第四章 直流电机

船舶电机与电气控制系统机电系电气教研室电力拖动第4章直流电机(DCelectricitymachine)4.1直流电机的构造4.2直流电机的基本工作原理4.4直流电动机4.3直流发电机思考题电力拖动第4章直流电机(dcmachine)本章要求：(demand)1.掌握直流电机的结构。2.会分析直流发电机和电动机的工作原理。3.掌握直流电机的励磁方式。4.掌握直流发电机的起压条件。5.掌握直流电动机的机械特性。电力拖动主要内容：(content)直流电机的结构主要掌握：定子机转子结构直流电机的铭牌数据主要掌握：电压、电流、容量等参数直流电机的励磁方式主要掌握：串励、并励、复励4.1直流电机的构造及励磁方式structureandexcitetype电力拖动NS······NS直流电机的构造structure极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路Magneticpoleandmagneticcircuit直流电机由定子(磁极,机座、电刷),转子(电枢、换向器)构成。电力拖动2.转子(电枢)rotor由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极magneticpole永磁式:由永久磁铁做成。励磁式:磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：由结构、形状相同的线圈组成用来在电机中产生磁场magneticfield直流电机的构造一、定子主要部件1．主磁极：主极铁心由薄钢板冲片叠成，其上套有励磁绕组，通入直流励磁电流产生主磁场。2．换向极：铁心由整块钢制成，尺寸比主极小；与主磁极相间分布。换向极用于改善换向，以减少因电磁原因而引起的电刷下的火花。换向极绕组与电枢电路串联，换向极磁场与交轴电枢反应磁场方向相反。它不仅用来抵消电枢反应磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。图4-2-1直流电机解体图3．机座：是直流电机的固定支撑和防护的部件，又是磁路的一部分。有磁通经过的部分称为磁轭。机座通常是由铸钢制成或由钢板卷焊而成。4．电刷装置：主要有刷架、刷杆、刷握、炭刷及压紧弹簧等组成。为减少由机械原因而引起的电火花，炭刷插在刷握中应既能上下自由移动又不晃动，而且随着炭刷的磨短应及时调整压紧弹簧，以保持与换向器适当的接触压力。2．电枢绕组：各绕组线圈的两个出线端按一定的规律焊接到换向器片上，形成一闭合回路。1．电枢铁心：由硅钢片叠成，固定在转子支架或转轴上。铁心圆周上均匀分布的槽内嵌放电枢绕组。电枢铁心是磁路的一部分，二、转子主要部件3．换向器：换向器的作用是将电枢线圈中的交流变为直流或相反。由许多楔形铜片（换向片）叠成圆筒形，片间用云母绝缘。换向器片放置在套筒上；用压圈固定，压圈本身又用螺帽固紧。换向器装在轴上。电枢线圈的出线端就焊接在换向器片端部的升高片的小槽中。电力拖动一、构造(structure)电力拖动基本构造：定、转子statorandrotor电刷、换向器作用：——起机械整流器作用。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）。注意：各部件的作用。电力拖动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结构细说换向器电力拖动二、主要铭牌数据(mainnameplatedata)1.额定容量capability（KW）:是指额定状态下,发电机输出的电功率Pn=UnIn,或电动机轴上输出的机械功率Pn=UnInn;2.额定电压（Vvoltage）：端电压Un;3.额定电流（Aampere）：发电机输出的或电动机输入的额定电流In;4.额定转速nN(rotatespeed)：额定状态下的转速;电力拖动他励电动机separatelyexcited：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机shunt-woundmotor：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机serieswoundmotor：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机compound-woundmotor：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U三、直流电机的励磁方式ExcitationMode电力拖动主要内容：content直流发电机及电动机的工作原理主要掌握：区分电动机与发电机原理直流电机电动势与电磁转矩主要掌握：区分发电机与电动机的转矩与电动势直流电机的电刷位置主要掌握：电刷在那个位置产生的火花最小4.2直流电机的基本工作原理operationalprinciple电力拖动一、工作原理（workprinciple）直流电源Electricsource电刷brush换向器commutator线圈windinga.电动机motor电动机的电磁转矩是驱动转矩.在旋转的过程中,电枢线圈也切割磁场而产生电动势,该电动势的方向总是与电流方向相反,故称为反电动势.电力拖动b.发电机generators电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转发电机的电动势(electromotiveforce)为电源电动势。电枢中有电流以后,电流与磁场相作用产生电磁转矩。方向与转动方向相反,故称反转矩（阻转矩countertorque）。在线圈内部是一个方向不断改变的交变电动势，而电刷之间的电动势则是方向不变的直流。电力拖动在线圈内部(inside)是一个方向不断改变的交变电动势，而电刷之间的电动势则是方向不变的直流。电力拖动电机运行方式E与Ia的方向E的作用TM的性质转矩之间的关系发电机相同电源电动势阻转矩Tl=TM+T0电动机相反反电动势驱动转矩TM=TL+T0电力拖动电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。