第二章直流电机

第二章直流电机 第一节直流电机的工作原理及结构 一 直流电机的工作原理 一 直流电动机的工作原理 载流导体在磁场中受到的力 2 1 2 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 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 3 二 直流发电机的工作原理 用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动 线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场 线圈中产生了交变的电动势 由于换向器配合电刷对电流的换向作用 在电刷A B端的电动势确是直流电动势 可逆原理 一台直流电机既可作电动机运行 也可作发电机运行 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 4 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 5 6 7 8 9 10 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 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 11 二 直流电机的转动部分 4 电刷装置 1 刷握2 电刷3 压紧弹簧4 铜丝辫 1 电枢铁心 a 电枢铁心冲片b 电枢铁心 12 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 电枢槽内的绝缘 3 换向器 由许多换向片组成 换向片之间用云母绝缘 13 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 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 1 换向片2 连接片 14 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 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 15 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 此外 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 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 16 第三节直流电机的绕组 一 简单的绕组 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 1 2 3 4 5 6 7 8分别构成4个线圈 右图只是说明原理的示意图 它的缺点是 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 电枢绕组在机电能量转黄中起着重要的作用 17 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 从碳刷看进去 四个线圈的八个线圈变构成了两条并联支路 一条由1 2 3 4线圈边组成 一条由8 7 6 5线圈边组成 直流电机的电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组 直流电机绕组构成的原则 绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上 它是绕组的一个单元 称为元件 18 19 20 21 22 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 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 23 24 25 元件换向器节距 上层元件边与下层元件边所连接的换向器之间距离 从电刷外面看绕组 电枢绕组由4条并联支路组成 被电刷短路元件其变处于两相邻磁极的几何中性线上 元件中感应电势等于零或最小 单叠绕组的支路数就等于电机的极数 电刷数等于支路数 即极数 元件端接部分对称的绕组 为了保证在电机作电动机运行时 每个磁极下两个元件边中电流相同 使电动机产生拖动性质的最大电磁转矩 作发电机运行时 能使每条支路的感应电动势最大 2 2 26 二 单波绕组 单波绕组 不是把元件依串联 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 这样连接可以保证元件中通过的电流能产生同方向的电磁力 从而使电机产生的电磁转矩为最大 27 28 2 3 极对数 槽数 元件数等于换向片数 均为15 即 取元件跨距3个槽 元件两出线端所连换向片之间距离 即换向器节距 29 单波绕组绕组的支路对数与磁极对数无关 总等于1 如仅从引出支路的观点来考虑电刷数 因单波绕组不论其磁极对数是多少 支路数只有两条 故只需一对电刷 由于考虑电刷电流密度的问题 一般单波绕组的电刷数还是等于磁极对数 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 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 二 直流电机的空载磁场 直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时 由励磁磁动势单独建立的磁场 32 气隙中主磁场磁通密度的分布 主磁通 同时交联励磁绕组和电枢绕组磁通 漏磁通 仅交联励磁绕组本身 并不进入电枢铁芯 也不和电枢绕组交联 主磁通回路中气隙较小 总磁导率较大 漏磁通的回路中空间较大 其总磁导率较小 作用在两个磁回路中的磁动势都是励磁磁动势 33 电机运行时 每极下有一定量的主磁通量 也就是要求有一定的励磁磁动势 要求有一定的励磁电流 主磁通与励磁电流的关系 磁化曲线 当磁路中磁通数值不大时 磁动势随磁通正比例的增加 磁化曲线 当磁通达到一定值时 磁动势的增加比磁通增加快 磁化曲线呈现饱和特性 当磁通已很大还要再增加时 对应的磁动势就急剧增加 34 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 这个由电枢电流产生的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 电枢反应与直流电机的运行特性关系很大 对电动机 影响其转速 对发电机 影响其端电压 另外得换向也不利 电枢磁动势的作用 除了产生电枢反应以外 还与气隙磁场相互作用产生电磁转矩 电机的感应电动势 电磁转矩都是实现机电能量转换的要素 在做定性分析时 先不计非线性因素 应用叠加原理 分别分析励磁磁动势和电枢磁动势的特性 然后把两种磁场合成 考虑磁饱和问题 就可以看清电枢磁动势对气隙磁场的影响了 