《电机与拖动基础》第1、2章 直流电机的工作原理和基本结构(上课用).ppt

第一章直流电机工作原理和基本结构,第一章直流电机,直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。直流发电机：机械能直流电能直流电动机：直流电能机械能直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，但结构复杂，成本高，运行维护较困难。主要应用于起动和调速要求较高的生产机械中，如金属切削机床，轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中。本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性（以直流电动机为重点）。,第一节直流电机的工作原理,一、直流发电机的工作原理,基于电磁感应原理：右手定则,产生磁场：（N、S极）,运动导线ab、cd切割磁场,线圈感应电动势交变,换向整流电刷间输出直流电动势,直流发电机的工作原理模型,例1-1如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的变化？,解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。,由右手定则可知：决定感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。,+,-,N,S,注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。,二、直流电动机的工作原理,基于电磁力定律：左手定则,载流导体ab、cd,在磁场中产生电磁力f,形成电磁转矩带动转子旋转,换向器作用：在发电机中起整流作用，使线圈中的交变电动势电刷间的直流电动势。在电动机中起逆变作用，使电刷间的直流电线圈内的交变电，保证电动机的转向恒定。,直流电动机工作原理模型,例1-2电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转)?,解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知：电磁力的方向取决于磁场极性或导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向改变。,注意：两者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。,-,+,f,f,n,改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图,三、电机的可逆原理（补充）,任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。,如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。,电机的实际运行方式由外施条件决定：,1-电枢铁心2-主磁极3-励磁绕组4-电枢齿5-换向极绕组6-换向极铁心7-电枢槽8-底座9-电枢绕组10-极掌(极靴）11-磁轭（机座）,直流电机的结构图,直流电机的径向剖面示意图,第二节直流电机的基本结构,直流电机的主要结构概述：,定子,转子,直流电机的励磁方式,电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。,作用,主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等,作用,感应电动势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换,主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等,第二节直流电机的基本结构,1.主磁极,一、定子,产生磁场，N、S相隔，用p表示极对数,作用：导磁和机械支撑材料：厚钢板弯成圆筒焊接而成，或铸钢。,3.机座（磁轭）,由磁极铁心和励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.,作用:改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。安装在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。,用整块钢制成，也可用厚11.5mm厚钢板或硅钢片叠成,1-刷握2-铜丝辫3-压紧弹簧4-电刷块（石墨材料）,2.换向极,4.电刷,作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出,二、转子,材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。,作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。,1.