《电机学直流绕组》课件

电机学直流绕组本课件将深入探讨直流电机的绕组原理，帮助您理解直流电机的工作机制。绪论本课程将深入探讨直流电机的核心组件-绕组。直流绕组是直流电机产生电磁转矩的关键，其设计和制造直接影响着电机的性能和可靠性。直流电机的发展历程早期直流电机的起源可以追溯到19世纪初，当时英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象，并由此发明了第一个直流电机模型。早期直流电机效率低下、体积庞大，主要用于实验研究和简单的应用。19世纪中后期随着电力技术的进步，直流电机开始逐渐应用于工业生产。1873年，西门子公司推出了世界上第一台商用直流电机，标志着直流电机进入实用阶段。20世纪随着技术的不断发展，直流电机得到了进一步完善，其效率、功率和可靠性都得到了显著提高。直流电机广泛应用于各种领域，例如电力牵引、冶金、化工、机床等。现代如今，直流电机仍然是重要的电力驱动设备之一，并随着电子技术的发展，出现了新型的直流电机，例如永磁直流电机，它们具有更高效率、更小体积和更低能耗的特点。直流电机的工作原理电磁感应原理直流电机的工作原理基于电磁感应和磁力相互作用的原理。当电流流过导体时，会在导体周围产生磁场。反之，当导体在磁场中运动时，导体中会产生电流。磁场相互作用直流电机由定子和转子组成，定子上的励磁绕组产生的磁场与转子上的电枢绕组产生的电流相互作用，产生电磁力，从而带动转子旋转。能量转换直流电机可以将电能转化为机械能，也可以将机械能转化为电能，从而实现电动机和发电机两种功能。直流电机的基本结构直流电机主要由定子、转子和电刷三个部分组成：定子：固定不动，构成磁场，主要由机座、磁极、励磁绕组和磁轭组成。转子：旋转部分，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。转子绕组通常被称为电枢绕组。电刷：是将电流从外部电路传送到转子绕组的装置。电刷通常由碳或石墨材料制成。此外，直流电机还有其他一些辅助部件，例如轴承、风扇、端盖等，这些部件对电机的运行至关重要。绕组的形式波绕组波绕组的特点是绕组的线圈组在电枢表面上的排列方式，类似于波浪形状。这种绕组结构的特点是每个电枢磁极上都有一条绕组线圈，并且线圈的排列方向交替变化，从而形成一个连续的闭合回路。单层绕组单层绕组是指绕组的所有线圈都分布在电枢表面的单一层上，每个线圈都绕在一个单独的电枢槽内。这种绕组结构的特点是结构简单，制造方便，但空间利用率较低，通风条件较差。双层绕组双层绕组是指绕组的所有线圈都分布在电枢表面的两层上，每个线圈都由两个导体组成，两条导体分别位于相邻的电枢槽内。这种绕组结构的特点是空间利用率高，通风条件好，但结构较复杂，制造难度较大。基本绕组类型波绕组波绕组是一种基本绕组类型，其特点是电枢绕组的每个回路都跨越多个磁极，形成波状路径。它通常用于直流电机，因为它具有以下优点：较高的电压较低的电流较高的效率叠绕组叠绕组是另一种常见的绕组类型，其中电枢绕组的每个回路都只跨越一个或两个磁极。它通常用于低压、大电流的直流电机，因为它具有以下优点：较低的电压较高的电流较高的启动转矩混合绕组混合绕组结合了波绕组和叠绕组的特征，以满足不同的应用需求。它可以提高电机的效率、转矩和电压特性。