电机拖动第2章1.ppt

第2章 直流电动机的原理及特性 n2.1 直流电动机的基本结构和工作原理 n2.1.1 基本结构重点 n2.1.2 励磁方式重点 n2.1.3 额定数据 n2.1.4 工作原理重点 n 2.2 直流电机的电枢绕组不讲 n2.2.1 单叠绕组 n2.2.2 单波绕组 第2章 直流电动机的原理及特性 n2.3 直流电机空载和负载时的磁场简介 n2.3.1 直流电机的空载磁场 n2.3.2 负载时直流电机的磁场 n2.4 感应电动势和电磁转矩 n2.4.1 电枢绕组的感应电动势公式重点 n2.4.2 电磁转矩公式重点 第2章 直流电动机的原理及特性 n2.5 直流电动机稳态运行时的基本方程式和功 率关系 n2.5.1 基本方程式重点 n2.5.2 功率关系难点 n2.6 直流电动机的机械特性 n2.6.1 他励直流电动机的机械特性重点 n2.6.2 串励直流电动机的机械特性不讲 n2.7 电力拖动系统稳定运行条件重点 第2章 直流电动机的 原理及特性 n电机的可逆性 n同一电机既可做发电机又可做电动机 n本课程讨论的电机主要是电动机 n直流电机(dc machines) 机械能 直流电能 直流发电机(dc generators) 直流电动机(dc motor) 直流电动机的优点 n按电源性质，电动机分为 n直流电动机：直流电能机械能 n交流电动机：交流电能机械能 n直流电动机的优点： n调速范围宽，调速平滑且容易 n起动、制动和过载转矩大，且易于控制 直流电机 直流电机动画 2.1 直流电动机的 基本结构和工作原理 n2.1.1 基本结构 n从直流电机的主要结构看 n发电机和电动机没有多大差别 定子部分 stator （静止） 转子部分 rotor 又称电枢 armature （旋转） 气 隙 直 流 电 机 的 主 要 结 构 主磁极n、s 励磁绕组 电枢铁心 电枢绕组ax 电刷 换向片 图2.1 小型直流电机的结构图 直流电机剖面示意图 直流电机的主要结构 机 座 主 磁 极 换 向 极 电刷装置 其他部分 电枢铁心 电枢绕组 换 向 器 其他部分 主磁极铁心 励磁绕组 换向极铁心 换向极绕组 电刷、电刷座 端盖、底脚 齿、槽、轴向通风孔 v形套筒、云母环、换向片、连接片 风扇、转轴、轴承 极身、极靴 定子部分 stator （静止） 转子部分 rotor 又称电枢 armature （旋转） 气 隙 直 流 电 机 的 主 要 结 构 在定子、转子之间 1定子部分(stator) n静止部分 机 座 主 磁 极 换 向 极 电刷装置 端 盖 主磁极铁心 励磁绕组 换向极铁心 换向极绕组 电刷、电刷座 极身、极靴 定子部分 stator （静止） 底 脚 （1）机座 作用 导磁 机械支撑： 机座中有磁通通过的部分，称为定子磁轭 导磁较好的材料焊成 固定换向极 主磁极 两个端盖（中、小型电机 ） 厚钢板（小型直流电机 ） 铸钢 （2）主磁极 n作用 n建立主磁场 n多数由励磁绕组通以直流电流 n有时用永久磁铁 n组成 主磁极 主磁极铁心 极身 励磁绕组 极靴 由钢板冲片 叠压紧固而成 用螺杆固定 在机座上 励磁 线圈 ：套装在铁心上 （3）换向极 n又称附加极或间极 n直流电动机容量超过 n1 kw时要装上换向极 n作用 n改善直流电动机的换向 n安装 n一般安装在两相邻主磁极之间 n换向极个数一般与主磁极的极数相等 n换向极绕组与电枢绕组串联 （3）换向极 n构成 换向极铁心： 换向极绕组： 换向极 形状比主磁极的简单 一般由整块钢板构成 套在换向极铁心上 用螺杆固定 在机座上 结构和 主磁极 类似 （4）电刷装置 n组成 n作用 n连接转动和静止之间的电路 n发电机：把转子部分的电流引出到静止的电路中 n电动机：把静止电路中的电流引入到转子电路中 电刷装置 电刷 电刷座 2转子部分(rotor) n转子又称为电枢(armature) n旋转部分 电枢铁心 电枢绕组 换 向 器 风扇 齿、槽、轴向通风孔 v形套筒、云母环、换向片、连接片 转子部分 rotor 又称电枢 armature （旋转） 转轴 轴承 （1）电枢铁心 n是主磁路的一部分 n构成 n将冷轧硅钢片冲成 n有齿、槽的冲片 n然后把这些冲片叠装起来 n就构成电枢铁心 n其片间有很薄的绝缘层 齿 槽 轴向通风孔 （1）电枢铁心 n说明 n电枢铁心上开槽是为了安放电枢绕组用 n为改善通风，电枢铁心可沿轴分成几段 以形成径向通风道 n电枢铁心的安装 n小型电动机的电枢铁心直接压装在轴上 n大型电动机的电枢铁心先压装在转子支架上 然后再将支架固定在轴上 （2）电枢绕组 n构成 n用包有绝缘层的导体 构成电枢线圈 n将线圈按一定的次序 