电机与拖动-第2章直流电机原理分解课件

1、第2章 直流电机原理2.1 直流电机的结构和基本原理 2.2 直流电机的电枢绕组和磁场 2.3 直流电机的感应电动势和电磁转矩 2.4 直流电动机运行原理 2.5 直流发电机运行原理 第2章 直流电机原理2.1 直流电机的结构和基本原理 2.1直流电机的结构和基本原理2.1.1 直流电机的结构2022/10/1422.1直流电机的结构和基本原理2.1.1 直流电机的结构2 直流电机结构图端盖 端盖 磁轭 主磁极励磁绕组 电枢铁心 电枢绕组 换向器 电刷装置轴 轴承 风扇 换向极绕组 换向磁极 2022/10/143 直流电机结构图端盖 端盖 磁轭 主磁极励磁绕组 电枢铁心1. 定子(stato

2、r)产生磁场和作电机的机械支撑2022/10/1441. 定子(stator)产生磁场和作电机的机械支撑2022 主磁极 机座 主磁极铁心 励磁 绕组 绝缘 框架 电枢铁心 螺栓 机座 换向极 主磁极 主磁极和机座 2022/10/145 主磁极 机座 主磁极铁心 励磁 绝缘 电枢铁心 螺栓 机座换向极和电刷 换向极绕组 换向极铁心 铜丝辫 压紧弹簧 电刷 刷握 2022/10/146换向极和电刷 换向极绕组 换向极铁心 铜丝辫 压紧弹簧2. 转子(rotor) (电枢armature) 电枢铁心和绕组 换向器 转轴和风扇 2022/10/1472. 转子(rotor) (电枢armature

3、) 电枢铁2.1.2 直流电机工作原理 电动机工作原理 NSAXUiaiaffTemNSUXAiaiaffTem线圈边中电流不改变方向，则平均 Tem = 0。 2022/10/1482.1.2 直流电机工作原理 电动机工作原理 NSAX 电动机工作原理 NSAXB1B2换向片 电刷 UiaiaffTemNSUXB1B2AiaiaffTem电刷和换向片的作用是什么？ 线圈边切割磁力线会产生什么？ eaeaeaea2022/10/149 电动机工作原理 NSAXB1B2换向片 电刷 ia 有磁场，电源通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电。根据电磁力定律，直流电动机电枢绕组产生电磁力矩，驱动机械负

4、载。同时，根据电磁感应定律，电枢绕组内部也产生感应电势反电动势。输入的直流电能克服反电动势，通过气隙磁场做功，电能转换成机械能。2022/10/1410 有磁场，电源通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电。根据电磁直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向 机械负载 旋转 克 服 反电动势做功 电动机的电磁关系外加电源电刷和换向器电枢绕组内部气隙磁场转子2022/10/1411直流电流交流电流电磁转矩换向 机械负载 旋转 克 服NST1AXeaeaB2B1EaB1XANST1B2eaeaEa电刷和换向片的作用是什么？ 载流导体在磁场中会产生什么？ ffff 直流发电机 2022/10/1412NS

5、T1AXeaeaB2B1B1XANST1B2eaea 原动机拖动转子旋转，根据电磁感应定律，直流发电机电枢绕组产生感应电势，同时，根据电磁力定律，旋转的电枢绕组切割磁场，也产生电磁转矩与旋转方向相反。2022/10/1413 原动机拖动转子旋转，根据电磁感应定律，直流发 气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形 0Bt 2 3 A X 0eXAt NS0AX +e0eB1B2t 2022/10/1414 气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形 0Bt 2 每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形 0 et 2 3 在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；把转动的

6、电路与外面不转的电路联接。 2022/10/1415 每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形 0 et 电磁关系 输出直流电 换向 原动机感应电动势和电流 电磁转矩 (阻转矩) 做功 气隙磁场电枢绕组内部机械能电刷和换向器转子2022/10/1416 电磁关系 输出换向 原动机感应电动 电磁转矩 做功2.1.3 直流电机额定值1. 铭牌直流电动机型号Z395产品编号7001结构类型励磁方式他励功率30kW励磁电压220V电压220V工作方式连续电流160.5A绝缘等级定子B转子B转速750r/min重量685kg标准编号JB110468出厂日期 年 月2022/10/14172.1.3 直流电

