电机学第19章.ppt

第19章直流电机的运行原理,自动化院电气工程系,内容,直流电机的电枢绕组直流电机的磁场和电枢反应直流电机的换向电枢绕组的感应电动势和电磁转矩直流电机的基本方程式,19.1直流电机的电枢绕组,按联结方法，可分为：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。区别在于电枢绕组的并联支路数不同。,电枢绕组产生感应电动势，通过电流，从而产生电磁转矩和电磁功率，是实现机电能量转换的重要部件。,基本概念,几何中性线：磁极之间的平分线，极对数p：2p：极数;,极距:每个磁极在定子内圆表面所占的空间距离。,可表示为:,直流电机的电枢绕组,电枢绕组由结构相同的线圈组成，可以是单匝或多匝的。线圈由线圈边和线圈端部组成，有首端和末端，首、末端分别与不同的换向片联结。,每个槽内放置两层线圈边。线圈的一个线圈边放在槽的上层，称为上层边；另一线圈边放在另一槽的下层，称为下层边。,直流电机的电枢绕组,每个槽内放置两个线圈边，电枢槽数Q=线圈数S。,实际电机中，常在槽的上、下层放置多个线圈边。用虚槽来描述，如果每个实槽中有u个虚槽，则虚槽数与实槽数的关系为QuuQ。,直流电机的电枢绕组,线圈间通过换向片相互联结，同一换向片既联一个线圈的首端，又联另一线圈的末端，换向片数K等于线圈数S。,虚槽数、线圈数和换向片数的关系为QuSK。,节距：表示相关的两个线圈边之间的距离，用虚槽数或换向片数表示。,直流电机的电枢绕组,第一节距y1：一个线圈的两个线圈边在电枢圆周表面上跨过的距离。,为使线圈的感应电动势最大，y1应接近极距p。,整距线圈：y1p短距线圈：y1p长距线圈：y1p,直流电机的电枢绕组,第二节距y2：一个线圈的下层边和与其串联的另一线圈的上层边间的距离。,合成节距y：两个串联的线圈的对应边的距离。,单叠绕组,单波绕组,（代数和）,直流电机的电枢绕组,换向器节距yK：一个线圈的首、末端在换向器表面跨过的距离，用换向片数表示。yKy。,单叠绕组,单波绕组,单叠绕组：yK1；单波绕组：yK2p。,单叠绕组,单叠绕组的联结规律,以2p4，QuSK16的直流电机为例。,合成节距y为正表示右行，负表示左行。绕组可用右行，也可用左行，通常采用右行。,单叠绕组,绕组展开图,电枢在旋转，取某一时刻，磁极在上面。电动势方向。电刷的位置（磁极中心线下）。,实线表示上层边，虚线表示下层边。,几何中性线：相邻两个主极间的中心线。,单叠绕组,单叠绕组的并联支路图,绕组并联支路数2a等于电机的极数，即,电刷数应与极数相同，称为全额电刷。,单叠绕组自成一个闭合回路。,19.2直流电机的磁场和电枢反应,1.直流电机的励磁方式2.直流电机空载时的磁场3.直流电机负载时的磁场电枢磁动势的空间分布电枢反应,1.直流电机的励磁方式,大多数直流电机都采用励磁绕组通以直流励磁电流的方式来建立气隙磁场（此外还有采用永磁体建立气隙磁场的永磁直流电机）。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机在不同的励磁方式下，运行特性会有明显的差别。按励磁方式分类是直流电机的一种主要分类方法。,1.直流电机的励磁方式,以直流电动机为例。,他励,IaI,并励,串励,复励,IIaIf,IIa,Ia：电枢电流，I：输入电流,IIaIf,自励,2.直流电机空载时的磁场,直流电机空载时（Ia0）的气隙磁场仅由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff建立。