3版第一章直流电机.

第一章直流电机第一章直流电机•直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。直流发电机：机械能——直流电能直流电动机：直流电能——机械能•直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，但结构复杂，成本高，运行维护较困难。主要应用于起动和调速要求较高的生产机械中，如金属切削机床，轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中。•本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性（以直流电动机为重点）。第一节直流电机的基本工作原理与结构•一、直流电机的基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理基于电磁感应原理：右手定则产生磁场：（N、S极）运动导线ab、cd切割磁场线圈感应电动势——交变换向整流——电刷间输出直流电动势直流发电机的工作原理模型例1-1如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素会引起同样的变化？解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以改变电枢转向，可改变电刷间输出电动势极性。由右手定则可知：决定感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。+-NS注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。2、直流电动机的基本工作原理基于电磁力定律：左手定则载流导体ab、cd在磁场中产生电磁力f形成电磁转矩带动转子旋转换向器作用：在发电机中起整流作用，使线圈中的交变电动势——电刷间的直流电动势。在电动机中起逆变作用，使电刷间的直流电——线圈内的交变电，保证电动机的转向恒定。直流电动机工作原理模型例1-2电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转)?解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知：电磁力的方向取决于磁场极性或导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向改变。注意：两者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。-+ffn改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图3、电机的可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。电机的实际运行方式由外施条件决定：二、直流电机的基本结构直流电动机的内部结构图1-端盖2-风扇3-机座4-电枢5-主磁极6-电刷架7-换向器8-接线板9-接线盒1-电枢铁心2-主磁极铁心3-励磁绕组4-电枢齿5-换向极绕组6-换向极铁7-电枢槽8-底座9-电枢绕组10-极掌(极靴）11-机座（磁轭)二、直流电机的基本结构直流电机的径向剖面图二、直流电机的基本结构静止部分:定子旋转部分:转子中间有气隙电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。作用主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等作用感应电动势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等主磁极1、定子部分产生磁场，N、S相隔，用p表示极对数主磁极由图中的1-磁极铁心和2-励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.反映主极磁场的磁力线经主磁极的N极-气隙-电枢齿-电枢磁轭-电枢齿-气隙-定子齿轭-（回到）N极，形成闭合的磁回路机座导磁和机械支撑作用:改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。安装在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上。用整块钢制成，也可用厚1~1.5mm厚钢板或硅钢片叠成1-刷握2-铜丝辫3-压紧弹簧4-电刷块（石墨材料）换向极电刷作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出2、转子部分材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。电枢铁心铁心冲片上层有效边端接部分端接部分下层有效边线圈首端线圈尾端作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。电枢线圈电枢绕组：电枢线圈按一定规律连接形成。其并联支路对数用a表示。单叠绕组：a=p单波绕组：a=1单波、单叠绕组联接示意图换向器材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。作用：实现电刷内外交直流的转换。由许多燕尾状的铜片间隔绝缘云母片而成主极极靴和电枢间的间隙。不均匀。3、气隙作用：保证了电机的转子的正常旋转，又是磁路的重要组成部分。小型电机气隙约为0.7～5mm；大型电机气隙可达5～10mm。三、直流电机的铭牌数据电机型号铭牌数据主要有：额定功率额定电压额定电流额定转速额定励磁电流励磁方式出厂数据如出厂编号、出厂日期等例：直流电机的铭牌Z4-112/2-1一般直流电机第四次系列设计机座中心高,mm极数1、电机型号型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。1号为短铁心，2号为长铁心Z4-180-21一般直流电动机第四次系列设计机座中心高,mm电枢铁心长度代号1、电机型号端盖代号(1:短端盖,2:长端盖)另一种Z4型号示例2、额定值(1)额定功率PNPN(kw)是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压ＵNUN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压。(3)额定电流ININ(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。