7、机额定值1. 铭牌直流电动机型号Z39额定电压 UN(V) 发电机的 UN ：指输出电压的额定值。 电动机的 UN ：指输入电压的额定值。额定电流 IN(A) 发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动机的 IN ：指输入电流的额定值。额定功率 PN (kW) 发电机的 PN ：指输出电功率的额定值。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值。 额定转速 nN(r/min)2.额定值 2022/10/1418额定电压 UN(V)2.额定值 2022/10/1118额定励磁电压 UfN(V)额定励磁电流 IfN(A) 额定状态 ： 指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 满载状态 ： 指 I

8、= IN 的状态。例21一台Z2型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW， N90，求该发电机的额定电流和额定输入功率例22一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW， N84，求该电动机的额定电流和额定输入功率2022/10/1419额定励磁电压 UfN(V)例21一台Z2型直流发电机， Z2系列是普通中小型直流电机。 ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。2.直流电机的型号和系列 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母

9、表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表示短铁心）。2022/10/1420 Z2系列是普通中小型直流电机。 2.直流电机的型号和系列 2.2电机的电枢绕组和磁场2.2.1 直流电机电枢绕组1. 绕组的基本概念 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、 复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。 (1) 元件 是构成电枢绕组的基本 单元，其两端分别与两 片换向片相连的单匝或 多匝线圈。 后端接 上元件边 前端接 下元件边 2022/10/14212.2电机的电枢绕组和磁场2.2.1

10、直流电机电枢绕组1. (2) 叠绕组和波绕组 叠绕元件 波绕元件 元件边 (有效边) 匝数为1的是单匝元件，匝数大于1的是多匝元件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边。 将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数Z等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：Z=uQ=Qu，Qu为虚槽数。2022/10/1422(2) 叠绕组和波绕组 叠绕元件 波绕元件 元件(3) 节距 各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距表示2022/10/1423(3) 节距 各元件在电枢表面的几何关

11、系一般用元件的第一节距y1 指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其表达式为：式中为把y1凑整的小于1的分数。当=0，y1=（极距）称为整距元件；当0称为长距元件；当0称为短距元件，实际电机中采用短距元件，可节省铜。 第二节距y2 指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边所跨的距离，用槽数表示。2022/10/1424第一节距y1式中为把y1凑整的小于1的分数。第二节距y22合成节距y 指直接串联的两个元件的对应边所跨的距离。换相器节距yk 指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间所跨的距离，用换相片数表示。(4) 极距 相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距

12、，记作 ，一般用槽数表示，即有： =Z 2p 电枢总槽数 主磁极极对数 2022/10/1425合成节距y(4) 极距 =Z 电枢总槽数 主磁极极对2. 单叠绕组连接 单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。例23 以总元件数为6的电机为例，说明单叠绕组的联接。设S（元件数）=K（换相片数）=Z（槽数）=6，u=1，2p=2，则合成节距y =1，极距=第一节距y1=3，换相器节距yk =1（右行绕），第二节距y2= y1 - y = 3-1= 2，上述数据所表示的实际电机绕组安放如图。 2022/10/14262. 单叠

13、绕组连接 单叠绕组是以相邻元件依次串2022/10/14272022/10/1127 展开图虽然能反应电枢绕组联接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。 无论电机有多少对磁极都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。 2022/10/1428 展开图虽然能反应电枢绕组联接规律，也能说明电 电动机 发电机 e e e e e e e e EA1 2 3 48 7 6 5BIa 结论： 整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。 1 2 3 48 7 6 5ABIae e e