,磁动势Ff产生的磁场,主磁通主极漏磁通,3.直流电机负载时的气隙磁场,主要分析电枢绕组流过负载电流时产生的电枢磁动势及其作用。电枢磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产生影响，称为电枢反应。电枢反应对气隙磁通密度的大小、分布、电机的换向、运行性能都有影响。,电枢磁动势的空间分布,“电刷位于几何中性线”通过换向片被电刷短路的整距线圈的线圈边位于几何中性线处。画示意图时，通常省略换向片，把电刷直接画在几何中性线处，与被短路的线圈边直接接触。通常将这种情况称为“电刷位于几何中性线”。,此时电刷的实际位置仍在主极中心线,电枢磁动势的空间分布,电刷是电枢电流的分界线。以主极中心线为直轴（d轴），以几何中性线为交轴（q轴）。,电枢磁动势Fa及其产生的磁场的空间位置不动，轴线在交轴处，是交轴磁动势。,交轴（q轴）,直轴（d轴）,电刷位于几何中心线时,电枢磁动势的空间分布,电刷位于几何中心线时,规定磁动势及磁通密度的参考方向：出电枢、进磁极为正。,每极下导体数为z/2p，导体电流为iaIa/2a。,电负荷A：电枢圆周单位长度上的安培导体数，,电枢磁动势的空间分布,电刷位于几何中心线时,每极电枢磁动势最大值为,Fa使几何中性线处的气隙磁通密度不为零。,电枢磁动势的空间分布,电刷不位于几何中心线时,电枢磁动势可分解为两个分量：直轴、交轴磁动势。,电枢反应,交轴电枢反应,使磁场畸变，几何中心线处的气隙磁通密度不为零。不饱和时，气隙每极磁通量不变。饱和时，每极磁通量略有减小，有去磁作用。,直轴电枢反应,有增磁或去磁作用。,电枢反应,19.3直流电机的换向,直流电机电枢旋转时，构成电枢绕组的各线圈，依次从一条支路经由电刷短路后转入电流方向相反的另一条支路。这种电流方向的改变称为换向。,开始换向,换向过程中,换向结束,换向性能是直流电机运行品质的重要指标。换向不好会在电刷与换向片间产生有害的火花。当火花超过一定限度时，会加剧电刷和换向器的磨损，可能损坏电刷和换向器表面，甚至产生环火，使电机不能正常运行甚至损坏。产生换向火花的原因有多方面，受电磁、机械、电刷材质、电化学、电热以及环境等多种因素影响。,直流电机的换向,直流电机的换向,改善换向的方法,在几何中性线处安装换向极（最有效的方法）；移动电刷位置；采用补偿绕组；选用合适的电刷。,换向极,19.4电枢绕组的感应电动势和电磁转矩,电枢绕组的感应电动势,为了简单，假定：电枢表面光滑无槽；电枢绕组导体数目无穷多，且均匀分布；绕组采用整距线圈；电刷位于几何中性线（实际位置在磁极中心线）。,电枢绕组的感应电动势,电枢绕组的感应电动势Ea，简称电枢电动势，是指正、负极性电刷间的电动势。Ea就是电枢绕组任一条并联支路的电动势，等于一条并联支路串联的所有导体的电动势之和。,电枢绕组有效导体总数为z，并联支路对数为a，则,电枢绕组的感应电动势,设气隙磁通密度平均值为Bav，则气隙每极磁通量Bavlep，一根导体感应电动势的平均值为,电枢电动势为,为简单起见，用平均值来推导。,为电动势常数。,（le为有效长度）,电枢绕组的感应电动势,电枢电动势,如果线圈不是整距，而是短距的，则Ea会略有降低。但实际电机不允许短距太大，所以可不计其影响。,如果电刷不位于几何中性线，Ea将会减小。,电枢电动势Ea与每极磁通量、转速n成正比。电动势常数Ce与极对数p、导体总数z、并联支路对数a有关。,电枢绕组的电磁转矩,电枢绕组的电磁转矩T为电枢所有导体上产生的电磁转矩之和。