35 省去换向器 电刷需放在几何中性线上直接与元件边接触 不至于改变电机内部的电磁过程 右图 在一个磁极下元件边中电流方向都是相同的 不同磁极下元件边中电流方向总是相反的 电刷是电枢表面各元件边中电流分布的分解线 尽管电枢转动 每极下元件边中的电流方向还是不变的 电枢磁动势以及由它建立的磁场也是不动的 电枢磁动势轴线总是与电刷轴线重合 与磁极轴线垂直 36 下图 一个元件的电枢磁动势 磁场分布对称于电刷轴线 反向对称于磁极轴线 在直流电机中 与磁极轴线等距离处的气隙大小相等 按全电流定律 磁回路通过一次气隙消耗的磁动势为全电流的一半 即 37 2 6 用曲线表示 宽度是一个极距的元件所产生的电枢磁动势在空间的分布为一个以两个极距为周期 幅值为的矩形波 每极下元件边数目较多 且均匀分布在电枢表面 总的磁动势为一三角波 电枢电动势的轴线位于三角形顶点 由于每个极下元件中电流方向是不变的 电枢磁动势分布波的位置是固定的 电枢磁场在电枢表面分布曲线为 2 9 38 4个元件所产生的电枢磁动势波形 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 39 由图2 28 可知 1 负载时 气隙磁场发生了畸变 电枢磁场使主磁场一半削弱 一半加强 使电枢表面磁密等于零处离开几何中心线 电机中物理中心线与几何中心线不重合 有位移角 电动机 逆旋转方向 发电机顺旋转方向 2 呈去磁作用 不考虑磁路饱和时 主磁场被削弱的数量等于被加强数量 但实际中 主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高 铁芯磁阻增大 增加的磁通少些 因此负载时每极磁通略为减少 即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质 40 41 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 还是发电机运行 电枢内部都感应产生电动势 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 2 10 42 对制成的电机 Ce pZ 60a为一个常数 称为电动势常数 每条支路串联的元件数是绕组全部有效导体数为 2 11 2 12 2 13 43 其中 为机械角速度 感应电动势的计算公式为 其中Kf为比例常数 2 14 2 15 若不计饱和影响 有 44 二 电磁转矩的计算 元件边所受的切线方向的电磁力为 电磁力产生的电磁转矩为 若元件数为S 电枢表面dx段上共有元件边数为dx段电流产生的电磁转矩为 电枢总电流为 2 17 2 16 45 是每极有效磁通 2 20 2 19 2 18 46 2 22 从电磁角度看 电动机 或发电机 通过电磁感应作用 从电源吸取 或发出 电磁功率 从机械角度看 在电动机中 为电动机的电磁转矩对机械负荷所做的机械功率 而在发电机中为原动机克服制动性转矩所需输入电机的机械功率 所以无论是电动机还是发电机 其在能量转换过程中 电功率转换为机械功率或几次额功率转换为电磁功率为或 这部分称为电磁功率 两者相等 47 第六节直流电机的运行原理 一 直流电机的基本方程式 一 电动势平衡方程式 若是稳态运行 电路中的电磁量和机械量不是时间的函数 有 2 23 2 24 2 25 48 若电机稳态运行 对于发电机 电枢电流方向与感应电势方向相同 2 26 2 27 2 28 2 29 2 30 49 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 电动机的功率平衡关系式为 2 31 2 32 2 33 2 34 50 上式关系如右图a 所示 对于并励发电机如右图b 所示 2 35 2 36 2 37 2 38 51 上述的演变过程说明 电动势及转矩的平衡方程式综合了电机内部机电能量转换的过程 二 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指其端电压 电枢回路中无外加电阻 励磁电流 额定励磁电流 时 电动机的转速n 电磁转矩和效率三者与输出功率之间的关系 2 39 52 用函数式表示 或者 有关方程 53 一 并励直流电动机的工作特性 1 转速特性 当U UN If IfN时 n f Ia 的关系曲线 2 40 可见 电动机的转速特性是一条斜率为的直线 实际上 因为电动机设计得磁路比较饱和 在电动机输出增加 电枢电流相应增加时 电枢反应会呈去磁作用 气隙磁场有所减弱 会使转速趋向上升 权衡电阻压降和电枢反应 设计使并励电动机有略为下降的特性 2 41 54 电磁转矩与电枢电流成正比 实际上 电枢电流较大时 电枢反应的去磁作用使转矩特性偏离直线 一般情况下 并励电动机的转矩特性仍接近一条直线 2 43 2 44 3 效率特性 当 时 的关系曲线 55 1 铜耗铜耗有电枢回路的铜耗 其中应包括电枢绕组和换向绕组的电阻 其次是励磁回路的铜耗 还有电刷的接触损耗 电枢铜耗和电刷接触损耗是跟随电枢电流而变化的 在稳态的情况下 也是随输出功率而变化的 是一种变化的损耗 2 铁耗铁耗是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗 包括涡流损耗和磁滞损耗 在转速和磁密变化不大的情况下 铁耗可以认为是不变的 3 机械损耗机械损耗与转速有关 在转速变化不大的情况下 认为机械损耗是不变的 56 4 附加损耗又称杂散损耗 难于精确计算 无补偿绕组电机 按额定容量的1 估算 有补偿绕组电机 按额定容量的0 5 估算 有一个最大值 令得 当电机的不变损耗等于随电流平方而变化的可变损耗时 电动机有最高的效率 这个结论具有普遍意义 对其他电机和不同运行方式都适用 电机的最大效率大致出现在80 左右的负载时 2 47 2 46 57 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 串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联 励磁电流If等于电枢电流Ia 气隙主磁通随Ia而变化 2 48 2 49 2 50 58 串励电动机的输出功率P2增大 Ia也增大 Ia增大 既使电枢压降增大 也使气隙磁通增大 两者都使转速降低 反过来 负载减小 转速上升 因此串励电动机不能在空载或负载很小的情况下运行 转矩因P2增大 转速n下降而迅速增大 使串励电动机在同样大小起动电流比并励电动机有更大的起动转矩 2 51 2 52 59 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 60 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 61 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 62 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 63