第二章 航空电机

1、第二章 航空电机,直流发电机,第一节 概述,第二节 直流电机的基本结构和工作原理,第四节 直流电动机,第五节 三相异步电动机,第六节 两相和单相异步电动机,第七节 飞机同步发电机,航空电机电子教案,第三节 直流发电机,第一节 概 述,一、航空电机的分类 二、航空电机的工作条件 三、航空电机的主要特点,课堂重点,习题,航空电机电子教案,一、航空电机的分类,（一）普通电机的分类,（二）航空电机的分类根据在飞机上的应用,主电源发电机 驱动电机 控制电机 变流机,航空电机工作环境的特殊性，决定了航空电机在结构、性能上有别于地面电机。 环境温度 -5560 大气压力 H，P 湿度 在高温、高湿作用下，对

2、电机的电气性能和机械性能影响很大 大气成分 机械过载高速旋转、冲击载荷,二、航空电机的工作条件,体积小，重量轻 特定的电压和频率 电压DC：28V AC：115/200V f： 400Hz，三相 四线制,三、航空电机的主要特点,Chap 2,第二节 直流电机基本结构和工作原理,一、直流电机概述 二、直流电机的基本结构 三、直流发电机的工作原理 四、直流电动机的工作原理 五、直流电机的换向,相关链接,习题,2. 直流电机结构及工作原理,一、直流电机概述,直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机既可作为发电机使用，也可作为电动机使用。,直流电机的主要结构,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,

3、电枢铁心,电枢绕组,换向器,转轴,轴承,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,图1 电机物理模型,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,图2 电机结构剖面图,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,主磁极：主磁极的作用是建立主磁场。一般可以是永久磁铁或通直流电的励磁绕组建立磁场。主磁极个数一般为偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。 机座：起导磁和机械支撑作用。有整体式和叠片式两种。,图3 主磁极结构图,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,换向极： 换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极。 其作用是改

4、善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。其结构与主磁极相似，个数与主磁极极数相等。,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,图4 换向极结构图,电刷装置 电刷是电枢电路的引出（或引入）装置，由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。当电枢旋转时，电刷与换向器表面形成滑动接触。,2. 直流电机结构及工作原理,图5 电刷结构图,二、直流电机的基本结构,电枢铁芯： 电机主磁路的一部分。通常采用0.5mm厚的低碳硅钢片冲压叠装而成。,电枢绕组： 由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成。,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,换向器： 在直流发电机中，换向器起整流作

5、用；在直流电动机中，起逆变作用。通过连接片与电枢线圈相连。,2. 直流电机结构及工作原理,二、直流电机的基本结构,2. 直流电机结构及工作原理,三、直流发电机的工作原理,上图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。,导体ab处于N极下方时,2. 直流电机结构及工作原理,三、直流发电机的工作原理,直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abc

6、d将感应电动势。 如右图，导体ab在N极下方：a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。,I,导体cd处于N极下方时,2. 直流电机结构及工作原理,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 180度后，如左图。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，,三、直流发电机的工作原理,2. 直流电机结构及工作原理,三、直流发电机的工作原理,因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两

7、端可获得直流电动势。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,工作原理动画演示,电枢电势 Ea=Cen,导体ab处于N极下方时,2. 直流电机结构及工作原理,四、直流电动机的工作原理,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如左图。,I,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时

8、针方向旋转。,导体cd处于N极下方时,2. 直流电机结构及工作原理,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 180度后，如左图。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，,四、直流电动机的工作原理,2. 直流电机结构及工作原理,四、直流电动机的工作原理,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个

9、线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,工作原理动画演示,电枢电势 Ea=Cen,换向：旋转的电枢绕组元件从一条支路经电刷短路，而进入另一条支路，元件里电流改变方向的过程，称直流电机的换向问题。,换向不良时带来的危害： 换向不良将在电刷、换向片之间产生火花，火花大到一定程度时，可能损坏电刷和换向器表面。,换向动画演示：,2. 直流电机结构及工作原理,五、直流电机的换向,换向火花产生原因： （极为复杂） 电磁性原因 换向时，元件中的自感电势、互感电势以及切割磁通的切割电势，在换向回路中产生附加电流； 机械原因摩擦