集电环和滑环的作用传递电流集电环和滑环是直流电机中重要的部件，它们的主要作用是将定子绕组中的直流电流传递到转子绕组中，使转子产生旋转磁场，从而带动转子旋转。保持电路闭合集电环和滑环通过滑动接触的方式，在转子旋转过程中，始终保持转子绕组与外部电源之间的电路闭合，确保电流能够持续流入转子绕组。防止短路集电环和滑环的设计需要确保良好的绝缘性能，防止转子绕组与机壳之间发生短路，保障电机安全运行。直流电机的损耗分析损耗类型描述铜损电流在绕组中流动产生的热量损失。铁损磁场在铁芯中交变产生的涡流和磁滞损耗。机械损耗轴承摩擦、风阻等机械部件产生的损耗。附加损耗电刷接触电阻、励磁绕组损耗等其他损耗。直流电机的损耗是影响电机效率的重要因素。了解各种损耗类型和原因有助于提高电机效率。温升特性分析温升特性是指直流电机在运行过程中温度随时间变化的规律。电机内部的损耗会转化为热能，导致电机温度上升。温升特性分析是评估电机运行安全性和寿命的重要指标之一。温升特性图通常显示电机温度随时间的变化趋势。图中的曲线通常呈上升趋势，最终趋于稳定。稳定的温度值称为稳定温升，它表示电机在持续运行状态下的最终温度。电机温升会受到多种因素的影响，包括电机负荷、环境温度、散热条件等。温升特性分析有助于了解电机在不同工作条件下的温度变化规律，并采取必要的措施来控制温升，确保电机的安全运行。效率计算直流电机的效率是指输出机械功率与输入电功率的比值。它反映了电机将电能转化为机械能的效率。1输出功率电机轴上输出的机械功率，由转矩和转速决定。2输入功率电机输入的电功率，由电流和电压决定。3效率输出功率与输入功率的比值，通常用百分比表示。4损耗输入功率减去输出功率，即转化为热能的能量损耗。直流电机的效率受多种因素影响，包括电机类型、负载大小、运行速度等。通常，电机在额定负载下效率最高。直流电机的转矩特性直流电机的转矩特性是指电机在不同转速下输出转矩的变化规律。转矩特性曲线通常以转速为横坐标，以转矩为纵坐标绘制。直流电机的转矩特性曲线一般为一条向下倾斜的曲线，说明电机转速越高，输出转矩越小。调速原理和方法调速原理直流电机调速主要通过改变电枢电压、励磁电流或转速反馈来实现。不同的调速方法各有优劣，需要根据实际应用场景选择合适的调速方法。调速方法常见的调速方法包括电枢电压调速、励磁电流调速、转速反馈调速、斩波调速、脉宽调速等。每种方法都具有不同的特点，例如电枢电压调速成本低，但效率较低，励磁电流调速效率高，但成本较高。电机负载特性负载特性是指电机在不同负载下，其转速、电流、转矩等参数的变化关系。它反映了电机对负载变化的响应能力。在负载增加时，电机转速会下降，电流会上升，转矩会上升。这是因为负载增加会增加电机转子的阻力，从而导致转速下降。为了克服阻力，电机需要更大的电流和转矩。负载特性是电机性能的重要指标之一，它决定了电机在不同负载下的运行效率和稳定性。在设计电机时，需要考虑负载特性，选择合适的电机类型和参数，以满足实际应用的需求。转速调速方法1改变励磁电流改变励磁电流可以改变电机的磁场强度，进而改变转速。2改变电枢电压改变电枢电压可以改变电机的转矩，进而改变转速。3改变电枢电流改变电枢电流可以改变电机的转矩，进而改变转速。4改变负载改变负载可以改变电机的转速，但这种方法不适用于所有情况。直流电机转速调速方法主要分为四种：改变励磁电流、改变电枢电压、改变电枢电流和改变负载。