《民航飞机电气系统（第2版）》课件 第3章 航空电机

第3章航空电机§3.1概述一、航空电机分类电机静止电机-变压器旋转电机直流电机直线电机控制电机交流电机直流发电机直流电动机同步电机异步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机二、航空电机的工作条件1、环境温度2、大气成分和性质3、机械过载三、航空电机的主要特点1、体积小、重量轻：（1）增大电磁负荷与转速；（2）缩短使用期限；（3）采用良好的冷却方式；（4）选用优质材料。2、特定的电压和频率：

DC：28V；

AC：115V/200V、400Hz；定子机壳（磁轭）主磁极换向极电刷组件转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴§3.2直流电机的基本结构和工作原理

一、直流电机的基本结构定子机壳（磁轭）主磁极换向极电刷组件转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴一、直流电机的基本结构1－换向极铁心2－换向极绕组3－主极铁心4－励磁绕组5－电枢齿6－电枢铁心7－换向器8－电刷9－电枢绕组10－机座11－底脚一、直流电机的基本结构一.定子部分1.主磁极直流电机剖面图直流电机主磁极结构在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～1.2mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。主磁极的作用：在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.2.换向磁极换向极又称附加极或间极，其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。换向极的作用：减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。3.机座一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。4.电刷电刷的作用：把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。二.转子部分1.电枢铁心为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。电枢铁心冲片电枢铁心装配图2.电枢绕组

电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩。由带绝缘的导体绕制而成，小型电机常用铜导线绕制，大中型电机采用成型线圈。绕组放置在铁心槽内的直线部分——元件有效部分——产生感应电动势；电枢槽两端部分——元件端接部分——链接作用，不产生感应电动势。3.换向器换向器又称为整流子。由换向片组合而成。

对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交流电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；

对于电动机，它把外界供给的直流电流转变成绕组中的交变电流使得电机旋转。换向器实物图换向器结构图4.转轴转轴对旋转的转子起支撑作用，并与原动机或生产机械相连接，一般用圆钢加工而成。转轴实物图一、直流发电机工作原理

右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。转子和定子间有气隙的存在，称其为气隙。

当原动机驱动电机转子以一定的转速逆时针旋转时，线圈abcd将产生感应电动势。如右图，由右手定则(拇指指转向)可判断，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。e=BxlvBx-----磁通密度；Wb/m2l-----导体ab或cd的有效长度；mv-----导体与磁通密度之间的线速度；m/s

当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。电刷A极性总是正的，电刷B极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。线圈abcd中产生交变的感应电动势，由于换向器的“整流”作用，电刷A、B两端输出的是直流电动势。二、直流电动机工作原理

把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。

直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。

在磁场作用下，由左手定则：N极性下导体ab受力方向从右向左，S极性下导体cd受力方向从左向右。电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极性下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。

当电枢旋转到右图所示位置时：F=BxlIBx-----磁通密度；Wb/m2l-----导体ab或cd的有效长度；mI-----导体中流过的电流；m/s导体每边所受电磁力大小：直流电动机的工作原理图示:§3.3直流电机的电枢反应和换向

一、电枢反应

直流电机空载时，气隙中只存在励磁磁场，即主磁场。电枢绕组中流过电枢电流，它也会产生磁场，称为电枢磁场。电枢磁场对主磁场的影响，称做电枢反应。交轴（q

轴）直轴（d

轴）电枢磁场1、交轴电枢反应

交轴电枢反应的影响

第一，合成磁场不再对称于主极轴线。（对发电机，前极尖去磁，后极尖助磁；对电动机，前极尖助磁，后极尖去磁。）第二，气隙磁场的物理中性线（磁感应强度为零的位置线）偏离几何中性线。第三，磁路不饱和时，交轴电枢反应对发电机的感应电动势或电动机的电磁转矩的大小没有影响；磁路饱和时，发电机的感应电动势减小，电动机的电磁转矩减小。

2、直轴电枢反应的影响对发电机而言，当电刷顺着电枢转向偏离几何中性线β角时，直轴电枢磁势Fad与主极磁动势相反，直轴电枢反应起去磁作用。2、直轴电枢反应的影响对发电机而言，当电刷逆着电枢转向偏离几何中性线β角时，直轴电枢磁势Fad与主极磁动势相同，直轴电枢反应起助磁作用。

对电动机而言，其结果正好相反。

二、直流电机换向(a)(b)电刷旋转方向换向器电枢线圈二、直流电机换向(c)(d)§3.4直流发电机运行特性由飞机发动机驱动，将机械能转换成直流电能，作为飞机直流电源系统的主要电源向飞机用电设备提供电能。一、直流发电机的励磁方式1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足4、复励：

