直流电机基本知识演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十五章直流电机基本知识,1,Background,什么是直流电机？,2,定义：将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，它可用作电动机或发电机,什么是直流电机？,直流电机的用途,1.作电源用直流发电机,2.作动力用直流电动机,3.信号的传递,作为测量元件直流测速发电机,作为执行元件直流伺服电动机,3,直流电机的优缺点,优点：,直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。,直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。,直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。,缺点,：,由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。,4,主要内容,1 直流电机的工作原理、主要结构、额定值,2直流电机的电枢绕组,3直流电机的电枢反应,4,电枢绕组感应电动势和电磁转矩,5,直流电机换向,5,U,+,N,S,转动：绕组线圈、换向器；,静止：主磁极、电刷,电枢,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,6,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,右手定则,A+B-,A+B-,7,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,右手定则,注意：,电刷与负载连接固定不动，电刷压在换向片上。换向器和线圈连接并转动，无论怎样转动，总是上半边,A,的电流向外，下半边,B,的电流向里。,8,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,通过电刷和换向器将交流变成直流，其作用相当于单相全波整流器。,9,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,增加导体数可减少感应电动势和电磁转矩的脉动。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。,10,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）直流发电机工作原理,提问,哪些部件转动、哪些部件不动？,绕组线圈电流性质、电刷端电流的性能？,实际电机结构要在物理模型上作哪些改动？,转动：绕组线圈、换向器；,静止：主磁极、电刷,绕组线圈：交流；电刷端：直流,增加铁心、绕组线圈数、轴承、端盖等,11,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）直流电动机工作原理,左手定则,n,逆时针转向,n,逆时针转向,12,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）直流电动机工作原理,电动机运行关键：要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，即当线圈边在不同极性的磁极下时受到的电磁转矩方向不变。,换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，即电枢受到的电磁转矩的方向始终不变。这就可以使电动机能连续的旋转。,13,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（三）直流电机的可逆性,对于一匝线圈，电功率 ，,机械功率 。即电势所形成的电功率等于电磁力所产生的机械功率。在旋转的电机中，不论是发电机还是电动机，这两种功率是等量存在的，这两种能量形式是可逆的。,电功率 机械功率,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。,14,一、直流电机工作原理,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（三）直流电机的可逆性,一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。,如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。,这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。,15,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,16,风叶,磁极,电刷,电枢转子,转轴,换向器,换向片,压紧环,电枢绕组,绕组端部,分解图,换向器,17,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,主磁极,换向极,机座,端盖,轴承,电刷装置,产生磁场、电机的机械支撑,电枢铁心,电枢绕组,换向器,轴,风扇,感应电势，而实现能量转换的部分,定子（固定部分）,转子（转动部分）,18,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,19,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,极数：主磁极的个数，等于,2,p,20,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（1）主磁极,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,作用：,建立主磁场。,21,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（2）换向极,构成：换向极常用整块钢或厚钢板制成。换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中，换向极数量通常只有主磁极的一半，或不设置换向极,作用：,用于改善换向,22,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（3）机座,构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。,作用：,1,、主磁路的一部分；,2,、电机的结构框架。,23,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（4）电刷装置,作用：电枢电路的引出（或引入）装置。,构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。,电枢电流能经旋转的换向器（随转子）通过静止的电刷（固定在定子上）接通外电路,1.,将转动的电枢与外电路相连,2.,与换向器配合作用而获得直,流电压,电刷组数一般等于电机极对数,24,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（一）定子各部件安装结构,（4）电刷装置,25,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,26,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（1）电枢铁心,作用：,1,、主磁路的一部分；,2,、电枢绕组的支撑部件。