电机与电力拖动第1章直流电机

1-3直流电机的电枢绕组,1-4直流电机的磁场,1-5直流电动机,1-6直流发电机,1-7直流电机的换向,1-3直流电机的电枢绕组,绕组型式,单叠绕组,单波绕组,电枢：转子机电能量转换的枢纽,绕组是由许多线圈(下称元件)按一定规律连接而成,电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。电枢绕组须满足以下要求：在能通过规定的电流和产生足够的电动势（或电磁力）前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料；结构简单、运行可靠。,名词术语介绍磁极轴线：主磁极的中心线；几何中性线：相邻两个主磁极之间的平分线；极对数：p；极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。可用槽数表示，=Z/2p（槽），式中Z为电枢总槽数；元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝；,1.电枢绕组元件线圈,(1).2个元件边：嵌在槽中的部分,(2).前端接部分、后端接部分,(3).上层元件边、下层元件边,(4).首(出线)端、末(出线)端,上层元件边、下层元件边处在不同极性的磁极下，即同一元件的上层元件边、下层元件边的距离约为一个磁极的距离。,2.节距：用来表征元件本身和元件之间连接规律的数据,第一节距y1必须是整数用槽数来表示同一元件的2个元件边在圆周上的距离。,极距：2个相邻磁极在圆周上的距离。用槽数来表示,p为极对数,*.本课程只讨论：一个槽内共放置2个元件边,*.元件数S=换向片数K，即S=K,*.换向片数K=槽数Z,*.S=K=Z,1片换向片总接1个元件的上层元件边和另1个元件的下层元件边。1个元件有2个元件边。1个槽放2个元件边。,第一节距y1=整数,y1=整数，为1的正分数,整距绕组：y1=,短距绕组：y1,长距绕组：y1,(2)第二节距y2必须是整数用槽数来表示第一个元件的下层元件边与直接相连的第二个元件的上层元件边之间在圆周上的距离。,(3)合成节距y必须是整数用槽数来表示直接相连的2个元件的对应元件边之间在圆周上的距离。,(4)换向节距yk必须是整数每个元件的首、末2端所接的换向片在圆周上的距离。用换向片数来表示。yk=y,二、单叠绕组,叠绕组：后1元件的端接部分紧叠在前1元件的端接部分上;yk=1的叠绕组称为单叠绕组。,例：Z=S=K=16，2p=4，接成单叠绕组,1.计算节距,yk=y=1,y1=4,y2=3,2.画绕组展开图,(1).画Z个槽,(2).画一个元件：对称,(3).画换向片,(4).画其他元件,(5).换向片编号,(6).画磁极，一般认为在绕组的上方,宽度0.75,(7).画电刷：均布，与磁极同中心,（1）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽，依次把槽编上号，如图所示；（2）根据y1，画出第一个元件的上下层边（15槽），令上层边所在的槽号为元件号；（3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；（4）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第6槽与3号换向片联接。按此规律，一直把16个元件全部联起来。,（5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N极磁力线垂直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上K很多，电刷宽23片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极轴线下，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”，是指被电刷所短路的元件处于电机的几何中性线。,3.单叠绕组连接顺序表,4.单叠绕组的并联支路图,5.单叠绕组的特点,(1).同一磁极下各元件串联成1支路；共2p条支路，并联a=p,(2).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。,(3).电刷的对数必须=极对数；电刷刷杆数=极数,在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极轴线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此时电刷的位置，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。,三、单波绕组,单波绕组：合成节距(换向节距)2个极距、前后2元件串联起来像波浪形。