直流电机原理.ppt

1、第三章DC电机的原理、应用及基本工作原理DC电机的主要结构和型号磁路电枢绕组电动势和电磁转矩DC电机的工作原理分励DC电机的机械特性DC电机的换向3.1 DC电机、励磁机、测速和伺服的应用及基本工作原理3 . 1 . 1 DC电机的应用及特点DC发电机的电位波形良好，对电磁干扰影响小直流电机调速范围宽，调速特性平稳。DC电机过载能力强，启动和制动力矩大。易于控制，可靠性高。由于换向器，制造复杂，价格高。3.1.2基本工作原理。DC发电机、电刷、换向器、转子、绕组和定子的工作原理，DC发电机在运行中的一些结论：1)电枢线圈中的电势和电流方向为交流电；2)刷子之间有DC势。线圈中的感应电势与电流方

2、向一致。3)从空间角度看，电枢电流产生的磁场在空间中是一个恒定磁场；4)产生的电磁转矩t与转子转动方向相反，具有制动特性。2.DC电机的工作原理，DC电机运行的一些结论：1)外加电压和电流为DC，电枢线圈中的电流为交流；2)线圈中的感应电势与电流方向相反；3)线圈在旋转，电枢电流是交变的；4)产生的电磁转矩与转子转向相同，具有驱动特性。总之，原则上，DC电动机既可以用作电动机，也可以用作发电机。同一个电动机既可以作为电动机又可以作为发电机运行的原理在电动机理论中被称为可逆原理。DC电机的主要结构和型号，主磁极，换向磁极，电刷装置，框架，端盖，电枢铁芯，电枢绕组，换向器，转轴，轴承，DC电机，3

3、.2.1主要结构，1。定子部分，(1)主磁极，1个主磁极铁芯，2个励磁绕组，3个主磁极铁芯框架，4个转子，(2)换向磁极，1个换向磁极铁芯，2个换向磁极绕组，换向磁极铁芯通常由全钢或钢板叠片制成。换向极绕组与电枢绕组串联。功能：改善换向。(3)机座，功能：一是用于固定主磁极、换向磁极和端盖等。并起到机械支撑的作用；第二，作为电机磁路的一部分。框架通常由铸钢或厚钢板焊接而成。(4)电刷装置电刷的功能是将旋转电枢绕组与静态外部电路连接起来，并与换向器配合，起到整流器或逆变器的作用。4个电刷架、3个电刷、2个压缩弹簧、1个铜线编织层、2个转子部件、(1)电枢铁芯，其功能是作为电机主磁路的主要部分；其

4、次，电枢绕组是嵌入式的。为了减少电枢旋转时由磁通量变化引起的磁滞和涡流损耗，电枢铁芯通常由两面涂有绝缘漆的0.5毫米厚的硅钢片层压而成。(2)电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，是DC电机的主电路部分，是通过电流和感应产生电动势实现机电能量转换的关键部件。线圈用绝缘的圆形或矩形截面导线缠绕，并嵌入电槽中。上层和下层以及线圈和铁芯之间应适当绝缘。然后，用槽楔将其压紧，然后用钢丝或玻璃带将其绑紧，以防止离心力将绕组抛出槽外。(3)换向器功能：它将通过电刷的DC电流转换成绕组中的交流电。在DC发电机中，它将绕组中的交变电动势转换成电刷端的DC电动势。换向器由许多换向器片组成。换向器片由云母绝缘。

5、电枢绕组每个线圈的两端分别焊接在两个换向器片上。DC电机基本结构概述，主要由定子和转子组成。对于DC电机，额定容量PN:输出功率，单位kW，额定电压UN:额定状态下的端电压，单位V，额定电流in:额定状态下的端电流，单位A，额定速度nN:额定状态下的电机速度，单位r/min，额定励磁电压，额定励磁电流和励磁方式等。电机轴上的额定转矩输出：3.2.2电机铭牌数据，3.3 DC电机磁路，气隙磁密和空载磁化特性，3 . 3 . 1 DC电机磁路，DC电机空载时的磁场分布，磁路从气隙1开始，经过齿轭齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1，最后回到气隙1，各磁极的磁势：电枢轭磁阻：主磁极磁阻：定子轭磁极磁阻：

