直流电机基础3幻灯片.ppt

1、电机及拖动基础,第二章 直流电机,电气与自动化工程学院,2,上一节课的主要内容：,(1) 直流电机的结构、铭牌数据了解 静止部分和转动部分 (2) 直流电机的绕组难点 绕组的几个概念，绕组的展开图、绕组的电路图,电气与自动化工程学院,3,直流电动机的工作原理,直流电动机工作原理图,上电后，线圈通过电流，产生电磁转矩，使线圈在磁场里转动，由于换向器的存在，使得位于同一磁极下的线圈边中电流方向不变，从而使得电机向某一个方向持续旋转。,线圈在磁场里转动，于是在线圈中感应产生反电动势，吸收电功率，实现将电能转换为机械能。,电气与自动化工程学院,4,直流发电机的工作原理,I, E ,某原动机拖动发电机旋

2、转，线圈在磁场里转动，在线圈中感应产生电动势，通过换向器及电刷向外传输；,接上负载后，电流流过线圈，产生制动性质的电磁转矩，吸收机械功率，实现将机械能转换为电能。,由于换向器的存在，使得位于同一磁极下的线圈边中电动势方向不变，即电刷两端输出电压不变；,电气与自动化工程学院,5,第一节距(y1)：元件的跨距（一个元件边到另一个元件边的距离，常用所跨的槽数表示）。,换向器节距(yc)：上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向器节距。,极距：每个主磁极在电枢圆弧上所分得的弧长。经常采用电枢槽数或者机械角度表示。,第一节距(y1)、换向器节距(yc)、极距 ？,电气与自动化工程学院,

3、6,本节课的主要内容：,(1) 直流电机的励磁方式掌握 (2) 直流电机的磁场掌握（难点） 空载磁场、负载磁场（电枢反应） 明确几何中性线和物理中性线的概念与区别,电气与自动化工程学院,7,第二章 直流电机,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 直流电机的绕组 2-4 直流电机的励磁方式及磁场 2-5 感应电动势和电磁转矩的计算 2-6 直流电机的运行原理 2-7 直流电机的换向,电气与自动化工程学院,8,电机中的磁场是怎样产生的呢？其大小和分布情况又是如何？,磁场可以由永磁铁或直流励磁的励磁绕组产生，一般永磁铁比电流励磁建立的磁场弱，大多直流电机是由励磁绕组励

4、磁的。,磁场是电机中感应电势和产生电磁转矩而实现能量转换不可缺少的基本因素之一；,引言,电气与自动化工程学院,9,直流电机工作时的磁场是由电机中各个绕组包括励磁绕组电枢绕组附加极绕组补偿绕组等的总磁势共同产生，其中励磁绕组的磁势起着最重要的作用。,励磁磁场：直流电机中，由磁极的励磁磁动势单独建立的磁场是电机的主磁场，也称励磁磁场。,励磁方式：对励磁绕组如何供电而产生励磁磁动势。,电气与自动化工程学院,10,一、直流电机的励磁方式,1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。,2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。,3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。,

5、4、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。,电气与自动化工程学院,11,注意：直流电机的运行特性随着励磁方式的不同有很大差别。,上述四种励磁方式电动机均可采用；直流发电机主要采用他励式、并励式和复励式。,问题：直流发电机为什么不采用串励式？,直流发电机若处于空载运行时，电枢电流为0，则励磁电流亦为0，即无磁场。,电气与自动化工程学院,12,直流电机的磁场是指电机内部由励磁磁动势和电枢磁动势建立的气隙磁场。,研究直流电机磁场的基本思路：,(1) 假定电机磁场是线性的，分别研究励磁磁动势建立的空载磁场和电枢磁动势建立的电枢磁场。,在两个磁场中，分别得到励磁磁通密度和电

6、枢磁通密度沿电枢表面的分布曲线。,(2) 将两条曲线叠加，再考虑铁磁材料的饱和非线性特性，得到气隙磁通密度沿电枢表面的分布曲线,电气与自动化工程学院,13,二、直流电机的空载磁场（励磁磁场）,空载：直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，且可以不计其影响的一种运行状态。 空载磁场：由定子的励磁磁动势单独建立的磁场。,1. 概念,2. 直流电机的空载磁场: 电机空载时气隙磁场是由励磁绕组通一直流励磁电流所建立的。当励磁绕组通一励磁电流，各主极的极性为交替分布的N、S、N、S，而且电机磁场的分布是对称的，如图2-22所示。,直流电机无负载时，可得到空载磁场。,电气与自动化工程学院,14,图