嵌入电枢铁心槽内的 上、下层中 n每个元件的两个出线 端都按一定的规律与 换向器的换向片相连 （3）换向器 （3）换向器 n组成 n由许多鸽尾形的换向片组成 n片间用云母绝缘 n作用 n发电机：起整流作用 n可将电枢绕组中交变的电流 n转换成电刷上的直流 n电动机：起逆变作用 n将电刷上的直流 n变为电枢绕组内的交流 电枢绕组和换向片的连接 动 画 2.3 直流电机空载和负载时的磁 场简单介绍 n直流电机的磁场 n由电机中各绕组共同产生 n包括励磁绕组、电枢绕组、附加极绕组 n但励磁绕组起主要作用 n主磁场 n多数由励磁绕组通以励磁电流，又称励磁磁场 n有时用永久磁铁 n电枢磁场：由电枢绕组通以电枢电流 n主磁场起主要作用 直流电动机原理动画 1直流电机的磁通路径 n主磁通：磁路从主磁极1出发经气隙1电枢齿1电枢轭电枢齿 2气隙2主磁极2定子轭主磁极1，最后又回到气隙1 n漏磁通：不进入 电枢铁心，直接 经过相邻的磁极 或定子轭 n主磁通是主要的 （动画） 2空载磁通密度波形 n空载时电枢电流为0，气隙磁 场是由励磁电流单独决定 n极面下气隙较小且均匀，磁密 较强且均匀 n极面外，气隙迅速增大，磁密 也迅速减弱，几何性中线处磁 密为0 n空载气隙磁密沿电枢外圆的分 布用函数b表示表示：分析可 知它是帽子形（或称平顶波） (a)气隙形状 (b)气隙磁密分布 极身 极靴 几何 中性线 2.3.2 负载时直流电机的磁场 n电枢反应 n直流电机空载时，电枢电流为0，当励磁绕组中有 励磁电流时，气隙磁场由励磁电流单独决定 n带负载后，电枢绕组有电流通过，并产生电枢磁场 n此时，气隙磁场由主磁场（又称励磁磁场）和电枢 磁场共同决定 n电枢磁场会对气隙磁场产生一定的影响，这一影响 称为电枢反应 n电枢反应会使得每极磁通发生变化，也会使气隙磁 场发生畸变，从而影响电机的性能 负载时的磁场 （电流方向，右手螺旋定则确定磁力线） (a)电枢磁场(b)空载磁场(c)负载磁场 励磁 电流 为零 电枢 电流 为零 图2.15 电枢反应 主磁场的 磁通密度分布曲线 （帽子形，或称平顶波） 电枢磁场的 磁通密度分布曲线 （马鞍形） 两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场的 磁通密度分布曲线 （气隙磁场发生畸变） 2.1.3 额定数据 n为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机 座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根 据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为 铭牌 n“z2-72”型号 nz2表示直流电动机 n第二次改进设计型 n7表示机座号 n2表示长铁芯 n1则表示短铁芯 直流电动机的铭牌数据 n额定功率pn：指电动机在额定运行状态下轴上输出的 机械功率，用w或kw表示 n额定电压un：指电动机在额定运行状态下电机两端的 电压，用v表示 n额定电流in：指电动机在额定电压下运行，输出功率 为额定功率时流过电机的电流，用a表示 n额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： n pn = un in n n式中，n为直流电动机的额定效率 直流电动机的铭牌数据 n额定转速nn：指电动机在额定运行状态下转子的转速 ，用r/min表示 n额定励磁电流ifn：指电动机在额定电压下运行，输出 功率为额定功率时，励磁绕组端的电流 n除此之外，电机的额定参数还应该包括绝缘等级、防 护等级、冷却方式、温升、重量等 2.1.3 额定数据 n在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行 称为额定运行 n电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠 n当电机电流小于额定电流时的运行，称为欠载运行， 电机长期欠载，效率不高，造成浪费 n当电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行， 长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机 n所以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况 ，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态 