14、e e e e e E电枢电流支路电流并联支路对数a 一个串联支路上的导体数 N为电枢的全部导体数2022/10/1429 电动机 发电机 e e e MM2.2.2 直流电机的励磁方式 IfIa 他励 并励 串励 复励 1. 直流电动机按励磁方式分类I If Ia Ua Uf U MMU I Ia UI If If Ia 2022/10/1430MM2.2.2 直流电机的励磁方式 IfIa 他励 2. 直流发电机按励磁方式分类GI Uf Ua If Ia 分为他励和自励。GI Ia U If GIa If I U GIa U If I 他励 串励（自励） 并励（自励） 复励（自励） 2022

15、/10/14312. 直流发电机按励磁方式分类GI Uf Ua If Ia 2.2.3 直流电机的磁场 1. 空载磁场 直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。 直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。2022/10/14322.2.3 直流电机的磁场 1. 空载磁场 气隙电枢齿转子铁心轭主磁极铁心定子铁心轭主磁通漏磁通主磁通漏磁通主磁通产生感应电动势和电磁转矩主磁通和漏磁通2022/10/1433气隙电枢齿转子铁心轭主磁极铁心定子铁心轭主磁通漏磁通主磁通 Bav0BBBm产生主磁通时整个闭合磁

16、路所需的磁通势为磁感应强度B 的分布2022/10/1434 Bav0BBBm产生主磁通时整个闭合磁路所电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定气隙线abc 磁化曲线磁感应强度B 的分布I00I0较小时铁心不饱和，磁通势主要作用在气隙上。I0较大时铁心饱和，励磁电流与磁通是非线性关系。2022/10/1435电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定气隙线abc 2. 负载时的电枢磁动势 几何中性线 直轴d 交轴q Fa 2 2 O x x Fa(x) Ba(x) 直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中由电枢电流Ia产生电枢磁动势Fa。2022/10/14362. 负载时的电枢磁

17、动势 几何直轴d 交轴q Fa 3. 电枢反应 当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁动势。 电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。把电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为电枢反应(the armature reaction)。 当电刷位于几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移, 当磁路饱和时有祛磁作用。 直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。 2022/10/14373. 电枢反应 当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电

18、枢磁Ba 2 2 O x N S B0 B 将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为 零的点连接成的直线物理中性线。 N S 几何中性线 物理 中性线 2022/10/1438Ba O x N S B0 B 将通过圆2.3直流电机的感应电势和电磁转矩2.3.1 直流电机的感应电动势 1. 感应电动势的产生B 电枢旋转 n磁 场 ex ex Ea 2. 感应电动势的大小(1) 每根导体的感应电动势 ex = Bxlv Bx 导体所在处的气隙磁密。 l 导体的有效长度。 v 导体切割磁场线的线速度。 2022/10/14392.3直流电机的感应电势和电磁转矩2.3.1 直流电机的感应= n pN 60a

19、(2) 电枢电动势的大小 设电枢总导体数为 N，则每条支路的导体为 ，故v = n2R60= n2p 60N 2a Ea= ex 1 N/2a = Bxlv 1 N/2a = lv Bx1 N/2a B Bav平均气隙磁密 = lv Bav N 2a = l n 2p 60 l N 2a = Ce n 每极下的磁通 2022/10/1440= n pN (2) 电枢电动势的大小 E = Ce n Ce 电动势常数。 单位：Wb 单位：r/min (V) 3. 感应电动势的方向和性质 方向：由 和 n 共同决定。 性质：发电机为电源电动势； 电动机为反电动势。2022/10/1441 1. 电磁

20、转矩的产生 电枢电流 ia 磁 场 f Tem 2. 电磁转矩的大小 设电刷在几何中性线处，元件为整距。 (1) 同一极下每根导体受到的平均电磁力为 fav = Bavlia ia 导体中的电流 。 每根导体受到的平均电磁转矩为 Tav = fav = Bav lia D 2 D 2 2.3.2 直流电机的电磁转矩 2022/10/14421. 电磁转矩的产生f Tem 2. 电磁转矩的大小Tav电枢直径为： 电枢电流与支路电流的关系为： 则 D =2p ia =Ia 2a Tem = NTav = N Bav lia D 2 = N l l Ia 2a p = IapN2a (Nm) Tem

