new电气 第三章 直流电机

§3.3空载和负载时直流电机的磁场§3.1直流电机的工作原理和基本结构§3.2直流电枢绕组§3.4电枢的感应电动势和电磁转矩§3.5直流电机的基本方程§3.6直流发电机的运行特性§3.7直流电动机的运行特性§3.8直流电动机的起动、调速和制动第三章直流电机直流电机的特点由于存在换向器，其制造复杂，价格较高直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。优点缺点直流电机的用途直流电源励磁电源测速伺服主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组§3.1直流电机的工作原理和基本结构一、基本结构直流电机结构----整体图直流电机结构----去掉外壳直流电机结构---定子直流电机转子直流电机结构---转子铁心直流电机电刷和换向器结构直流电机的物理模型二、直流电机的工作原理直流发电机工作原理右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。感应电动势方向dcba当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。0180可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。直流发电机工作原理感应电动势方向abcd直流发电机运行时的几点结论1.电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2.电刷间为直流电势，线圈中感应电势与电流方向一致；3.产生的电磁转矩T与转子转向相反，是制动性质。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。直流电动机工作原理电流方向abcd原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位置时同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。直流电动机工作原理电流方向dcba直流电动机运行时的几点结论1.外施电压、电流是直流,电枢线圈内电流是交流；2.线圈中感应电势与电流方向相反；3.产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质。直流电机的可逆原理同一台直流电机，通过改变外界条件，可当发电机运行，也可当电动机运行。励磁方式：励磁绕组的通电方式他励：两个独立电路，I=Ia电机电压、电流；电枢电压、电流；励磁电压、电流并励：电机电压U=励磁电压Uf串励：电机电流I=励磁电流If复励IU-+EaIaIfIU-+EaIaIfIfIaEa+-UIIUf-+U-+EaIaIf他励并励串励复励三、励磁方式四、直流电机的额定值额定容量PN：输出功率（kW）；额定电压UN：额定状态下出线端电压(V)；额定电流IN：额定状态下出线端电流（A）；额定转速n：额定状态下的电机转速(r/min)额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载对于直流发电机，PN是指电刷端输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN对于直流电动机，PN是指轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN说明系列：是一般用途的中小型直流电机，包括发电机和电动机。系列：是一般用途的大、中型直流电机系列。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。国产直流电机的主要系列产品2ZZFZ和TZ对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生足够的电动势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单等。电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的主电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。§3.2直流电机电枢绕组电枢绕组由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成。按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组和单波绕组等多种型式。现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。电枢绕组的形式叠绕组波绕组一、直流电枢绕组的构成直流电枢绕组基本知识①元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和前、后端接线组成，元件个数用S表示。②元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。元件：1—元件边；2—首端；3—末端；③换向片元件边依次放在电枢槽内,一个元件一条边放在槽的上层，另一条元件边放在槽的下层，槽数用表示。每个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S总等于换向片数K。即S=K。④槽和虚槽虚槽：把一个上层元件边与一个下层元件边看成一个虚槽，虚槽数用表示。如图所示：即一个实槽里有三个虚槽一个实槽里的虚槽数用u表示，则：uQuQuQuSKQ且满足Q⑤极对数p，电机的极数为2p⑥极距：一个磁极在电枢（转子）表面上所跨的距离为极距，用τ表示。2uQp（槽）⑦极轴线：主磁极的中心线，把主磁极平分成两部分。⑧几何中性线：磁极之间的平分线。⑨绕组节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。⑩第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨槽数表示。选择的依据是尽量让元件里感应电动势为最大。此时12uQyp1y⑾第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。1y2y⑿合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y⒀换向片节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。cy单叠绕组的节距12yyy单叠绕组12yyy单波绕组单波绕组的节距实际电机的电枢把导体的一条边放在一个磁极正下方，另一条边放在相临磁极下，以提高导体利用率。一对导体边称为一个元件。每个元件接在一个换向片上，通过换向片与电刷相连。电枢铁心为实心结构，表面加工有槽，导体边（线圈边）放在槽内。主磁极放置原则N、S极交替放置,间隔相等.实际的槽直流电机结构---转子绕组二、单叠绕组y=yc=1单叠绕组、单波绕组，都有y=yc单叠绕组的节距单叠绕组分析实例数据计算：y＝yC＝1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极实例：P＝2，S＝K=＝161164222uQypuQ1单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ+－++－－NSNSττττ1234电枢转向eeee虚槽号元件号换向片号12345678910111213141516567891011121314某一瞬间电刷、磁极放置磁极：均匀分布，N、S极交替放置。电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。根据这一原则，使电刷恰好放在磁极中心线上。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。单叠绕组的特点并联支路数等于磁极数，2a=2p;元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上；每条支路由不相同的电刷引出，电刷数等于磁极数;由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即aaaiI2单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。§3.3直流电机的磁场磁场是电机实现机电能量转换的媒介。直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。一、空载时直流电机的磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主极磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。直流电机空载时的磁场分布示意图1—极靴；2—极身；3—定子铁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢铁轭NS磁通、磁路主磁通、主磁路：由N极出发，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入S极，再经定子轭回到原来N极。主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。影响饱和程度NS1）空载时气隙磁通密度的分布图形空载时，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。图3.23直流电机空载磁场的磁密分布气隙磁密度为一平顶波0fFB主磁极的励磁磁动势主要消耗在气隙上，当忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙δ的大小2）直流电机的空载磁化曲线fNFfFA0N0电机的磁化曲线考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方。即取在图中的A点（称为膝点）。直线，不饱和部分饱和部分膝点磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间的关系曲线，Φ0＝f（Ff）。通过实验或计算得到。二、直流电机负载时磁场负载时的气隙磁场将由主极磁动势和电枢磁动势共同作用建立。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。1）交轴电枢磁动势沿几何中心线切开2）电枢磁通势单独产生的气隙磁通密度波形为一三角波（气隙是均匀）电枢磁动势及电枢B如果气隙是均匀的，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。但在两极极靴之间的空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形axFaxB0fFB三、直流电机的电枢反应1）交轴磁动势及电枢反应负载时电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。（现以发电机为例进行分析，设电机电枢逆时针旋转）电枢反应作用：1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线，2）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。增磁去磁NaSa去磁增磁2）电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁动势和直轴电枢反应直轴分量直接作用于F0方向,起直接的增磁或去磁作用,对主极磁场影响较大.一、电枢绕组的感应电动势二、直流电机的电磁转矩三、电磁功率§3.4电