电机学(第二章)5

第二章直流电机 直流电机的工作原理直流电机的电枢绕组直流电机的磁场直流发电机的基本特性直流电动机的基本特性直流电动机的起动与调速 本章重点 什么是直流电机 直流电机的优点 与直流有关的电机称为直流电机 1 具有良好的起动性能 能在宽范围内平滑调速 直流电机的用途 直流电动机广泛用于对调速性能和起动性能要求高的场合 2 直流发电机主要用作直流电源 同步发电机的励磁 3 控制系统中的伺服电动机 测速发电机等作为测量执行元件 本章研究对象 带换向器的直流电机 2 1概述 2 1 1直流电机的工作原理 一 线圈中感应电势产生的过程 1 原动机拖动电枢以恒定转速沿反时针方向在磁场中旋转 导体中产生感应电势 规定 从电枢进入磁极的磁通方向为正方向 S极下 B 从电枢进入磁极 B 为正 N极下 B 从磁极进入电枢 B 为负 线圈中的感应电势是交变的 电刷及换向器的作用 降低电刷端电动势脉动的方法 敷设多个线圈 若每极下均匀分布线圈个数大于8 则脉动幅度将小于1 电机的可逆性原理 分析直流发电机和直流电动机的能量转换过程 从电机的电端口看 电机作发电机或电动机运行的区别就在于电流方向发生了变化 电流自端口正极性端流出时为发电机 电流自端口正极性端流入时为电动机 研究电机常用的两个术语 发电机惯例电动机惯例 2 1 2直流电机的构造 定子 转子 主磁极换向极电刷装置机座 电枢铁芯电枢绕组换向器 一 综述 端盖 端盖内有轴承 转子在轴承中转 端盖则固定在电机两端 使电机组成一个整体 电刷架 电刷固定在端盖上 电刷与换向器相接触 气隙 定 转子之间有气隙 气隙的大小对电机的性能影响很大 二 分述各部分的功能和特点 1 定子 1 主磁极 由主极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组构成 当励磁绕组中通有直流励磁电流时 气隙中产生一恒定主磁场 主极铁芯常用1 1 5mm的低碳钢板叠成 功用 用来产生主磁场 2 换向极 功用 换向极专门用于改善电机换向 换向极由铁心和套在铁心上的绕组构成 采用1 1 5mm厚的钢片叠成 换向极装在两个主极之间 换向极的数目与主极的数目相同 3 机座 功用 构成电机磁路的一部分 固定主极合换向极 固定电机 用铸钢或薄钢板焊接而成 2 转子 1 转子铁芯 功用 是磁路的一部分 转子槽中放置绕组 电枢旋转时被交变磁化 所以转子铁心中有铁耗 特点 2 电枢绕组 感应电势 流过电流 产生电磁力和电磁转矩 是电机能够实现能量转换的核心部件 功用 由绝缘导线绕成线圈 各线圈以一定的规律焊接在换向片上而连成一个整体 构成 3 换向器 把电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为直流电势 换向器由多片彼此绝缘的换向片组成 功用 构成 2 1 3直流电机的额定值 一 什么是额定值 电机生产厂家根据设计和试验数据 确定的电机在额定运行工况时的物理量 如电压 电流 功率 转速等等 二 有哪些额定值 2 2直流电机的电枢绕组 2 2 1基本特点 一 对电枢绕组的要求 1 产生尽可能大的电动势 并且有良好的波形 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 便于维护和检修 5 对直流电机 应有良好的换向 二 绕组的型式 根据绕组连接方式的不同 直流电机电枢绕组分为三种类型 1 叠绕组 又分单叠和复叠绕组 2 波绕组 又分为单波和复波绕组 3 蛙绕组 既叠绕组和波绕组混合的绕组 三 元件的形状与放置 1 直流电枢绕组的构成 电枢绕组是由结构形状相同的绕组元件 简称元件 构成 2 什么是元件 指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈 元件边 端接 每个元件两个放在槽中切割磁力线感应电动势的有效边 槽外部分只作连接引线 绕组元件在电枢表面槽中的放置 为了便于绕组元件在电枢表面槽中的嵌放 每个元件的一个元件边放在某一槽的上层另一个元件边则放在另一个槽的下层 