并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。他励并励串励复励二、直流发电机的基本电磁关系

1

直流电机的电枢电动势

产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:)(电动势常数为电机的结构常数其中p:电机的极对数；n：转子转速；N：电枢导体总数；Φ：每极磁通；a:绕组支路对数，单叠绕组p等于a，单波绕组a＝1叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，成波浪式的前进。2直流电机的电磁转矩

产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:

可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中计算每根导体所受的电磁力和电磁转矩——每极下的电磁转矩——直流电机总的电磁转矩Ia:电机的电枢电流；3直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向，称为发电机惯例。即Ia和Ea方向相同。一.电压平衡方程Ea:电枢电压；Ia:电枢电流；U：发电机输出电压；Ra:电枢回路总电阻；IaRa:电枢电流在电枢回路总绕组上的压降。基尔霍夫电压定律：3直流发电机的基本方程二.转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。直流发电机稳定运行时，电机转轴上的所有转矩必须平衡。转矩平衡方程为：3直流发电机的基本方程三.功率平衡方程

输入功率：P1=Pem+P0乘以发电机的机械角速度Ω得：

将原动机输入功率空载损耗功率电磁功率三.功率平衡方程①空载损耗功率:P0=Pmec+PFe+PadPFe铁损：磁滞和涡流损耗，为不变损耗。Pmec机械损耗：电枢轴与轴承，电刷与换向片等摩擦损耗。不变损耗。Pad附加损耗：电枢齿槽影响和磁场畸变引起的损耗。功率平衡方程式

②电磁功率：P2：发电机输出的功率。PCua：电枢回路铜损耗。功率平衡方程式

自励式发电机，中还应该包括励磁损耗，属于电磁功率。为总损耗。发电机效率：三、直流发电机的自励原理及条件

1、电机必须有剩磁；2、励磁磁势与剩磁方向一致；3、励磁电路电阻不能过大；4、转速不能过低。四、直流发电机的运行特性

直流发电机的空载特性是非线性的,本质上反映了发电机磁路的磁化特性。转速n=nN，负载电流I=0时，发电机的电枢端电压U和励磁电流If之间的关系称为空载特性。负载电流为0，输出端电压U0与电枢绕组空载电动势E0相等。即E0正比于Φ0，正比于n。一、空载特性二、外特性定义：当、时，改变负载大小改变负载电流。由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励

根据可知端电压下降有两个原因：(一)在励磁电流If一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；(二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。额定转速下，励磁电流为常数，电枢端电压与负载电流之间的关系，称为发电机的外部特性。三、调节特性定义：当、时，

由曲线可见，若保持端电压不变，在负载电流变化时，必须改变励磁电流，补偿电枢反应（电枢磁动势对主极磁场基波产生的影响，这种现象称为电枢反应）及电枢回路电阻压降对输出端电压的影响。额定转速下，电枢端电压保持不变，励磁电流与负载电流之间的关系，称为发电机的调节特性。§3.5直流电动机从直流电源系统获得电能，将电能转换成机械能，向飞机设备提供机械力矩。励磁方式：他励、并励、串励和复励。一、直流电动机的基本电磁关系

1.电压平衡方程式Ea:电枢电压；Ia:电枢电流；U：电网电压；Ra:电枢回路总电阻；电动机：Ea＜U2.转矩平衡方程式发动机输出驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。P1电网的输入功率；Pem电磁功率；Pcua电枢回路铜损耗；Pcuf励磁回路铜损耗。P2电动机输出的机械功率；Pemc机械损耗；Pfe铁损耗；Pad附加损耗。3.功率平衡方程式二、直流电动机的运行特性

由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：n0为电磁转矩Tem=0时的转速，称为理想空载转速；

直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：CE、CT电动势常数，转矩常数CT=9.55CE;为机械特性斜率；为转速降。R=Ra+RS,Ra电枢电阻，RS回路串联电阻；实际空载转速:若用电枢电流表示，则有：空载转速：U、Φ、R为常数时，他励直流电机特性是以β为斜率向下的直线。电机由于摩擦存在空载转矩，克服空载转矩，即Tem=T0。对于串励电动机，Ia＝If

串励电动机的磁通Φ随Ia变化而变化当磁路不饱和时，可认为串励电动机不允许空载或在很轻负载下运行。

2、转矩特性并励电动机串励电动机§3.6三相同步交流发电机

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生oo规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出(

