《电机与拖动第二章》PPT课件.ppt

第二章 直流电机,第一节 直流电机的工作原理与结构,2,一、直流电动机的工作原理,载流导体在磁场中受到的力,B 磁场的磁感应强度(Wb/m2),i 导体中的电流(A),l 导体的有效长度(m),3,当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。,4,当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极 下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。,5,可逆原理： 作为电动机运行在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转 ，输出机械能； 作为发动机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直 流电动势，作为直流电源，输出电能。,6,二、直流电机的结构,直流电机剖面图,1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极 6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心,7,8,9,10,11,（一）直流电机的静止部分,1、主磁极,2、换向极,1主磁极铁心 2励磁绕组 3机座,1换向极铁心 2换向极绕组,12,4、电刷装置,1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4铜丝辫,3、机座用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。,13,（二）直流电机的转动部分,1、电枢铁心,a)电枢铁心 冲片 b)电枢铁心,14,2、电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。,1槽楔 2线圈绝缘 3导体 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘,15,16,3、换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。,1换向片 2连接片,17,4、气隙,18,第二节 直流电机的铭牌数据,直流电机的额定值有： 1、额定功率PN(kW):轴上的输出功率 2、额定电压UN(V)： 3、额定电流IN(A) 4、额定转速nN(r/min) 5、额定励磁电压UfN(V),19,在额定工况下，电机出线端的平均电压,发电机：是指输出额定电压； 电动机：是指输入额定电压。,20,直流发电机的额定容量应为,而直流电动机的额定容量为,式中，,是直流电动机的额定效率。,电动机轴上输出的额定转矩,其中，,的单位为w,的单位为r/min,的单位是N*m此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。若,的单位用KW， 系数9.55 便改为9550。,21,在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流,在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速,对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流,22,电机铭牌上的其它数据： 励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,23,第三节 直流电机的电枢绕组,对绕组的要求：在能够通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。,24,1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈,一、简单的绕组,随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。,解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。,25,26,直流电机电枢绕 组构成原则： 通过换向片连接起来的闭合绕组。,27,二、绕组的基本形式,（一）单叠绕组,单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。,元件的跨距(第一节距)，用y1表示,上层元件边与下层元件边的距离（用槽数表示）称为跨距。一般要求元件的跨距等于电机的极距。 右上图中，跨距为4槽。,28,（二）单波绕组,单波绕组不是把元件依次串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。 元件两出线端所连的换向片相隔较远，相串联的两元件也相隔较远。 元件的末端不能与起始元件上层元件边所连的换向片相连，而必须与其相邻的换向片相连。,29,直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。 原则上，电压低，电流大的直流电机采用叠绕组；电流小，电压高的直流电机采用波绕组。,30,第四节 直流电机的励磁方式及磁场,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。,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。,31,32,二、直流电机的磁场,空载: 直流的电动机的空载是指电枢电流等于零或很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出(在电动机中指无机械功率输出，在发电机中，指无电功率输出)。所以直流电机的空载磁场是指励磁磁势单独建立的磁场。,33,（一）、空载时电机内部磁场的分布情况,34,气隙中主磁场磁通密度的分布,（二）、空载时磁通密度沿气隙圆周的分布,在极靴下，气隙小，气隙中各点磁密较大； 在极靴范围以外，磁回路中气隙长度增加很多，磁密显著减小； 两极间的几何中性线处磁密就等于零。,35,（三）、直流电机的磁化曲线,磁化曲线,主磁通与励磁磁动势(或励磁电流)的关系称为电机的磁化曲线。