电机与拖动 第三章 直流电机原理

*掌握直流发电机和直流电动机的工作原理。*了解直流电机的结构、电枢绕组。*熟练掌握并能正确使用直流电机的额定值。*熟练掌握直流电机的励磁方式。*搞清直流电机空载磁场，正确理解磁化曲线。*正确理解电枢反应概念及其影响。*正确理解电势及转矩公式，并能正确使用。第三章直流电机原理DCMotorfundamentals§3.1直流电机的用途及其基本工作原理3.1.1直流电机的用途直流电机电动机(Motor)：电能→机械能发电机(Generator):机械能→电能DCMachine直流电机的用途直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械装置。•把直流电能转变为机械能的电机是直流电动机；•反之，把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机。直流电机直流电动机直流发电机输出机械能输出直流电能输入机械能输入直流电能直流电机具有可逆性:一台直流电机既可以工作在电动机状态，也可以工作在发电机状态，取决于电机的运行条件。直流电动机与交流电动机相比，其主要特点是：(1)调速范围广，易于平滑调速；(2)起动、制动和过载转矩大；(3)易于控制，控制装置可靠性较高。直流电动机常应用于调速要求较高的工业应用场合：(1)大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、大型车床、大型起重机；(2)电动车辆牵引、电力机车牵引；(3)挖掘机械、纺织机械。直流发电机供电质量较好，常作为大型直流电动机以及大型交流发电机的励磁直流电源。直流电机与交流电机相比的主要缺点是:(1)电机结构较复杂，成本较高，维护困难，可靠性稍差；(2)主要是换向问题，直流电机在运行时由于电刷与换向器之间易产生火花，它限制了直流电机的极限容量和转速，又增加了维护的工作量；使得直流电机的发展和应用受到限制。近年出，由于电力电子技术的迅速发展，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有相当重要的理论意义和实用价值。3.1.2直流电机的基本工作原理（一）直流发电机的基本工作原理1122334455667788991010111112121313141415151616NSn产生电能要两个必要条件：有一个磁场存在；导体在磁场中有运动基本原理：电磁感应定律从以上分析可以看出：线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。磁极电刷换向器电枢电枢铁心电枢线圈(二)直流电动机的基本工作原理基本原理：电磁力定律产生力矩要两个必要条件：有一个磁场存在；导体中有电流从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。3.2直流电机的主要结构与型号3.2.1主要结构定子部分(Stator)、转子部分(rotator)(电枢，Armature)、气隙（Air-gap）定子定子转子端盖一、定子部分:主磁极；换向磁极；机座；电刷mainMagneticpole;commutationMagneticpole;machinebearing;Brush主磁极换向磁极爆炸图装配图1、主磁极主磁极的作用:使用材料及结构形状：2、换向极：3、机座：4、电刷装置：二转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。1电枢铁心：2电枢绕组：换向器电刷刷架电刷电枢铁心电枢铁心硅钢片(0.5mm)电枢铁心转子下线换向器3.2.2直流电机的额定值（铭牌数据）1、额定功率PN发电机是出线端输出的电功率。PN=UN*IN电动机是轴上输出的机械功率PN=UN*INN2、额定电压UN（V）3、额定电流IN（A）4、额定转速nN（rpm）5、励磁方式和额定励磁电流(A）额定运行状态欠载运行过载运行例:一台直流发电机,其额定功率PN=145kw,额定电压UN=230V,额定转速nN=1450r/min,额定效率ŋN=90%,求该发电机的输入功率p1及额定电流IN各为多少?例:一台直流电动机,其额定功率PN=160KW,额定电压UN=220V,额定效率ŋN=90%,额定转速nN=1500r/min,求该电动机的输入功率,额定电流及额定输出转矩各是多少?妈妈开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。欢迎大家来逛逛【扬州五亭龙玩具总动员】99toy.taobao.com个人小广告：•解:•额定电流•NNPP1KW1619.0145额定输入功率AUPINNN4.630230101453电机型号表明电机的主要特点，第一部分为产品代号；第二部分为规格代号；Z231一般用途的防护式中小型直流电机表示第二次设计表示机座号表示铁芯长度顺序号3.2.3直流电机的主要系列3.3.4国产直流电机的主要系列产品国产的直流电机种类很多，常见的产品系列:Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列；ZF是直流发电机系列。ZT系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。ZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。ZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。ZA系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。ZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。§3.3直流电机的磁场(magneticfield)在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。3.3.1电机的励磁excite方式：即：我们要看一下直流电机是如何给他的励磁绕组通电的。他励式积复励差复励1.串励式2.并励式3.复励式自励式直流电机的励磁方式根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励UField-circuitconnectionsofDCMachinesSeparate-Excitation(Separately-excited)Self-excitedCompoundexcitationSeriesfieldCumulativeCompoundexcitationShuntfieldDifferentialCompoundexcitation3.3.2直流电机的空载气隙磁密分布Main-fieldflux-densitydistributionwithno-load一空载时直流电机的磁路：(magneticrouteofDCmachinewithnoload)空载(noloadcondition)直流电机空载时的磁路主磁通：漏磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通特点：1）由同一个磁动势所产生2）所走的路径不同，这就导致了它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。二、空载气隙磁密分布波形Theair-gapFlux-densitydistributioncurvewithno-loadmfmmmmtmfRRRRRF2222'mRmtRmRmmRmfR分别是气隙.电枢齿.电枢磁轭.主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻mfmfRFRF22'imlR0iflF0/ixlB/)/(1200/mWbFllFlBfiifix(b)Theair-gapFlux-densitydistributioncurvewithno-loadlBav极靴下的气隙远远小于极靴之外的气隙，显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下：设电枢圆周为轴而磁极轴线处为纵轴，又设电枢长度为，则离开坐标原点为的范围内的气隙主磁通为：ldxBdxxld则空载时每极主磁通为：22220dxBlldxBdxxxlBav空载每极主磁通与空载平均气隙磁密成正比，而对于尺寸已定的电机，空载气隙磁密的大小由励磁磁势Ff所决定。当励磁绕组匝数一定时，Ff和If成正比。换言之，空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。Air-gaplineMagnetizationcurveofadcmachine3.3.3电机的磁化曲线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。000fF0fI曲线特点•电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通Φ0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通Φ0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使Φ0=ƒ（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。分析•磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。励磁电流所建立的磁场电枢电流所建立的磁场气隙磁场3.3.4直流电机负载磁场及电枢反应(一)电枢磁势和磁场ArmatureMMF(MagneticMotiveForce)andMagneticfield1、负载时的气隙磁场：Air-gapmagneticfieldMainfieldproducedOnlybyexcitationcurrentArmaturefieldproducedonlybyarmaturecurrent(1)电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：(ArmatureMMFandflux-densitydistribution)如图可见：(2)电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：看图：引出了直轴电枢磁动势，直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为直轴电枢磁动势。以电动机为例•直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数•交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波•如沿电枢分布的线圈无限增多，则级形波将趋近于三角形波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。axF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。axBaxBaxF负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴电枢磁势位置取决于电刷位置，电刷位于交轴，电枢磁势轴线也在交轴，为交轴电枢反应。极尖处磁密最大且由于其饱和程度的提高，饱和影响使高峰略有下降，即极面下的总磁通略减小，呈先去磁作用负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1.使气隙磁场发生畸变2.使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）3.磁路未饱和时，每极磁通不变4.如考虑磁路饱和