其中，改变励磁电流是常用的调速方法，其优点是效率高，缺点是调节范围较小；改变电枢电压的优点是调节范围较大，缺点是效率较低；改变电枢电流的优点是调节范围较大，缺点是效率较低，同时会导致电机的发热增加；改变负载的优点是简单方便，缺点是调节范围较小，同时会导致电机的效率降低。直流电机起动特性分析起动电流起动时电流远大于额定电流，可能导致电源电压下降、甚至烧毁电机。起动时间起动时间取决于电机负载、电源电压和电机参数。起动转矩起动转矩需要克服负载转动惯量和摩擦阻力，需考虑起动过程中的安全。电磁力特性分析1磁场电机绕组通电后产生磁场，形成电磁力，驱动转子旋转。2力矩电磁力作用在转子上的力矩，决定了电机输出功率大小。3转速电机转速与力矩和负载相关，是电磁力特性的重要指标之一。电磁力特性分析是电机设计和应用的重要环节，影响着电机的性能和效率。通过深入研究和分析，可以优化电机设计，提高电机性能，更好地满足实际应用需求。机械特性分析转速-转矩特性反映电机转速与负载转矩之间的关系，是电机最重要的性能指标之一。起动特性描述电机起动时的转速和电流变化情况，影响电机起动性能和起动时间。过载特性指电机在超过额定负载时，其转速和电流的变化情况，反映电机对过载的承受能力。制动特性描述电机停止运转时，其转速和电流的变化情况，影响电机制动性能和制动时间。励磁绕组设计要求可靠性励磁绕组应具有良好的可靠性，能够长时间稳定工作，避免因绕组故障导致电机性能下降或损坏。效率励磁绕组的损耗应尽可能低，以提高电机的效率。可以通过选择低阻抗的线材、合理的设计绕组结构等措施来降低损耗。温度励磁绕组的温度应在允许范围内，防止因过热导致绕组绝缘老化或损坏。可以通过适当的冷却方式来控制绕组温度。励磁绕组的分类他励绕组他励绕组由独立的电源供电，与电枢绕组无关。这种励磁方式可以提供稳定的磁场，但需要额外的电源。自励绕组自励绕组利用电枢电流产生的磁场来励磁。这种励磁方式成本低廉，但磁场强度受电枢电流的影响。复合励磁绕组复合励磁绕组结合了自励和他励两种励磁方式，可以提供更稳定的磁场和更高的效率。电路图绘制电路图绘制是电机绕组设计中重要的环节，清晰准确的电路图可以帮助理解绕组结构、连接方式以及工作原理。绘制电路图需要遵循一定的规范和标准，常用的方法包括：符号法：采用标准符号表示电机各部件和连接关系，例如线圈、接线端、电刷等。图形法：使用图形绘制电机结构，并标注绕组的连接方式和转向。混合法：结合符号法和图形法，以更加直观的方式展现电路结构。电路图绘制的步骤通常包括：确定电机类型、绕组形式和连接方式选择合适的符号和图形根据绕组结构和连接方式绘制电路图标注相关参数和说明检查和校对电路图绕组设计方法1确定绕组类型根据电机类型、工作电压、电流等参数选择合适的绕组类型，例如波绕组、单层绕组、双层绕组等。绕组类型决定了电机的性能，例如转矩、速度、效率等。2计算绕组匝数根据电机的磁场强度和工作电压，计算绕组所需的匝数。匝数决定了绕组的磁场强度，影响电机的转矩和速度。3选择导线尺寸根据绕组电流和允许温升，选择合适的导线尺寸。导线尺寸决定了绕组的电流承载能力，影响电机的效率和寿命。4设计绕组形状根据电机的结构和绕组类型，设计绕组的形状，例如矩形、圆形等。绕组形状决定了绕组的空间利用率和电磁性能。5绕组绝缘根据工作电压和环境条件，选择合适的绝缘材料对绕组进行绝缘处理，防止绕组短路和故障。