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3 3直流电机电枢绕组 3 4直流电机的磁场 本章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 3 5直流电机的电枢电动势和电磁转矩 3 7直流电机的运行特性 3 8直流电动机的起动 调速和制动 3 9直流电机的换向 3 2直流电机的主要结构与基本工作原理 第三章直流电机 3 6直流电机的基本平衡关系 3 1直流电机概述 直流电机是一种转换与直流电能有关的机器 3 1直流电机概述 一 直流电机 二 直流电机的可逆性 同一台直流电机 既可以作为直流电动机运行 又可以作为直流发电机 三 直流电机的优缺点 1 优点 1 调速性能好 主要表现在调速范围广 调速方便 调速平滑 2 起动性能好 主要表现在起动力矩大 作为直流电动机 主要用于广泛调速的地方 比如电力机车 城市地铁 城市电车等 也可以用于快速可逆电力拖动系统 比如卷扬机 轧钢机等 作为直流发电机 既可以作为独立的直流电源 也可以作为发电机 电动机拖动系统 2 缺点 结构比较复杂 运行时可能产生环火 四 直流电机的用途 一 直流电机的主要结构 3 2直流电机的主要结构与基本工作原理 1 主磁极作用 建立主磁场 构成 主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组 2 机座作用 主磁路的一部分 电机的结构框架 主要起支撑和防护作用 构成 用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成 3 换向极作用 改善换向 构成 由铁心和绕组组成 4 电刷装置作用 电枢电路的引出 或引入 装置 构成 电刷 刷盒 刷杆和连线等 5 端盖作用 起支撑 保护作用 6 电枢铁心作用 主磁路的一部分 电枢绕组的支撑部件 构成 一般用厚0 5 且冲有齿 槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成 8 换向器作用 整流 发电机 或逆变 电动机 构成 由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘 两端再用两个形环夹紧而构成 7 电枢绕组作用 直流电机的电路部分 构成 用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成 上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘 并用槽楔压紧 上图为直流发电机的物理模型 N S为定子磁极 abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈 线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢 线圈的首末端a d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上 转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的 二 直流电机的工作原理 1 直流发电机工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转后 如下图 导体ab在S极下 a点低电位 b点高电位 导体cd在N极下 c点低电位 d点高电位 电刷A极性仍为正 电刷B极性仍为负 可见 和电刷A接触的导体总是位于N极下 和电刷B接触的导体总是位于S极下 因此电刷A的极性总是正的 电刷B的极性总是负的 在电刷A B两端可获得直流电动势 在磁场作用下 N极性下导体ab受力方向从右向左 S极下导体cd受力方向从左向右 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 当电磁转矩大于阻转矩时 电机转子逆时针方向旋转 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将电流流过 如图 a 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置 按照一定的规律连接起来 构成电机的电枢绕组 磁极也是根据需要N S极交替旋转多对 2 直流电动机工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械 a b 当电枢旋转到图 b 所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下 受力方向从左向右 原S极下导体cd转到N极下 受力方向从右向左 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转 同直流发电机相同 实际的直流电动机的电枢并非单一线圈 磁极也并非一对 三 直流电机的铭牌数据 额定值是制造厂对各种电气设备 本章指直流电机 在指定工作条件下运行时所规定的一些量值 在额定状态下运行时 可以保证各电气设备长期可靠地工作 并具有优良的性能 额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据 额定值通常标在各电气的铭牌上 故又叫铭牌值 额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时 电机的输出功率 以 W 为量纲单位 若大于1kW或1MW时 则用kW或MW表示 对于直流发电机 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 对于直流电机 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 额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值 额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压 以 V 为量纲单位 额定电流IN指电机在额定电压 额定功率时的电枢电流值 以 A 为量纲单位 额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速 以r min为量纲单位 6 额定温升指电机允许高出环境温度的最高允许值 它表示了电机允许发热的限度 三 直流电机的主要系列 1 Z2系列2 Z和ZF系列3 ZT系列4 ZZJ系列5 ZQ系列6 Z H系列7 ZA系列8 ZU系列9 ZW系列10 ZLJ系列 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 3 3直流电机的电枢绕组 对电枢绕组的基本要求 1 产生尽可能大的电动势 并有良好的波形 2 能通过足够大的电流 以产生并承受所需要的电磁力和电磁转矩 3 结构简单 连接可靠 4 便于维修和检修 5 对直流电机 应保证换向良好 二 电枢绕组的分类 1 叠绕组 又分为单叠和复叠绕组 2 波绕组 又分为单波和复波绕组 