21、 = CT Ia CT 转矩常数。 单位：Wb单位：A2022/10/1443电枢直径为：D =2p ia =Ia Tem = NTav3. 电磁转矩的方向和性质 方向：由 和 Ia 共同决定。 性质：发电机为制动转矩，Tem 与 n 方向相反。 电动机为拖动转矩，Tem 与 n 方向相同。 4. 电动势常数和转矩常数的关系 ，CT = pN 2a Ce = pN 60a 因为 则 问题如何使他励、并励、串励直流电动机反转？2022/10/14443. 电磁转矩的方向和性质 ，CT = pN Ce = p2.4.1 基本方程式(以他励电机为例)TemTL=T0+ T2IfIaEaMGU+-+-

22、Ufn1. 电压方程电枢回路电压 U=Ea+IaRa励磁回路电压2. 转矩方程电磁转矩转矩平衡方程T em=T2+T0输出转矩空载转矩稳定运行时T2+T0=TL2.4 直流电动机运行原理2022/10/14452.4.1 基本方程式(以他励电机为例)TemTL=T0+3. 功率(1)输入功率电压平衡方程 U = Ea+ IaRa等式两边同时乘以电源电流I(他励电机的IIa)(2)电磁功率2022/10/14463. 功率(1)输入功率电压平衡方程 U = Ea+ IaR(3)输出功率根据转矩平衡方程等式两边同时乘以空载损耗铁损耗机械损耗(4)总损耗附加损耗(5)效率2022/10/1447(3

23、)输出功率根据转矩平衡方程等式两边同时乘以空载损耗铁损(6)功率流程图P1pCuPemp0P2 当忽略空载损耗不计，Tem=TL，电动机的电枢电流由负载转矩TL和磁通决定电枢电流2022/10/1448(6)功率流程图P1pCuPemp0P2 当忽略空载2.4.2 直流电动机的工作特性 电动机的转速n 、电磁转矩T 、效率与输出功率P2 或（Ia）的关系叫工作特性。1. 他(并励)电动机(1)转速特性：n = f(Ia）研究条件：U=UN, If=IfN数学表达式U = Ea + IaRa且Ea = CennIa0n0IaNnN转速变化率他、并励电机n=（28）% 当Ia 时，n 下降不多(硬

24、特性)。 2022/10/14492.4.2 直流电动机的工作特性 电动机的转速n 励磁电路断电的后果 当 If = 0， = r 很小，n 不能突变 Ea 很小 Tem = CTr Ia 仍有一定数值。 Ia 若 Tem TL n (飞车) 若TemTL n n = 0 ( 闷车) (2)转矩特性：Tem=f(Ia）研究条件：U=UN， If=IfNO Tem Ia 若不计磁路饱和，则 TemIa ； 若计及磁路饱和，则 Tem 随着 Ia 的增加略有下降。 2022/10/1450 励磁电路断电的后果 当 If = 0， = r 很(3)效率特性：=f(P2）研究条件：U=UN， If=I

25、fNIa0PCu可变损耗 ；p0不变损耗；当它们相等时效率最大 2022/10/1451(3)效率特性：=f(P2）研究条件：U=UN， If=I【例24】 已知某并励直流电动机，PN = 22 kW, UN = 220 V, IN = 115 A, nN = 1500 r/min, 电枢电阻Ra = 0.18 ，励磁电阻 Rf628 。试求：(1) CeN、CTN ； (2) 电磁转矩 Tem；(3) 额定输出转矩 T2；(4) 空载转矩T0 ； (5) 理想空载转速 n0 与实际空载转速 n0 。 解：(1) 2022/10/1452【例24】 已知某并励直流电动机，PN = 22 k20