10、、磨损； 化学原因高空缺氧、水，导致换向器表面的化学反应而使表面保护膜破坏。 改善换向的措施 增大换向回路电阻 设置换向极和补偿绕组。,2. 直流电机结构及工作原理,五、直流电机的换向,Chap 2,第三节 直流发电机,一、直流电机的励磁方式 二、直流发电机的稳态运行方程式 三、并励直流发电机的自励 四、直流发电机的运行特性,课堂重点,习题,一、直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式（励磁绕组的接线方式） 他励 自励串励、并励、复励 接线图,二、直流发电机的稳态运行方程式,（一）发电机的电势平衡式,发电机Ea、Ia同向 Ea=IaRa+U （1）,2. 电动机Ea、Ia反向 转子导体在磁场中受

11、力产生转矩，转子旋转，产生电势Ea，与电枢电流Ia反向，故又称反电势。,U=IaRa+ Ea （2）,将式（1）两端同乘Ia，得：,（三）转矩平衡式,M1=M+M0 (4),（二）功率平衡式,P2负载有效功率 PCua电枢回路总铜耗,(3),式（4）两端同乘电机角速度，得： M1 =M +M0 (5),P1原动机输入机械功率 PM电磁功率 P0 空载损耗功率,（四）发电机的效率,由式（3）（6）得 P1=P2+Pcua+P0=P2+P, P= Pcua+P0,三、直流发电机的自励,自励： 励磁绕组并接于电枢绕组两端，由发电机本身端电压提供励磁，而发电机似的端电压又必须在有了励磁电流后才能产生，

12、所以，并励发电机由初始的U=0到正常运行时的U，有一个自己建立电压的过程（自励）,电机的主磁极通常总有剩磁存在。 原动机拖动转子旋转，电枢绕组切割剩磁场r，产生一个不大的剩磁感应电势Er。 这一电势加到励磁绕组将产生一个不大的励磁电流If。 该励磁电流产生的磁势1如果和剩磁r同方向，将相互加强，会建立起稳定电压。 该励磁电流产生的磁势1如果和剩磁r反方向，将相互减弱，无法建立稳定电压。,自励过程,自励条件：,电机主磁路有剩磁r； 励磁绕组极性正确； 励磁回路总电阻小于建压临界电阻。,四、直流发电机的运行特性,运行特性： 在发电机的运行参数U、I、If中，固定其中一个，研究另外两个参数之间的关系

13、叫运行特性。不同励磁方式的电机运行方式不同。,负载特性 I=Cont. U=f(If)； I=0时，为空载特性。见图2-14,并励 U=Ea-IaRa=Cen - （I+If )Ra; I增大，导致： 电阻Ra上的压降增大 ，导致端电压U下降； U下降，导致If 下降， 下降，进一步降低U。,外特性图,调节特性 a) 负载调节特性：U=Cont. If=f(I) 当负载电流I发生变化时，通过调节If来使端电压保持不变。 并励：当I增大，则U下降，此时，若提高If ，则Ea增大，U增大，从而使U保持不变。故I，If 速率调节特性： I=Cont. If=f(n) I不变，当n变化时，通过调节If

14、来使端电压保持不变。 并励：当n增大，则U增大，此时，若减小If ，则Ea减小，U减小，从而使U保持不变。故n，If,Chap 2,第四节 直流电动机,一、直流电动机的特性 二、直流电动机的起动和调速 三、直流电动机的反转和制动,课堂重点,习题,一、直流电动机的运行特性,（一）转速特性U不变时，n=f(Ia),转速特性 a) 并励If=U/Rf， If 、为常数,b) 串励If=Ia，=kIa,U=Ea+IaRa， Ea=Cen,(二）转矩特性U=Cont. , M=f(Ia),并励电动机=Cont.,串励电动机=kIa,转矩特性图,(三）机械特性U=Cont. n=f(M),机械特性方程式：

15、,并励If 、为常数,串励=kIa， 与转速特性相似，也呈双曲线关系,二、直流电动机的起动和调速,（一）起动 起动：电机从静止到稳定运行阶段 直接起动电流： n=0， Ea=0， Ist=(U-Ea)/Ra=U/ Ra=1020IN 起动要求 （1）励磁线圈不能断路；（2）Ist尽可能小； 起动方式： 直接起动 降压起动（U减小） 电枢电路串电阻或分级起动,（二）调速,调速方法： 改变电枢回路调节电阻Rj 改变电动机的磁通 改变电动机的端电压U,转速表达式：,三、直流电动机的反转和制动,（一）反转 由M=CmIa，可知，改变电动机转向的方法有： 改变主磁极(If )方向； 或改变电枢电流Ia方

