chpt 3.1直流电机原理.ppt

1、HELLO EVERY ONE,十三朝的千年帝都，著名的古丝绸之路的起点，人类文明和中华民族的发祥地之一。这座永恒的城市，就像一部活的史书，一幕幕、一页页都记录着中华民族的沧桑巨变。她是中国历史的永恒坐标，也是国际的、市场的、人文的、生态的城市代表。,这就是古都-西安,第3章 直流电机原理和工作特性,3.1直流电机原理 3.1.1 直流电机的用途和主要结构 3.1.2 直流电机的基本工作原理 3.1.3 直流电机的磁路和电枢绕组 3.1.4 电枢电动势与电磁转矩 3.1.5 *有关直流电机更多的基本知识 3.2 电动机与拖动负载（用于本书其他各章） 3.3 他励直流电机稳态方程和外特性 3.4

2、 他励直流电动机的运行特性,直流电机原理,3.1直流电机原理,3.1.1 直流电机的用途和主要结构,1直流电机主要用途： 特点：具有调速范围宽，平滑调速，起、制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点；但有结构较复杂，成本较高，维护不便等缺点。 用途：常用于对调速有较高要求的场合。 如在机器人、轧机、精密机床和以蓄电磁为电源的小型起重运输机械等设备中应用较多；,直流电机结构,2 基本结构：直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。 定子的作用是用来产生磁场和作电机的机械支撑。转子用来感应电势而实现能量转换。,直流电机内部结构,转子：电枢铁心，槽内嵌入线圈 线圈的首末端分别连接到

3、两片相邻且相互绝缘的圆弧形铜片，即换向片上。与一个线圈的末端相联的换向片同时与下一个线圈的首端连接，于是，各线圈通过换向片连接起来构成电枢绕组。各换向片固定于转轴上且与转轴绝缘。这种由换向片构成的整体称为换向器。,直流电机内部结构,直流电机内部结构,2.1.2 直流电机的结构,定子解剖,（一）直流电机的静止部分（定子部分 ）,详见后页,定子解剖,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,用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。,作用是产生气隙磁场。铁心用0.51.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧而成，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的

4、部分称为极靴。既可使气隙中磁场分布比较理想。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成。,3、机座,两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组组成。,电刷,4、电刷装置,电刷装置,用以引入或引出直流电压和直流电流,1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4铜丝辫,图2-8电刷装置,转动部分,（二）直流电机的转动部分（电枢）,主要由电枢铁心和电枢绕组,1、电枢铁心：是主磁通磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。,a)电枢铁心 冲片 b)电枢铁心,图2-9电枢铁心,转动部分,2、电枢绕组 由许多按一定规律连接的线圈组成。,1

5、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,图2-10电枢绕组,转动部分,3.换向器,由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。,换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢圈中的交变电流，使电磁转矩的方向,4.转轴,转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。,气隙,（三）气隙,定子和转子之间的空气隙，称为气隙。 气隙是直流电机结构的重要组成部分，因为直流电机工作时，会在气隙中形成气隙磁场，直流电机在此进行积淀能量转换。,气隙既不能过大也不能过小。 气隙过大，会产生很大的磁阻力，使得能量交换中产生不必要的损耗； 如果气隙过小，又会使机械

6、部件产生静电摩擦，导致电机不能正常运行。,直流电机名牌数据,直流电机外形,一台直流电机？,3. 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) 6、 电机的效率： N PN /P1,各量的物理意义？,名牌数据具体含义,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。 （电刷间测得的电压）；,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,几个概念,对应于额定电压、额定电流、额定转

7、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。,是直流电动机的额定效率。它是直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比。,表示电动机轴上输出的额定转矩其大小应该,是输出的机械功率额定值除以转子角速度的额定值,直流电机的基本原理,3.1.2直流电机的基本原理,1直流发电机 (1) 输

8、出开路（发电机电枢回路无电流） 单匝(动画), 由许多线圈组成电枢绕组，使脉动大大降低。 (2) 输出带负载（发电机电枢回路有电流） 由左手定则可知电流所受到的电磁力是反对电枢旋转的。原动机为了保持电机以恒定转速旋转，就必须克服此电磁力而做功。,发电机如何发电,发电机如何发电？,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。,有关发电机结论,(1)在电枢线圈内感应电动势ea及电流ia都是交流电，通过换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流电动势，使外

9、部电路得到方向不变的直流电流；,(3)电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，从空间上看，N极与S极下的电枢电流方向不变，因此，由电枢电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场；,根据分析，可以得出直流发电机以下结论：,(2)发电机电枢线圈中的感应电动势ea（称为电枢电动势）与其电流ia（称为电枢电流）的方向始终一致；,(4)电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f。据左手定则可以得出f的方向。此电磁力f使转轴受到一个力矩T=f.R(R为导体对转轴中心的半径)，称为电磁转矩，其方向与转子转向相反，是制动性质。为此原动机须输入机械功率克服电磁转矩的制动作用使转子继续恒速旋转，才能继续不断地发出电能