四 布线 下线 常用的几个名词 电枢绕组的特点常用虚槽数 元件数 换向片数及各种节距来表征 1 虚槽数 2 虚槽数Zi 元件数S 换向片数K之间的关系 因为每个元件有两个元件边 而每一片换向片同时接有一个元件的上层边和另一个元件的下层边 所以元件数一定与换向片数相等 又由于每个虚槽也包含上 下层两个元件边 即虚槽数也与元件数相等 所以 3 第一节距y1 每个元件的两个有效边在电枢表面的跨距 用虚槽数表示 4 第二节距y2 定义与同一个换向片相连接的两个元件中 第一个元件的下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距 也用虚槽数表示 5 合成节距y 相串联的两个元件的对应边在电枢表面的跨距 用虚槽数表示 6 换向器节距yK 每一个元件两端所接两片换向片之间在换向器表面所跨过的距离称换向器节距 用换向器数表示 2 2 2单叠绕组 一 什么是单叠绕组 二 单叠绕组绕制 1 节距计算 2 绕组连接表 规定元件编号与槽编号相同 上元件边直接用槽编号表示 下元件边用所在槽编号加 以示区别 上元件边与下元件边之间用实线连接 两元件通过换向器串联用虚线表示 绕组连接关系为 3 绕组展开图 假设从1号与16号槽中间的齿切开并展成一平面 1 磁极在绕组上方均匀安放 2 箭头为电枢旋转方向 3 对称绕组 元件轴线应与所接的两片换向片的中心线重合 4 换向器的大小与槽距一致 编号与元件编号相同 电刷的放置原则 确保空载时通过正负电刷引出的电动势最大 或者说被电刷短路的元件的电动势为0或最小 只有元件的轴线与主极轴线重合时 元件中的电动势为0 此时元件所接的两片换向片的中心线称为此时换向器上的几何中性线 电刷应固定安放在换向片的几何中性线上 对称时 元件 主极 换向器中性线三线合一 二 单叠绕组电路图 为进一步说明元件的串联次序及其电势分布情况 画出绕组的电路图如右图所示 并联支路数等于主极数 2a 2p 结论 1 闭和回路的总电势为0 故电枢绕组内不产生环流 2 并联支路数恒等于主极数 3 电刷组数 主极数 4 电刷放在换向器的几何中性线上 在正 负电刷间可获得最大支路电势 换向性能良好 不产生火花 2 2 2单波绕组 单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路 以保证串联元件中的电动势同方向 根据此思路 当然可以设想把电枢所有处在相同极性下的元件串联起来构成一条支路 此时 相邻两串联元件对应的距离约为两个极距 从而形成波浪形构形 称为波绕组 单波绕组电路图 单波绕组的并联支路数 注意 在元件数相同的情况下 波绕组每条支路的串联元件数就可能比叠绕组多 支路电压也会比较高 波绕组增加并联支路数的方法是采用复波绕组 2 3直流电机的磁场 磁场是电机实现机电能量转换的媒介 直流电机中产生磁场的方式有两种 一种是永久磁铁磁场 只在一些比较特殊的微电机中采用 另一种是电磁铁磁场 是由套在主极铁心上的励磁绕组通入直流电流产生的 称为励磁磁场 一般电机都采用这种励磁方式 2 3 1直流电机的励磁方式 一 什么是励磁方式 指供给励磁绕组励磁电流的方式 不同的励磁方式 电机的性能不一样 可满足不同形式的负载 二 直流电机按励磁方式分类 他励直流电机 并励直流电机 串励直流电机 复励直流电机 1 他励直流电机 励磁绕组由其它直流电源单独供电 2 并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联 电枢电压即为励磁电压 3 串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联 电枢电流即为励磁电流 4 复励直流电机 励磁绕组分成两部分 一部分与电枢绕组串联 另一部分与电枢绕组并联 串励和并励两部分绕组的磁势可以相加可以相减 前者称为积复励 后者成为差复励 a 短复励 b 长复励 2 3 2直流电机的空载磁场 一 什么是空载磁场 二 磁通与磁动势 1 磁通 