,构成：一般用厚,0.5,且冲有齿、槽的,DR530,或,DR510,的硅钢片叠压 夹紧而成。,27,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（1）电枢铁心,28,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（2）电枢绕组,作用：,直流电机的电路部分。,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下,层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。,29,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（3）换向器,作用：,整流（发电机）或逆变（电动机）。,构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间,用,V,形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而,构成。,30,二、直流电机主要结构,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,（二）转子各部件安装结构,（3）换向器,31,三、直流电机的励磁方式,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响,他励,励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接,自励,励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发电机本身供给,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机按励磁方式可分：,他励,自励,32,三、直流电机的励磁方式,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机按励磁方式可分：,他励,自励,并励,串励,复励,33,三、直流电机的励磁方式,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,I=I,a,+,I,f,，,I,a,=I,f,I=I,a,=I,f,I=I,a,+,I,f,I=I,a,，,I,f,与,I,a,无关,复励直流电动机,串励直流电动机,并励直流电动机,他励直流电动机,34,四、直流电机的额定值,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,额定功率 ：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。,额定电压 ：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 ：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 ：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 ：指电机在额定状态时的励磁电流值。,35,四、直流电机的额定值,15.1直流电机的工作原理、主要结构、额定值,对于直流发电机，是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。,对于直流电动机，是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率 存在。,36,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,作用：,电枢绕组,功率绕组,。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。,通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换,。,特点：,直流绕组是闭合绕组,。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,电枢绕组要求：在导体数量一定的条件下，应能够产生尽可能大的电势和电磁转矩，并要力求结构简单，运行可靠，维护方便。,37,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,1.,绕组分类：,(1),叠绕组：指串联的两个元件，连接方式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。叠绕组，又分为,单叠,和复叠绕组。,(2),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。波绕组，又分为,单波,和复波绕组。,(3),混合绕组。,38,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下层，称为下层边。,绕组是由元件构成的,.,放在槽内的元件边，能切割磁力线产生感应电动势，叫,有效边,；放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用的部分称为端接线。,一个元件由两条有效边和端接线组成。,39,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,现代直流电机为双层绕组，元件一个边放在某一槽的上层，称为上层边，另一个边则放在另一槽的下层，称为下层边。,40,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,2.,实槽与虚槽,电机电枢上实际开出的槽叫实槽。,由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个,(,设为,u,个,),元件边，如图示。将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。,若电机实槽数为,Q,，虚槽数为,Q,u,，,41,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,每一元件有两个圈边，,每一换向片上接有两个圈边，,每一虚槽内放置有两个圈边，,元件数,S,等于换向片数,K,，也等于虚槽数,3.,元件数、换向片数与虚槽数,42,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,(1),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。,4.,元件、极距与节距,(2),极距：是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距 离，用,表示，,43,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,4.,元件、极距与节距,（,1,）第一节距,y,1,：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离，用虚槽数表示。