它表明电机磁路的特性。电机的磁化曲线可以通过电机磁路记算去求得。,36,三、直流电机负载时的磁场及电枢反应,当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。 此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。,37,（一）、电枢磁场的分布,由于电刷与换向器的作用，尽管电枢在转动，然面每极下元件边中的电流方向还是不变的。电枢磁势以及由它建立的电枢磁场是不动的。因此电枢磁势轴线即电磁铁的轴线的位置总是与电刷轴重合。并与磁极轴线互相垂直。,38,（1）交轴电枢反应,39,电枢反应后磁动势波形,1、有负载时气隙磁场发生了畸变 2、电枢反应呈现去磁作用,40,（2）直轴电枢反应,由于装配等原因，电刷常常不在几何中性线时，电枢磁动势可以分解为交轴电枢磁动势和直轴磁动势两个分量，即交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad,41,总的来说，电机负载时，会有电枢反应。电枢反应作用如下： （1）使气隙磁场分布发生畸变； （2）使物理中性线偏离几何中性线； （3）起去磁作用。,42,第五节 感应电动势和电磁转矩的计算,一、感应电动势的计算,直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应出电势。这个感应电势是指一条支路的电势(亦即电刷间的电势)而言。分析绕组时已明确，在电刷放在磁极轴线下的换向片上的情况下，不论是什么型式的绕组，构成每一支路的所有串联元件中的电势均为向一方向。这些元件分布在磁场内不同位置，所以单个元件内感应电势的瞬时值是不同的，但是任何瞬时构成支路的情况没有多大差别，而每个元件中电势的变化情况又是相同的，因此每条支路中各元的电势瞬时值的总和可认为是不变的。要计算支路电势，可先求出每个元件电势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数就可得出支路电势。,43,式中，n电枢的转速；p极对数。,根据电磁感应定律，一个匝数为 的元件中感应电动势的平均值为：,当元件轴线从某一主极轴线位置转到相邻主极轴线位置时，电枢所转过的电角度为，与元件交链的磁通由变到 - ，设以电角度为单位的电枢角速度为，则这一个过程所经过的时间为,44,对制成的电机，Ce=pN/60a为一个常数，称为电动势常数,若不计饱和影响，有,其中Kf 为比例常数,其中Gaf=CT Kf ； 为机械角速度。,感应电动势的计算公式为,45,例2-1 已知一台10KW、2850r/min的四极直流发电机，电枢绕组是单波绕组，整个电枢总导体数为372。当发电机发出的电动势,=250V时，求这时气隙每极磁通量,解 已知P=2,a=1(单波绕组a恒等于1)，则,由,得,46,二、电磁转矩的计算,一根导体所受的平均电磁力和一根导体所受的平均转矩为:,和,电机总电磁转矩用Te表示，为,式中，,是一个常数，称为转矩常数； Ia=2aia是电枢总电流。,电动势常数和转矩常数都是决定于电机结构的数据，对一台已制成的电机，Ce和CT都是恒定不变的常数，且两者之间有一固定的关系，即,47,第六节 直流电机的运行原理,直流电机是拖动系统中进行机电能量变换的元件，必须了解直流电机的内部规律，才能掌握其性能而有效地使用直流电机。 在学习了直流电机的工作原理和结构，并具备了关于直流电机电枢电路和磁场的一些理性知识的基础上进行深入分析直流电机负载时的电磁过程，以及所表现的特性，为学习后续内容提供必要的基础知识。,48,一、直流电机的基本方程式,（一）电动势平衡方程式,电枢绕组的轴线与励磁绕组的轴线互相垂直，所以励磁磁势与电枢绕组之间不存在交链作用 转动的电枢回路切割气隙磁场，则在其中存在一种由机械运动而感应的电势 不计电机磁路的饱和效应，将这两个电路中的一些参数均视为常数,49,若电机稳态运行，对于电动机,若电机稳态运行，对于发电机,50,（二）转矩平衡方程式,对于电动机：,稳态运行时,其中T2为负载制动转矩， T0为空载损耗转矩。,对于发电机：,其中T1为原动机拖动转矩。,稳态运行时,51,1. 转速特性,当U=UN , If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线,（一）并励直流电动机的工作特性,二、直流电动机工作特性,52,由于 ，可不计 ，则上式变为,53,（二）串励直流电动机的工作特性,电动势平衡方程式,电动势公式,转矩平衡方程式,转矩公式,（其中，Rfc为串励绕组电阻，,，,）,54,（三）复励直流电动机的工作特性,例2-1 一台他励直流电动机的额定数据为：,55,（2）减少电动机的励磁电流，使磁通 减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？,解,（2）磁通 减少为原来的0.9,56,三、直流发电机的工作特性,a) 他励直流发电机,b) 并励直流发电机,c) 复励直流发电机,（一）空载运行,1 空载特性,当他励直流发电机被原动机拖动，n=nN 时，励磁绕组端加上励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 ,得出空载特性曲线U0=f(I0)。,57,2 并励和复励直流发电机空载电压的建立,自励电压的建立有三个条件：,1）电机必须有剩磁；,2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确；,3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻。,（二）负载运行,无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在 n = nN 的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。,1积复励发电机外特性；,2他励发电机外特性；,3并励发电机外特性；,58,第七节 直流电机的换向,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。,一、换向的电磁现象,1、电抗电动势,换向元件中