6、主磁极磁动势，3.3.2空载气隙磁通密度分布波形，如上图所示：省略铁芯中的磁阻：而上式中的分子为气隙；分母是空气渗透系数、磁管宽度和电机轴长度li，即面积。可以得出结论，在一个磁极内，激发磁势的大小是相同的，B的大小与气隙长度完全成反比。主磁极直轴附近的气隙较小，气隙均匀，磁阻较小，即该位置的主磁场较强，超过该位置，气隙逐渐增大，主磁场逐渐减弱，当到达两极之间的几何中心线时，磁密度等于0。空载磁化特性为了感应电动势或产生电磁转矩，DC电机的气隙中每极需要一定量的磁通量。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DC电机的空载磁化特性。为了经济合理地利用材料，额定磁通设定在图中的点A，

7、即磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。3.3.4 DC电机激励模式，Ua、Uf，分别激励、并联激励、串联激励和复合激励，1。DC电机按励磁方式分类，2。DC发电机按励磁方式分为单独励磁、串联励磁、复合励磁和并联励磁，DC电机3.4电枢绕组，对电枢绕组的要求：当通过规定的电流并产生足够的电势和电磁时，电枢绕组是DC电机电磁感应的关键部件之一，是DC电机的电路部分，是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的基本知识：部件：组成绕组的线圈称为绕组部件，分为单匝和多匝两种。元件头端：每个元件引出两根导线与换向器片连接，其中一根称为头端，另一根称为端。磁极距离：沿电枢表面的两个相邻主磁极轴之间的距离，表示为。头

8、端，端，绕组物理图，DC电机模型(见扩展)，电枢绕组的基本知识：第二节距y2:连接到同一个换向器片的两个部件中，第一个部件的下边缘和第二个部件的上边缘之间的距离。第一节距y1是元件的两个有效边在电枢表面上跨越的距离。复合节距y:连接在同一个换向器片上的两个部件的相应边缘之间的距离。换向节距yk:连接在同一部件头端的换向器片之间的距离。电枢绕组的基本知识：K:换向片的数量，S:元件的数量，z:实槽，实槽，u:虚槽，在一层实槽中并排放置的元件的边的数量，Ze:虚槽的数量，Ze=uZ=S=k，z:电枢绕组的导体的总数，z=2uzny=2ny特征：虚槽的数量，Ze:元件的数量，S和换向片的数量是相同的

9、。单组绕组的复合节距等于一个槽，换向节距等于一个换向器片。y=yk=1，即ZZeSK16，图1-12，单组绕组展开图(p1 ZZeS6)，DC电枢绕组，结论：整个电枢绕组单叠绕组分析示例：1 .数据计算，yyk1，示例：极数p2，每槽两层，每层一侧(u=1)，ZZeSK16，有时，不是整数，但y1=4是整数，所以，夸大极距就是得到最大扭矩，2。单叠绕组展开图、元件2:元件上边缘位于槽2中，元件下边缘位于下层，距离y1=4，即6个槽。通过类比，电刷和磁极在某一时刻放置，磁极：磁极宽度约为0.7，N极和S极交替排列。电刷：连接内部和外部电路。为了获得最大的DC电势并在正负电刷之间产生最大的电磁转矩

10、，电刷被放置在被电刷短路的部件的电势为零的位置。零电位元素：一个主极点下元素边缘的电位方向相同。磁极几何中心线上的电势为零。电刷放置：电刷放置在主磁极的轴上。绕组线路图：结合电刷的放置，得到瞬时线路图，每个极下的元件形成一个支路。也就是说，单组绕组的并联支路数正好等于电机的极数。单组绕组的特点：元件的两个引出端连接到两个相邻的换向器片上。平行支路的数量等于磁极的数量，2a=2p在整个电枢绕组的闭环中，感应电动势之和为零，绕组中没有换向；每个支路由不同的电刷引出，电刷的数量等于磁极的数量；正负电刷感应的电动势是各支路的电动势，电枢电压等于支路电压；由正负电刷引出的电枢电流Ia是每个分支电流的总和

11、，即3.4.2单波绕组，由串联的元件产生的电势沿相同方向相加，产生一个节距。单波绕组：换向节距yk必须符合这一点，即绕组从一个换向器片开始，一周后沿电枢铁芯返回到原起点的相邻片，然后可以重新绕制。单波绕组的连接规则是将同极性磁极下的元件连接起来。(yk为整数)，单波绕组分析示例：示例：p2，Ze=SK15，1。绕组数据计算、元件、极和电刷放置原理、元件和换向器放置：1个元件在上面有一个槽，在下面有四个槽；首尾相连的换向器片之间的距离为yk7；为了端部对称，在头部和端部连接的两个换向器片之间的中心线与一个元件的轴线重合。1连接到元件上边缘的换向器片设置为1。依次加入。磁极放置：南北磁极均匀交替排