2.1.4 工作原理 n直流电机 n直流发电机：机械能直流电能 n直流电动机：直流电机械能 n工作原理 n1直流发电机的工作原理 n2直流电动机的工作原理 1直流发电机的工作原理 n直流发电机是将机械能 转变成电能的旋转机械 n直流发电机的物理模型 如右图所示 n图中： nn，s为主磁极，不动 nabcd为线圈，旋转 n1，2为换向片，旋转 na，b为电刷，不动 e en 直流发电机的物理模型 直 流 发 电 机 动 画 1直流发电机的工作原理 n当原动机驱动电机转子以恒定转速n 逆时针旋转时 n根据电磁感应定律可知 n在线圈abcd中有感应电动势 n感应电动势大小：e = blv n感应电动势方向：由右手定则确定 n在右图所示瞬间 n导体ab在n极下，e方向：由b指向a n导体cd在s极下，e方向：由d指向c n电刷a极性为正，电刷b极性为负 e en 直流发电机的物理模型 1直流发电机的工作原理 n当电枢逆时针旋转180后，如右图 n导体ab与cd互换了位置 n用感应电动势的右手定则判断 n导体ab在s极下，e方向：由a指向b n导体cd在n极下，e方向：由c指向d n导体ab、cd的e方向都与刚才的相反 n但由于换向片随着线圈一起旋转 n与电刷b接触的换向片与电刷a接触 n与电刷a接触的换向片与电刷b接触 n电刷a极性仍为正，电刷b极性为负 e en 直流发电机的物理模型 1直流发电机的工作原理 n从图可知，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 n可见，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 t0 eda t0 eda 图2.7 线圈感应电动势的变化曲线 图2.8 电刷之间的电动势波形 ne e ne e 交流电动势 直流电动势 直流发电机动画 1直流发电机的工作原理 n思考： n若无换向器？ n综上所述可知： n在直流发电机中 n线圈上的感应电 动势是交变的 n但在电刷上的电 动势方向却是始 终不变的 t0 eda t0 eda 图2.7 线圈感应电动势的变化曲线 图2.8 电刷之间的电动势波形 ne e ne e 交流电动势 直流电动势 1直流发电机的工作原理 n此时，换向片 所起的作用： n是将线圈内的 交流电动势 n改变为外电路 的直流电动势 n即所谓的 n整流作用 t0 eda t0 eda 图2.7 线圈感应电动势的变化曲线 图2.8 电刷之间的电动势波形 ne e ne e 交流电动势 直流电动势 2直流电动机的工作原理 n直流电动机是将电能转变 成机械能的旋转机械 n直流电动机的物理模型 n如右图所示 n与发电机物理模型 n不同之处： n线圈不由原动机拖动 n电刷a、b接到直流电源上 i i f f 直流电动机的物理模型 直 流 电 动 机 原 理 动 画 2直流电动机的工作原理 n电刷a接正极，电刷b接负极 n线圈abcd有电流流过，方向如图所示 n根据安培定律可知，载流导体受到电 磁力，大小：f = bli n导体受力方向：由左手定则确定 nn极下导体ab受力方向：从右向左 ns 极下导体cd受力方向：从左向右 n该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 n当电磁转矩大于阻转矩时 n电枢逆时针方向旋转 i i f f 直流电动机的物理模型 动 画 2直流电动机的工作原理 n当电枢逆时针旋转180后，如右图 n导体ab与cd互换了位置 n由于直流电源产生电流的方向不变 n导体ab、cd的i方向都与刚才的相反 n用安培定律的左手定则判断 n导体ab受力方向变为：从左向右 n导体cd受力方向变为：从右向左 n导体ab、cd受力方向都与刚才相反 n电磁力仍形成逆时针方向电磁转矩 n线圈继续逆时针方向旋转 i i f f 直流电动机的物理模型 动 画 2直流电动机的工作原理 2直流电动机的工作原理 n从以上分析可见： n在直流电动机中 n线圈中的电流方向是交变的 n但产生的电磁转矩方向却是单方向的 n此时，换向片所起的作用： n将外电路的直流电流 n改变为线圈内的交变电流 n即所谓的逆变作用 直 流 电 动 机 动 画 2.1.2 励磁方式 n直流电机的磁场： n多数由励磁绕组通以直流励磁电流产生 n少数由永久磁铁产生永磁式直流电机 n定义： n直流电动机励磁绕组的供电方式 n即励磁绕组获得励磁电流的方式 2.1.2 励磁方式 n分类： n实质： n励磁绕组和电枢绕组如何连接 他励 自励 并励 串励 复励 励磁电流 由其他直流电源 单独供给 励磁电流 由电机自身供给 1他励式 n接线图如图所示 n励磁