new-第二章直流电机

1、1,第二章 直流电机,内容摘要,本章以直流电动机为讨论的主要对象，分析直流电机的工作原理、结构及换向问题。,旋转电机是一种实现机电能量转换的机电装置，把电能转换为机械能的称为电动机，把机械能转换成电能的称为发电机，电流有交、直流之分，所以旋转电机也有直流电机和交流电机两大类。,直流电动机的调速性能好，起动转矩大，特别是调速性能为交流电动机所不及。因此，在对电动机的调速性能和起动性能要求较高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动。但是，直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差，所以，在现代工业的拖动系统中，直流电动机和交流电动机“各得其所”。直流发电机也由和直流电动机一样

2、的上诉缺点，随着电力电子技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流发电机有逐步被整流电源取代的趋势。不过，目前有些直流电源，如大型同步发电机的励磁电源以及化学工业中的电镀、电解等设备的电源还是采用直流发电机供电的方式。,2,第一节 直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,（一）直流电动机的工作原理,一台直流电机 作为电动机运行在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢 旋转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能； 作为发动机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直 流电动势，作为直流电源，输出电能。,3,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

3、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，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该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。,4,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体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。,与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,当电枢旋转到右图所示位置时,5,直流电动机的工作原理示意图:,6,右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abc

4、d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。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。,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。,（二）直流发电机的工作原理,7,当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，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。,8,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,电刷A的极

5、性总是正的，电刷B的极性总是负的，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。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,9,二、直流电机的结构,直流电机剖面图,1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极 6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心,10,主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成,换向磁极：改善换向。,电刷装置：与换向片配合,完成直流与交

6、流的互换,机座和端盖：起支撑和固定作用。,定子,转子,电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。,电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。,换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换,转轴,轴承,11,12,（一）直流电机的静止部分,1、主磁极,2、换向极,1主磁极铁心 2励磁绕组 3机座,1换向极铁心 2换向极绕组,3、机座用来固定主磁极、换向极和端盖； 另外，又作为磁路的一部分。,13,（二）直流电机的转动部分,4、电刷装置,1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4铜丝辫,1、电枢铁心,a)电枢铁心 冲片 b)电枢铁心,14,2、电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。,1槽楔 2线圈绝缘 3

7、导体 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘,电枢槽内的绝缘,3、换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。,1换向片 2连接片,15,思考题,2-1 直流电动机由哪些主要结构部件构成？,1、一台直流发电机，在下列四种情况下，能发出直流电的是（ ） A 电枢固定，电刷与磁极同时同速旋转 B 电刷固定，电枢与磁极同时同速旋转 C 磁极固定，电刷与电枢同时同速旋转 D 电刷、电枢与磁极同时同速旋转,选择题,2-2 直流发电机电枢线圈导体感应的电动势是直流电动势吗？为什么？,2-3 直流电动机电枢线圈导体流过的电流是直流电流吗？为什么？,2-4 说明直流电动机的换向器的作用。,2-5 请说明直流电动机

8、定子部分有哪些部件及它们的作用？,2-6 请说明直流电动机转子部分有哪些部件及它们的作用？,16,第二节 直流电机的铭牌数据,直流电机的额定值有： 1、额定功率PN(kW) 2、额定电压UN(V) 3、额定电流IN(A) 4、额定转速nN(r/min) 5、额定励磁电压UfN(V),17,18,指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式,励磁方式,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。

9、电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,19,第三节 直流电机的励磁方式,一、直流电机的励磁方式,1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。,2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。,3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。,4、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联， 另一个与电枢绕组串联。,20,思考题,2-8 直流电动机有哪些励磁方式？各种励磁方式分别有何特点？,1、要改变并励直流电动机的转向，可以（ ） A 增大励磁 B 改变电源极性 C 改接电枢绕组 D 减小励磁,选择题,2-10 如何改变他励直流电

10、动机的转向？,2-13 改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为什么？,2-15 改变串励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为什么？,21,第四节 机电能量转换过程简述,从电源输入的电能 = 机械能输出+磁场储能的增加+ 转换为热能的机电装置内部各种损耗,22,一、直流电机的电枢电动势,第五节 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,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:,性质: 发电机电源电势(与电枢电流同方向); 电动机反电势(与电枢电流反方向).,可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。,23,二、直流电机的电磁转矩,产生:电枢

11、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:,性质: 发电机制动(与转速方向相反)； 电动机驱动(与转速方向相同)。,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,24,一、直流发电机的基本方程,如图规定各物理量的参考方向,(一).电动势平衡方程,从方程式可见，直流发电机满足,(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 。转矩平衡方程为：,第六节 直流电机的运行原理,25,直流发电机的励磁电流,(三)、励磁特性公式,每极气隙磁通,(四).功率平衡方程,原动机输入给

12、发电机的机械功率,电磁功率,电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。,电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗,输出的电功率,自励发电机中还应减去励磁损耗,26,27,二、他励发电机的运行特性,(一)、空载特性,定义:当 、 时，,直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载时,空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,28,(二)、外特性,定义：当 、 时，,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。,根据 可知端电压

