第2章+直流电机.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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,内蒙古工业大学,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,*,2.1,直流电机的工作原理及结构,2.2,直流电机的铭牌数据,2.3,直流电机的电枢绕组,2.4,直流电机的励磁方式及磁场,2.6,直流电机的运行原理,2.7,直流电机的换向,2.5,感应电,动势和电磁,转矩的计算,第二章 直流电机,小结,直流电能,机械能,直流电动机,直流发电机,2-1,直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,1,、直流发电机的工作原理,根据电磁感应定律，当磁场与导体及运动方向三者垂直时导体中的感应电动势,第二章 直流电机,式中，,B,为导体所在处的磁密；为导体的有效长度；,为导体相对于磁场运动的线速度。,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,方向,由右手定则确定。,为一个线圈边中,的感应电动势。,直流发电机线圈中的感应电动势是交变的，但电刷间的电动势是直流的。,2,、直流电动机的工作原理,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,根据电磁力定律，当磁场与载流导体互相垂直，,作用在该导体上的电磁力。,式中，,B,为导体所在处的磁密；,L,为导体的有效长度；,I,为导体中的电流。,方向,由左手定则来确定。,3,、直流电机的可逆,性,(,可逆原理,),在不同的外界,条件下既可作发电,机同一台直流电机,运行也可作电动机,运行。,直流电动机线圈中的,电流是交变的，但电刷上,的电流是直流电。,二、直流电机的结构,换向器,电刷装置,机座,主磁极,换向极,端盖,风扇,电枢绕组,电枢铁心,（一）定子,-,静止部分,1,、机座 由导磁性能较好，机械强度高的铸钢或厚,钢板制成；,作用,：各磁极间的磁路，机械支撑作用。,2,、主磁极 产生主磁场，由铁心和套在其上面的励,磁线圈组成。,极靴形状,N,极和,S,极交替排列,主极,铁心,励磁,绕组,机座,3,、换向极,(,附加极或间极,),位于两个主磁极之间，其作用是改善换向。,换向,极铁心,换向,极绕组,刷握,电刷,压紧弹簧,铜丝辫,4,、电刷装置,作用：,与换向器配合获得直流电压。,使转动的转子绕组能与外电源接通，使电流,经过电刷输入电枢或从电枢输出；,（二）转子,(,电枢,)-,转动部分,电枢铁心冲片,电枢铁心,1,、电枢铁心 由薄的硅钢片迭压而成。,作用,：磁路的一部分，嵌放电枢绕组。,2,、电枢绕组 将许多由绝缘导线绕制成的线圈按一定,规律联结而成。,作用,：产生感应电动势和通过电流，实现机电能,量转换。,3,、换向极,(,整流子,),由许多换向片之间彼此绝缘,做在一个圆柱上同转子一起,转动。,发电机,：将绕组中的交变电动势转换为电刷上的直流,电动势。,电动机,：电刷上的直流电流转换为绕组内的交变电流。,（三）气隙,小型电机,1,3mm,，大型电机,10,12mm,。,换向片,连接片,2,-2,直流电机的铭牌数据,1,、额定功率,在规定的工作条件下输出的功率。,电动机指轴上输出的机械功率（）。,发电机指电刷端输出的电功率（）。,2,、额定电压,额定状态下电枢出线端的电压,(),。,3,、额定电流,在 下,电机出线的电流,(),。,4,、额定转速,在,下转子的转速,(),。,5,、额定励磁电流,6,、额定励磁电压,(,仅对他励直流电机,),额定运行状态,电机运行在额定值下。,除此之外，还有,励磁方式等。,电动机,发电机,例：一台,型直流电动机,求该电动机的输入,解：,或功率及额定电流是多少？,2-3,直流电机的电枢绕组,电枢绕组,由许多个形状完全相同，均匀分布在电,枢铁心槽中的线圈，按照一定规律连接,而成。,有效边,(,元件边,),处在槽内能切割磁力线而产生,感应电动势的部分。,端接部分,槽外的部分,仅起连接用。,末端,有效部分（上层元件边）,端接部分,端接部分,有效部分（下层元件边）,首端,根据连接规律,单迭绕组,单波绕组,复迭绕组,复波绕组,混合绕组,最基本的两种形式,要求,：在能通过规定的电流和产生足够的电动势的前,提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，并且,要结构简单，运行可靠等。