工学直流电机三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机.pptx

第二节第二节 直直流电机的铭牌数据流电机的铭牌数据第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法。第四节第四节 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场第七节第七节 直流电机的运行原理直流电机的运行原理 第八节第八节 直流电机的换向直流电机的换向第一节第一节 直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构 第二章 直流电机第六节第六节 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算 第一节直流电机的工作原理及结构一、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理是建立在皮萨电磁定律的基础上的。根据实验可知，若磁场与载流导体互相垂直，作用在改导体上的电磁力为式中磁场的磁感应强度（Wb/m2）；导体中的电流（A）；导体中的有效长度（m）。由此计算出来的电磁力单位是N，其方向用左手定则确定。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位置时实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。二、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后 ，如右图。可见，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，导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。可见，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，因此电刷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。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。二、直流电机的主要结构二、直流电机的基本结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承第二节 直流电机的铭牌数据额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值。第三节直流电机的绕组在电动机里，线圈中通过电流，产生电磁转矩，使线圈在磁场中转动，线圈中产生感应电动势，吸收电功率，实现了将电能转换为机械能。而在发电机中，线圈在磁场中转动，线圈中产生感应电动势，通过换向器及电刷向外输出，接上负载后，电流流过线圈，产生制动的电磁转矩，吸收机械功率，实现了机械能转换为电能的机电能量转换。直流机的电枢绕组嵌放在转子上，直流机的转子又称为电枢。一、简单的绕组电枢绕组中的相邻线圈的首端和末端一起焊接到一个换向片上，使所有的线圈通过换向片连接成一个整体，构成一个闭合的绕组。直流电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组，这就是直流电机电枢绕组构成的原则。直流绕组的基本知识元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。单叠绕组单波绕组换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。一般来说，直流电机每个槽中都分上层元件边和下层元件边，实际直流电机槽中上层元件边和下层元件边都不止一匝。为了便于说明问题将槽、换向片以及元件按顺序编号。编号时元件的号码、元件上层边所放槽的号码以及上层边连接的换向片的号码应编得一致。直流电机电枢绕组的基本形式有两种：一种名为单叠绕组，另一种为单波绕组。单叠绕组和单波绕组如下图所示：单波绕组示意图单叠绕组示意图单叠绕组节矩的计算：第一节矩式中为使成为整数所取的数，一般取负数。第二节矩二、单叠绕组 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。绕组的并联支路电路图 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：。单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同，a=p。2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路电流之和。单波绕组节矩的计算换向节矩第一节矩第二节矩三、单波绕组 两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组的并联支路图单波绕组的合成节距与换向节距相等。单波绕组的特点1）把所有的在同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；5）电枢电流等于两条支路电流之和。4）电枢电动势等于支路感应电动势；一、直流电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：第四节直流电机的励磁方式及磁场2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足 。3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足 。4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。二、直流电机的空载磁场 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励磁磁动势为：空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。如右图(a)所示几何中性线极靴极身（a）气隙形状 磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。（b）气隙磁密分布 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。三、直流电机负载时的负载磁场及电枢反应 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。电枢反应与直流电机的运行特性关系很大，对电动机来说，它影响电机的转速；对发电机来说，将直接影响到电机的端电压。另外，它对直流电机的换向也是不利的。同时，电枢磁动势的作用，除产生电枢反应之外，还与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩。对电枢发应作定性分析时，可先不计非线性因素，应用叠加原理，先把电枢磁动势和电枢磁场的特性分析清楚，然后把两种磁场合起来，在考虑饱和问题。不论什么形式的电枢绕组，其各支路中的电流都是通过电刷引入或者引出的。在一个磁极下元件边中电流方向都是相同的；不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反。因此电刷是电枢表面各元件边中电流分布的分界线。如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线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 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，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。第六节 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。