绕组设计实例以一台功率为10kW的直流电机为例，设计其励磁绕组。该电机采用电枢电压为220V，转速为1500r/min。励磁电流为1A，励磁电压为110V。励磁绕组采用圆形漆包线，线径为1mm，绕组的绝缘等级为F级。绕组的绕制方法为绕线机绕制，采用双层绕制，绕组的匝数为1000匝。首先，根据励磁电流和励磁电压计算励磁绕组的电阻：R=U/I=110V/1A=110Ω然后，根据电阻和线径计算励磁绕组的长度：L=R*A/ρ=110Ω*π*(1mm)^2/(1.72*10^-8Ω*m)=2000m最后，根据绕组长度和匝数计算绕组的平均直径：D=L/(π*N)=2000m/(π*1000)=0.637m绕组的匝数计算1确定电压明确所需的直流电机电压，这是计算绕组匝数的基础。2磁通量根据电机尺寸和磁路设计，确定所需的磁通量，以确保电机的输出功率。3导线截面积选定合适的导线截面积，以确保绕组的电流承载能力。4匝数计算利用上述参数，结合电磁感应定律和绕组形状，计算出所需的匝数。绕组的匝数计算是直流电机绕组设计中的关键步骤，需要综合考虑电压、磁通量、导线截面积等因素，确保绕组能够满足电机的性能要求。线圈尺寸设计电阻电感线圈尺寸设计是直流绕组设计的重要环节，它直接影响着电机的性能和效率。线圈尺寸设计需要综合考虑电机的工作电压、电流、功率、转速、磁场强度等因素。一般来说，线圈尺寸越大，电阻越小，电感越大，但同时也会增加电机的体积和重量。因此，需要在综合考虑各种因素的基础上，选择合适的线圈尺寸，以达到最佳的性能和效率。绕组制造工艺绕组线材绕组线材的选择直接影响电机的性能，因此需要根据电机类型和工作环境选择合适的线材。常见绕组线材包括铜线、铝线、漆包线等。铜线导电性能好，但价格较高；铝线导电性能稍差，但价格较低；漆包线具有绝缘性能，可以防止短路和漏电。绕组工艺绕组工艺包括线材的绕制、绝缘处理、固定等步骤。绕制过程需要确保线材的排列整齐、紧密，并保证线圈的形状和尺寸符合设计要求。绝缘处理需要使用合适的绝缘材料，例如绝缘纸、绝缘漆等，以防止绕组之间或绕组与机壳之间发生短路。固定需要使用牢固的材料，例如胶带、绑线等，以防止绕组在运行过程中松动或脱落。偏心绕组的影响1磁场不均匀偏心绕组会导致定子磁场分布不均匀，造成电机磁路阻抗增加，降低电机效率。2振动和噪音偏心绕组会导致电机运行时产生更大的振动和噪音，影响电机运行的稳定性。3温度升高由于磁场不均匀，偏心绕组会导致电机局部温度升高，加速绝缘老化，缩短电机寿命。绕组绝缘体选择耐高温绝缘体高温环境下，绕组需要使用耐高温的绝缘材料，如云母、玻璃纤维、聚酰亚胺等，以确保其在高温下能够保持良好的绝缘性能。耐油绝缘体在油浸式电机中，绕组需要使用耐油的绝缘材料，如耐油树脂、橡胶等，以防止油液对绝缘的破坏。耐潮湿绝缘体在潮湿环境下，绕组需要使用耐潮湿的绝缘材料，如聚酯薄膜、硅橡胶等，以防止潮湿环境对绝缘的侵蚀。绕组短路和断线故障分析短路故障绕组短路是指绕组内部的导线之间发生直接接触，形成短路回路。这种故障会导致电流急剧增加，产生大量的热量，严重时会烧毁绕组，甚至引发火灾。常见原因：绝缘老化、机械损伤、潮湿环境等。表现：电机运行时发出异常噪音，温度升高，甚至冒烟。断线故障绕组断线是指绕组内部的导线断裂，导致电路断开。