,直流电机的电枢绕组大都采用双层绕组。,用 表示槽数，表示换向片数，表示元件个数。,一、单迭绕组,1,、绕组构成特点,每个元件的两个出线端接在相邻的两个换向片上，相邻各元件首尾相联，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，使整个绕组构成一个闭合回路,.,14,15,1,左行,(,交叉绕组,),右行,(,不交叉绕组,),1,2,3,4,可见，后一个元件紧迭在前一个元件上，取名为迭绕组；两个元件相差一个槽，叫单迭绕组。,2,、极距和节距,极距,相邻两个磁极的中心线在电枢表面之间的距离。,D,是电枢直径，,P,是极对数,(N,，,S),。,槽数表示,节距,a,）第一节距,同一元件的两个有效边在电枢表面上跨过的槽数。,弧长表示,通常接近或等于极距,是使,凑成整数的一个分数值。,短距绕组,(,常用,),短距绕组,短距绕组,(,常用,),b,）第二节距,相邻两个元件，一个元件的上层边与另一个元件的下层边之间相隔的槽数。,t,e,t,e,t,e,=,=,1,1,1,y,0,y,0,y,0,，,，,，,c,）合成节距,两个相邻元件边之间相隔的槽数。,单迭绕组,d,）换向器节距,每个元件首尾端所联换向片数。,（右行，左行）,、绕组展开图,把电枢绕组单独取出来，沿轴向切开，展开在一平面上的一种绕组联接图。,【,例,】,一台直流电机，极数,槽数,步骤：,（,1,）画单元槽、换向片，并编号（实线表示上,层边，虚线表示下层边）；,（,2,）构成闭合绕组；,（,3,）放磁极（磁极的宽度等于,0.7,极距）；,（,4,）放电刷 原则：正负电刷之间得到的感应电动势,最大，或被电刷短路的元件中感应电动势最小，,电刷与换向片等宽。,14,16,15,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,16,15,14,15,A,1,A,2,B,1,B,2,+,-,S,N,S,N,、单迭绕组元件连接次序,、并联支路图,下层元件边,所在槽号,上层元件边,所在槽号,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,1,2,3,4,5,1,y,5,y,1,y,2,2,3,4,7,8,6,10,11,12,14,16,15,5,13,9,1,1,2,10,9,5,6,13,14,A,1,A,2,B,1,B,2,6,、特点,将上层边位于同一磁极下的各元件串联起来组成一,条支路，,若以,a,表示支路对数，则,式中，,P,为极对数。,电刷数等于磁极数；,正、负电刷间的电动势为一条支路的电动势；,电枢总电流为各支路电流之和，即：,式中，,为支路电流。,在整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总,和为零，绕组内部无,“环流”。,二、单波绕组,1,、绕组特点,连接起来元件的形式犹如波浪一样向前延伸。,15,1,2,7,8,1415,左行,(,常用,),1,2,9,10,2,3,右行,(,不常用,),2,、节距,第一节距,(,同单迭绕组,),合成节距,和换向器节距,-1,左行绕组；,+1,右行绕组；,第二节距,3,、绕组展开图,例：极对数,槽数,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,15,14,+,-,A,1,A,2,B,1,B,2,11,12,13,14,15,1,2,3,4,5,6,7,8,10,9,N,S,N,S,4,、单波绕组元件连接次序,下层元件边,所在槽号,上层元件边,所在槽号,1,8,15,7,14,6,13,5,12,4,11,3,10,9,2,11,3,10,2,9,1,8,15,7,14,6,13,5,12,4,1,5,、并联支路图,1,15,5,4,B,2,A,1,9,8,B,1,12,A,2,2,10,3,11,4,15,7,14,6,13,1,9,8,12,5,6,、特点,同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对,数,a=1,，与磁极数无关；,电刷数等于磁极数；,电枢电流,单迭绕组适用于低压、大电流的场合；,单波绕组适用于较高电压、较大电枢电流的场合。,2,-4,直流电机的励磁方式及磁场,励磁绕组取得励磁电流的方式。