电枢铁心,铁心冲片,作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。,2.电枢绕组,电枢绕组：电枢线圈按一定规律连接形成。其并联支路对数用a表示。单叠绕组：a=p单波绕组：a=1,单波、单叠绕组联接示意图,3.换向器,材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。,作用：实现电刷内外交直流的转换。,由许多燕尾状的铜片间隔绝缘云母片而成,主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。,3、气隙（补充）,作用：保证了电机的转子的正常旋转，又是磁路的重要组成部分。,小型电机气隙约为0.75mm；大型电机气隙可达510mm。,直流电机运行性能与励磁方式密切相关，因此直流电机的分类以励磁方式分类,电枢绕组与励磁绕组并联,电枢绕组与励磁绕组串联,励磁绕组单独供电,有并励又有串励绕组,第四节直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式,复励：励磁绕组一部分与电枢绕组串联，另一部分与电枢绕组并联。并励绕组匝数多而线径细，串励绕组匝数少而线径粗。,他励：励磁绕组的电流由独立电源提供的。即励磁电路与电枢电路没有电的连接。,并励：励磁绕组与电枢绕组并联。励磁电压等于电枢电压，励磁绕组匝数较多，且用较细的导线绕制，电阻较大。,串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁电流和电枢电流相等，励磁绕组流过的电流较大，应有较小的电阻，所用导线要粗且匝数较少。,补充知识：直流电机出线端子的标志,注：下标“1”是首端，为正极；下标“2”是末端，为负极,例1-5在下图中画出并励直流电动机的实际接线图,解：换向级绕组应与电枢绕组串联，励磁绕组再与它们并联。,电机型号,铭牌数据主要有：,额定功率,额定电压,额定电流,额定转速,额定励磁电流,励磁方式,出厂数据如出厂编号、出厂日期等,第五节直流电机的铭牌,(1)型号。国产电动机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和数字表示电动机的结构和使用特点。例如：,2号铁心长度,Z2-56/4-2,铭牌1,产品代号的含义如下：Z系列：一般用途直流电动机，如Z2、Z3、Z4等系列；ZJ系列：精密机床用直流电动机；ZT系列：广调速直流电动机；ZQ系列：牵引直流电动机；ZC系列：船用直流电动机；ZA系列：防暴安全型直流电动机；ZKJ系列：挖掘机用直流电动机；ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机。,(8)额定励磁电流If。电机产生主磁通所需要的励磁电流，单位是A。,(2)额定功率PN。指电动机在额定情况下轴上输出的机械功率。单位是kW或W。,(3)额定电压UN。在额定情况下，电动机直流电源的电压。单位是V。,(4)额定电流IN。在额定负载时，电源输入到电动机的允许电流，单位是A。,(5)额定转速nN。电机运行在额定电压、额定电流、额定功率时所对应的转速，单位是r/min。,(6)励磁。指电机的励磁方式，包含他励、并励、串励、复励等。,(7)额定励磁电压Uf。电机在额定状态下励磁绕组两端所加的电压，对于并励的电机，励磁电压等于电机的额定电压；对于他励电机，励磁电压要根据情况来定。单位是V。,Z2-56/4-2,(9)定额（额定工作方式）。指电机在额定状态下可以持续运行的时间和顺序。例如标有“连续”，则表示电机可以不受时间限制连续运行;标有“25%”，则表示电机在一个周期内工作25%的时间，休息75%的时间。,(10)额定温升。表示电机允许发热的一个限度。温升限度取决于电机所使用的绝缘材料。（11）额定效率。额定功率与输入功率之比。,Z2-56/4-2,铭牌2,一台直流电动机的额定数据为：PN=13KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=87.6%，求额定输入功率PIN、额定电流IN和额定输出转矩T2N。,解：,Z272,第二次改型设计,机座号,电枢铁心长度,1、电机型号,1号为短铁心，2号为长铁心,1号最小，12号最大,型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。,2、额定值,(1)额定功率PNPN(kw)是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压NUN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。(3)额定电流ININ(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。,对于发电机，三个额定值之间的关系为PN=UNIN对于电动机，三个额定值之间的关系为PN=UNINN,(4)额定转速nNnN(r/min)是指电机额定运行时的转速。