7、2-22 直流电机空载时候的磁场分布,绝大部分磁通同时交链主磁极绕组和电枢绕组，称为主磁通0。,一部分磁通仅交链励磁绕组，称为漏磁通。,电气与自动化工程学院,15,电气与自动化工程学院,16,直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。主磁通回路中气隙较小，所以磁导率大，漏磁通回路中空间较大，所以磁导率比较小，直流电机里面一般不计漏磁通。,电气与自动化工程学院,17,3. 气隙中主磁场磁通密度的分布,(a) 气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大，幅值为B。,(b) 极靴范围以外，气隙长度增多，B减小，两极间几何中性线

8、处磁密为零。,极靴的宽度小于一个极距。,在磁极轴线下气隙较小，在极尖处气隙较大。,在磁极轴线下磁密B较大，在极尖处磁密B较小。,可以看出，由于气隙中的磁密B不是均匀分布的，这就为工程分析带来了麻烦。,电气与自动化工程学院,18,4. 电机的磁化曲线,空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性，如图所示。,注意：直流电机磁化特性曲线的形状与所采用的铁磁材料的B-H曲线相似。,电气与自动化工程学院,19,二、直流电机负载时的磁场及电枢反应,空载磁场(励磁磁场)：由定子的励磁磁动势单独建立的磁场。,电机空载,1. 概念,电枢磁动势(电枢磁场)：由电枢（转子）电流所建

9、立的磁动势。,电机负载,气隙磁场：由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。,电机负载,电气与自动化工程学院,20,几何 中性线,励磁磁场 （空载磁场）,物理 中性线,电枢磁场,气隙磁场 （负载时的磁场）,物理 中性线,表示电刷,电枢反应：由电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响称为电枢反应。,几何中性线：相邻磁极的中轴线；,物理中性线：电枢表面磁密为0的直线；,电气与自动化工程学院,21, 电刷在几何中性线上时的电枢磁场，电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，即电刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反，N极，电流流入，S级，电流流出。,2. 电枢磁动势对电机气隙磁场等的影响, 磁力线的分布可由

10、右手螺旋定则作出。,电枢磁场, 不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在线圈中的分布情况始终不变。,电气与自动化工程学院,22, 电枢电流所产生的磁场在空间的分布情况也不变，即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。, 电枢磁场和电枢反应取决于电刷的位置，电刷轴线就是电枢磁场的轴线。,电刷轴线, 电枢磁动势轴线的位置总是与电刷轴线重合，而与磁极轴线互相垂直。,电气与自动化工程学院,23,3. 电枢磁动势沿电枢表面的分布情况(单元件),电枢磁场,由全电流定律：F=Nyia,不计铁磁材料中的磁压降，F全部消耗在气隙中。一个磁回路磁动势为F，每个磁回路通过两个气隙，磁动势变为F/2.,规定：几何中性线为纵轴

11、，电枢周长为横轴，建立平面直角坐标系。,磁动势分布,/2,-/2,N,S,电气与自动化工程学院,24,4. 电枢磁动势沿电枢表面的分布情况(多元件),将4个矩形波叠加起来，可得到一个每级高度为iaNy、阶梯数为2的阶梯形波。,当元件边数增多时，趋于一个三角形波。,电气与自动化工程学院,25,每个台阶高度为 Nyia,N电枢绕组的总导线数， Ny每个元件的匝数； S元件数；p极对数； 极距；Da电枢直径,幅值的计算：,阶梯的级数：,每个阶梯幅值为Nyia，因此三角波幅值为,电枢表面的单位周长内的安培导体数，称为线负荷。,总导线数N,极距,电气与自动化工程学院,26,如果忽略铁心内的磁压降，则可以

12、求出电枢磁动势产生的磁密沿电枢表面分布的曲线：,在两级的中间部位，虽然电枢磁动势Fax出现峰值，但是由于这里的气隙较大，因此电枢电动势产生的磁密Bax相对较小。Bax呈马鞍型分布。,电气与自动化工程学院,27,电枢磁场Bax主磁场B0 x负载时气隙磁密Bx,主极产生的空载磁场B0 x分布,电枢磁动势产生的电枢磁场Bax分布,两者直接加和后的产生的气隙磁场Bx分布,两者直接加和并考虑铁心饱和后的产生的气隙磁场Bx分布,通过电枢表面气隙磁密Bx等于零的线为物理中心线，空载时物理中心线与几何中心线是重合的。,负载时物理中心线与几何中心线不再重合。中间存在一个位移角。,电气与自动化工程学院,28,电枢反应对直流电机磁场的影响： （1）负载时气隙磁场发生了畸变。 图中所示为电动机情形。在电动机中物理中心线逆着旋转方向偏移。