直流电机培训课件.ppt

1、第二章 直流电机,wangpu:,wangpu:,2.1 概述 2.2 直流电机电枢绕组 2.3 直流电机的磁场 2.4 直流发电机基本特性 2.5 直流电动机的基本特性 2.6 直流电动机的启动、调速、制动,wangpu:,wangpu:,与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。,2.1 概 述,直流电机的工作原理 主要结构部件 额定值,一、 直流电机原理 1、直流发电机重要公式及特性： 1.1 法拉第电磁感应定律发电机原理：,用右手定则判 感应电动势Ea的方向,电枢绕组 电阻Ra,感应电动势,输出电压,e =Blv (符合右手定则) 有效长度为

2、l的导体以线速度v,在磁通密度为B的磁场中运动时，导体内将产生感应电动势e 。 1.2 特性： a、在相同极性磁极下的导体感应电动 势e 方向相同，固定不变； b、在不同极性磁极下的导体感应电动 势e 方向相反； c、“外稳内变”电枢绕组电压为交流,电刷上的电压 为恒定直流。,2、 直流电动机重要公式及特性 2.1 安培力定律 电动机原理： FB li (符合左手定则),电刷,换向片,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。,由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应

3、电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。,C:Documents and Settingscg桌面电机学讲义zldj_12.htm 有效长度为l并载有电流i的导体在磁通密度为B 的磁场中，导体上将受到电磁力F的作用 。 2.2 特性： 与直流发电机相同；直流电机即可作发电机运行，也可作电动机运行，关键在输入功率的性质；发电机原理和电动机原理总是同时出现的。,发电：输出电功率同时导体元件中产生电流依电动机原理产生反转矩；平衡原动机拖动转矩，使发电机转速稳定。 电动：轴上输出机械功率同时导体元件在主极下运动产生反电动势。外加电源电压平衡，限制导体元件电流和电动机电磁转矩，平衡负载转矩，使电动机转

4、速稳定。,3、直流电机的工作原理 这是分析直流电机的物理模型图。 其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的),上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相

5、绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,3.1 直流电动机的工作原理 * 将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 * 电机内部有磁场存在。 * 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （左手定则） * 所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。,3.2 直流发电机的工作原理 对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd

6、收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。,此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，

7、绕组形式同发电机。C:Documents and Settingscg桌面电机学讲义zldj_11.htm,二、基本结构,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁 绕组,转子,励磁式直流电动机结构,1、主磁极,2、电枢绕组,3、电枢铁心,4、换向器,5、换向极,6、电刷装置,7、机座,1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,2. 定子,定子的分类：,励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源

8、上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,三、直流电动机的额定参数 UN ：额定工况下加在电枢绕组上的工作电压。 （V、kV） IN：额定工况下长期运行的最大电枢电流。（A） pN：额定工况下电机轴上允许长期输出的最大机械 功率。（W、kW） N：额定功率工况下直流电动机的工作效率。 nN：额定工况下电动机的运行速度。（r/min） TN：额定工况下电动机轴上的输出转矩。 （Nm）,基本特点 单叠绕组 单波绕组,2.2 直流电枢绕组,基本特点,构成原则：产生足够的感应电动势，允许通过一定的电枢电流。,要求：省料、

9、结构简单、运行可靠,分类：,叠绕组,单叠绕组,复叠绕组,波绕组,单波绕组,复波绕组,混合绕组,一、电枢绕组的构成（均由形状相同的元件构成）,元件：两端分别与两换向片相连的单匝或多匝线圈 （如图）,1、元件在电枢槽内的安放（现代直流电机均为双层绕组） 如图：元件依次嵌放在电枢槽内，一条有效边放在槽的上层（上层边），另一条放在另一槽的下层（下层边），元件的首端和尾端按一定规律接到不同的换向片上，最后使整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合电路。,若电枢每槽上下层只有一个元件边，则元件数S = 槽数Q = 换向片数K ； 多数电枢每槽的上下层各含u个元件边，则S =虚槽数（uQ） =K,2、节距 1）第

10、一节距y1,为使元件感应电势最大： y1 = （使为整数） = Qu/2p （如图）,说明：y1= 整距绕组（电势最大）；y1 长距绕组。,2）第二节距 y2 (如图）,3) 合成节距 y ： 相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨过的距离。 叠绕组： y=y1-y2=1 (如图）,* 波绕组：y=y1+y2 (如图）,4）换向器节距 yc 同一个元件的两个出线所接的两个换向片之间所跨过的距离。 yc = yC:Documents and Settingscg桌面电机学讲义zldj_15.htm,单叠绕组,1、特点： y = y1-y2 = yc = +1 (-1) “+1” 为右行绕组 如图

