第五章直流电机

第五章直流电机§5—1．直流电机的构造及励磁方式§5—2．直流电机的基本工作原理§5—3．直流发电机§5—4．直流电动机学习第五章应该注意的点第五章学习应注意的几个问题：1.直流电机由什么组成？换向器的作用是什么？绕组元件中的电量是交流还是直流？2.电枢电势和电磁转矩的表达式是怎样的？如何运用它们进行分析计算？3.直流发电机有什么特性？直流发电机如何自励起压？4.直流电动机的机械特性有什么特点？为什么直流电动机通常不能直接起动？本章的计算任务主要是：根据电压平衡方程和有关特性进行计算。比较难理解的点：1.直流电机电刷位置；2.直流电机电枢反应去磁作用。§5-1.直流电机的构造及励磁方式本节的主要内容有三部分：构造：主要点：主要组成及作用，如换相器等。铭牌数据：参数个数、数据含义。励磁方式：种类。基本构造：——定、转子。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。一、构造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注：书P.62.图5-1-1的电机是较大型的电机，其电枢绕组中间开有通风槽。换向器电枢绕组另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变（微小脉动）。二、主要铭牌数据铭牌数据：——额定容量、电压、电流、转速、励磁（电压、电流）等。——书P.64。额定容量：都是指输出。发电机：电枢绕组输出的电功率；电动机：转子轴上输出的机械功率。额定励磁电流：——额定负载时励磁绕组通过的励磁电流。通常由励磁回路串联的变阻器调节。通常还标明励磁电压——以备采用与电枢电压不同等级时参考。励磁方式：他励、并励、串励和复励4种。复励：（从磁通叠加效果看）积复励、差复励；（从绕组连接情况看）长复励、短复励。积复励：平复励、过复励、欠复励。直流电动机不能采用差复励，直流发电机不能采用串励。[第一节要点]：基本结构（电刷、换向器作用）；铭牌数据；励磁方式。三、励磁方式§5-2.直流电机的基本工作原理本节的主要内容有三部分：基本工作原理：主要点：注意元件和电刷两端电量的性质；注意：“电刷”、“换向器”的作用。电势和转矩：掌握电势和转矩的计算公式。P.66.式（5-2-1）、（5-2-2）。电刷位置：注意分清：“实际空间位置”和“短接元件边位置”。一、工作原理电刷A总是与处于正电位的换向片接触，而电刷B总是与处于负电位的换向片接触。虽然bc和de感应的电势是交变的，但电刷AB两端的电压却是直流的。实际直流电机的换向片较多，电刷和换向器配合起机械整流器的作用。电刷和换向器配合：每个绕组元件内部感应电势是交流的，但，一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和，因此，电刷间的电势为合成电势，是一个脉动的直流电势。二、恒定的电动势和电磁转矩并联支路图说明，转子旋转后电枢绕组所有元件被两个电刷所平分为2个支路（1对极），当n或Ia不变，电刷之间串接的绕组电势或产生电磁转矩不变（书P.66.公式）。电势公式：E=KeØn，式（5-2-1）转矩公式：T=KTØIa，式（5-2-2）Ke与KT关系是常数：Ke=pN/60a；KT=pN/2πa。∴Ke/KT=π/30≈1/9.55。N：总有效导体数，a：并联支路对数，p：极对数。电刷放置的原则：为了感应最大电势或产生最大电磁转矩，电刷所短接的（换向）元件的两个边应处于磁通最弱（几何中性线）的位置上。电刷的位置：1.实际位置：磁极的正中（说明不了原理等问题）。2.示意图位置：直接放在几中线的元件上。三、电刷的正确位置展开图上位置原理图上位置电刷与磁极的相对位置不变换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，换向元件中若存在电势则短接时会产生火花——电磁原因（还有机械、电化学等原因）。换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。换向火花克服：（通过磁极尖增、去磁电枢反应的情况说明）：1.换向极；2.移动电刷（与转向有关，发电机和电动机正好相反）。——见书P.67图5-2-4，注意：发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。克服火花应移动的方向（助记）：——“顺发、逆动”。[第二节要点]：原理（AC/DC转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向定义。换向及换向火花§5-3.直流发电机本节的主要内容有四部分：空载特性：掌握空载特性的实质。自励起压过程：掌握自励起压的条件及起压过程分析。外特性：定义、电压变化率。转矩和功率的平衡：注意平衡关系。一、空载特性条件：I=0，n=nN。特性：E=f（If）或U0=f（If）实质：——磁化曲线。与同步发电机相似，也是电机磁路的磁化曲线。