《直流电机原理》PPT课件.ppt

电机与电气控制,电子工业出版社,第1篇 直流电机及拖动,第1章 直流电机原理 第2章 直流电动机 第3章 直流电动机的启动、调速和制动,第2篇 变 压 器,第4章 单相变压器 第5章 三相变压器 第6章 其他用途的变压器,电机与电气控制,第3篇 三相异步电动机及拖动,第7章 三相异步电动机 第8章 三相异步电动机的电力拖动,第4篇 其他用途的电动机,第9章 单相异步电动机 第10章 同步电动机 第11章 控制电机,第5篇 电气控制技术,第12章 常用低压电器 第13章 电气控制的基本线路 第14章 机床电气控制线路 第15章 可编程序控制器（PLC）,第1章 直流电机原理,内容提要: 本章主要讲述直流电动机的基本工作原理；直流电动机的结构以及各部件的作用，重点介绍能量转换的核心部件电枢绕组不同形式的连接规律和特点。 感应电势和电磁转矩的计算。 直流电机的磁场以及改善换向的方法。,1.1 直流电机基本工作原理,1.1.1 直流电机的模型结构 图1.1 直流发电机工作原理,1.1 直流电机基本工作原理,1.1.2 直流发电机工作原理 1感应电势的产生 2电势的波形,1.1 直流电机基本工作原理,图1.2 线圈电势的波形 图1.3 电刷两端的电势波形,1.1 直流电机基本工作原理,图1.4 两个线圈换向后的电势波形 图1.5 多个线圈电刷两端电势波形,1.1 直流电机基本工作原理,1.1.3 直流电动机的工作原理 在图1.6所示瞬时，电流i的方向为： +A换向片1abcd换向片2B 根据电磁力定律，线圈边ab, cd分别受到电磁力f的作用，其大小为： 图1.6 直流电动机工作原理图,1.1 直流电机基本工作原理,1.1.4 直流电机可逆原理 （1）直流电动机与直流发电机在结构上并无本质区别，不同的是直流发电机必须要由一个原动机拖动。产生感应电势e，接通负载便有一电流i流过，i与e方向相同。同时载流导体ab、cd便受到电磁力的作用（左手定则确定），而产生转矩T与转速方向相反，故称阻转矩。 （2）在直流电动机中，通过电刷和换向器的作用，即时地将电刷两端直流电变换成线圈内部的交流电，从而产生单方向电磁转矩T，T与旋转电动机方向n相同。同时，旋转的导体ab、cd切割磁场，便产生一电势（右手定则确定），其方向与电流方向相反，故称作反电势。,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.1 直流电机的结构 1.2.1.1 定子（静止部分） 1主磁极 2换向极 3机座 4电刷装置,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.1.2 转子或电枢（转动部分） 1电枢铁芯 2电枢绕组 3换向器,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.1.3 气隙 小容量直流电机定、转子之间气隙 约为0.55mm，大型电机约为510mm，气隙对电机运行性能量影响很大，组装时要特别注意。 图1.12 换向片及金属套筒式换向器结构,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.2 直流电机的额定值 表1.1 直流电机的铭牌,1.2 直流电机的结构和额定值,1电机的额定值 2直流电机的型号 3直流电机的主要系列,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.1 电枢绕组的名词术语 1绕组元件 2元件数S、换向片数K、虚槽数Zu三者之间 的关系 3极距 4电枢绕组的基本类型,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4，要求绕制一右行单叠绕组。 解：,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4，要求绕制一右行单叠绕组。 解： （单叠右行绕组）,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4，要求绕制一右行单叠绕组。 解： （单叠右行绕组） （整距）,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.2 单叠绕组 1单叠绕组的连接特点 （右行绕组）见图1.15（a）所示 （左行绕组）见图1.15（b）所示 例1.1 已知某直流电机Zu=Z=K=S=16，2P=4，要求绕制一右行单叠绕组。 解： （单叠右行绕组） （整距）,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.2 单叠绕组 2单叠绕组展开图 图1.16 单叠绕组连接次序图 图1.17 单叠绕组展开图,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.2 单叠绕组 3单叠绕组并联支路图 将图1.17中的绕组元件用“ ”表示，并将图所示瞬时没有与电刷接触的换向片省去，可得图1.18（a）所示。 单叠绕组的并联支路数等于电机主磁极数，即 2a=2P 或 a=p 若每条支路电流为ia，则电枢总电流Ia为：,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 图1.19 单波绕组元件,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15，2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解：,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15，2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： （短距）,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15，2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： （短距） （单波左行）,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 1单波绕组的特点 例1.2 已知：一台直流电机Zu=Z=S=K=15，2P=4，要求绕制一左行单波绕组。 