,1,、他励直流电动机,励磁绕组由其它直流电源单独供电；,一、直流电机的励磁方式,M,M,2,、并励直流电机,励磁绕组与电枢绕组并联,电动机发电机,3,、串励直流电机,励磁绕组与电枢绕组串联；,M,4,、复励直流电机,积复励：串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁,动势方向 相同；,差复励：串励绕组产生的磁动势与并励绕组产生的磁,动势方向相反；,M,二、直流电机的空载磁场,空载 指电枢电流等于零或者近似为零的一种运行,状态。,这时的电机磁场只由励磁绕组的磁动势单独建立。,N,S,定子磁轭,电枢齿,电枢磁轭,如图为一台四极直流电机，其中一对磁极的磁,场分布图。,N,极,气隙,电枢齿,电枢磁轭,电枢齿,气隙,S,极,定子磁轭,主磁通,同时交链励磁绕组和电枢绕组，能够产,生感应电动势和电磁转矩，参与机电能,量转换，是有效的工作磁通。,经过的磁路叫主磁路（,气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭）。,漏磁通 不进入电枢铁心，直接通过相邻磁极或,定子磁轭而闭合。,它只交链励磁绕组本,身，不参与能量交换。,漏磁通较小，约为主磁通的,20%,左右。,2,、空载时气隙磁密的分布波形,磁路的磁阻可近似认为气隙处的磁阻，作用的,磁动势均为励磁磁动势。,3,、电机的磁化曲线,表示空载主磁通,与主,磁极磁动势 之间的关系,曲线，即,由于,也可表示为：,若不计磁滞现象，磁化,曲线与铁磁材料的,B-H,相似。,在额定励磁时，电机一般运行在磁化曲线的弯,曲部分。,电机的磁化曲线的具体数值仅仅和电机的几何尺,寸以及所用材料的性质有关，而与电机的励磁方式,无关。,三、直流电机负载时的磁场及电枢反应,电枢磁动势,当电机带负载以后，电枢绕组中有电,流流过，所产生的磁动势。,负载时电机的气隙磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。,电枢反应 电枢磁动势对励磁磁动势所建立气隙磁,场的影响。,(,一,),电枢磁动势,电枢磁动势的轴线与中性线重合，与主磁极轴线互相垂直。,一个元件的电枢磁动势,设该元件有 匝，流过的,电流为,作用在任何一闭合磁,回路上的磁动势为,每段,气隙上的磁动势为 。,规定,：磁动势的方向出电枢进定,子为正，反之为负，如图,为一矩形波。,A,B,S,B,n,切向,展开,四个元件的电枢磁动势为一阶梯波。,若为多个元件，电枢磁势分布为一个三角波。,(,二,),电枢磁势单独产生的气隙磁密波形,为气隙长度,几何中性线,物理中性线,(,三,),电枢磁场对电机性能的影响,-,电枢反应,1,、电枢磁场发生了畸变；,2,、呈去磁作用。,电枢磁密呈马鞍形。,2,-5,感应电动势和电磁转矩的计算,电枢电势,指正、负电刷间的感应电动势，即一条,支路的感应电动势。,一、感应电动势的计算,每极下的平均磁密,为每极下磁通；,为有效切割长度。,线速度,式中，,一根导体中的平均感应电动势,设组成电枢绕组的总导体数为,，并联,支路数为 每条支路中的导体数为,电刷两端的电动势,式中，,称为电动势常数。,若不计磁饱和的影响，则,为比例常数,式中，；,为机械角速度。,作电动机运行时,为反电动势；,方向,由右手定则确定。,作发电机运行时 为电源电动势。,二、电磁转矩的计算,设每极下的平均磁密为,每极下的磁通,一根导体受到电磁力,令 表示电枢直径，形成的电磁转矩,设 为电枢绕组的总导体数。,为导体中流过的电流,式中，叫转矩常数。,方向,由左手定则确定。,同样，在不计饱和的情况下,作电动机运行时，为拖动转矩；,作发电机运行时，为制动转矩。,三、电磁功率,发电机运行时，电磁转矩为阻转矩，吸收原动机的大部分机械功率，,并通过电磁感应的作用将其转换为电功率。,是机械量和电磁量的桥梁，在机电能量转换,过程中起关键作用。,2,-6,直流电机的运行原理,电动机惯例发电机惯例,以他励直流电机为例,M,G,一、直流电机的基本方程式：,（一）电动势平衡平衡方程式,1,、电动机,式中，,为电枢回路总电阻,(,包括电刷与换向器的,接触电阻,),；,为电枢回路的电感；,为励磁回路,的电感。,稳态时,若为并励,若为串励,2,、发电机,稳态时,若为并励,（二）转矩平衡方程式,1,、电动机,根据牛顿定律,式中，为负载转矩,(,也是电动机输出转矩,),；,为,空载损耗转矩；为惯性转矩。,稳态时 恒定,2,、发电机,稳态时,式中，为原动机的驱动转矩。,（三）功率平衡方程式,1,、电动机,(,以并励为例,),式中，,为电枢回路的铜损耗,(,包括电刷接触损耗,),；,为电枢铁心产生的铁损耗；,为励磁损耗。,杂散损耗,(,附加损耗,),，根据经验,有补偿绕组的为,0.5,，,无补偿绕组的为,1,。,总损耗,为机械损耗。