第2章+直流电机.ppt

1、2.1直流电机的工作原理及结构,2.2 直流电机的铭牌数据,2.3 直流电机的电枢绕组,2.4 直流电机的励磁方式及磁场,2.6 直流电机的运行原理,2.7 直流电机的换向,2.5 感应电 动势和电磁 转矩的计算,第二章 直流电机,小结,直流电能,机械能,直流电动机,直流发电机,2-1 直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,1、直流发电机的工作原理,根据电磁感应定律，当磁场与导体及运动方向三者垂直时导体中的感应电动势,第二章 直流电机,式中，B为导体所在处的磁密； 为导体的有效长度； 为导体相对于磁场运动的线速度。,方向 由右手定则确定。,为一个线圈边中 的感应电动势。,直流发电机

2、线圈中的感应电动势是交变的，但电刷间的电动势是直流的。,2、直流电动机的工作原理,根据电磁力定律，当磁场与载流导体互相垂直， 作用在该导体上的电磁力。,式中，B为导体所在处的磁密； L为导体的有效长度； I为导体中的电流。,方向 由左手定则来确定。,3、直流电机的可逆 性(可逆原理),在不同的外界 条件下既可作发电 机同一台直流电机 运行也可作电动机 运行。,直流电动机线圈中的 电流是交变的，但电刷上 的电流是直流电。,二、直流电机的结构,换向器,电刷装置,机座,主磁极,换向极,端盖,风扇,电枢绕组,电枢铁心,（一）定子-静止部分,1、机座 由导磁性能较好，机械强度高的铸钢或厚 钢板制成；,作

3、用：各磁极间的磁路，机械支撑作用。,2、主磁极 产生主磁场，由铁心和套在其上面的励 磁线圈组成。,极靴形状,N极和S极交替排列,主极 铁心,励磁 绕组,机座,3、换向极(附加极或间极),位于两个主磁极之间，其作用是改善换向。,换向 极铁心,换向 极绕组,刷握,电刷,压紧弹簧,铜丝辫,4、电刷装置,作用：,与换向器配合获得直流电压。,使转动的转子绕组能与外电源接通，使电流 经过电刷输入电枢或从电枢输出；,（二）转子(电枢) -转动部分,电枢铁心冲片,电枢铁心,1、电枢铁心 由薄的硅钢片迭压而成。,作用：磁路的一部分，嵌放电枢绕组。,2、电枢绕组 将许多由绝缘导线绕制成的线圈按一定 规律联结而成。

4、,作用：产生感应电动势和通过电流，实现机电能 量转换。,3、换向极(整流子) 由许多换向片之间彼此绝缘 做在一个圆柱上同转子一起 转动。,发电机：将绕组中的交变电动势转换为电刷上的直流 电动势。,电动机：电刷上的直流电流转换为绕组内的交变电流。,（三）气隙,小型电机13mm，大型电机1012mm。,换向片,连接片,2-2 直流电机的铭牌数据,1、额定功率,在规定的工作条件下输出的功率。,电动机指轴上输出的机械功率（ ）。,发电机指电刷端输出的电功率（ ）。,2、额定电压,额定状态下电枢出线端的电压( )。,3、额定电流,在 下,电机出线的电流( )。,4、额定转速,在,下转子的转速( )。,5

5、、额定励磁电流,6、额定励磁电压,(仅对他励直流电机),额定运行状态 电机运行在额定值下。,除此之外，还有,励磁方式等。,电动机,发电机,例：一台,型直流电动机,求该电动机的输入,解：,或,功率及额定电流是多少？,2-3 直流电机的电枢绕组,电枢绕组 由许多个形状完全相同，均匀分布在电 枢铁心槽中的线圈，按照一定规律连接 而成。,有效边(元件边) 处在槽内能切割磁力线而产生 感应电动势的部分。,端接部分 槽外的部分 仅起连接用。,末端,有效部分（上层元件边）,端接部分,端接部分,有效部分（下层元件边）,首端,根据连接规律,单迭绕组,单波绕组,复迭绕组,复波绕组,混合绕组,最基本的两种形式,要求

6、：在能通过规定的电流和产生足够的电动势的前 提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，并且 要结构简单，运行可靠等。,直流电机的电枢绕组大都采用双层绕组。,用 表示槽数， 表示换向片数， 表示元件个数。,一、单迭绕组,1、绕组构成特点,每个元件的两个出线端接在相邻的两个换向片上，相邻各元件首尾相联，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，使整个绕组构成一个闭合回路.,14,15,1,左行(交叉绕组),右行(不交叉绕组),1,2,3,4,可见，后一个元件紧迭在前一个元件上，取名为迭绕组；两个元件相差一个槽，叫单迭绕组。,2、极距和节距,极距 相邻两个磁极的中心线在电枢表面之间的距离。,D 是电枢