12、列。电刷放置：将其放在与主极轴对齐的换向器片上。单波绕组展开图、槽展开图、单波绕组元件连接顺序表。从绕组展开图可以看出，所有15个元件串联形成一个闭合回路的顺序如下：上层侧、下层侧、槽号和元件号、槽号、换向片号、回路中相邻的短路换向片、单波绕组线路图、连接所有同极性元件串联的单波绕组。由于磁极分为N和S两部分，单波绕组的分支对数始终为1，即a1，与磁极对数的个数无关。1.电枢电动势：电枢电动势是指DC电机正负电刷之间的感应电动势，即电枢绕组中各并联支路的感应电动势。因此，我们可以先求出极距范围内导体的平均电动势，然后求出分支的平均电动势。在磁极的极距范围内，平均磁密度表示为，极距为0，电枢的轴

13、向有效长度为0，每极磁通量为0，则电枢电动势和电磁转矩为3.5，电枢电动势为3.5.1，导体(一个元件侧)的平均电动势为0，并且因为：电枢感应电势为0，这是电动势常数。第二，电磁转矩：如果电动势和发电机求解电磁转矩的过程与求解电动势的过程相同：1)首先计算导体的平均电磁力；2)将平均电磁力乘以电枢半径，得到导体的平均扭矩；3)电机的总电磁转矩是：其中：它是一个常数，称为转矩常数，它是总电枢电流。从表达式中可以看出，电磁转矩的大小与每个极的磁通和电枢电流成正比。3.5.3电枢反应、合成磁场(负载下的磁场)、几何中心线、励磁磁场(空载磁场)、物理中心线、电枢磁场、电枢反应、电枢磁动势和主极磁场变化

14、。3.6 DC发电机，3 . 6 . 1 DC发电机的基本方程，单独励磁DC发电机的实践，1。转矩方程，稳定运行：其中T1为原动机的拖动转矩，T为发电机产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，T0为空载转矩，即电机机械摩擦和铁损产生的转矩。发电机的转动方向由原动机T1T决定，因此电磁转矩是制动转矩和阻碍原动机的阻力转矩。电路方程，电枢电路方程：Ea=U IaRa，其中Ra是电枢电路的总电阻，包括电刷接触电阻和电枢绕组内部电阻。激励电路的方程式为：Uf=IfRf，其中Rf为激励电路的总电阻，包括激励电路的外部串联电阻和激励绕组的内部电阻。从发电机电压的基本方程可以看出，电枢电位Ea必须大于电枢端电压U

15、，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。3.6.2功率平衡关系，从原动机输入的机械功率为：P1=PM p0，其中P1为输入机械功率；永磁是电磁能；P0是空载损耗。空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗pm和附加损耗ps，即p0=pFe pm ps，其中附加损耗也称为杂散损耗，一般难以准确计算。根据经验估计，电磁功率约为额定功率的0.5%1%，功率公式为：可以看出，电磁功率可以表示为PM=T。上述公式表明，电磁功率具有机械功率特性。同时，电磁功率可以表示为PM=EaIa。这个表达式表明电磁能具有电能的性质，所以电磁能是机电能量转换的桥梁。发电机输出的电能为：P2=永磁-多相交流电，其中多相交流

16、电是电枢电路的铜消耗量；P2是输出电功率，输出功率可表示为：P2=UIa，分别激励的DC发电机功率流程图，分别激励的DC发电机功率流程图，S，M，效率，分别激励的DC发电机的总损耗为p=pFe pm pad pCua，即p=p0 pCua效率为：例，例5-1并联激励的DC发电机的数据为：PN=80。NN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，分流绕组内阻Rf=22.8，在额定负载下，调节电阻Rf=3.5，一对电刷的压降2U=2V，pFe pm=2.5kW，附加损耗垫=0.005PN。试计算发电机在额定负载下的输入功率和功率解决方案：(1)计算电磁功率的励磁电流：额定负载电流：电枢电流：电枢电势：电磁功率：(2)计算输入功率转矩方程当电机以恒定速度稳定运行时，有：T=T2 T0，其中电磁转矩计算为：T=CTIa，(T2 T0)为总阻力转矩，方向与T相反，2。电枢电路电压，3.7.2。分别激励的DC电机的功