,单波绕组的条件：pyk=K-1,例：Z=S=K=15，2p=4，接成单波绕组,1.计算节距,2.画绕组展开图,(1).画Z个槽,(2).画一个元件,(3).画换向片,(4).画其他元件,(5).换向片编号,(6).画磁极,(7).画电刷,3.单波绕组连接顺序表,4.单波绕组的并联支路图,5.单波绕组的特点,(1).上层边在同一极性磁极下所有元件串联成1支路；共2条支路，并联a=1,(2).当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。,(3).电刷的对数=1；电刷刷杆数=2；可采用全额电刷，即用P对电刷,电枢电流Ia=2aia其中ia为每条支路的电流，共2a条支路单叠绕组和单波绕组的区别：并联支路对数的多少*单叠绕组：低电压、大电流*单波绕组：高电压、小电流*至于大容量的电机，可以采用混合绕组。,1-4直流电机的磁场,直流电机的励磁方式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,励磁绕组由其他来源提供与电枢绕组没有电的联系永磁直流电机属他励电机永磁直流由永磁体产生磁场If只有额定电流的5%以内,2.并励直流电机,励磁绕组与电枢绕组并联励磁电压=电枢端电压If只有额定电流的5%以内,3.串励直流电机,励磁绕组与电枢绕组串联励磁电流=电枢电流=大,4.复励直流电机,有2个励磁绕组1个与电枢绕组并联并励绕组1个与电枢绕组串联串励绕组积复励差复励,1.他励式：励磁电流由其他直流电源单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式;串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足：并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：,复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：,二.直流电机的空载磁场,空载运行直流电机不带负载(不输出功率)时的运行状态空载电流相对额定电流而言，很小、常认为=0空载磁场主磁场主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场,1.主磁通和漏磁通,磁通：由励磁绕组通电产生*主磁通0与电枢绕组匝链的磁通;*主磁路主磁极、气隙、电枢齿、轭、定子轭*漏磁通s只与励磁绕组匝链的磁通；,2.直流电机的空载磁化特性,0=f（If0）0=f（Ff0）饱和：*磁阻非线性*磁阻变大*电机工作点选在磁路开始饱和的A点,3.空载磁场气隙磁密分布曲线,气隙极距=D/(2p)磁极极靴的宽度75%气隙磁密平均气隙磁密,极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙。显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，可以通过数学形式来看一下：设电枢圆周为x轴，磁极轴线处为纵轴，又设电枢有效长度为l，则离开坐标原点为x的dx范围内的气隙主磁通为：dx=Bxldx,则空载时每极主磁通为：,Bav为气隙磁密的平均值,在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样既可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。,负载时的气隙磁场：,由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化，而这个变化的性质将是我们下面研究的重点电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电枢反应。,二.电流电机的电枢反应及负载磁场,1.直流电机的电枢反应负载时，电枢绕组通有负载电流，由此产生电枢磁动势Fa，Fa与励磁磁动势Ff共同合成负载时的气隙磁密，它与空载气隙磁密分布不同。电枢磁动势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。,2.直流电机的电枢磁场,*分析仅由电枢绕组的电流产生的磁场。用右手螺旋定则可以电枢磁动势的方向。*电枢磁动势Fa,先分析只有1个整距元件,Wc匝，电流ia，磁动势为iaWc设从电枢出、进定子的磁动势为+可得1个绕组元件的磁动势如图,3个元件3阶梯波形,很多个元件三角波形,3.负载时的气隙合成磁场,1）物理中性线偏离了几何中性线,不考虑饱和，每极总磁通不变电枢反应的影响，使电枢表面磁密=0的物理中性线偏离了几何中性线对电动机，物理中性线逆着旋转方向偏离了几何中性线对发电机，物理中性线顺着旋转方向偏离了几何中性线,2）考虑饱和的影响,考虑饱和的影响，半个极下减少的磁通大于增加的磁通，使每极总磁通减小。