,2,、发电机,(,以并励电机为例,),【,例,】,一台他励直流发电机，,额定负载时，,试求：,额定运行时的电磁功率、电磁转矩和效率。,解：,二、直流电动机的工作特性,工作特性,电枢回路中无外加电阻，,因 随 的增大而增大，故,1,、并励直流电动机的工作特性,（,1,）转速特性,根据,可得,(,认为 为常数,),式中,斜率,。,理想空载转速,（,2,）转矩特性,（,3,）效率特性,铜损耗,可变损耗,不变损耗,铁损耗,机械损耗,附加损耗,不变损耗,因 ，不计 ，,令 ，,可得,电动机的不变损耗等于可变损耗时效率最高。,2,、串励电动机的工作特性,特点,为比例系数。,转速特性,式中，,为串励绕组电阻，,串励直流电动机不允许在空载或负载很小的情,况下运行。最低负载不小于额定负载的,(2530)%,。,转矩特性,当,小，磁路不饱和时，,当,大，磁路饱和时，,效率特性 同并励电机,【,例,】,一台他励直流电动机的额定数据为,电枢绕组的电,电刷接触压降,在,负,阻,载总制动转矩不变的情况下，,求：,（,1,）在电枢回路中突然串入电阻,在最初瞬,间和达到稳定时的电枢电流和转速分别为,多少？,（,2,）减小电动机的励磁电流，使磁通,减小,10,%,，,当到达,稳定时的电枢电流和转速各为多少？,解：,在额定负载下,在串入电阻的初瞬，由于惯性的作用，,不变，,不变,（稳定）,因为总制动转矩不变，所以稳态时的电磁转矩,也不变，,电枢电流还应为原来的值，。,此时,三、直流发电机的特性,1,、空载特性,(,开路特性,),当,n=,常数，负载电流,发电机的端电压随,励磁电,流的变化关系,即：,A,M,V,A,上升和下降不可逆，形成一个回环。,当,时的电压称为剩磁电压，约为,(24),%U,N,。,额定电压选在膝点,A,。,2,、并励和复励直流发电机空载电压的建立,空载电压建立的过程称为自励。,并励电机,为励磁回路的总电阻。,当电阻线与空载特性直线相切时，没有固定的交点，电压不稳定，,此时的电阻叫建压临界电 。,时，,发电机端电压和电流的变化关系，即,空载特性,励磁电阻线,临界电阻线,建压条件,(1),电机必须有剩磁；,(2),励磁绕组接法正确，,使励磁电流所产生,的磁通与剩磁方向,相同；,(3),励磁绕组的电阻小,于建压临界电阻，,即,(,二,),负载运行,外特性,他励,并励,原因,随着 增加，增加；,增加，电枢反应的去磁作用增加，减小。,2-7,直流电机的换向,换相,绕组元件经过电刷，从一条支路换到另一条,支路的过程中，元件中的,电流改变一次方向。,a,b,b,a,1,+,-,1,一、换向的电磁现象,元件,1,的,电流为 ，如图,(a),；元件,1,的电流变为，如图,(,),。,元件,1,被电刷短路,如图,(,),；,换向过程所经历的时间称为换向周期,1,、直线换向,在理想情况下，若换向元件内无任何电动势的,作用，则换向,元件中电流从变为 的变化规,律大体为一条直线。,特点,电流的变化是均匀的，不产生火花。,2,、延迟换向,电抗电动势,自感电动势,互感电动势,总之，和,的存在使换向元件中的电流变化,产生延迟故,称为延迟换向。,所以。,式中，称为电抗电动势系数,方向与,方向相同。,(,),电枢反应电动势,换向元件切割电枢磁场产生的旋转电动势。,设换向元件匝数为，,电枢的线速度为，则,因为，,电抗电动势,总是阻碍换向元件中电流,的变化。,二、改善换向的方法,主磁极之间安装换向极,(,也称附加极或间极,),。,要求,1,、换向极应装在几何中性线处；,2,、换向极的极性应使所产生的磁场与电枢磁场,相反；,电动机中，换向极的,极性应与顺电枢旋转方向,的下一个主极,极性相反，,在发电机中情况正好相反。,、换向极绕组必,须与电枢绕组串联，而,且换向极磁场不应饱和。,三、补偿绕组,在主磁极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽,内嵌放一套补偿绕组。补偿绕组与电枢绕组串联。,小 结,作为直流电能与机械能互相转换的运动装置，直流电机在结构上保证了直流电动机和直流发电机工作状态的可逆性。,直流电动机定子绕组的励磁方式有：他励、并励、串励和复励。,直流电机的电枢绕组是实现能量转换的主要部件。直流电机的,空载磁场由定子绕组接通直流电源建立的，在电枢绕组通电也产生,磁场，并且与定子绕组的磁场合成后产生了电机的电枢反应效应，,该效应会影响电机的工作状态。,直流电机在运行时电枢产生的感应电动势和电磁转矩公式为,直流电动机的基本方程包括电压平衡方程、转矩平衡方程和功,率平衡方程。利用这些方程可分析电机的运行特性，进而可以获得,不同励磁方式直流电动机的工作特性。,