实验测量时注意：也应该单方向调节励磁电流，否则磁滞的影响，将使结果出现偏差。红色的曲线为空载特性过程：发电机转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的数值上。条件：1.有剩磁（若无，应可充磁）；2.接线正确（励磁与剩磁同向）；3.场阻线与空载特性有一个确定的交点（励磁电路电阻适当）。二、自励起压三、外特性励磁方式：他励、并励和复励（前面已讲）——P.69图5-3-3。外特性与励磁方式有关，以并励发电机为主进行说明，注意“条件”。关系式——P.69式（5-3-2）。他励：励磁电压不受影响，只有内阻压降。——比并励较硬。并励：∵内阻压降使端电压略有下降，励磁相对减少。——注意：电压变化率的计算和区别（P.69）重新解释：——直流发电机不用串励的原因。转矩平衡方程：T1=T+T0，——T电磁转矩，T1输入转矩，T0空载转矩。功率和效率公式：书P.70.式（5-3-6）、（5-3-7）。功率平衡：由转矩平衡关系及电压平衡方程得到功率的平衡关系。并由此引出效率的计算公式。[第三节要点]：空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁对应曲线形状）。四、转矩和功率平衡§5-4.直流电动机本节的主要内容有三大部分：机械特性：主要点：转动原理、影响特性的因素、特性表达式和形状。转矩特性：了解不同励磁所对应的转矩特性形状。起动与反转：主要点：起动的特点和方法（注意起动时励磁的作用）；反转的方法。直流电动机说明原理：结构上保证在相同极性磁极下，电流方向相同。因此就能产生恒定转矩。电压平衡方程式：U=E+Ia（Ra+R）励磁方式：——并、串、复励磁，书P.71.图5-4-1。电流之间的关系与励磁方式有关：书P.71.图5-4-1。注意：不用差复励。转动原理：电枢通电，在励磁绕组产生的磁场下，受力起动。电刷和换向器保证每个磁极下导体电流方向始终不变。电磁转矩：——书P.71.式（5-4-3）与发电机相同。一、机械特性机械特性方程式：利用E0=KeΦn、T=KTΦIa和电压平衡方程可得：n=U/KeΦ–Ra/KeKTΦ2=n0-k△n。特点：并（他）励特性，直线、硬特性；串励，∵空载时Φ≈0，∴无理想空载转速，注意“飞车”；（积）复励，介于并励和串励之间。自然机械特性：又称为“固有机械特性”（不人为改变参数）；人工机械特性：是人为改变参数（弱磁、降压、串电阻）。二、转矩特性转矩特性是指：电磁转矩T和电枢电流Ia的关系曲线，实际就是电磁转矩的计算公式。不同的励磁方式，转矩特性的形状不同。因为起动时，转速为零，电枢感应的电势为零，根据电压平衡方程，起动时电枢电流Ia=（U-Ea）/Ra=U/Ra。而∵电枢电阻通常很小，所以起动电流很大（10～20倍的额定电流）。∴0.5kW以上的直流电动机不能直接起动，否则Ia、T冲击很大，火花很大。起动方法：在保持最大励磁电流情况下，1.电枢回路串电阻起动；2.降压起动。起动电流控制在1.5～2.0In。注：1.起动时，励磁磁场通常应该最大，才能减少起动电流，并增加起动转矩；2.电枢绕组串联的起动电阻不能采用滑动变阻器，应采用分段切除的变阻器（∵大电流）。三、起动和反转反转方法：1.改变电枢电流方向，励磁电流方向不变；2.改变励磁电流方向，电枢电流方向不变。即：单独改变电枢绕组或单独改变励磁绕组的接线（将两个接线端反接）。注意：反转时电枢电流更大，应该采取措施限流。同时改变电枢和励磁绕组的接线，则电枢电流和励磁电流的方向将同时改变，电动机的电磁转矩的方向不变，电动机的转速也不变。交、直流两用电动机的工作原理就是以此为依据的。交、直流两用电动机实际上是一台直流电动机，使用时若电源为交流电，则转向仍然不会发生变化。[第四节要点]：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。第五章各节要点各节要点：第一节：基本结构（电刷、换向器的作用）；铭牌数据；励磁方式。第二节：原理（AC/DC转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向。第三节：空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁曲线）。第四节：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。第五章的主要内容主要内容：知道直流电机的结构原理和励磁方式；掌握直流电机电枢电势和电磁转矩的分析方法；掌握直流发电机的特性；掌握直流电动机机械特性；能够根据电压平衡方程和有关特性进行相应计算。——也是“计算点”之一。电枢绕组元件的交流电流、电势是如何转变成电刷两端的直流电流和电势的？发电机是如何自励起压的？电动机的起动方法和起动过程分析等概念应该掌握。计算任务主要是：电磁转矩、功率、电动势、转速、电动机起动电阻等的计算。本章的计算任务也是本课程的主要计算任务之一。