10、输给负载，这就使机械能通过电磁感应作用变成了电能。,直流电动机原理,2 直流电动机(动画2.1.2),由外电源从电刷A、B引入直流电流，使电流从正电刷A流入，而由负电刷B流出。此时，由于电流总是经过N极下的导体流进去，而经过S极下的导体流出来，所以上、下两根导体分别受到的电磁力的方向是始终不变的，它们产生的力矩方向永远是反时针方向，因此这台电机可以带动别的机械旋转，把电能转换为机械能，成为一台直流电动机。,电动机如何转起来,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),（一）直流电动机的工作原理（电动机如何转起来？） 载流导体在磁场中受到的力,几个专业术

11、语,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。,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。,注意专业术语的掌握！,有关电动机结论,根据分析，得出直流电动机以下结论：,(1)在直流电动机中，外施电压u及电流I是直流，但电枢绕组内部电流ia是交流。这是靠换向片及电刷的逆

12、变作用，将外部直流变成内部的交流。 (2)从空间上看，由电枢电流所产生的磁场也是一个恒定磁场。 (3)当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势且是交变的，其方向与电枢电流ia的方向始终相反，称之为反电势。 (4)直流电动机中电磁转矩的方向与转子转向一致，是驱动性质的。,直流电机的磁路和电枢绕组,3.1.3 直流电机的磁路和电枢绕组,1 电机的磁路,几个专业术语,2 极对数、电角度、机械角度、极距： 极对数 nP 机械角度； 电角度np机械角度 极距: 用定子内圆弧长表示相邻两磁极轴线间距离,关于电枢绕组,3 电枢绕组,电枢绕组连接例,2 个实例:,换向片,元件首端,末端,形成一 对磁极,

13、电枢绕组连接例,注意电枢电流和导体电流的区别： 电枢电流为流经电刷的电流（方向不变），而导体电流为一条支路的电流（方向变化）,导体电动势,3.1.4 电枢电动势与电磁转矩,1 电动势： 电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电势。,直流发电机运行时，电枢元件在磁场中运动，产生切割电动势；直流电动机运行时，由于元件中有电流，会受到电磁力（转矩） 。 （为了简化分析，以下考察的电枢绕组的线速度v 方向与磁密B 的方向及导体成直交 。）,电枢电动势,电枢电动势:,直流电机制成后，其电枢电势的大小正比于每极磁通和机械转速。,一根导体的平均电动势乘上串联支路的总导体数,称为电动势常数,电磁转矩,2电

14、磁转矩:,一根导体电磁力和转矩,直流电机制成后，其电磁转矩的大小 正比于每极磁通和电枢电流。,电枢绕组的运动方向与磁密的方向成直交，根据载流导体在磁场里受力的左手原理:,N根导体的总电磁转矩,称为转矩常数,其他知识,1直流电机的励磁方式 2电枢反应 3换向问题,3.1.5 *有关直流电机更多的基本知识,励磁方式,1直流电机的励磁,励磁：在直流电机中，由定子励磁线圈通电产生磁场。所产生的主磁场也称为励磁磁场。,直流电机的突出优点是，通过选择不同的励磁绕组励磁方式，可以获得多种不同的运行特性。,在控制系统中，励磁方式不论对电机稳态特性还是动态性能都会产生很大的影响。,什么是励磁？,励磁方式:励磁绕

15、组的供电方式。 直流电机按励磁方式可分为他励和自励两大类. 他励:是指If 由另外的电源供给，与电枢电路没有电的连接； 自励:是指发电机励磁所需的If 由该电机本身电枢供给。按励磁绕组与电枢连接方式的不同分为串励、并励和复励。,励磁种类,励磁方式种类：,按励磁绕组的电方式的不同，可把直流电机分成下列四种： 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。优点是两个电源独立。,2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。转速易于控制。,3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。起动特性好。,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。具有并

16、励和串励优点。,励磁种类,电枢反应,2电枢反应,电枢电流也产生磁场，它的出现必然会影响空载时只有励磁磁动势单独作用的磁场、改变气隙磁密分布情况及每极磁通量的大小，这种现象称为电枢反应 。,实际上空载工作点通常取在磁化特性的拐弯处，磁动势增加，磁密增加得很少，磁动势减少，磁密跟着减少。因此造成了 半个磁极范围内合成磁密增加得很少， 半个磁极范围内合成磁密减少得较多, 一个磁极下平均磁密减少。 与空载的主极磁场相比，电枢反应使合成磁场每极总磁通减少，这就是电枢反应的去磁效应。 通过增加“补偿绕组”等方法可以消除电枢反应对主磁通的影响(略)。,电枢反应示意图,换向问题,3 换向问题,在3.1.3节已

17、经指出，电枢旋转时，组成电枢绕组的元件将从一条支路转入另一条支路，此时元件内的电流要改变方向。元件电流改变方向的过程，称为换向过程。,导体1 中的电流 ia: “+0-”。由于导体中有漏电感，电流变化时引起反电势，电流反向的时间滞后，在电刷后端出现火花，使换向器受损。,换向问题改进方法,改善换向的方法,(1)加换向磁极,从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的自感（或互感）电动势及电枢电动势，就可以有效的改善换向。在主磁极的几何中性线处加一换向磁极。 换向磁极的极性应与电枢磁场的极性相反。 换向磁极的励磁绕组应与电枢绕组串联。,加 换向极, 加补偿绕组,换向问题改进方法,移动电刷改善换向,在小容量电机中无换向磁极，常用移动电刷的办法改善换向。在直流发电机中将电刷顺转子转向移动一个角，并使，