 通过外部测量获得 三 直流电机负载时的磁场及电枢反应 1 与空载不同 直流电机带上负载以后 在电枢中必将产生电流ia 有电流就存在磁动势 这个磁动势称为电枢磁动势 2 此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的 电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应 安培环路 逆时针方向忽略磁路中铁心部分地磁压降 有 H1l1 H2l2 Nyia规定磁动势穿出为正 Faxy 0 5Nyia Faxy 0 5Nyia 每个台阶高度为Nyia 元件为单层元件 N 电枢绕组的总导体数 Ny 每个元件的匝数S 元件数p 极对数 极距Da 电枢直径 幅值的计算 每个极下的元件边数为 在每个元件边处出现一次跳变 因此上半部分阶梯数为 每个阶梯幅值为Nyia 因此三角波幅值为 电枢表面的单位周长内的安培导体数 称为线负荷 电机设计中一个非常重要的参数 如果忽略铁心内的磁压降 则可以求出电枢磁动势产生的磁密沿电枢表面分布的曲线 在两级的中间部位 虽然电枢磁动势Fax出现峰值 但是由于这里的气隙较大 因此电枢电动势产生的磁密Bax相对较小 Bax呈马鞍型分布 电枢磁场Bax 主磁场B0 x 负载时气隙磁密B x 电枢反应对直流电机磁场的影响 1 负载时气隙磁场发生了畸变 图中所示为电动机情形 在电动机中物理中心线逆着旋转方向偏移 在发电机中则顺着电机旋转方向偏移 2 呈去磁特性 电枢反应将会使磁路中的部分磁势增加 部分磁势减小 总的说来 增加的磁势等于减小的磁势 但考虑到电机中铁磁磁路的饱和性 磁势的减小能够导致磁密显著减小 但磁势的增大无法导致磁密显著增大 主极产生的空载磁场B0 x分布 电枢磁动势产生的电枢磁场Bax分布 两者直接加和后的产生的气隙磁场B x分布 两者直接加和并考虑铁心饱和后的产生的气隙磁场B x分布 通过电枢表面气隙磁密B x等于零的线为物理中心线 空载时物理中心线与几何中心线是重合的 负载时物理中心线与几何中心线不再重合 中间存在一个位移角 主极产生的磁场 电枢电流产生的磁场 合成后的磁场 有限元方法计算的直流电机负载时气隙磁场的分布 第五节感应电动势和电磁转矩的计算 一 感应电动势的计算 问题的提出 无论是电动机运行还是发电机运行 电枢绕组中都会产生感应电动势 发电机发出的功率为P e i 电动机吸收的功率为P e i 旋转电角度 以后 与2 2 绕组所交链的磁通由 变为 n 电机转速 r min p 电机极对数 若2 2 线圈共有Ny匝 在这一过程中产生的平均电动势为 每条支路串联的元件数为 因此每条支路平均电动势为 绕组的全部有效导体数Z为 Ce为电动势常数 若不计饱和影响 有 其中Kf为比例常数 感应电动势的计算公式为 当速度表示为机械角速度 rad S 电机学中一个重要的常数 它是转 分与弧度 秒之间的换算系数 60 2 9 551弧度 秒 9 55转 分 二 电磁转矩的计算 电磁转矩也可以表示为 其中Gaf CTKf a为并联支路对数Z为总的有效导体数 Ea Ce n Ce 9 55 C e C e 9 55Ce CTn 转 分 rad 秒 第六节直流电机的运行原理 一 直流电机的基本方程式 一 电动势平衡方程式 电动机情形 对于并励电动机 若电动机处于稳态运行 发电机情形 若电动机处于稳态运行 几点注意事项 1直流电机内存在两种电流 两套绕组 为什么这些绕组之间没有耦合 电枢绕组轴线 励磁绕组轴线 由于这两套绕组是互相垂直的 其互感为零 因此直流电机的两套绕组之间不存在耦合 所有参量可以独立控制 这是直流电机易于控制的根本原因 二 转矩平衡方程式 对于电动机 稳态运行时 其中T2为负载制动转矩 T0为空载损耗转矩 对于发电机 其中T1为原动机拖动转矩 稳态运行时 三 功率平衡关系 输入电功率P1 励磁损耗PCuf 电枢铜耗PCua 电刷接触损耗Pc 电磁功率Pe 机械损耗Pmech 铁心损耗PFe 机械功率P2 电动机情形 直流电动机电磁功率Pe Pe Ea IaPe Te 输入机械功率P1 铁心损耗Pe 机械损耗Pmech 电枢铜耗PCu 电磁功率Pe 电刷接触损耗Pc 励磁损耗PCuf 电功率P2 发电机情形 直流发电机电磁功率Pe Pe Ea IaPe Te 由于电枢电流便于测量 因此往往将工作特性表示为 二 直流电动机工作特性 特性 转速n 转矩Te 效率 和输出功率P2的关系 转速特性 转矩特性 效率特性 一 并励直流电动机的工作特性 1 转速特性 理想转速特性 实际转速特性 提示 1 从参数变化的角度思考 2 什么原因导致了 的变化 当电机电流较大时 电枢反应表现出明显的去磁特性 从而使 减小 磁通减小将会使 1 理想空载转速n0略微上升 2 使转速曲线斜率减小 综合两方面的因素 设计时使得并励直流电机具有略微下降的转速特性 2 转矩特性 当U UN If IfN时 Te f Ia 的关系曲线 提示 1 从参数变化的角度思考 2 什么原因导致了 的变化 理想转矩特性 实际转矩特性 3 效率特性 当U UN If IfN时 f Ia 的关系曲线 主磁通在电枢铁磁材料中交变所产生的损耗 分为磁滞损耗和涡流损耗 当电机主磁通和转速变化不大时 铁耗近似不变 因此这部分损耗也被称为不变损耗 机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗 电机通风散热引起的风阻损耗 在电机转速不变时 机械损耗也是大致不变的 励磁回路铜耗 一般可以忽略不计 电枢绕组铜耗 当电枢绕组有电流流过时 产生的发热损耗 这一部分损耗是随着电枢电流变化的 或者说输出功率变化的 因此也被称为可变损耗 电刷接触损耗 当电机可变损耗等于不变损耗时 电机的效率达到最高 一般电机的最高效率点出现在80 的额定功率附近 二 串励直流电动机的工作特性 电动势平衡方程式 电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式 其中 Rfc为串励绕组电阻 串励直流电机中 If Ia 串励直流电机当在负载很小时 电机的转速将会很高 容易导致转子出现机械损坏 因此串励直流电机不允许轻载运行 串励直流电机在启动时 转速很低 端电压基本上靠励磁绕组和电枢绕组的电阻压降平衡 此时电枢电流很大 磁路饱和 因此磁通 接近不变 根据Te CT Ia 可知串励直流电机带载启动能力很强 三 复励直流电动机的工作特性 例2 1 一台他励直流电动机的额定数据为 设电动机原来在额定转速和额定负载下运行 在负载的总制动转矩 包括损耗转矩 保持不变的情况下 试求 1 在电枢回路中突然串入电阻R 0 0743 求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少 2 减少电动机的励磁电流 使磁通 减少1