主磁通漏磁通 磁通分两部分 3 五段式主磁路结构 电机中的磁回路数目等于主极数目 每个磁回路由五个部分组成 三 主磁场分布 假设 1 电枢表面是光滑的 2 极弧下气隙均匀 磁密为一平顶波 四 磁化曲线 1 气隙线 2 饱和系数 电机额定转速下空载运行时产生额定电枢电压所需的磁动势与同一磁通下气隙线上磁动势的比值 电机的额定工作点一般设计在 膝点 c点 附近 注意 由于 磁化曲线还可以表示为 2 3 3直流电机的电枢磁场 2 电流分布 电机作为电动机运行时 导体中的电流分布如图所示 3 磁力线分布 电枢磁势的轴线与电刷轴线重合 也在电枢几何中性线上 与主极轴正交 4 电枢磁势的大小与波形Fa x 分析方法 沿左侧几何中性线将电枢切开展成一条直线 1 电枢磁势的大小 2 电枢磁势的波形 5 磁密波形 二 电刷偏离几何中性线 由于装配等原因 电刷很难正好在几何中性线上 1 交轴电枢磁动势Faq 交轴磁动势波形如图曲线2 1 直轴电枢磁动势Fad 交直轴合成磁动势波形如图曲线1曲线1 曲线2 曲线3 直轴磁动势波形如图曲线3 2 3 4电枢反应 电机中 主磁场和电枢磁场共同存在和存在 我们把电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应 1 交轴电枢反应2 直轴电枢反应 1 交轴电枢反应 电刷在几何中性线时 电枢磁场只有交轴分量 电机磁场由励磁磁动势和交轴磁动势共同建立 交轴电枢反应对气隙磁场的影响 1 使物理中性线偏离几何中性线一个角度 对发电机偏移为顺电枢转向 对电动机则是逆电枢转向 2 不计饱和 每个主极下总磁通不变 3 考虑饱和 总磁通下降 2 直轴电枢反应 考虑饱和 可把每极Fad和F0叠加后通过磁化曲线确定 2 3 5感应电动势和电磁转矩 一 感应电动势 无论是迭绕组还是波绕组 经正 负电刷引出的都是支路中各串联元件感应电动势的代数和 假设 1 绕组为整距 2 电刷在几何中性线上 先求一根导体中的感应电势 二 电磁转矩 所有电枢导体所受力矩之和称为电磁转矩 三 电动势常数与转矩常数的关系 2 4直流发电机的基本特性 2 4 1基本方程 电机的基本方程即电机稳态运行时内部物理过程的数学描述 因为电机内部存在着机 电 磁耦合关系 稳态运行时必须满足机械方面和电磁方面的平衡要求 因此 电机的基本方程将包括电动势平衡方程 功率平衡方程和转矩平衡方程等 一 电势平衡方程式 1 电枢回路电势平衡方程式 2 励磁回路电压平衡方程式 3 电流平衡方程式 二 功率平衡方程式 1 电磁功率 2 发电机电枢回路的电功率平衡方程式 3 发电机总的功率平衡方程式 并励发电机的功率流程图 输入功率 输出功率 4 发电机的效率 三 转矩平衡方程式 2 4 2他励发电机的运行特性 说明 1 什么是发电机的特性 指电机外部各个可测物理量之间的关系 2 有哪些特性 1 空载特性 开路特性 2 负载特性 3 外特性 4 调节特性 一 空载特性 1 什么是空载特性 2 实验测取 3 该特性有何用 1 从空载特性可以知道电机的饱和程度 从而检验电机的设计制造水平 2 可用该特性求出电机的其他特性曲线 注 无论何种励磁方式的直流电机 其空载特性曲线均由他励接线方式测定 二 负载特性 1 什么是负载特性 2 实验测取 3 曲线分析 三 外特性 1 什么是外特性 2 实验测取 3 曲线分析 外特性是一条随负载电流增加而下降的曲线 4 电压调整率 四 调节特性 1 什么是调节特性 2 实验测取 3 曲线分析 调节特性随负载电流的增加而上翘 原因是要保持端电压不变 励磁电流必须随负载电流的增加而增加 以补偿电枢反应的去磁作用 2 4 3并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机是自励发电机中最常用的一种 它的励磁电流不需要其他的直流电源供给 而取自发电机本身 所以称为 自励 并励发电机的主极绕组与电枢绕组并联 2 并励发电机的自励条件 1 电机内有剩磁 2 励磁绕组连接正确 3 励磁回路电阻应小于临界电阻 注意 