解： （短距） （单波左行）,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 2单波绕组展开图 （1）单波绕组的画法与单叠绕组相同，其连接顺序如图1.20所示。 图1.20 单波绕组连接顺序图 （2）单波绕组磁极及电刷安放与单叠绕组相同。,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 3单波绕组的并联支路 图1.21 单波绕组展开图,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 3单波绕组的并联支路 图1.22 单波绕组并联支路图,1.2 直流电机的结构和额定值,1.2.3.3 直流单波绕组 4单叠绕组和单波绕组的应用 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路数的多少。单叠绕组可以通过增加磁极对数来增加并联支路数，适用于低电压、大电流的直流电机；而单波绕组的并联支路对数a1，但每条支路串联的元件数较多，适用于小电流、高电压的直流电机。,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.1 直流电机的感应电势和电磁转矩 1.3.1.1 电枢绕组的感应电势 1每根导体平均电势 在一个磁极下各导体所在的位置不同，磁密大小也不同，如图1.23所示，因此，先取平均气隙磁密Bav，从而得到每根导体平均电势值为： 图1.23 气隙磁密与电刷的导体分布,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.1.1 电枢绕组的感应电势 2电枢绕组感应电势 直流电机感应电势的高低与和n成比。,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.1.2 电磁转矩 每根导体产生的平均电磁力为： fAV产生的电磁转矩为： 设电枢总导体数为N，则电枢电磁转矩为：,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.1.3 同一电机Ce与CT的关系 因为 所以 或,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.2 直流电机的磁场 1.3.2.1 直流电动机的空载磁场（主极磁场）,1磁路 图1.25 直流电机的磁路和磁通分布,2磁化曲线 图1.26 电机磁化曲线,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.2.1 直流电动机的空载磁场（主极磁场） 3直流电动机空载磁场及特点 （1）主磁场轴线与主磁极轴线重合，且对称于主磁极轴线。 （2）物理中性线（电枢圆周上通过圆心，且磁密为零的点的直线，它随磁密为零值点的移动而移动）与几何中性线（相邻两主磁极之间的中心线，它是固定不动的）重合。,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.2.2 直流电机负载磁场 1电枢磁场 直流电机负载运行时，电枢绕组中便有一电流流过，该电流产生磁势： 称作电枢磁势，如图1.27（b）所示。 该电枢磁场的特点是： （1）电枢磁势的轴线与几何中性线重合，且对称于 几何中性线。 （2）电枢磁势的轴线与主极轴线垂直，称为交轴电 枢磁 势。 （3）电枢磁势在空间固定不动。 2气隙合成磁场及电枢反应,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.3 直流电机的换向 1.3.3.1 换向过程 从图1.18（a）可知，电机运行时，电刷固定不动，旋转的电枢绕组元件从一条支路经过电刷短路进入另一条支路，元件中电流也随之改变方向这一过程，称为换向过程，简称换向。,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.3.2 产生火花的电磁原因 产生火花的原因是多方面的，有机械原因、化学原因，但最主要的是电磁原因。机械原因可通过改善工艺加以解决，化学原因可通过改善环境加以解决。电磁原因主要是换向元件K中，附加电流ik的出现而造成的，下面分析ik 产生的原因： 1理想换向（直线换向） 2延迟换向,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.3.2 产生火花的电磁原因 2延迟换向 （1）电抗电势eX （2）电枢反应电势eV（又称旋转电势） （3）附加电流ik （4）附加电流ik对换向的影响,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,1.3.3.3 改善换向的方法 1选择合适的电刷 2移动电刷位置 3装置换向极,1.3 直流电机的电势、转距、磁场和换向,本 章 小 结 1直流发电机是根椐电磁感应原理而工作的，电枢元件的电势是交变的，通过换向器和电刷的作用即时地变换成电刷两端的直流电压。 2直流电动机是根椐电磁力定律而工作的。电刷两端外加一直流电，通过换向器和电刷的作用变换成电枢元件中的交流电，从而产生单方向的电磁转矩而旋转。 3在直流发电机中，电流与电势方向相同；电磁转矩T与转速n方向相反，称为制动转矩T。在直流电动机中，电流与电势相反，称为反电势；电磁转矩T与n方向相同，T称为拖动转矩。,4直流电机由定子和转子两部分构成，定子包括：主磁极、换向极、机座和电刷装置，其主要作用是产生主磁场。转子包括：电枢铁芯、电枢绕组、换向器和转轴，其主要作用是产生感应电势和电磁转矩T，是直流电机能量转换的核心。 5直流电机的电枢绕组可分为叠绕组和波绕组两大类，单叠绕组是将同一个主磁极下所有上层元件边串联起来构成一条支路，所以，。它适用于低电压、大电流电机；而单波绕组是将电机同一极性下所有上层元件边串联起来构成一条支路，所以，支路数与磁极对数无关，它适用于高电压、小电流的电机。 6无论是发电机还是电动机，只要电枢绕组切割磁力线，都将产生感应电势，只要电枢绕组中有电流流过，且置于磁场中都将产生电磁转矩。,7直流电机的磁场是产生和T不可缺少的重要因素。 （1）当直流电机空载时，气隙磁场仅由主极磁势单独建立，其特点是： 对称于主极轴线。 物理中性线与几何中性线重合。 （