其表达式为,44,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,绕组的节距,(2),第二节距,y,2,：指出线端接同一换向片上的两个相串联的元件中第一 元件的下层边与第二个元件的上层边所跨距离，用虚槽数表示。,合成节距,y,：紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距,换向器节距,yk,：每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示,45,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,绕组的节距,(3),合成节距,y,：指直接串联的两个元件的对应边（上层边或下 层边）所跨的距离，用虚槽数表示。它表示每串联一个元件后，绕组在电枢 表面前进或后退了多少个虚槽，是反映不同形式绕组的一个重要标志。,（,4,）换向器节距,y,k,：指同一元件的两 个出线端所接的两换向片之间所跨的距离，用换 向片数表示。由于元件数等于换向片数，所以换 向器节距等于合成节距，即,y,k,=,y,。,46,一、电流电枢绕组基本知识,15.2直流电机电枢绕组,绕组的节距,单叠绕组,单波绕组,47,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,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（右行绕组）。,注：电枢绕组大多做成双层绕组，将线 圈的一个有效边放在槽的上层，称做上层 边（,画成实线,）；另一个有效边放在有一 定距离的另一槽的下层，称做下层边（,画成虚线,）。,48,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,下面通过一个具体的例子说明绕组展开图的画法：,例：已知一台直流电机的,p(,极对数,)=2,，,S,(,元件数,)=,K,（换向片数）,=,Q,u,（虚槽数）,16,，试画出其右行单叠绕组展开图。,1.,计算绕组的各节距,49,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,50,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,51,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,(1),元件的连接次序：画元件，用实线代表上层元件，虚线代表下层元件，虚线靠近实线，实线,(,虚线,),根数等于元件数,S,，从左向右为实线编号，别为,1,至,16,。,52,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,元件,1,：上层边在,1,槽，下层边放在相距,y,1,=4,即,5,槽下层。,元件,2,：上层边在,2,槽，下层边放在相距,y,1,=4,即,6,槽下层。,53,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,放置换向片：用带有编号 的小方块代表各换向片，换向片的编号也是从左向 右顺序编排并以第一元件 上层边所连接的换向片为 第一换向片号。,54,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,绕组展开图画法的具体步骤：,元件连接顺序图,:,绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。,55,二、单叠绕组,15.2直流电机电枢绕组,(2),放置电刷的原则：,在展开图中，直流电机的电刷与换向片的大小相同，电刷数主磁极数相同，放置电刷时应使正负电刷间的感应电动势最大。,放置电刷的原则为电刷放置在主磁极的几何中心线处,56,一、主极磁场（励磁磁场）,15.3直流电机电枢反应,（空载磁场）,57,一、主极磁场（励磁磁场）,15.3直流电机电枢反应,（空载磁场）,主磁通,：,产生感应电势和电磁转矩的有效磁通，,通,过空气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组。,磁极漏磁通,:,从磁极的侧面逸出，只和励磁绕组交,链。,不在电枢绕组中感应电动势。,磁极磁通：包括主磁通和漏磁通,漏磁路,主磁路,N,极,气隙,电枢齿,电枢轭,电枢铁心齿,气隙,S,极,定子轭,58,一、主极磁场（励磁磁场）,15.3直流电机电枢反应,（空载磁场）,59,二、电枢磁动势和电枢磁场,15.3直流电机电枢反应,流过电枢绕组的电流称为电枢电流，电枢电流产生的磁动势称为,电枢磁动势,F,a,，在电机内激励,电枢磁场,。,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。,60,15.3直流电机电枢反应,三、电枢反应,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.,考虑当电刷在几何中性线上时的电枢反应,61,15.3直流电机电枢反应,三、电枢反应,1.,考虑当电刷在几何中性线上时的电枢反应,增磁,增磁,去磁,去磁,62,15.3直流电机电枢反应,三、电枢反应,1.,考虑当电刷在几何中性线上时的电枢反应,当电刷在几何中性线上时的横轴电枢反应的影响：,1.,磁场发生畸变,2.,物理中心线偏离几何中心线,3.,磁路饱和时有去磁作用,63,15.3直流电机电枢反应,三、电枢反应,2.,考虑当电刷不在几何中性线上时的电枢反应,64,15.4电枢绕组感应电动势和电磁转矩,三、电枢电动势,考虑当电刷在几何中性线上时的感应电动势,电枢绕组的感应电势,E,a,电机正、负电刷之间的电势，其大小等于一条支路的各串联导体中感应电动势的代数和。,65,15.4电枢绕组感应电动势和电磁转矩,三、电枢电动势,66,15.4电枢绕组感应电动势和电磁转矩,三、电枢电动势,可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转 速有关。,E,a,n,，改变,或,n,的大小，可使,E,a,大小发生变 化，当磁通,单位为,Wb,，转速,n,单位为,r/min,，则电枢电动 势,E,a,单位为,V,；,E,a,方向取决于,和,n,的方向，改变,的方向（即改变 励磁电流,I,f,的方向），就可改变,E,a,的方向。,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,),。,67,15.4电枢绕组感应电动势和电磁转矩,三、直流电机的电磁转矩,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,直流电机的电磁转矩,68,15.4电枢绕组感应电动势和电磁转矩,三、直流电机的电磁转矩,69,15.4电枢绕组感应电动势和电磁转矩,三、直流电机的电磁转矩,70,15.5直流电机换向,一、换向过程,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，这种现象称为,换向,。,71,