第7章直流电机的基本理论1-4.ppt

1、第 7 章 直流电机的基本理论,7.1 直流电机的工作原理,7.2 直流电机的基本结构,7.3 直流电机的电枢反应,7.4 电流电机的电磁转矩和电动势,7.5 直流电动机的运行分析,7.6 直流电动机的功率和转矩,7.7 直流发电机的运行分析,7.8 直流发电机的功率和转矩,第 7 章 直流电机的基本理论,7.1 直流电机的工作原理,7.2 直流电机的基本结构,7.3 直流电机的电枢反应,7.4 电流电机的电磁转矩和电动势,7.5 直流电动机的运行分析,7.6 直流电动机的功率和转矩,7.7 直流发电机的运行分析,7.8 直流发电机的功率和转矩,电机与拖动,本章基本要求,了解直流电机的基本结构

2、、工作原理 熟悉直流电机的励磁方式 理解直流电机电枢绕组的构成及特点 掌握电枢电动势和电磁转矩的计算 理解和掌握直流电机的工作特性和机械特性 了解直流电机的换向,直流电机是电机的主要类型之一。,直流电动机:用直流电源供电的电动机。 直流发电机：产生（对外输出）直流电。,直流电机的优点：,(1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制、可靠性高。,直流电机的缺点：,(1)结构较复杂。 (2)成本较高，维护不方便。 (3)换向问题，使其使用受限制。,励磁机,测速,伺服,应用:,1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井

3、提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等 3)家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具,即： 运动导体切割磁力线， 在导体中产生切割电势； 交链线圈的磁通发生变化，在线圈中发生感应电势。,直流电机的工作是基于电磁感应定律,7.1 直流电机的工作原理,直流电机的最简单的物理模型,电刷,换向片,电刷,转轴,换向片,直流电机模型,产生旋转,磁极,半环形金属环,支柱,线圈,一、直流电动机的工作原理,第7 章 直流电机的基本理论, U ,一、直流电动机的工作原理,电刷,线圈边切割磁感线会产生什么？,换向片,i,i,f,f,e,e,e,e,i,i,1800,电

4、刷和换向片的作用是什么？,T,a,b,c,d,将外部直流电转换成内部的交流电(逆变)，以保持转矩方向不变。,反电动势,外部直流电经过换向器和电刷的逆变作用，转化成电枢内部交变的电压电流。这一过程成为电流的换向。 从空间上看， N极S极下，电枢电流方向不变。 N极或S极下的导体受力方向不变。 电磁转距T与转速n方向相同，是驱动性质的。 电枢电动势和电枢电流的方向相反，是反电动势。,结 论,(00),直流电流,交流电流,电磁转矩 (拖动转矩),机械负载,反电动势,做功,7.1 直流电机的工作原理,电动机的电磁关系,外加电源,电刷和换向器,电枢绕组内部,气隙磁场,转子,二、直流发电机的工作原理, E

5、 ,7.1 直流电机的工作原理, E ,载流导体在磁场中会产生什么？,电刷和换向片的作用是什么？,e,e,-,+,f,f,1800,e,e,-,+,将内部的交流电转换成外部直流电(整流),制动性质的电磁转矩,转子铁心和转子绕组统称为电枢,导体ab和cd中的电枢电流及电枢电势是交变的。 从空间上看， N极/S极下，电枢电流方向不变。 电刷间输出的电势极性始终不变（直流电动势）。 电枢电动势和电枢电流的方向相同。 电磁转距是阻力（制动）性质的。,结 论,输出 直流电,原动机,感应电动 势、电流,电磁转矩 （阻转矩）,做功,电磁关系,机械能,电刷和换向器,电枢绕组内部,气隙磁场,转子,直流电机的可逆

6、原理,一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。,如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；,如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。,S,b,N,a,c,d,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,定子,转子,电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,气隙,7.2 直流电机的基本结构,一、主要部件 1. 定子 (1) 主磁极 (2) 换向磁极 (3) 机座 (4) 端盖等,第7 章 直流电机的基本理论,直流电机的定子,(a) 主磁极,(b) 机座,1)、主磁极,构

7、成：主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,作用：建立主磁场。,定子结构简图,主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压而成。,（2）换向极,1换向极铁心,2换向极绕组,换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。,换向极绕组与电枢绕组串联。,作用：改善换向。,1.5.1 换向概述,1.5 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

8、电流方向如图所示，大小为,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。,1.5.2 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

9、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。,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,1.5.3 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