因为空载特性曲线正比于电机的转速 转速愈低意味着曲线下移 因此 对应的临界电阻也会随之变小 或者说 不同的转速对应于不同的临界电阻 二 外特性 1 什么是外特性 2 实验测取 3 曲线分析 1 随负载电流的增加 并励发电机的端电压比他励发电机的端电压下降的快 因为他励发电机在负载增加时 使端电压下降的原因只有两个 并励发电机还要加上因电压下降而导致励磁电流减小的因素 2 4 4复励发电机的特性 在并励发电机的基础上加上串励绕组就是复励发电机 积复励发电机能在一定范围内自动调整端电压的变化 若串励绕组的磁化作用恰好补偿电枢反应的去磁作用和电枢电阻压降 使额定负载时端电压与空载电压与相等 则称为平复励 若串励绕组过渡补偿 称过复励 反之 就是欠复励 差复励发电机中 由于负载时串励绕组的作用使电机主磁通和电动势进一步减小 所以外特性急剧下降 可作为恒流源使用 2 5直流电动机的基本特性 basiccharactersofdcmotor 2 5 1基本方程 一 电动势平衡方程式 二 功率平衡方程式 功率流程图 轴上输出机械功率 输入功率 三 转矩平衡方程式 2 5 2工作特性 什么是工作特性 为什么讨论工作特性 1 便于用户选择 使用电机 2 从工作特性上找到衡量电机性能好坏的指标 3 鉴定电机的设计水平 求取特性的方法 1 实验求取 2 计算求取 一 并励电动机 1 速率特性 曲线分析 转速调整率 注意 并励电动机运行时 励磁绕组绝对不允许开路 因为当励磁回路断开时 气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁 2 转矩特性 直流电动机的转矩平衡方程式为 3 效率特性 普通电动机大都在接近额定功率时 其效率取最大值 此时 不变损耗 可变损耗 二 串励电动机 串励电动机仍然有三个特性 在励磁方面 串励与并励不同 1 速率特性 曲线特点 曲线分析 1 分析为什么是软特性 2 分析 飞速 的问题 转速调整率 2 转矩特性 若n为常数 则转矩特性曲线为通过原点直线 当n下降时 则转矩曲线向上弯曲 曲线分析 串励电动机的特点 适用场合 三 复励电动机 1 并励电动机2 并励为主的复励电动机3 串励为主的复励电动机4 串励电动机5 差复励 2 5 3机械特性 什么是机械特性 一 并励电动机的机械特性 1 自然机械特性 上式为机械特性方程式 2 人工机械特性 二 串励电动机的机械特性 三 复励电动机的机械特性 复励电动机的机械特性介于并励和串励之间 一般采用积复励 积复励电动机的转速为 复励电动机的优点 1 在并励电动机中 适当加一些串励绕组 可以防止机械特性上翘 使机组工作稳定 2 在串励电动机中 可适当加一些并励绕组来阻止空载转速不会过高 2 6 2直流电动机的起动 一 什么是起动 二 衡量一台电动机起动性能指标优劣的标准 1 起动电流要小 对电机本身不利 烧坏绝缘绕组 产生很大的电磁力冲击 使电机变形等等 使直流电网的电压突然降低 影响电网上其他负载的工作 2 起动转矩要大 3 起动时间要短 4 起动设备简单 经济 可靠 三 起动方法 1 直接起动 全压起动 2 电枢回路串电阻起动 3 降压起动 1 直接起动 将电动机直接投入具有额定电压的电网上起动 特点 起动设备简单 手续简便 缺点是产生很大的冲击电流 只适用于小容量电机 2 在电枢回路串电阻起动 串入电阻后 分级控制串入电枢回路的电阻 特点 1 可限制起动电流 保证一定的起动转矩 设备简单 广泛用于中 小型电机中 2 对于大容量直流电机 变阻器将变得笨重 消耗电能 3 降压起动 适合于他励 2 6 3直流电动机的调速 什么是调速 在电动机负载转矩不变的情况下 通过人工方法改变机组的转速 称为调速 对调速性能的要求 1 速比大 2 平滑 3 经济综述调速方法 一 电枢回路串电阻调速 1 调速结果 2 特点 1 只能调低 不能调高 2 平滑性可以 3 方法简单 但效率下降 二 改变励磁电流调速 调速结果 2 6 4直流电动机的制动 一 能耗制动1 作法 一般用于并励电动机 制动时 保持励磁