)电流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600oAAXZBCYAAXZBCY取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线(电路如图)AXCZBY0

to3.旋转磁场的极对数P

当三相定子绕组每相绕组只有一个线圈，绕组始端之间相差1200。产生一对磁极的旋转磁场，即：P=1o

tAXBYCZAXYCBZC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。4.旋转磁场的转速工频：p=1时0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=2时

三相交流电机内部定子电流产生的磁场是一个旋转磁场：三相同步电机：三相异步电机：电机的转子转速与旋转磁场的同步转速相等。

电机的转子转速略小于旋转磁场的同步转速。二、三相同步发电机的结构原理电机的转子转速（即转子磁场转速）为：n定子绕组感应电动势的频率定子绕组电流产生的旋转磁场的转速转子转速与旋转磁场（即定子电枢磁场）的同步转速相等。

三、同步发电机的结构分类同步交流发电机的转子结构磁极上套有励磁线圈，线圈按照一定方式连接构成励磁绕组，通入直流电，转子产生磁极。2/3的部分有齿和槽，槽内嵌放有直流励磁绕组。没有开槽的1/3称为大齿，是磁极中心区域。1、空载特性四、同步发电机的特性2、外特性

3、调节特性四、同步发电机的特性按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机§3.7三相异步电动机下面是它主要部件的拆分图。

右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图1.异步电机的工作原理及工作状态

AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnFn转差率：

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。旋转磁场的转速n1

称为同步转速异步电动机2、工作状态电动机状态n1＞n＞01＞s＞0发电机状态n＞n1＞0s＜0电制动状态n1＞0，n＜0s＞1

三相异步电动机的机械特性曲线第一象限，0＜n＜n1，0＜s＜1，n1，Tem均为正值，电机处于电动机运行状态。第二象限，n＞n1，s＜0，n1为正值，Tem为负值，电机处于发电机运行状态。第四象限，n＜0，s＞

1，n1为负值，Tem为正值，电机处于电磁制动状态。三相异步电动机的起动及调速1、起动直接起动降压起动笼型电动机自耦变压器降压起动Y－换接起动定子电路串接电阻（电抗）起动绕线型电动机转子电路外接电阻起动M3~3~RSS1FUS2M3~XSS1FUS2定子电路串接电阻（电抗）起动M3~3~RSS1FUS2起动M3~XSS1FUS23~M3~3~RSS1FUS2运行M3~XSS1FU3~S2自耦变压器降压起动TA

3~UNS1FUS2M3~通过自耦变压器把电压降低后，再加到电动机定子绕组上，减小起动电流。3~UNS1FUS2TA

M3~起动TA

3~UNS1FUS2M3~运行A1A2B1B2C1C2b)

联接Δ

IsΔ

IΔ

A1A2B1B2C1C2a)Y联接IsyIyY－换接起动适用于：正常运行为△联结的电动机。

星形－三角形减压起动（Y－

起动）具体过程3~UNS1FUS2U1U2V1V2W1W2适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时Y接；运行时△接。星形－三角形减压起动（Y－

起动）具体过程3~UNS1FUS2U1U2V1V2W1W2适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时Y接；运行时△接。三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1）改变定子极对数调速。（2）改变电源频率调速。（3）改变转差率调速。1

变极调速变极原理:改变定子绕组接法来改变极数。以4极变2极为例：U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场：反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场：变频调速（笼型）f=400Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~n0

T

nOn0'

f1＜fN，=常数U1

f1

TLn0

T

nOn0'f1＞fNU1L=UNTL变频调速变转差率调速绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为:

从机械特性看，转子串电阻时，同步速n1和最大转矩Tm不变，但临界转差率sm增大。工作点的转差率随着转子串接电阻的增大而减小。§3.8单相异步电动机单相电动机就是在单相交流电源的作用下工作的电动机。广泛地用于驱动小功率负载和家用电器设备中。单相电动机的优点是体积小、便宜、不需要三相电源。它常常用于通讯设备的内部、风扇、冰箱中。最常用的单相电动机是：

①分相式电动机：电容式和电阻式；②罩极式电动机。单相异步电动机的工作原理单相绕组通入单相交流电时的情况①单相交流绕组通入单相正弦交流电流产生脉动磁动势，可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势F+和F-。②建立起正转和反转旋转磁场ф+和ф-，两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。③从而产生正向电磁转矩Tem+和反向电磁转矩Tem-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。1．分相式电动机有一个由缝隙叠片组成的定子。在叠片定子中包括启动线圈和主线圈。这两个线圈在空间位置上互成90°角。它的转子是鼠笼转子。

（1）电容式分相电动机