16、向； （二）制动 定义：当断开电机电源时，为使电动机尽快停止转动，在电机转轴上产生一个与电机转向相反的阻碍力矩，来制止电动机继续运转的方法。,能耗制动：利用电动机本身的转动惯性来产生制动转矩，消耗电动机转动的部分动能。 反接制动：改变电枢电流方向或主磁通方向，使电磁转矩反向，待n0时，切断电源。 回馈制动：使电动机工作在发电机状态（由负载反向带动），产生反电势，形成制动转矩。,直流发电机和直流电动机比较,Chap 2,第五节 电机的发热与冷却,一、直流电机的铭牌数据 二、电机的发热与冷却,课堂重点,习题,一、直流电机的铭牌数据,型号ZXX-XXX 额定功率PN(kw)， 发电机：输出电功率 电

17、动机：输出的机械功率 额定电压UN(v)， 发电机：额定状态下的输出电压 电动机：额定状态下的输入电压 额定电流IN(A)， 发电机：供给负载的电流 电动机：从电源输入的电流 额定转速ne(rpm)， 额定运转情况下的转速。 励磁方式， 工作方式：长时、短时、短时重复工作 额定温升（相对于环境温度升高多少）,二、电机的发热与冷却,热源：电机中的各种损耗消耗电能热能 Q=(1-)P1t(a) 通过辐射传至介质 (b) 由自身元件吸收，使电机升温 电机稳定温升m=t-t0，此时，电机温度不再升高。 要求：电机温升低于电机所用绝缘材料的允许温度,备注： 长时工作的电机 ： (1) 以额定数据长时工作

18、时，实际温升可接近稳定温升； (2) 作短时工作时，可在许可范围内过载 (3) 短时重复工作，允许过载，但不能超过允许温升。 短时工作电机：不宜长时工作,Chap 2,第六节 三相异步电动机,三相异步电动机的结构 旋转磁场的产生 电动机工作原理 转差、转差率,课堂重点,习题,定子 定子铁心 定子绕组 其他部件（机座、端盖、风罩、铭牌等） 转子 转子铁心 转子绕组 其他部件（轴、轴承、风扇等） 按结构分类：鼠笼式、线绕式 按n与f1的关系分：同步电机、异步电机 另外，在定子和转子之间，还存在一0.21mm的气隙,一、异步电动机的结构,三相鼠笼式异步电动机,三相线绕式异步电动机,定义：旋转磁场是一

19、种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。 类型： 机械旋转磁场 电气旋转磁场 电气旋转磁场产生过程 三相对称绕组通入对称三相交流电，则有瞬时电流如下：,二、旋转磁场的产生,N,S,S,N,N,N,S,假定：i0时，末进首出,S,旋转磁场动画演示,同步转速 旋转磁场转速即同步转速，n0 a) 电机有一对磁极时，n0=60f1 b) 电机有p对磁极时， n0=60f1/p （r/min） 结论 三相对称交流绕组通入三相对称交流电时会在电机气隙中产生旋转磁场； 旋转磁场转向取决于三相绕组中通入的三相交流电的相序； 旋转磁场的转速与交流电的频率和电机的极对数有关。,三、 异步电动机工作原理,定子三相

20、绕组 通三相交流电,产生旋转磁场,转子导体与旋转 磁场相互作用,转子导体感 应出电势,带电转子导体 受旋转磁场力作用,在转子上形成电磁转 矩，驱动电机旋转,f,f,n,转差：同步转速与转子实际转速之差,四、转差、转差率,转差率：,转差率是异步电动机的一个基本变量，根据转差率可以区分异步电动机的运行状态： 起动瞬间，n=0，s=1 作为电动机运行时，01,三种运行状态比较：,课堂重点,掌握： 1.普通电机和航空电机的分类方法 2.航空电机的特点 了解： 1.航空电机的工作条件,习 题,一、填空： 普通电机按功用分，可分为 、 、 、 。 航空电机可分为 、 、 和 。 3. 航空电机的特点有 和 。,课堂重点,掌握： 1.直流电机的基本结构 2.直流发电机、直流电动机的工作原理 了解： 1.直流电机的换向,习 题,简述直流电机的基本组成及各部件的功用。 分析直流发电机的工作原理。 什么叫直流电机的换向？换向不良会对电机带来什么危害？如何解决？,课堂重点,掌握： 1.直流发电机的自励过程和自励条件2.直流发电机的运行特性 了解： 1.直流电机的稳态运行方程式,习 题,一、填空： 直流发电机按励磁方式可分为 、 ， 自励发电机又可分为 、 和 。