11、,“-1” 为左行绕组 如图,单叠绕组的构成示例 （见书） 1）计算极距和确定节距 =Q/2p =4 ; y1 = =4 ; y1-y2=+1 2) 绕组连接表 目的：用来表示电枢上所有元件边串联次序。 3）展开图 把电枢表面以某一位置沿轴向切开后展成平面的绕组联接图。,4）电刷的安放 ：应固定放置在换向器上的几何中性线上。 5）电路图 （见书中图2.21）另还可等效为如下电路图,由图可见：直流电枢绕组支路都是成对出现，故常用并联支路对数 a= 表示，对于单叠绕组 a= = p,单波绕组 1、节距特点： y1 等于或约等于 （常采用短距）， y 约等于 2 。 单波绕组在换向器上绕接一周后，应

12、回到出发换向片的相邻一片上，即总共跨过K+（-）1片，所以 pyc = k 1 y2 = y y1 （-1，左行绕组；+1，右行绕组，应端接部分交叉，少用。） 例详见书中所述。,2、单波绕组的构成 特点： a= = 1,说明：* 因为a= = 1 ，故可避免磁不对称引起的弊病，无需均压线。 *因为a= = 1， 从理论上来讲，只需一对电刷即可，实际上常用2P 个电刷 ，这样可延长电刷寿命和缩短换向器长度。 *支路数少，每支路元件数多，适宜电流小、电压较高或转速较低、小容量的电机。,# 对称绕组和均压线 目的：使电枢绕组内部无环流。 要求：1）绕组对称， 2）主磁场对称 抑制方法：通常在换向器上

13、把理论上电位相同的点用铜线相连。主磁场稍有不对称，则均压线上有电流，据楞次定律，此电流将削减磁不对称度，减小了环流，且环流经均压线闭合而不流过电刷，改善了电刷工作条件。 对于一对极的单叠绕组，绕组对称条件自然满足，且唯一的N、S极磁通必相等，不会出现不对称环流。故均压线只在多极绕组中才有意义。,2、3 直流电机的磁场,一、按励磁方式分类 （见书中图2.26）,二、空载磁场C:Documents and Settingscg桌面电机学讲义直教zldj动画直主磁通.swf 空载：指电枢电流等于或约等于零，此时磁场由励磁绕组的磁动势单独激励，即 If,F f,0, ,三、负载时的电枢磁动势和电枢反应

14、 Ia,Fa,If,Ff,F = Fa + Ff,1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 交轴电枢磁动势 （如图）,设电枢表面每单位长度的安培导体数为A，则回路所包含的电流为 2x*A=回路磁动势。由于电枢磁场为两极，故作用在 x 处每级的电枢磁动势： Fa(x)=A*x - /2 x /2 A=Naia/D 磁场密度： Ba(x)=0Ha(x)= 0 Fa(x)/(x)= 0 Ax/(x),把电枢外园从几何中心线展开，如图,交轴电枢反应性质 （如图）,F=Ff+Fa (1)磁路不饱和时，气隙磁场畸变，合成磁场不再对称于磁极轴线，物理中性线（B=0）偏离几何中心线；磁极一侧磁场的削弱与另一侧磁场的增

15、强程度相同，故每极下有效磁通量不变，既不增磁，也不减磁，不影响电机总的感应电势和电磁转矩。（2）饱和时，磁极一侧的磁场增加量总是小于另一侧的磁场削弱量，故交轴电枢反应具有一定的去磁作用。,2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应 当电刷偏离几何中性线一个角度时，从图中可以看出，交、直轴分量同时存在。故要么增磁，要么去磁。,四、感应电动势和电磁转矩,1、电枢绕组的感应电动势 指电机正负电刷之间的电势，即是一条支路上各元件的电势之和。 设每一根有效导体的平均电势为 e ，每极磁通量为 ，则 e=Blv B= / l , = D/2p , v= Dn/60 代入得： e =2p n/60 由此可得电枢绕组的

16、感应电动势 E =e *N/2a= = npN/60 a= = Ce n,2、电磁转矩 每根导体所受电磁力的平均值为 f = Bav l ia 支路电流 ia = Ia/ 2a= 电磁转矩 Tem = N f Da/2 = Ia pN/2 a= =CT Ia (N.M) 3、电动势常数与转矩常数间的关系 Ce= CT/30，=2 n/60, E= CT ,直流电机的基本方程,一、电压方程 1、他励直流电机 （如图）,特点： Ia = I 对于发电机： Ea = U + IaR +2Us = U + IaRa 对于电动机： U = E+ IaRa,2、并励直流电机 特点： Uf = U , Ia

17、 = I+If (发电机） ， Ia = I-If （电动机） 3、串励直流电机 特点： Ia = If = I 发电机： Ea = U+IaRa+Uf ; 电动机： U=Ea+IaRa+Uf,4、复励直流电机 发电机 ： Ia = Ibf + I , Icf = I Ucf = IcfRcf = Ea - IaRa - U , Ubf=Ea IaRa = IbfRbf , Ea = U+IaRa +Ucf 电动机： Ia = I Ibf , Icf = I Ucf = IcfRcf = U IaRa Ea , Ubf = IbfRbf = Ea + IaRa,二、转矩方程 发电机： （如图）

18、 T1 = Te + T0,电动机： （如图） Te = T2 + T0,三、电磁功率 Pe = EaIa = (pNa/ 2 a= ) Ia = Te 四、功率平衡方程式 将上面的电压方程式两边同乘 Ia 即可得； 或将转矩方程式两边同乘 也可得到。,其功率流程图为： 发电机： 电动机：,五、直流电机的可逆性 发电机： U Ea ; 电动机：Ea U 为进一步巩固以上内容见书中 P71 例,2.4 直流发电机的运行特性,包含：,（1）标志输出电压质量的外特性 n = nN , If = IfN 时 U = f(I),（2）励磁调节用的调整特性 n = nN ， U =UN 时 If = f(

19、I),（3）表征力能指标的效率特性 n = nN ， U =UN 时 = f(p2),一、他励发电机的运行特性 1、空载特性 n = nN , I = 0 时 U0 = f(If) 此时：Ea0 = U0 = Cen 0,由于0 是由If 激励产生的，所以Ea0 = f(If)与磁化曲线0= f(If)的纵坐标相差一个比例常数，故空载特性实质上就是电机的磁化曲线。通过实验可得如下曲线:,虚线部分为平均曲线,即为空载曲线。,2、外特性 他励发电机的电压方程式为 U=Ce n IaRa 显然 Ia=I , I,U 略,（ Ra较小）外特性如图示,额定电压调整率 UN = (U0 UN)/UN*10

20、0%,3、调整特性 If = f(I) U =Ce n IaRa = UN,I(=Ia),If,4、效率特性 n = nN , U = UN , =f(p2) 根据功率平恒方程式 p1 = p2 + p + pFe+pcua+ps+pcuf+p p2 =UIa , pcua = Ia 2 R , pcuf =UfIf , ps = 2 UsIa = p2/(p2 + p),二、并励发电机的自励和外特性,1、自励 条件：,（1）剩磁存在；,（2）If 产生 Ff 其方向应与剩磁方向一致，即励磁绕组应与电枢端点的连接要正确；,（3）自励时 I =0 . Ia =If0 , Ea0 = If0Ra

21、+ If0Rf0 约等于If0Rf0 此关系称之为励磁电阻线，要求其与空载特性 Ea0=f(If0) 应有交点, 如图所示,所以要求 Rf Rcr,(4) n 不得过低.,2、外特性 其调整特性与他励相似，略。 条件：n = nN , 特性： U = f(I),分析： U =Ea IaRa = Ce n (I + U/Rf)Ra I,U,If,U,故端电压下降较快，又 I = U/RL ，当RL过低,U过低,If 过低,过低,Ea过低,电压拐弯,如右图所示,特点：稳态短路电流不大 因为短路时，U 约等于0,If = 0,Ea = 0,三、复励发电机的外特性,特点：N bf 较多 、 Ib f

22、较小 ， Ncf 较少 ，Icf = I 积复励：Fcf 与 F bf 同方向（常用）； 差复励： Fcf 与 F bf 反向。 作用：并励起主要作用，使发电机空载时达到额定电压；串励用来补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢回路中的电阻压降。 外特性见图,2.5 直流电动机的运行特性,含： （1）工作特性； （2）转矩-转速特性（或机械特性） 一、并励电动机的运行特性 1、工作特性 条件： U = UN ， If = IfN 特性： n . Te . = f(p2) 由于 P1 =Pe + Pcu . Pe = EaIa = P2 + P0, 且P0值基本不变 ， 所以 Ia 将随 P2 的增大

23、而增大，且实际运行中 Ia 较易测得，故工作特性也可以表示为: n . Te . = f(Ia),(1)转速特性 n = f(p2) n = Ea/Ce =(U RaIa)/ Ce 当负载上升时、即 TL,P2,Ia,n 略降（RaIa较小),同时电枢反应若有去磁作用会导致磁通略降，进一步引起转速略上升，所以并励电动机的转速随负载变化很小，其转速特性如右图。,注：运行时励磁绕组决不能开路，因为：,If = 0, = r,Ea 很小(Ce r n),Ia 很大(U-E)/Ra),Te 上升，若轻载则转速高；若重载转速约等于零，Ia = U/Ra , 易烧毁电机。,（2）转矩特性 Te = f(P

24、2) Te =T2 + T0 = P2/ +T0 P2,故右图特性略上翘,（3）效率特性 = f(p2) 与其他电机类似。,2、转矩转速特性 n = f (Te) 条件： U = UN If = 恒值 由转矩方程知： Te = CT Ia = CT (U - Ce n)/Ra n = U/ Ce RaTe/CeCT 2 由上式可知：,n,; Te,Ia,电枢去磁反应,n,所以，随 Te 的上升 ，n 变化很小，此特性称之为“硬特性”。如右图,Te,二、串励电动机的运行特性,特点：Ia = If = I , U =UN 1、工作特性 1）n = f(P2), = Kf If n = U-Ia(R

25、a+Rf)/CeKf If 由以上表达式可知：TL,P2,Ia,Ea,(U不变）,n,其特性图如图所示：,显然适宜轻载场合。 注意：绝不允许空载运行，因为空载时 TL约为0,If= 0,n =U/CeKfIf,电机“飞车”,2）Te = f(P2) Te = CT Ia = CTKfIfIa =CTKfIa2 (轻载时） 重载时， 为常值， Te = CT Ia 故特性图如右图所示：,3）= f(P2) 与并励电动机一样。 2、机械特性 n = f(Te) 与 n = f(P2) 相似。 三、复励电动机的特点 通常接成积复励，其机械特性曲线介于并励与串励之间。 注意：若以并励为主，则其特性接近

26、于并励电动机；但由于有串励磁动势的存在，当TL（Te) 上升时，电枢反应的去磁作用可以受到抑制，抑制转速上升； 若以串励为主，则其特性接近于串励电动机；但由于有并励磁动势的存在，不会使电动机空载时出现“飞车”现象。,直流发电机与直流电动机的区别,能量关系:,机械能转变成电能,电能转变成机械能,电枢电势:,反电势,电磁转矩:,制动,驱动,电势平衡方程:,电源电势,直流发电机与直流电动机的区别,转矩平衡方程：,功率平衡方程：,特性：,2.6 直流电动机的起动、调速和制动,一、起动,对起动的要求： （1）Tst 大； （2）Ist 小； （3）简单、方便 （1）、（2）条往往矛盾，故通常在保证足够的

27、Tst下尽量减小Ist. 起动依据： n = U/ Ce RaTe/CeCT 2 起动方法： （1）直接；（2）电枢串变阻器；（3）降压。,1、直接起动（连接图见页图2.64) 由 U = Ce n + IaRa,Ist = U/Ra = (1020)IN,所以直接起动适宜微型和小型直流电机。起动过程中的电流与转速曲线见 P89 页图2.65。 其过程分析如下：,开始时：ia,Tst,Tst TL+T0,n,ea,ia,Tst,n 增涨放缓，直到 Tst = TL +T0 时 n . ia稳定.,2、串阻限流起动,串阻限流起动原理：在电枢上串接多个起动电阻，设其总电阻为 Rst, 则 Ist

28、= U/(Ra +Rst) 达到了限流的目的。注意此电流要能产生足够的Tst ，使电机起转。 限流起动过程：以在电枢中串 3 个等值电阻为例， Rst = R1+ R2，起动后个割切除可得到书中页图.。 适用：小容量直流并励电动机（启动时耗能较大）。,、降压起动,原理：Ist = U/Ra 注意：应采用他励 设施：需一套专用电源装置 优点：st 小，过渡平滑，能耗少。 缺点：投资较高。,二、调速,要求： （）范围宽且平滑（）简单经济（）可靠 依据： n = ( U IaRa)/Ce 方法： （）电枢控制，调压或调串接电阻； （）磁场控制，调励磁电流。,、他励和并励电动机的调速,（）串 Rj 调

29、速 因为n = U/Ce (Ra + Rj )Te/CeCT 2 则可得其机械特性曲线如下：,特点： ）简单易行； ）只能在额速下下调； ）调速时能耗大，不宜用于大容量电动机； ）调速范围随负载大小而变化。,（）调压调速 适宜他励直流电动机，需一套专用电源装置，其机械特性见下图,显然：特点如下： ）速比大且平滑； ）机械特性斜率不变，即不受负载的影响； ）能耗小。,（）调励磁调速（在额定励磁下调节） 前提是、一定，分析如下：,n = (U IaRa)/Ce , Ra很小，故转速与磁通成反比，即与励磁电流成反比，又T = CT Ia,Ia,ia. n 随时间的变化如图，过程分析如下：转速不能突变， ,a,Ia,=(U-Ea)/Ra,Te