如电刷放在几何中性线上，电枢反应的影响：(1)是气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离了几何中性线(2)考虑饱和的影响，半个极下减少的磁通大于增加的磁通，使每极总磁通减小。,三.电枢绕组的感应电动势,指正负电刷之间的感应电动势产生的原因：元件边(导体)切割气隙合成磁场气隙合成磁场的分布是不均匀，每根导体的感应电动势是不同的。,假设磁密是均匀的,假设磁密是均匀的，取1个极下的平均值每个极下的1根导体的感应电动势的大小相等,电枢绕组的感应电动势,四.电枢绕组的电磁转矩,电枢电动势、电磁转矩公式,1-5直流电动机,一、直流电动机稳定运行的基本关系式电压平衡方程式转矩平衡方程式功率平衡方程式,电动机惯例,反电动势Ea与U方向相反励磁绕组与电枢绕组是并联的1.电压平衡方程式,并励电动机,2.转矩平衡方程式,电磁转矩T，与n同方向拖动转矩空载损耗转矩T0，为制动转矩轴输出的转矩T2，带动生产机械(负载转矩)，通常是制动转矩。,3.功率平衡方程式,电磁功率Pem,在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，或由机械能转换为电能的这部分功率称为电磁功率。用Pem表示。,体现了能量的互相转换作用。,功率平衡方程式,他励电动机,二、并励直流电动机的工作特性,1.转速特性,2.转矩特性,3.效率特性,当可变损耗pcu等于不变损耗时，效率达到最大值。,三、串励直流电动机的工作特性,特点：反电动势Ea与U方向相反励磁绕组与电枢绕组是串联的,总电阻,反电势,串励绕组电阻,串励直流电动机的工作特性,1.转速特性,串励直流电动机的工作特性,2.转矩特性,起动时，n=0,Ia很大,四、复励直流电动机的工作特性,工作特性由起主要作用的励磁绕组决定；一般在并励与串励电动机的特性之间。积复励有较高的启动能力、过载能力，可空载轻载运行。,1-6直流发电机,直流发电机的励磁方式他励直流发电机并励直流发电机串励直流发电机复励直流发电机,一、直流发电机稳定运行的基本方程式,他励直流发电机,发电机惯例：,1.电动势平衡方程式,2.转矩平衡方程式,空载损耗转矩由机械损耗、铁耗引起,拖动转矩,电磁转矩,方向同n,方向-n,方向-n,3.功率平衡方程式,发电机的输入功率P1，除小部分损耗外，大部分转换为电磁功率，由机械功率电功率,3.功率平衡方程式,电磁功率，除去电枢回路的铜损耗外，其余部分输出电功率,发电机的输出功率,电枢回路的铜损耗,3.功率平衡方程式,他励,并励,直流发电机的总损耗,由输入机械功率或其他电源提供,发电机的效率,二、他励直流电发电机的运行特性,4个主要物理量：电枢端电压U励磁电流If负载电流I=Ia转速n一般保持为额定值不变运行特性即：3个量，其中1个不变，其余2个物理量之间的关系。,1.空载特性,空载磁化特性饱和曲线,空载特性,磁滞现象、平均空载特性、剩磁电压饱和现象、设计时工作点的选择如果转速不是额定值，则空载特性按比例变化,2.外特性,负载试验方法：1.IfIfN保持2.nnN保持3.I从0调节1.2IN,2.外特性,由于电枢反应使磁通减小，使端电压与电流的关系不是一条直线。,发电机端电压随负载电流的增大而减小的程度,电压调整率,重要性能指标,3.调节特性,负载电流的增大端电压下降，原因？调节励磁电流达到保持端电压不变,三、并励直流发电机的自励过程和自励条件,发电的条件机械拖动n要有气隙磁场,并励直流发电机的自励过程和自励条件,并励直流发电机自励的三个条件1电机必须有剩磁2励磁绕组并联到电枢的极性必须正确3励磁回路中电阻小于Rcr(称为临界电阻),四、并励直流发电机的运行特性,空载特性该接成他励方式后，测量得到空载特性，方法和特性曲线与他励直流发电机相同。,并励直流发电机的外特性,2.外特性同一台直流发电机，分别接成并励方式、他励方式，得到外特性分别如图1、2曲线。,3.并励直流发电机的调节特性,五、复励直流发电机的外特性,并励绕组：电压高线细、匝多串励绕组：电流大线粗、匝少串励绕组起辅助作用，并励绕组起主要作用。积复励:过复励、平复励、欠复励,一、换向概述,1-7直流电机的换向,为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。,直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。,电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。,电刷与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。,电刷仅与换向片2接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。,一个元件被电刷短路前的电流是+ia，被短路一下，之后的电流是-ia，这种电流方向的改变，就称为换向。,1.直线换向(电阻换向