,额定效率；N=（PN/P1）*%,例1-3一台直流发电机，PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。,解,例1-4一台直流电动机，PN=17KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=83%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。,解,Z系列：一般用途直流电动机（如Z2，Z3，Z4等系列）；ZF系列：一般用途直流发电机ZT系列：广调速直流电动机；ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机；ZQ系列：直流牵引电动机；ZC系列：船用直流电动机；ZA系列：防爆安全型直流电动机；ZKJ系列：挖掘机用直流电动机；ZJ系列：精密机床用直流电动机；,五、直流电机的主要系列简介,补充知识：直流电机的磁场,一、直流电机的空载磁场直流电机空载时（发电机与外电路断开；电动机轴上不带机械负载），电枢电流为零或近似为零。因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势Ff所建立的。,直流电机的磁场，是直流电机产生电动势和电磁转矩必不可少的因素，而且直流电机的运行特性，在很大程度上也取决于磁场特性,由励磁磁通势Ff所建立的空载磁场分为两类磁通：主磁通0、漏磁通。一般0主磁通0对应的主磁路其组成分为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭五部分，或简化为主磁路由气隙和铁磁材料两大部分组成。由于空气的磁导率远比铁磁材料的磁导率小，磁路的励磁磁通势Ff几乎都消耗在气隙部分，而对应产生的磁场常称为空载气隙磁场。,直流电机空载磁场分布,1-极靴2-磁身3-定子磁轭4-励磁线圈5-气隙6-电枢齿7-电枢磁轭,本章小结：（见书15页）休息,电枢电动势Ea在直流电机中,感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动,即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得：EaCen式中Ce电动势常数，CeNp/(60a)。取决于电机的结构当每极磁通、转速n的单位分别是Wb、r/min时,电枢电动势的单位为V。可见：对已制成的电机,Ea正比于每极磁通和转速n；,第一节直流电机的电枢电动势,第二章直流电动机的运行分析,在直流电机中,电磁转矩M是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示：MCMIa式中M转矩常数；M=Np/(2a)取决于电机的结构，即在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、a均为定值；每极下的合成磁通(Wb)；当Ia为(A)时,电磁转矩单位为N.m。可见对已制成的电机,电磁转矩M正比于气隙每极磁通及电枢电流Ia。另：转矩常数CM与电势常数Ce之间有固定的比值关系：CMCe(Np/2a)/(Np/60a)=9.55,第二节直流电机的电磁转矩,例题一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469r/min，每极磁通=2.210-2Wb，求：1）此发电机电枢绕组的感应电动势。2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为800A时，能产生多大电磁转矩？,解,先求出电动势常数,第三节直流电机的电枢反应,直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主极磁场一起，在气隙内建立一个负载（合成）磁场。由于负载后电枢磁场的出现，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场（空载磁场）的影响称为电枢反应。,直流电动机合成磁场形成：主极磁场+电枢磁场,电枢反应性质：1）使磁力线扭斜，主极磁场发生畸变，物理中性线偏移；2)使每极合成磁通比空载时每极主磁通0略小，称去磁作用。,电动机拖动的机械负载越大，电枢反应的影响就越大，但正是电枢磁通势与主极磁场相互作用而产生电磁转矩，从而实现机电能转换。,第四节直流电机的换向,直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会在电刷下产生电火花，严重时出现环火将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。换向问题涉及电磁、机械、化学等方面因素。这里仅对换向过程、影响换向的电磁原因、改善换向的方法作简要介绍。,一、换向的物理过程,结论：一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改变方向,以单叠绕组的线圈K为例，它从属于电刷右侧支路，经历了被电刷短路后，变成属于电刷左侧支路，这一过程中，线圈K中的电流从+ia改变成-ia，完成了电流换向，换向周期Tc是极短的.,二、换向元件中的电动势,前述换向线圈K换向过程中所处的主磁场为零，电动势为零，称直线换向如图曲线1所示。