直流电机无论作为电动机运行还是作发电机运行，电枢内部都感应产生电动势一、感应电动势的计算 如书P37所示：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，而与元件交链的磁通由变到。当以电角度为单位的电枢角速度为，这个过程经历的时间为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：每条支路串联的元件数是，支路电动势的平均值为绕组的全部有效导体数是，所以对已制成的电机，是一个常数。如果不计饱和影响，磁通与励磁电流的关系可表示为这样，感应电动势的计算公式可表示为式中为机械角速度设气隙中某处的径向磁密为，元件匝数为，元件边的有效长度为，元件中的电流为。元件边所受的切线方向的电磁力为性质性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).二、直流电机的电磁转矩当电枢直径为，则电磁力产生的电磁转矩为若元件数为，则电枢表面段上共有元件边数为，段电流所产生的电磁转矩为：绕组的全部有效导体数为，电枢总电流为。则一个极距内导线电流所产生的电磁转矩为如不计饱和的影响，电磁转矩的计算公式也可以表示为：式中此式表明电磁转矩的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。从以上各式可得出：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，从机械的角度来看，在电动机中，为电动机克服电磁制动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，其能量转换过程中，电功率转换为机械功率或机械功率转换为电功率的这部分功率为或，故称这部分电功率为电磁功率。性质性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。一、直流电机的基本方程 第七节 直流电机的运行原理（一）电动势平衡方程式（电动机）不计直流电机磁路的饱和效应，将定转子的一些参数视为常数根据基尔霍夫定律，可列出并励电动机电枢回路的电动势平衡方程式：（231）式中电源电压；电枢绕组的端电压；励磁绕组上的端电压；电枢电流；励磁电流；电枢回路电阻；励磁回路的电阻；电枢回路的自感系数；励磁回路的自感系数；电动机的机械角速度。（232）若电机稳态运行，则（231）、（232）可变为若电机作为发电机运行时，方程式变为：所以稳态运行时，电动势平衡方程式为（二）转矩平衡方程电动机的转矩平衡方程式（电动机）为稳态时即电动机（转速不变）时则有：在发电机中原动机的拖动转矩为,其转矩平衡方程式为稳态时，电动机的电功率平衡关系式而电磁功率中，其中一部分为铁心损耗和机械损耗，还有一些附加损耗，我们令，称为空载损耗。所以电动机中机械功率的平衡关系式为对于并励发电机，可得功率平衡关系为又因为所以并励发电机转矩平衡方程为电动势方程式如图规定各物理量的参考方向直流电动机的基本方程如下：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（额定电压）；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、电磁转矩和效率三者与输出功率之间的关系（1）、转速特性定义：当 、时，由方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图所示。（2）、转矩特性定义：当 、时，转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。1.并励直流电动机的工作特性（3）、效率特性定义：当 、时，由方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。对于直流并励电动机，由于励磁电压是不变的，所以气隙磁通基本不变，又由于并励直流电动机的转速变化很小，所以励磁损耗、铁心损耗以及机械损耗都可认为不变，效率与电流成二次曲线关系，当不变损耗等于可变损耗时，效率有最大值。2.串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：转速特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。3.复励电动机的工作特性复励电动机的转速特性如书P47页图241所示三、直流发电机的特性如图规定各物理量的参考方向1、电枢电动势和电动势平衡方程 为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：电枢电动势：从方程式可见，直流发电机（一）空载运行 （他励发电机的运行特性）定义：，励磁绕组端加上励磁电压 ，调节励磁电流 ，使发电机空载端电压 ，然后再使 逐步降回到零测取空载端电压 及励磁电流 ，即可得出它励发电机空载运行时端电压的特性，即空载特性曲线 直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载时，。由于 ，因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线2、并励和复励直流发电机空载电压的建立 曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线 。原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势 。在电动势作用下励磁回路产生电流 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，则电动势增大，从而 增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，达到稳定的平衡工作点A，自励的条件见书P49增大 ，场阻线变为曲线3时，称为临界电阻 。如图所示。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。定义：当 、时，外特性曲线如图所示 由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励 根据 可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。（二）负载特性（外特性）一、换向的电磁现象第八节 直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。元件11 2 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。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期 。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。二、换向的电磁理论换向元件中的电动势：自感电动势 和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。换向元件中的电流：设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和 ，元件自身的电阻为 ，流过的电流为 ，元件与换向片间的连线电阻为 ，元件在换向时的回路方程：忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变化规律为1、直线换向当 时换向元件电流随时间线性变化。当 时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。2、延迟换向当 时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。3、超越换向直线换向延迟换向超越换向三、改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极，位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势主编：撰稿教师：（以姓氏为序）制作：责任编辑：电子编辑：