电机与电气控制课件四.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,*,1.3,直流电机的电势、转矩、磁场和换向,1,电枢绕组的感应电势的规律？,2,电磁转矩的规律？,3,直琉电机磁场规律？,4,直流电机的换向规律？,一 直流电机感应电势的规律,1,每根导体平均电势,e,av,e,av,=,B,av,Lv,a,式中：,L-,导体有效边长,(m),B,av,-,一个磁极下平均气隙磁密,T,，,v,a,电枢表面线速度,(,m/s,),，,v,a,=2P,n/60,，,每极磁通,=,B,av,L,，,每极平均气隙磁密为：,B,av,=,/(,L),，式中,L,每极下的极弧面积,(m,2,),，所以有：,e,av,=2P,n/60,2,直流电机的电枢电动势,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。,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,).,，称为电动势常数,为电机的结构常数,式中：,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。,3,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。,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,),。,可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。,为电机的转矩常数，有,其中,1,直流电机的空载磁场,二,直流电机的磁场,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。,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。,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。,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。,2,直流电机负载时的负载磁场,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。,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。,3,直流电机的电枢反应,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),、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。,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,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,。,2),、当,电刷,不在几何中性线上时,电刷从,几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图,(a)(b),所示。,这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。如图,(a)(b),所示。,(,一,)换向概述,三 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,1,1,2,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：,1,选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻,2,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,3,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,