对于发电机，三个额定值之间的关系为PN=UNIN对于电动机，三个额定值之间的关系为PN=UN·IN·N(4)额定转速nNnN(r/min)是指电机额定运行时的转速。额定效率；N=（PN/P1）*%例1-3一台直流发电机，PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。AAUPINNN48.4323010103k解例1-4一台直流电动机，PN=17KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=83%。求其额定电流和额定负载时的输入功率。解AAUPINNNN1.9383.022010173k电枢绕组与励磁绕组并联励磁绕组单独供电电枢绕组与励磁绕组串联有并励又有串励绕组3、励磁方式直流电机运行性能与励磁方式密切相关，因此直流电机的分类以励磁方式分类（1）Z4系列电动机：中心高100～355mm，是JB／T6316-2006《Z4系列直流电机技术条件》所规定的标准系列小型直流电动机；广泛用作各类机械的传动源，诸如冶金工业轧机传动，金属切削机床、造纸、印刷、纺织、印染、水泥、塑料挤出机械等。Z4系列直流电动机比Z2、Z3系列具有更大的优越性，它不仅可用直流机组电源供电，更适用于静止整流电源供电。而且转动惯量小，具有较好的动态性能，并能承受较高的负载变化率，特别适用于需要平滑调速、效率高、自动稳速、反应灵敏的控制系统。Z4系列励磁方式为他励，励磁电压为180V。四、直流电机的主要系列简介（2）Z系列中型直流电动机中心高355mm～710mm是我国机械行业标准JB／T9577-2011《Z系列中型直流电动机技术条件》所规定的标准系列中型直流电动机。共有A、B、C三类，分别是普通工业用电动机、金属轧机用电动机、可逆轧机用电动机。除一般的直流电动机要求外，第二类电动机要求有连续过载能力、有较强的机械结构、有较高的短时过载能力。第三类要求有适合传动快速逆转和突然施加重负荷的能力、有高的短时过载能力。四、直流电机的主要系列简介还有:ZT、ZZJ、ZQ、Z-H系列等第二节电磁转矩和电枢电动势一、电磁转矩T在直流电机中,电磁转矩T是由电枢电流与磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。经推导电磁转矩可用下式来表示：T＝CTIa式中ＣT——转矩常数；ＣT=Np/(2a)取决于电机的结构，即在制成的电机中，p、N（电枢绕组总导体数）、a均为定值；——每极下的合成磁通(Wb)；当Ia为(A)时,电磁转矩单位为N.m。可见对已制成的电机,电磁转矩T正比于气隙每极磁通及电枢电流Ia。第二节电磁转矩和电枢电动势二、电枢电动势Ea在直流电机中,感应电动势是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动,即导线切割磁力线而产生的。根据电磁感应定律可推得：Ea＝Cen式中Ce——电动势常数，Ce＝Np/(60a)。取决于电机的结构当每极磁通、转速n的单位分别是Wb、r/min时,电枢电动势的单位为V。可见：对已制成的电机,Ea正比于每极磁通和转速n；另：转矩常数CT与电势常数Ce之间有固定的比值关系：CT／Ce＝(N·p/2a)/(N·p/60a)=9.55例1-5一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数N=216，额定转速nN=1469r/min，每极磁通Φ=2.2×10-2Wb，求：1）此发电机电枢绕组的感应电动势。2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为800A时，能产生多大电磁转矩？解先求出电动势常数6.3260216260apNCemNmNICTCCVVnCEaTeTea605)800102.24.34(4.346.355.955.96.115)1460102.26.3(22Pem=EaIa=(pN/60a)nIa=(pN/2a)Ia(2n/60)=T第二节电磁转矩和电枢电动势三、电磁功率Pem对电动机而言电动势Ea是反电动势，电源电压U必须大于电动势Ea把电流Ia灌入。从上式的推导过程可见，电动势Ea与电枢电流Ia的乘积是电功率属性的电磁功率Pem，经过电磁作用转换为等量的机械功率属性的电磁功率Pem，所以Pem是机电能量转换的桥梁。桥梁电功率属性机械功率属性Pem第三节直流电动机的运行原理一、直流电动机的基本方程式他励直流电动机的结构示意图及电路图电动机惯例：Ea与Ia反向,T与n同方向TL与n反方向电动机稳定运行时的基本方程式：电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式一、直流电动机的基本方程式1、电动势平衡方程式根据电路的基尔霍夫定律可以写出电枢回路的电动势平衡方程式：U=Ea＋IaRa式中Ra——电枢回路总电阻Ia——他励电动机Ia=I；并励电动机Ia=I-If对于电动机：UEa，Ea与Ia反方向一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式电机在机电能量转换中，一部分能量不能被利用，这部分能量称为损耗。直流电机的损耗可分为：pm：由各类摩擦引起的机械损耗pFe：铁心损耗(磁滞与涡流之和)pcua：电枢回路铜耗pcua=Ia2Rapf：励磁回路铜耗pf（=UIf=RfIf2）；ps：附加损耗空载损耗p0即不变损耗因此，功率平衡方程式，就是扣除损耗的过程。——可变损耗一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式P1=UI=UIa=(Ea＋IaRa)Ia=EaIa＋Ia2Ra=Pem＋pcua上式说明：当他励直流电动机接上电源U时,电枢绕组中流过电流Ia,电网向电动机输入的电功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于电枢铜耗，大部份作为电磁功率转换成了机械功率。但转变成机械属性的Pem还要扣除铁耗、机械损耗、附加损耗才是输出的机械功率P2P2=Pem－pFe－pm－ps=Pem－p0一、直流电动机的基本方程式2、功率平衡方程式注意：他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。而并励电动机的pf由同一电源提供，所以并励电动机的功率平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf。上述的功率平衡关系可