,电枢电流为Ia时，一根导体中的电流为Ia/2a,每根导体产生的平均电磁力为,电磁转矩为,（dr为电枢直径）,设线圈为整距，电刷位于几何中性线，则一个主极下各导体的电流方向相同，产生的电磁转矩方向相同。,电枢绕组的电磁转矩,电磁转矩,，称为转矩常数。,如果线圈不是整距的，则总的电磁转矩会减小；因为通常短距不大，所以不考虑此影响。,电刷不位于几何中性线时，T的增减与电枢反应性质有关。,电磁转矩T与每极磁通量、电枢电流Ia成正比。,P29519-4-3,19.5直流电机的基本方程式,直流电机的基本方程式描述电机稳态运行时通过电磁感应作用而实现的机电能量转换过程。直流电机的基本方程式包括：电动势平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式等。,1.直流发电机的基本方程式,参考方向,以并励直流发电机为例。,按发电机惯例规定参考方向。,向负载侧看，U与输出电流I同向。EaU，Ea与Ia同向。励磁电流If与励磁电压Uf的参考方向相同。,原动机拖动转矩T1与转速n同向。电磁转矩T与n反向，为制动性。,直流发电机的基本方程式,电动势平衡方程式,Ra为电枢回路总电阻（包括ra和电刷接触电阻），在一定范围内可视为常数。,电枢回路的电动势平衡方程式,常用形式：,ra为电枢回路各绕组的总电阻；2Ub为一对电刷接触电阻的压降。,直流发电机的基本方程式,电动势平衡方程式,Rf为励磁回路总电阻。（包括励磁绕组电阻和串入的附加电阻）,电流关系,励磁回路,If为励磁电流；I为输出电流。,直流发电机的基本方程式,转矩平衡方程式,T0为空载转矩（由电机的机械摩擦和铁耗等引起，总是制动性转矩）。,稳态运行时，拖动转矩与制动转矩相平衡。,按照转矩的参考方向，可得,直流发电机的基本方程式,功率平衡方程式,轴上输入的机械功率P1扣除空载损耗p0，等于电磁功率Pem。,空载损耗p0包括机械损耗pm、铁耗pFe和附加损耗pad。,直流发电机的基本方程式,功率平衡方程式,说明原动机克服电磁转矩T所提供的机械功率T，转换成了电枢回路的电功率EaIa，即发电机转轴输入机械功率，电枢绕组输出电功率。,电磁功率Pem是电磁转矩T吸收的机械功率，也是电枢回路获得的电功率。,直流发电机的基本方程式,功率平衡方程式,电枢得到的电磁功率Pem扣除电枢铜耗pCu和励磁铜耗pCuf，等于输出功率P2。他励时，功率平衡方程式中不计励磁铜耗pCuf。,直流发电机的基本方程式,功率流程图,直流发电机的基本方程式,基本方程式小结,2.直流电动机的基本方程式,直流电机的可逆原理,发电机状态,电动机状态,EaU,EaU,TL为负载转矩,直流电动机的基本方程式,参考方向,以并励直流电动机为例。,按电动机惯例规定参考方向。,向电枢看，U与输入电流I同向。EaU，Ea与Ia反向。励磁电流If与励磁电压Uf的参考方向相同。,负载转矩TL与转速n反向。电磁转矩T与n同向，为拖动性。,直流电动机的基本方程式,电动势平衡方程式,转矩平衡方程式,电流关系,If为励磁电流；I为输入电流。,T2为电动机输出转矩，大小与负载转矩TL相等。T0为空载转矩（制动性）。,直流电动机的基本方程式,功率平衡方程式,输入功率P1扣除电枢铜耗pCu和励磁铜耗pCuf，等于电磁功率Pem。他励时，功率平衡方程式中不计励磁铜耗pCuf。,直流电动机的基本方程式,功率平衡方程式,说明端电压克服电枢电动势Ea所提供的电功率EaIa，转换成了电枢的机械功率T，即电动机电枢绕组输入电功