13、下降有两个原因：,1、在励磁电流一定情况下，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；,2、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。,为什么低?,29,(三)、调节特性,定义：当 、 时，,由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响.,三、并励发电机的自励条件和外特性,并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。,30,(一)、自励条件,曲线1为空载特性曲线,

14、曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线 。,原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。,增大 ,场阻线变为曲线3时， 称为临界电阻 。,若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。,如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与 相等，达到稳定的平衡工作点A。,31,可见，并励直流发电机的自励条件有：,(二)、空载特性,并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。

15、,思考题 电机正转能自励,反转能自励吗?,32,(三)、外特性,(四)、调节特性,并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。,对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。,33,四、直流电动机,4.1 直流电机的可逆原理,以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是

16、直流电机的可逆原理。,减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得 ，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。,继续降低原动机的转速，将有 ，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。,同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。,34,第1章 直流电机,4.2 直流电动机的基本方程,规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下：,35,4.3 直流电动机的工作特性,1、转速特性,(一)、他励（并励）直流电动机的工作特性,定义：当 、 时，,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁

17、作用，转速与负载电流按线性关系变化,2、转矩特性,转矩表达式,考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。,定义：当 、 时，,36,3、效率特性,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。,定义：当 、 时，,37,(二)、串励直流电动机的工作特性,当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：,转速特性,转矩特性,当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同

18、。,当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。,38,39,思考题,1、一台他励直流发电机和一台并励直流发电机，如果其他条件不变，将转速提高20%，问空载电压哪一台提得更高？为什么？,1、一台他励直流电动机的铭牌数据为：额定电压UN=220V，额定电枢电流IaN=75A，额定转速nN=1000r/min，电枢回路电阻Ra=0.26（包括电刷接触电阻。额定负载时电枢铁损耗Pfe=600W，机械损耗Pmec= 1989W，求： （1）电动机在额定负载运行时的输出转矩； （2）额定效率,计算题,2、一台并励直流发电机并联于电网上，若原动机停止供给机械能，将发电机过渡到电

19、动机状态工作，此时电磁转矩方向是否发生改变？旋转方向是否发生改变？为什么？,2、教材45页2-1,3、教材45页2-2,40,一、换向概述,第七节 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。,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,41,换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不

20、能正常工作。,产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。,元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。,42,二、换向的电磁理论,换向元件中的电动势：,自感电动势 和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。,切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。,换向元件中的合成电动势为：,根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。,换向电动势 ：在几何中性线

21、处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。,43,换向元件中的电流：,设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和 ，元件自身的电阻为 ,流过的电流为 ,元件与换向片间的连线电阻为 ,元件在换向时的回路方程：,忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变化规律为,44,45,三、改善换向的方法,除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。,改善换向一般采用以下方法：,46,一、直流枢绕组基本知识

22、,第八节 直流电机的电枢绕组简介,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。,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，象波浪式的前进。,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,47,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件

23、的上层边间的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,二、单叠绕组,单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即： 。,单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。,48,单叠绕组的展开图,49,根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:,单叠绕组的的特点：,1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。,2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,3）电枢电流等于各支路电

24、流之和。,50,三、单波绕组,单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。,两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。,51,单波绕组的并联支路图:,单波绕组的特点,1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3）电刷数等于磁极数；,4）电枢电动势等于支路感应电动势；,5）电枢电流等于两条支路电流之和。,52,一、直流电机的空载磁场,第九节 直流电机的电枢反应,直流电机工作中，主磁极产

25、生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。,右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。,当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励磁磁动势为：,53,直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。,54,空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。,磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外

26、，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。,55,空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b) 所示。,空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c) 所示。,56,为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。,为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中 A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。,57,二、直流电机负载时的负载磁场,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动

27、势的出现使电机的磁场发生变化。,右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。,假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。,58,如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。,由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。,59,三、直流电机的电枢反应,当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢

28、反应。电枢反应与电刷的位置有关。,1、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。,60,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,61,由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：,2)、对主磁场起去磁作用,1)、使气隙磁场发生畸变,空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。,磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与

29、空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。,62,63,小结,直流电机的工作原理是建立在电和磁相互作用的基础上，为此，必须熟练地运用电路理论中所学习过的基本电磁定律，结合换向器和电刷的作用去理解，并应充分注意到，无论在电流电动机还是直流发电机中，电机外电路中的电压、电流以及电动势都是直流电性质的，但电机内每个元件中的电压、电流及电动势都是交变性质的。,任何类型的旋转电机，都必须有静止部分和旋转部分，在这两部分之间存在着一定大小的空气隙，使电机中的磁场和电路能发生相对运动，以便顺利地进行机电能量的转换。直流电机的基本结构主要由静止的磁极和旋转的电枢两大部分组成，而静止的和旋转的部分还各自由一些主要的部件构成。这些主要的部件有一定的结构形式和一定的作用，其中须特别关注的是直流电机的特殊部件-换向器。,64,额定值是保证电机可靠工作并具有优良性能的依据。特别是运