这种故障会导致电机无法正常启动或运行，甚至会造成其他部件的损坏。常见原因：振动、过度负载、绝缘老化、机械损伤等。表现：电机无法启动或运行，或运行时出现间歇性停顿。绕组维修方法检查和评估首先，仔细检查绕组的损坏程度，包括绝缘老化、短路、断线、烧毁等情况。根据不同的损坏情况，选择合适的维修方法。清理和修复清理损坏的绕组，清除杂质和残留物，并修复受损的线圈和绝缘层。对于烧毁的绕组，需要更换新的线圈。绝缘处理对修复后的绕组进行绝缘处理，可以使用绝缘漆、绝缘纸、绝缘胶带等材料，确保绕组的安全性和可靠性。测试和调试最后，对维修后的绕组进行测试和调试，确认绕组的性能指标和可靠性，确保电机能够正常运行。绕组试验方法1绝缘电阻测试用兆欧表测量绕组与机壳之间的绝缘电阻，以判断绕组绝缘是否良好。2耐压试验在绕组上施加高压，以检验绕组的绝缘强度，防止短路和击穿事故。3匝间短路测试用专门的仪器检测绕组内部的匝间短路，防止因短路而导致电机过热或烧毁。4平衡电流测试测量绕组各相电流是否平衡，以判断绕组是否正常工作，并及时发现故障。绕组质量检测外观检查检查绕组是否有明显损伤、变形、松动或其他缺陷，例如绝缘层破损、漆包线脱落、线圈间隙过大等等。这些缺陷会导致绕组性能下降甚至短路。绝缘电阻测试使用兆欧表测量绕组对地或相间之间的绝缘电阻，确保绝缘良好，能够承受正常工作电压和冲击电压。耐压试验对绕组施加高于额定电压的电压，以测试绕组的耐压能力，确保其能够承受瞬时过电压。这种试验通常使用高压发生器进行。通电测试在电机通电的情况下，观察绕组的温度升高情况、电流是否正常以及是否存在异常噪音，以判断绕组的运行状况。电机绕组绝缘耐压试验目的检验绕组绝缘的强度，确保电机在运行过程中不会发生短路或击穿。方法在绕组上施加一个高于额定电压的直流高压，观察其是否能承受住高压而不发生击穿。测试条件测试电压、测试时间、测试温度等。测试仪器高压发生器、兆欧表、绝缘耐压测试仪等。测试结果若绕组在测试电压下能承受住高压而不发生击穿，则认为绝缘合格；否则，需要进行维修或更换绝缘。电机绕组绝缘电阻测试电机绕组绝缘电阻测试是电机绕组绝缘性能的重要指标，通过测量绕组与机壳、绕组与绕组之间的电阻值，可以判断绕组绝缘是否良好。测试结果显示，电机绕组绝缘电阻值均符合标准要求，表明绕组绝缘性能良好。接地电阻测试100欧姆1毫秒接地电阻测试是评估电机接地系统的有效性的关键步骤。通过测量接地电阻，可以确保电机在发生故障时能迅速将电流导入大地，从而降低触电风险并防止设备损坏。测试通常使用专业的接地电阻测试仪，通过将测试电流注入大地并测量电压降来确定接地电阻值。测试仪的类型和精度决定了测试结果的可靠性。一般来说，接地电阻值应低于规定的安全标准，通常为100欧姆以下。接地电阻过高会增加触电风险，而过低则可能造成电气短路或设备损坏。除了测试接地电阻值外，还需要评估接地系统的其他参数，例如接地电阻的稳定性和接地电阻的时变特性。定期进行接地电阻测试并根据测试结果及时进行维护和修理，可以确保电机接地系统的安全性和可靠性。多米诺原理分析多米诺原理，是指在系统中，一个小的初始变化或故障可能会导致连锁反应，最终导致系统崩溃或失效。这就像多米诺骨牌一样，一个骨牌倒下会导致下一个骨牌倒下，最终引起连锁反应。在电机绕组中，多米诺原理可能导致一个小故障，如绝缘破损，最终导致整个绕组烧毁。直流电机