3 蛙绕组 即叠绕和波绕混合的绕组 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 第一节距 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离 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 2 极距 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离 用表示 单叠绕组单波绕组 三 元件 极距与节距 1 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 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 四 单叠绕组 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 单叠绕组的展开图 单叠绕组的并联支路图 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 五 单波绕组 单波绕组的合成节距与换向节距相等 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 单波绕组的并联支路图 单波绕组的展开图 3 4直流电机的磁场 直流电机工作中 主磁极产生主磁极磁动势 电枢电流产生电枢磁动势 电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应 下图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图 当励磁绕组的串联匝为 流过电流为 每极的励磁磁动势为 一 直流电机的空载磁场 空载时 励磁磁动势主要消耗在气隙上 当忽略铁磁材料的磁阻时 主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状 如下图 a 所示 磁极中心及附近的气隙小且均匀 磁通密度较大且基本为常数 靠近极尖处 气隙逐渐变大 磁通密度减小 极尖以外 气隙明显增大 磁通密度显著减少 在磁极之间的几何中性线处 气隙磁通密度为零 直流电机中 主磁通是主要的 它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩 而漏磁通没有这个作用 它只是增加主磁极磁路的饱和程度 在数量上 漏磁通比主磁通小得多 大约是主磁通的20 空载时的气隙磁通密度为一平顶波 如下图 b 所示 空载时主磁极磁通的分布情况 如下图 c 所示 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 气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系 称为直流电机的空载磁化特性 如右图所示 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 右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况 二 直流电机负载时的磁场 直流电机带上负载后 电枢绕组中有电流 电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势 电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化 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 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布 则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波 如图中所示 由于主磁极下气隙长度基本不变 而两个主磁极之间 气隙长度增加得很快 致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型 如图中所示 当励磁绕组中有励磁电流 电机带上负载后 气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果 电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应 电枢反应与电刷的位置有关 1 当电刷在几何中性线上时 三 直流电机的电枢反应 将主磁场分布和电枢磁场分布叠加 可得到负载后电机的磁场分布情况 如图 a 所示 为两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线 为主磁场的磁通密度分布曲线 为电枢磁场磁通密度分布曲线 由图可知 电刷在几何中性线时的电枢反应的特点 1 使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合 负载后由于电枢反应的影响 每一个磁极下 一半磁场被增强 一半被削弱 物理中性线偏离几何中性线 角 磁通密度的曲线与空载时不同 2 对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时 主磁场被削弱的数量等于加强的数量 因此每极量的磁通量与空载时相同 电机正常运行于磁化曲线的膝部 主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高 铁心磁阻增大 增加的磁通少些 因此负载时每极磁通略为减少 即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质 电刷从几何中性线偏移 角 电枢磁动势轴线也随之移动 角 如图 a b 所示 2 当电刷不在几何中性线上时 这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量 交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势 如图 a b 所示 电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明 3 5直流电机的电枢电动势和电磁转矩 一 直流电机的电枢电动势 电枢电势Ea 每一支路串联导体电势之和 式中 N 电枢导体总数2a 并联支路数 一个支路内串联的导体数 一个导体内平均电势 气隙平均磁密 l 导体的有效长度 v 圆周线速度 电枢旋转时 主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势 为每极磁通量 说明 1 Ea公式是电刷处于几何中心线时推导出来的 故Ea是最大值 2 电枢电动势在电动机中属于反电势 3 若要改变Ea的方向 只需改变n和 的方向即可 二 直流电机的电磁转矩 当电枢绕组中有电流流过时 在磁场内受电磁力的作用 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩 结论 直流电机的电枢电动势与每极的磁通量和转速的乘积成正比 Ia为电枢电流 结论 电磁转矩与电枢电流和每极磁通量的乘积成正比 该电磁转矩对电动机而言是拖动转矩 对发电机而言是制动转矩 3 6直流电机的基本平衡关系 一 直流发电机的基本平衡关系 1 电路平衡 以并励发电机为例 为励磁回路总电阻 为一个电刷的接触电压降 一般为1V 2 功率平衡 电磁功率 M为电磁转矩 它的方向由左手定则决定 在发电机时正好与反向 二 直流电动机的基本平衡关系 1 电路平衡 以并励电动机为例 为励磁回路总电阻 为一个电刷的接触电压降 一般为1V 2 功率平衡 电磁功率 3 转矩平衡 式中 M为电磁转矩 为轴上的输出转矩 为空载制动转矩 3 7直流电机的运行特性 1 直流发电机的励磁方式 一 直流发电机 1 他励 直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给 如图所示 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 2 并励直流发电机的电压建立过程 并励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 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 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确 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 直到励磁绕组两端电压与相等时 达到稳定的平衡工作点A 电压建立过程如右图所示 图中OA为场阻线 它的斜率为 由此可见 场阻线的斜率与励磁回路电阻成正比 1 自励条件 主磁极要有磁 初始励磁电流产生的磁场必须加强剩磁磁通 必须与场阻线有交点 2 不能自励的原因及解决办法 直流电机多年不用 无剩磁 可加直流重新充磁 加强励磁后 反而下降 原因是连接错误 出现刹磁 解决办法是 改变电枢与励磁绕组的相对连接 改变原动机的转向 注意上述两种方法不能同时使用 加强励磁后 无变化 原因是励磁回路断线 解决办法是重新检查后让励磁回路接通 加强励磁后 发电机的端电压有所升高 但稳定点电压较低 原因是发电机转速太低或励磁回路电阻太大 解决办法是调节原动机转速或减小励磁回路电阻 3 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 4 外特性 5 调节特性 1 电枢回路电阻压降 2 电枢反应的去磁作用 3 端电压下降将造成励磁电流的下降 所以进一步降低 造成端电压下降比他励发电机更多 如上图所示 端电压降有所下降 为要保持端电压不变 负载电流增大时 励磁电流应当相应的增加 以抵消电枢反应的取磁作用和电枢回路的电压降 所以调节特性是一条略有上翘的曲线 如右图所示 图中指电压和负载电流为额定值时的励磁电流 1 直流电动机的运行特性 转速特性 1 他励 并励 直流电动机的运行特性 由方程式可得 二 直流电动机 忽略电枢反应的去磁作用 是一条略有下降的直线 如右图所示 定义 当 时 电枢电流与转速n之间的关系曲线 即 从上图中可以看出 并励电动机转速随负载电流变化不大 故称为硬特性 其缺点是不能过载 转矩特性 根据转矩表达式 当 N时 M Ia 考虑电枢反应的去磁作用 转矩上升的速度比电流上升的慢 当Ia较大时 M稍有降低 如上图所示 注意 并励电动机的励磁回路不能断开 如果断开 剩 由于 剩很小 当电动机轻载时 其转速将急剧上升 出现 飞速 现象 当电动机重载时 将停转 两种情况将给电动机带来很大危害 定义 当 时 电磁转矩M与电枢电流之间的关系曲线 即 效率特性 定义 当 时 效率 与电枢电流之间的关系曲线 即 由方程式可得 空载损耗为不变损耗 不随负载电流变化 当负载电流较小时效率较低 输入功率大部分消耗在空载损耗上 负载电流增大 效率也增大 输入的功率大部分消耗在机械负载上 但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小 如右图所示 机械特性 定义 当 时 电磁转矩M与电枢电流之间的关系曲线 即 2 串励直流电动机的运行特性 转速特性 定义 当时 电枢电流与转速n之间的关系曲线 即 根据串励电动机的电路特点 得 由电压平衡方程可得 当磁路不饱和时 所以 从上式可以看出 当磁路不饱和时 转速特性为双曲线关系 当磁路饱和时 基本不变 所以转速特性为一条略有下降的直线 串励直流电动机的转速变化率 为串励电动机轻载 时的转速 注意 串励电动机不能空载运行 否则要发生 飞速 事故 在调速过程中 串励绕组不能过多的旁路 因为 被削弱过多 转速将超过额定转速比较多 转矩特性 定义 当时 电磁转矩M与电枢电流之间的关系曲线 即 根据 式中 由此可分两种情况讨论 当磁路不饱和时 所以 由此可见 转矩特性为抛物线 当磁路饱和时 基本不变转矩特性为一上升的直线 机械特性 定义 当时 电磁转矩M与转速n之间的关系曲线 即 式中 由此可见 当磁路不饱和时 为一双曲线 当磁路饱和时 基本不变 所以 并代入转速公式 可得 由此可见 为一下降的直线 如右图所示 恒功率特性 将转速特性和转矩特性结合起来 可以发现串励直流电动机在轻载和重载时其输出功率基本不变 即具有恒功率特性 如右下图所示 从图中可以看出 轻载时转速高 转矩小 重载时转速低 转矩大 电磁功率 M n 轻载时的M n近似等于重载时的M n 即具有恒功率特性 3 8直流电动机的起动 调速和制动 一 直流电动机的起动 1 起动电流尽量小 小于允许值 2 起动力矩足够大 可在额定磁场下起动 为了减小起动电流 可采用如下起动方法 1 直接起动 直接将电枢投入起动此法只有在电源容量足够大时才能采用 2 电枢回路串变阻器起动 起动时在电枢回路串入起动电阻此法可用图解法和解析法求出各级起动电阻 二 直流电动机的调速 2 调速方法根据转速公式可得调速方法有三种 1 对调速性能的要求 1 调速范围大 2 调速平滑 3 经济性好 4 方法简便可靠 1 电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速的规律是 所串电阻越大 转速越低 这种方法设备简单 调速方便 但技术指标和经济性能较差 属于有级调速 3 弱磁调速这种方法是减小磁通 使转速升高 其基本规律是 这种方法的优点是控制方便 平滑性较好 设备容量小 消耗功率小 三 直流电动机的制动 制动分为机械制动和电气制动两种 我们研究的是电气制动 电气制动又可以分为制动过程和制动运行 其共同点是使电机的电磁转矩M与转速n的方向相反 2 降压调速这种方法可分为大功率系统和小功率系统两种调速系统 其基本规律是 电压与转速成正比 其优点是调速平滑 调速范围大 经济性能好 但投资大 还可能出现谐波公害 制动方法有 1 能耗制动它主要是靠系统的储存的动能进行发电 从而产生反向电流 反向力矩来阻止电动机的继续运行 制动电阻可按以下公式进行计算 2 反接制动反接制动可以分为转速反向的反接制动和电源反接的反接制动 它的制动力量更强 其制动电阻 3 回馈制动回馈制动可以分为转向不变的