26、22/10/14532022/10/11532. 串励电动机 特点是I=If=Ia，主磁通随负载电流Ia的变化而变化。MU I Uf If Ua Ia (1) 转速特性n=f(Ia)电机空载或轻载运行，Tem=0If=Ia0(很小)串励直流电动机绝对不允许空载或轻载运行2022/10/14542. 串励电动机 特点是I=If=Ia，主磁通随 他励电动机的与Ia无关，而串励电动机If=Ia， 与Ia符合磁化曲线关系.轻载时Ia较小，转速与电枢电流是非线性关系nIa0双曲线重载时Ia= If 较大， 近似不变转速与电枢电流是线性关系直线 当Ia 时，n 下降较多(软特性)。 2022/10/145

27、5 他励电动机的与Ia无关，而串励电动机If=Ia， (2)转矩特性Tem=f(Ia)根据Tem=CT Ia 轻载时=kIa抛物线TIa0重载时=常数直线串励直流电动机适用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较大起动转矩及过载能力的生产机械上。2022/10/1456(2)转矩特性Tem=f(Ia)根据Tem=CT Ia 轻3. 复励电动机M-UIIaIf串励励磁绕组匝数少，导线粗，电阻小并励励磁绕组，匝数多，导线细，电阻大两个励磁绕组磁通势方向相同称为积复励电动机两个励磁绕组磁通势方向相反称为差复励电动机nIa0并励串励复励复励电动机的起动转矩和过载能力大，可以在空载和轻载状态下运行。2022

28、/10/14573. 复励电动机M-UIIaIf串励励磁绕组并励励磁绕组，GI UIf Ia Uf 励 磁 Uf If Ea n原动机电枢U1. 电压平衡方程 Uf = Rf If U = EaRaIaE调节Rf If 可调 可调 Ea 可调 U可调。 2. 转矩平衡方程 T1 = TemT0 2.5 直流发电机运行原理2.5.1 基本方程式(以他励电机为例)2022/10/1458GI UIf Ia Uf 励 磁 Uf If 当发电机P2增加时，输出电流Ia增大、Tem增大，必须加大外力矩T1才能维持正常运转。当发电机空载运行时，其转子的阻转矩只有T0。转矩平衡方程：T1 =T0。当发电机负

29、载运行时，其转子的阻（制动）转矩有T0和电磁转矩Tem。转矩平衡方程为： 发电机必须有外力矩T1，才能维持正常运转。其中：2022/10/1459 当发电机P2增加时，输出电流Ia增大、Tem增大，必须加大3. 功率平衡方程 T1 = Tem T0 P1 = PemP0 Pem = EaIa Pem = P2pCua p0 = pFepmpad = UaIaRaIa 2 输入功率 P1： 电磁功率 Pem ： 空载损耗 P0 : P1pm+ padpFePempCua P2外力矩为了克服制动转矩（Tem和T0）提供机械力矩（功率）；并部分转换成了电磁功率传给了电枢。2022/10/14603.

30、 功率平衡方程 T1 = Tem T0 =2.5.2 直流发电机运行特性 直流发电机中，物理量U（端电压）、Ia（电枢电流）、If（励磁电流）两两间的关系称为发电机运行特性。1. 他励发电机(1)空载特性U0 = f (If) 当n = nN且Ia = 0时，U0与If关系也等于E0与If 关系，即 E0 = f (If)O If U0 当励磁电流为零时的电压是什么电压？Er剩磁感应 电动势2022/10/14612.5.2 直流发电机运行特性 直流发电机中(2)外特性U = f (Ia)当If = IfN ，n = nN时，U与Ia的关系曲线下降原因： U = Ea-IaRa电枢反应去磁，使

31、Ea减小内阻Ra有压降 (主要)电压变化的程度用U表示，称为电压变化率他励电机U = (510)%O Ia U U0UNIN2022/10/1462(2)外特性U = f (Ia)当If = IfN ，n =当 n = nN，U = UN 时： If = f (Ia)O I If IfNIaN（3）调节特性 （4）效率特性 = 100%P2P1 小型发电机： N = 70% 90% 中大型发电机： N = 91% 96%当 n = nN，U = UN 时： = f (P2)2022/10/1463当 n = nN，U = UN 时：O I If IfNIa2. 并励直流发电机的自励与外特性 GI Ia U If Ea问题：Ea ？ Ea ？ (1)并