二、恒定(invariablenes)的电动势和电磁转矩FFU+–NS电刷换向片IIEEKE:与电机结构有关的常数称为电势常数nKEeKT:与电机结构有关的常数,称为转矩常数TorqueconstantaTIKT电力拖动位置不正确，产生增磁性电枢反应电刷在“几何中心线”上三、电刷的正确位置rightposition电刷的位置正确与否,将影响到正负电刷间的电动势E,从而影响到发电机的电压和电动机的转速;同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。确定电刷正确位置的原则是:使正负电刷间能获得最大电动势。位置不正确，产生去磁性电枢反应电力拖动主要内容：content直流发电机的空载特性主要掌握：区分电动机与发电机原理自励直流发电机的起压主要掌握：起压条件直流发电机的外特性及电压变化律主要掌握：电压与电流的关系4.3直流发电机DCgenerator电力拖动因为E=KeΦn,而Φ与If之间为磁化曲线关系,所以空载特性曲线与磁化曲线相似。一.空载特性noloadcharacteristics（1）剩磁(remanence)电压Er：励磁电流等于零时的开路电压,约为额定电压的2~5％。当发电机空载(I=0)及保持额定转速不变时,电枢电动势(或空载电压U0)与励磁电流If之间的关系E=f(If)。EEr0If（2）正常工作在弯曲(blend)段（3）调节If可以调节发电机电压电力拖动二.自励发电机的起压(voltagebuild-up)自励发电机的自励(self-excitation)起压过程(靠剩磁建立电压)EE=f（If）Er0IfE=IfRfα以并励为例：非线性的空载特性曲线(E=f(If))与线性的场阻线(Rf=E/If)的交点即为自励的稳定电压(stablevoltage)。电力拖动EE=f（If）Er0IfE=IfRfα分析起压过程(process)：剩磁通剩磁电动势fI励磁电流fIE励磁磁场剩磁磁场磁场方向一致…稳定在A点A3.励磁电路的电阻要适当。自励发电机的自励起压条件(voltagebuildupcondition):1.发电机要有剩磁；2.励磁电流磁场与剩磁场方向相同；4.转速要适当。电力拖动三.外特性externalcharacteristic在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下,发电机的有载端电压与负载电流之间的关系U=f(I)。直流发电机电枢(armature)电路的电压平衡方程(equation)为UEIRaa电力拖动a.他励发电机(separatelyexcitedgenerator)电枢电流Ia等于负载电流Ib.并励发电机(shuntwoundgenerator)IIIaf电枢电流只有电枢电阻引起端电压的微小变化电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小,电动势的减小,又使电压进一步下降电力拖动3.复励发电机compoundgeneratorIIIaf电枢电流armaturecurrent复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流(短复励)或电枢电流(长复励),复励发电机又分为积复励发电机和差复励发电机。电力拖动积复励cumulativecompoundexcitation：串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机差复励differentialcompound：串励与并励磁场方相反的复励发电机称为差复励发电机。根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为平复励、欠复励和过复励发电机。当供电线路较长时，一般采用过复励。船上采用平复励。电力拖动直流发电机从空载到满载端电压变化的程度用电压变化率表示,即uUUUnn%0100%过复励的u％0。电压变化率(varietyrate)他励发电机的u％≈(5~10)％;并励的u％≈(10~30)％;平复励的u％=0;欠复励的u％0;电力拖动四.转矩和功率的平衡(balance)当发电机稳定运行时,发电机机械转矩T1=T+T0电磁阻转矩空载转矩机械功率mechanismpowerP1=Pe+P0发电机的效率(efficiency):PP/1电力拖动主要内容：content直流电动机的构造主要掌握：结构直流电动机的分类主要掌握：他励、并励、串励、复励直流电动机的工作原理主要掌握：工作原理4.4直流电动机DCmotor电力拖动直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：excellency(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:application轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。电力拖动1.他励电动机(separatelyexcitedmotor)励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。直流电机的分类(sort)直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机2.并励电动机(shuntwoundmotor)励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。UUfIaM+_+_IffRstR他励IaUM+_IffRstR+_IE并励电力拖动4.复励电动机(compoundwoundmotor)励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3.串励电动机(serieswoundmotor)励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM复励U+_IMIa电力拖动4.4.2直流电机的基本工作原理电力拖动IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷brush换向片commutatorU–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的交流电，以保持转矩方向不变。电力拖动U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷brush线圈(winding)