电机拖动基础第1章直流电机.ppt

1、第1章 直流电机,1.1 直流电机概述,1.4 直流电机的磁场和电枢反应,1.2 直流电机的工作原理,1.5 直流电机的感应电动势和电磁转矩,1.6 直流电动机的运行原理,1.7 直流发电机的运行原理,下一章,上一章,返回主页,1.3 直流电机的基本结构,直流电机包括直流发电机和直流电动机,电机的可逆原理,电机是机械能与电能相互转换的装置。直流发电机能把机械能变为直流电能；直流电动机把直流电能变为机械能。,1换向极铁心；2换向极绕组； 3主磁极铁心；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,转子,定子,气隙,直流电机主要由定子 stator（固定

2、部分）和转子rotor（转动部分）两大部分组成。,1.1.1 直流电机的定子,定子的作用是用来产生磁场和电机的机械支撑。包括主磁极、换向磁极、机座、电刷。,定子是如何产生磁场的?,在电机工作时，定子上绕组（励磁绕组）两端加上电压，电流通入导体就会产生磁场.磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积，该乘积就叫磁通(动）势F。,主磁极是电磁铁,H为磁场强度,由安培环路定律:,N，S极判定:,1.1.2 直流电机的转子,转子用来产生感应电动势（发电机)或电磁力（电动机）来实现能量转换，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器。,转子是如何产生感应电动势的?,电磁感应定律：,正方向： 用右手定则判断。,前提:原动

3、机拖动转子转起来,转子是如何产生电磁力的?,电磁力定律,方向：用左手定则判断。,前提:转子通电,1轴承；2轴；3电枢绕组；4换向极绕组；5电枢铁心；6后端盖；7刷杆座；8换向器；9电刷；10主磁极；11机座；12励磁绕组；13风扇；14前端盖,直流电机,直流电动机,直流发电机,总结,直流电机,转子,定子,定子,主要包括主磁极、励磁绕组、换向极，电刷。,定子的作用是用来产生磁场。,转子,产生电磁力（电动机）,包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器。,产生感应电动势（发电机),1.2.1 直流发电机工作原理,产生电能的两个必要条件,有磁场存在,导体与磁场有相对运动,励磁绕组通电流,被原动机拖动,直流发电机

4、的工作原理, E , E ,线圈边切割磁力线会产生什么？,换向,电刷,换向片,电磁关系,结论：输出的是脉动直流电。,电刷两端的脉振电动势波形,线圈中依然为交流电，通过电刷-换向器将交流电转换成直流输出。,由许多线圈组成电枢绕组，使脉动大大降低。,直流发电机工作原理总结,通过换向器及时改变导线与电刷的连接，使得电刷A总是和N极下的导线相接触，电刷B总是和S极下的导线相接触，这样尽管导线中的电动势是交变的，但是在一定的磁极下，导线中电动势方向是一定的，所以电刷A，B的极性是一定的。,直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动

5、势。,1.2.2 直流电动机工作原理,产生力矩的两个必要条件,有磁场存在,导体中有电流,作用在线圈上的电磁转矩为,电磁转矩就是直流电动机的驱动转矩。,励磁绕组通电流,电枢绕组加电压,线圈边切割磁力线会产生什么？,直流电动机工作原理,电磁关系,直流电动机工作原理总结,在电刷A , B两端加上直流电压, 通过换向器及时改变导线与电刷的连接，使得电刷A总是和N极下的导线相接触，电刷B总是和S极下的导线相接触，由于在一定的磁极下，导线中电流方向是一定的，所以电动机的转矩大小和旋转方向始终保持不变.,直流电动机的工作原理就是把在电刷A , B两端加上直流电压，靠换向器配合电刷的换向作用，使电枢线圈中产生

6、交变电动势。,在电机旋转过程中,转子线圈中的电流方向不断改变,这种电流方向改变的过程称为换向。,1.2.3 直流电动机的换向,1.2.3 直流电动机的换向,换向不良将会在电刷下产生有害的火花。,可安装换向极来改善换向。,换向极,1.3.1直流电机的定子,直流电机的定子,主磁极铁心：通常用1-1.5 厚的低碳钢板冲成一定形状的冲片，然后叠压成整体，再用螺栓固定在机座上。主磁极分成极身和极靴两段，极身较窄，外装励磁绕组，极靴两边伸出于极身之外的部分称为极尖。极靴面向电枢的曲面称为极弧，极弧与电枢外圆之间的间隙称为气隙。,1. 主磁极,励磁绕组：各个主极上的励磁线圈组成励磁绕组，各主极的励磁线圈常用

7、串联方式联接，这样可以保证各主极线圈的电流一致。主磁极在电机中总是成对出现，其极性沿圆周是 N, S交替排列，因此串联时，相邻两主磁极线圈中电流环绕的方向是相反的。,容量大于1kw 的直流电机，在相邻两主磁极之间装设换向极，它的作用是改善换向。换向极形状比较简单，因此常用厚钢板制成。有些电机的换向极也要求用钢片绝缘后叠装而成。换向极上装有换向极绕组，一般由粗的扁铜线绕成，只有几匝，换向极绕组总是与电枢绕组串联的。,2.换向极,换向过程中，由于电流变化，换向元件中会产生自感电动势，俗称电抗电动势。当同槽中有多个元件同时换向时，电抗电动势还包括它们之间的互感电动势在内。这种电动势起阻止换向的作用。

8、电抗电动势越大，换向越困难，甚至在电刷边上会产生火花。严重的火花有时发展成换向器环火而损坏换向器。,换向极为什么能改善换向？,Ldi/dt,改善换向的主要方法是在两个主磁极之间装置换向极，用以在换向元件中产生切割电动势来抵消电抗电动势。因为电抗电动势是随着电流增大而增大的，故换向极绕组需与电枢串联，使换向极磁场及其相应的切割电动势也能随电枢电流同步增大。换向极应接成与电枢电流产生的磁场极性相反。,直流电机电枢绕组和电流均通过电刷装置与外电路相接。电刷本身是由石墨等做成的导电块，根据电流大小的不同，每个刷架上装有一个电刷或一组并联的电刷，同极性刷架上的电流汇集到一起后，引向接线板，再通向机外.,

9、3.电刷,1.3.2直流电机的转子,它提供主极下磁通的通路及安放电枢绕组。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗。电枢铁心通常用0. 5 厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成，片间涂绝缘漆以减少损耗。硅钢片上还冲出转子槽，以便嵌放电枢绕组。,1.电枢铁心,为什么采用铁心而不空心？,磁场强度H:代表电流本身产生的磁场的强弱，反应了电流的励磁能力，与介质无关。,磁感应强度B:描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量。,磁路磁通经过的路径。,磁导率: 衡量物质导磁能力的物理量。,真空的磁导率为常数,铁磁材料磁导率不是常数,磁导率 0,采用铁心而不空心的原因是增磁。,r=

10、/0, 硅钢片为700010000,用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。,2.电枢绕组,将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向片组成。,3.换向器,起转子旋转的支撑作用，一般用圆钢加工而成。带负载。,4.转轴,绕组的构成：直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件构成，所谓元件是指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。不管元件有多少匝，他只有两个引出线，即首端和末端。,1.3.3直流电机的电枢绕组,每一元件有两个放在槽中能切割

11、磁通、感应电动势的有效部分，称为元件边。元件在槽外(电枢铁心两端)的部分，不切割磁通，因而不感应电动势，仅作为联接引线，称为端部。构成元件线匝的两个有效边称为导体。,直流电机的元件嵌放在电枢铁心的槽中，为了便于嵌线，每个元件的一个元件边放在某一槽的上层(称为上元件边)，另一个元件边则放在另外一槽的下层(称为下元件边).,元件数S=换向片数K =电枢槽数Z,绕组的连接方式：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、 复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）,极距 ： 一对磁极在电枢表面所跨过的距离。,电枢总槽数,极对数,单叠绕组, y1 第一节距（用所跨过的槽数来表示 ）。 y1= 为整距绕组； y1 为长距

12、绕组。 y2 第二节距（用所跨过的槽数来表示 ） 。 y 合成节距： y = y1y2,单叠绕组,单叠绕组,电动机,发电机,结论： 同一个元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上。所有相邻元件依次串联，通过换向片形成闭合回路。,并联支路图,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,单叠绕组的展开图,n,Z = p = = y1 = y2 = y =,12 2 3 3 2 1,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,单叠绕组的展开图（发电机）,结论： 每个主磁极下的元件串联成一条支路； 绕组的并联支路对数等于极对数，即 a = 2= p。,n,电刷,换向片,1 2 3 5 6 8 9 11

13、 12 1,n,单叠绕组的展开图（发电机）,输出电动势e： 等于并联支路的电动势。,一个串联支路上的导体数,电枢的全部导体数：N,输出电流Ia： Ia=2aia,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,n,磁极中心线, 电刷的实际位置 电刷的中心线对着磁极的中心线，电刷放在主磁极的最下方。, 电刷的绘图位置 电刷放在几何中心线位置。,几何中心线, 原因 代表换向的分界点。,几何 中性线,电机装配图,型号 2. 额定电压 UN(V) 发电机的 UN ：指输出电压的额定值。 电动机的 UN ：指输入电压的额定值。 3 额定电流 IN(A) 发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动机的 IN

14、 ：指输入电流的额定值。 4. 额定功率 PN (kW) 发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值(UN INN ) 。 5. 额定转速 nN(r/min),1.3.4直流电机铭牌,5. 额定励磁电压 UfN(V) 6. 额定励磁电流 IfN(A) 额定状态 ： 指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 满载状态 ： 指 I = IN 的状态。,表11 直流电动机的铭牌,【例11 】一台Z2型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/m，PN=145kW， N90，求该发电机的额定电流和额定输入功率,【例12 】一台直流电动机，UN

15、=110V，nN=1000r/m，PN=22kW， N84，求该电动机的额定电流和额定输入功率,1.3.5直流电机主要系列,Z，ZF，ZD系列,Z4，ZO2系列,ZJF，ZJD系列,ZJF，ZJD系列,S，SZ，SY系列,ZCF，CYD，ZYS和CY系列,安培环路定律（全电流定律）,在磁场中，磁场强度H(magnetic field density)沿任意闭合回路 l 的线积分，等于该闭合回路所包围的所有电流的代数和。,对于通电螺线管，磁场是均匀的，磁场强度H处处相等，总电流由通有电流的匝线圈提供：,安培定则又叫右手螺旋定则: 对于螺线管，以右手握住它，四指弯向电流的方向，螺线管可以看作一个条形磁铁，大拇指指向的一端就是它的北极,N，S 判定,右手螺旋定则,电磁感应定律：导体在匀强磁场中做切割磁力线运动时，导体里产生的感应电动势的大小，跟磁感应强度、导体的长度、导体运动的速度以及运动方向和磁力线方向的夹角 的正弦成正比,右手定则：伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入