7、直径，P 是极对数(N，S)。,槽数表示,节距,a）第一节距,同一元件的两个有效边在电枢表面上跨过的槽数。,弧长表示,通常接近或等于极距,是使,凑成整数的一个分数值。,短距绕组(常用),短距绕组,短距绕组(常用),b）第二节距,相邻两个元件，一个元件的上层边与另一个元件的下层边之间相隔的槽数。,t,e,t,e,t,e,=,=,1,1,1,y,0,y,0,y,0,，,，,，,c）合成节距,两个相邻元件边之间相隔的槽数。,单迭绕组,d）换向器节距,每个元件首尾端所联换向片数。,（右行，左行）,、绕组展开图,把电枢绕组单独取出来，沿轴向切开，展开在一平面上的一种绕组联接图。,【例】一台直流电机，极数

8、,槽数,步骤：,（1）画单元槽、换向片，并编号（实线表示上 层边，虚线表示下层边）；,（2）构成闭合绕组；,（3）放磁极（磁极的宽度等于0.7极距）；,（4）放电刷 原则：正负电刷之间得到的感应电动势 最大，或被电刷短路的元件中感应电动势最小， 电刷与换向片等宽。,、单迭绕组元件连接次序,、并联支路图,6、特点,将上层边位于同一磁极下的各元件串联起来组成一 条支路，若以a表示支路对数，则,式中，P为极对数。,电刷数等于磁极数；,正、负电刷间的电动势为一条支路的电动势；,电枢总电流为各支路电流之和，即：,式中， 为支路电流。,在整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总 和为零，绕组内部无“环流”

9、。,二、单波绕组,1、绕组特点,连接起来元件的形式犹如波浪一样向前延伸。,2、节距,第一节距,(同单迭绕组),合成节距 和换向器节距,-1 左行绕组；,+1 右行绕组；,第二节距,3、绕组展开图,例：极对数,槽数,4、单波绕组元件连接次序,5、并联支路图,6、特点,同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对 数 a=1，与磁极数无关；,电刷数等于磁极数；,电枢电流,单迭绕组适用于低压、大电流的场合；,单波绕组适用于较高电压、较大电枢电流的场合。,2-4 直流电机的励磁方式及磁场,励磁绕组取得励磁电流的方式。,1、他励直流电动机,励磁绕组由其它直流电源单独供电；,一、直流电机的励磁方式,2、并励

10、直流电机,励磁绕组与电枢绕组并联,电动机,发电机,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,积复励：串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁 动势方向 相同；,差复励：串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁 动势方向相反；,二、直流电机的空载磁场,空载 指电枢电流等于零或者近似为零的一种运行 状态。,这时的电机磁场只由励磁绕组的磁动势单独建立。,N,S,定子磁轭,电枢齿,电枢磁轭,如图为一台四极直流电机，其中一对磁极的磁 场分布图。,N极,气隙,电枢齿,电枢磁轭,电枢齿,气隙,S极,定子磁轭,主磁通 同时交链励磁绕组和电枢绕组，能够产 生感应电动势和电磁转矩，参与机电能 量转

11、换，是有效的工作磁通。,经过的磁路叫主磁路（气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭）。,漏磁通 不进入电枢铁心，直接通过相邻磁极或 定子磁轭而闭合。它只交链励磁绕组本 身，不参与能量交换。,漏磁通较小，约为主磁通的20%左右。,2、空载时气隙磁密的分布波形,磁路的磁阻可近似认为气隙处的磁阻，作用的 磁动势均为励磁磁动势。,3、电机的磁化曲线,表示空载主磁通 与主 磁极磁动势 之间的关系 曲线，即,由于 也可表示为：,若不计磁滞现象，磁化 曲线与铁磁材料的B-H相似。,在额定励磁时，电机一般运行在磁化曲线的弯 曲部分。,电机的磁化曲线的具体数值仅仅和电机的几何尺 寸以及所用材料的性质有关，而与

12、电机的励磁方式 无关。,三、直流电机负载时的磁场及电枢反应,电枢磁动势 当电机带负载以后，电枢绕组中有电 流流过，所产生的磁动势。,负载时电机的气隙磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。,电枢反应 电枢磁动势对励磁磁动势所建立气隙磁 场的影响。,(一)电枢磁动势,电枢磁动势的轴线与中性线重合，与主磁极轴线互相垂直。,一个元件的电枢磁动势,设该元件有 匝，流过的 电流为 作用在任何一闭合磁 回路上的磁动势为 , 每段 气隙上的磁动势为 。,规定：磁动势的方向出电枢进定 子为正，反之为负，如图 为一矩形波。,四个元件的电枢磁动势为一阶梯波。,若为多个元件，电枢磁势分布为一个三角波。,(二)电枢磁势

13、单独产生的气隙磁密波形,为气隙长度,几何中性线,物理中性线,(三)电枢磁场对电机性能的影响-电枢反应,1、电枢磁场发生了畸变；,2、呈去磁作用。,电枢磁密呈马鞍形。,2-5 感应电动势和电磁转矩的计算,电枢电势 指正、负电刷间的感应电动势，即一条 支路的感应电动势。,一、感应电动势的计算,每极下的平均磁密,为每极下磁通；,为有效切割长度。,线速度,式中，,一根导体中的平均感应电动势,设组成电枢绕组的总导体数为 ，并联 支路数为 每条支路中的导体数为,电刷两端的电动势,式中，,称为电动势常数。,若不计磁饱和的影响，则,为比例常数,式中， ；,为机械角速度。,作电动机运行时 为反电动势；,方向 由