10、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：,直流电机的定子装配图,直流电机的定子,（3）机座,构成：用厚钢板或铸钢件制成。,作用：1、主磁路的一部分；,2、电机的结构框架。,（4）端盖,端盖：装在电机机座两侧的端面上，保护电机内部免受外界的侵害并保护工作人员的安全，防止触电。,（5）电刷装置：电枢电路的引入引出装置,构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。,电刷的作用：把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。,2. 转子（电枢）,(1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组,7.2 直流电机的基本结构,(3) 换向器

11、(4) 转轴与风扇,直流电机的转子,(a) 转子主体,(b) 电枢钢片,（1）电枢铁心,作用： 一是作为电机主磁路的主要部分； 二是嵌放电枢绕组。,为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。,（2）、电枢绕组,作用：直流电机的电路部分，产生感应电动势。,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。,电枢铁心和绕组,多个线圈按照一定方式绕制而成。,作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。,构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。,（3）换向器,直流电机的转子,附录4 直流电机

12、图片,直流电机的气隙 在静止的主磁极与电枢之间，有一空气间隙，由于空气的磁阻较大，因而它在电机的磁路中有重要的影响。小型电机的气隙约为13mm，大型电机的约为1012mm。,直流电机模型,7.2 直流电机的基本结构,直流电机的结构,电枢,直流电机结构简图,7.2 直流电机的基本结构,电机装配图,7.2 直流电机的基本结构,直流电机,小型直流电机,永磁无刷直流电动机, 直流电机的电枢绕组,对电枢绕组的要求：,在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电气、热）， 运转可靠，结构简单等。,电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部

13、分，亦是实现机电能量转换的枢纽。,直流电枢绕组基本知识,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,电枢绕组：结构形状相同的线圈，按照一定的规律连接而成。,上 层 边,下 层 边,端接部分,实际电机模型,N,S,电枢绕组展开图,A,B,A,图 等值电路,N,S,n,A,B,直流电枢绕组,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,7.2 直流电机的基本结构,直流电枢绕组,电动机,发电机,两匝元件,7.2 直流电机的基本结构,叠绕组,波绕组,1 2 3 5 6 8 9 11 12,单叠绕组的展开图, 并联支路对数：a = 2=p。 电刷的中心线对着磁极的中心线。,n,7.2 直流电

14、机的基本结构,槽数Z=12，p=2，双层整距绕组 线圈节距y=,单叠绕组的展开图, 电刷的中心线对 着磁极的中心线： 电刷之间的电动 势最大。 被电刷短接的元 件电动势为零。 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。,磁极中心线,几何中心线,7.2 直流电机的基本结构,二、励磁方式,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,1. 直流电动机按励磁方式分类,7.2 直流电机的基本结构,供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。,2. 直流发电机按励磁方式分类,7.2 直流电机的基本结构,他 励,串 励,复 励,并 励,电机的铭牌数

15、据,三、额定值,1. 额定电压 UN 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。 2. 额定电流 IN 发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动机的 IN ：指输入电流的额定值。 3. 额定功率 PN 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 ) 。,7.2 直流电机的基本结构,4. 额定转速 nN 5. 额定励磁电压 UfN 6. 额定励磁电流 IfN 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。,7.2 直流电机的基本结构,电

16、动机轴上输出的额定转矩：,直流电机的铭牌数据,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。,直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，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。,7.3 直流电机的电枢反应,四极直流电机空载时的磁场示意图。,主磁通：同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩。,漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩。,一、直流电机的空载磁场,气隙磁密分布平顶波,磁极中心及附近：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：气隙明显增大，

17、磁通密度显著减少； 几何中性线处：气隙磁通密度为零。,空载时的气隙磁通密度的波形,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。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,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。,几何 中心线,励磁磁场 （空载磁场）,物理 中心线,电枢磁场,合成磁场 （负载时的磁场）,物理 中心线,电枢反应：,电枢磁通势对主极磁场的影响。,第7 章 直流电机的基本理论,减少,增加,减少,增加,电枢反应的影响, 总磁场被扭歪了 几何中心线与物理中心线分开了,

18、 电刷位置处的元件的 e0，增加换向困难。 一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少， 磁路不饱和时，每极磁通不变； 磁路饱和时，,每极磁通减少，e 和T 相应减少。,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。,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,一、电磁转矩 1. 产生 电枢电流 i 磁 场 ,F,T,2. 大小 电磁力： F = B l i 平均磁密：,第7 章 直流电机的基本理论,极距,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,一、电磁转矩 1. 产生 电枢电流 i 磁 场 ,F T,2. 大小 电磁力： F = B l i