但实际中，换向线圈中存在：（1）电抗电动势ex由换向电流变换产生的自感电势和互感电动势，阻碍换向，与换向前的电流同方向。（2）电枢反应电动势ea由电枢磁场引起的电动势，阻碍换向，与换向前的电流同方向。,由于阻碍换向的ex+ea的存在，使换向线圈中存在一个附加换向电流ik，使换向电流的变化变慢，称延迟换向。如图的曲线2所示，使电刷的后刷边易出现火花。,换向电流变化过程,三、改善换向的方法,想法产生一个与ex+ea反向的电动势，起抵消和削弱作用。一般容量在1kW以上的电机在主磁极之间装置换向极，极性与电枢磁通势方向相反，其磁场大小先抵消电枢磁通势，再是产生的换向极电动势ek与ex大小相等，方向相反，使ek+ex0，使ik0,达到减小火花，改善换向的目的。,换向极的绕组应与电枢绕组串联，极性与电枢磁通势方向相反。,换向线圈中电动势方向及换向极位置和极性,换向线圈中电动势方向及换向极位置和极性,例1-9某台直流电动机，在运行时后刷边发生火花，如在换向极根部加装铜垫片，运行时便无火花，为什么？,解：运行时后刷边发生火花属于延迟换向，其原因是换向元件中电抗电动势大于换向极电动势。为改善换向，消除火花，应该设法增加换向极电动势，这就要求增强换向极的磁场。若在换向极的根部加装非磁性的铜垫片(做成第二气隙)，整个换向极磁路的总气隙长度虽未改变，但极面下的气隙减小了。这样可以减小换向极的漏磁通，增加了换向极的有效磁通，使换向极电动势增加，从而达到消除火花的目的。,根据电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式：U=EaIaRa式中Ra电枢回路总电阻Ia他励电动机Ia=I；并励电动机Ia=I-If对于电动机：UEa，Ea与Ia反方向,第五节直流电动机的基本方程式,一、电动势平衡方程式,功率平衡方程式:P1=UI=UIa=(EaIaRa)Ia=EaIaIa2Ra=Ppcu上式说明：当他励直流电动机接上电源U时,电枢绕组中流过电流Ia,电网向电动机输入的电功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于电枢铜耗，大部份作为电磁功率转换成了机械功率。,所以：UIa=EaIa+RaI2a,即：P1=P+Pcu,二、功率平衡方程式,但转变成机械属性的P还要扣除铁耗、机械损耗、附加损耗才是输出的机械功率P2。,P1=P2+P0+Pcu=P2+P,说明：P1输入功率P2输出功率P0空载损耗（包括机械损耗和铁损耗）Pcu铜损耗（电枢绕组和励磁绕组都有）P=P0+Pcu所有损耗之和。,注意：他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。而并励电动机的pf由同一电源提供，所以并励电动机的功率平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf。,上述的功率平衡关系可用功率流程图形象的表示：,Pem=EaIa=(pN/60a)nIa=(pN/2a)Ia(2n/60)=T,补充说明：电磁功率Pem（书上用PM表示）,对电动机而言电动势Ea是反电动势，电源电压U必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem，所以Pem是机电能量转换的桥梁。,直流电机的效率,习题练习：,参考答案：,由：P2/=Pem/-p0/得：T2=T-T0或T=T2+T0,T2电动机轴上输出的机械转矩。它与轴上所带的负载转矩TL相平衡,即T2=TL。T0电动机空载转矩,与转向相反；由空载损耗产生,数值很小。电动机稳定运行时，拖动性质的T与制动性质的TL+T0相平衡,电动机转矩的常用计算公式：负载转矩：T2=P2/=P2/(2n/60)=9.55P2/n(Nm)在额定情况下,TN=9.55PN/nN(Nm)同理：T=9.55Pem/n(Nm),三、转矩平衡方程式,例1-7一台他励直流电机接在220V电网上运行，已知，,，求：,1）此电机是发电机运行还是电动机运行？2）电磁转矩、输入功率和效率各为多少？,解1）判断一台直流电机是何种运行状态，可比较电枢电动势和端电压的大小，即,因为,故此电机是电动机运行状态。,2）求,根据,则,电磁转矩,输入功率,输出功率,效率,例1-8一台Z2-17型直流电动机，额定数据为：,空载时测得电流为10A。求：,1）空载损耗（忽略空载铜耗）。2）空载转矩。3）额定负载下的电磁转矩。,解1）空载损耗,2）空载转矩,3）额定负载下的电磁转矩,直流电动机的工作特性是指U=UN=常数,电枢回路不串入附加电阻,励磁电流If=IfN时,电动机的转速n、电磁转矩T和效率与输出功率P2之间的关系,即：,所以，工作特性也可看成n、T、与Ia的关系。,第六节直流电动机的工作特性,1.机械特性,直流电动机工作时输出的是电动机的转速和转矩，而电动机转速随电磁转矩的变化关系称为直流电动机的“机械特性”。电动机励磁方式不同时，主磁通随负载电流变化而变