14、右手定则确定。,作发电机运行时 为电源电动势。,二、电磁转矩的计算,设每极下的平均磁密为,每极下的磁通,一根导体受到电磁力,令 表示电枢直径，形成的电磁转矩,设 为电枢绕组的总导体数。,为导体中流过的电流,式中， 叫转矩常数。,方向 由左手定则确定。,同样，在不计饱和的情况下,作电动机运行时， 为拖动转矩；,作发电机运行时， 为制动转矩。,三、电磁功率,发电机运行时，电磁转矩为阻转矩，吸收原动机的大部分机械功率，并通过电磁感应的作用将其转换为电功率。,是机械量和电磁量的桥梁，在机电能量转换 过程中起关键作用。,2-6 直流电机的运行原理,电动机惯例,发电机惯例,以他励直流电机为例,一、直流电机

15、的基本方程式：,（一）电动势平衡平衡方程式,1、电动机,式中， 为电枢回路总电阻(包括电刷与换向器的 接触电阻)；,为电枢回路的电感；,为励磁回路 的电感。,稳态时,若为并励,若为串励,2、发电机,稳态时,若为并励,（二）转矩平衡方程式,1、电动机,根据牛顿定律,式中， 为负载转矩(也是电动机输出转矩)； 为 空载损耗转矩； 为惯性转矩。,稳态时 恒定,2、发电机,稳态时,式中， 为原动机的驱动转矩。,（三）功率平衡方程式,1、电动机(以并励为例),式中，,为电枢回路的铜损耗(包括电刷接触损耗)；,为电枢铁心产生的铁损耗；,为励磁损耗。,杂散损耗(附加损耗)，根据经验,有补偿绕组的为0.5，,

16、无补偿绕组的为1。,总损耗,为机械损耗。,2、发电机(以并励电机为例),【例】一台他励直流发电机，,额定负载时，,试求：,额定运行时的电磁功率、电磁转矩和效率。,解：,二、直流电动机的工作特性,工作特性,电枢回路中无外加电阻，,因 随 的增大而增大，故,1、并励直流电动机的工作特性,（1）转速特性,根据 可得(认为 为常数),式中,斜率,。,理想空载转速,（2）转矩特性,（3）效率特性,铜损耗,可变损耗,不变损耗,铁损耗,机械损耗,附加损耗,不变损耗,因 ，,不计 ，,令 ，,可得,电动机的不变损耗等于可变损耗时效率最高。,2、串励电动机的工作特性,特点,为比例系数。,转速特性,式中，,为串励

17、绕组电阻， ，,串励直流电动机不允许在空载或负载很小的情 况下运行。最低负载不小于额定负载的(2530)%。,转矩特性,当,小，磁路不饱和时，,当,大，磁路饱和时，,效率特性 同并励电机,【例】一台他励直流电动机的额定数据为,电枢绕组的电,电刷接触压降,在负,阻,载总制动转矩不变的情况下，,求：,（1）在电枢回路中突然串入电阻,在最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别为 多少？,（2）减小电动机的励磁电流，使磁通,减小10%，,当到达稳定时的电枢电流和转速各为多少？,解：,在额定负载下,在串入电阻的初瞬，由于惯性的作用，,不变，,不变,（稳定）,因为总制动转矩不变，所以稳态时的电磁转矩 也不

18、变，电枢电流还应为原来的值， 。,此时,三、直流发电机的特性,1、空载特性(开路特性),当n=常数，负载电流 ,发电机的端电压随,励磁电流的变化关系,即：,A,M,V,上升和下降不可逆，形成一个回环。,当 时的电压称为剩磁电压，约为(24)%UN。,额定电压选在膝点 A。,2、并励和复励直流发电机空载电压的建立,空载电压建立的过程称为自励。,并励电机,为励磁回路的总电阻。,当电阻线与空载特性直线相切时，没有固定的交点，电压不稳定，此时的电阻叫建压临界电 。,时， 发电机端电压和电流的变化关系，即,空载特性,励磁电阻线,临界电阻线,建压条件,(1)电机必须有剩磁；,(2)励磁绕组接法正确， 使励

19、磁电流所产生 的磁通与剩磁方向 相同；,(3)励磁绕组的电阻小 于建压临界电阻， 即,(二)负载运行,外特性,原因,随着 增加， 增加；, 增加，电枢反应的去磁作用增加， 减小。,2-7 直流电机的换向,换相 绕组元件经过电刷，从一条支路换到另一条 支路的过程中，元件中的电流改变一次方向。,一、换向的电磁现象,元件1的电流为 ，如图(a)；,元件1的电流变为，如图()。,元件1被电刷短路,如图()；,换向过程所经历的时间称为换向周期,1、直线换向,在理想情况下，若换向元件内无任何电动势的 作用，则换向元件中电流从变为 的变化规 律大体为一条直线。,特点 电流的变化是均匀的，不产生火花。,2、延迟换向,电抗电动势,自感电动势,互感电动势,