电机与电气控制技术第一章直流电动机

电机与电气控制技术直流电机学习目标:第一章直流电机掌握直流电动机的工作原理、结构。能分析直流电动机转速、电磁转矩的变化与各参数的关系。能分析电机的换向及改善换向方法。会利用直流电动机的工作特性和机械特性分析实际问题。熟悉直流电动机起动、调速、反转和制动方法。电机与电气控制技术直流电机案例：国产电力机车上常采用直流电机作为牵引电机和辅助压缩机驱动电机。当机车在牵引状态运行时，牵引电机将电能转换成机械能，通过轮对驱动机车运行，此时电机处于电动机状态；当机车在电气制动状态下运行时，牵引电机将机械能转化为电能，产生电制动力，此时电机处于发电机状态。第一章直流电机电机与电气控制技术直流电机第一节：直流电机的工作原理一、直流电机的基本工作原理直流电机分类:直流电动机直流发电机电机与电气控制技术直流电机（一）直流发电机的工作原理NS+_n右手定则判断方向电机与电气控制技术直流电机一、直流电机的基本工作原理（一）直流发电机工作原理不动不动与绕组一同旋转实际中需要多个线圈电机与电气控制技术直流电机（一）直流发电机工作原理通过换向器和电刷将交流变为直流电引出至负载建立磁场导体切割磁场产生交变的感应电势绕组中的电动势交变.电刷两端获得直流电动势结论：e=BXlv电机与电气控制技术直流电机NS+_+_（二）直流电动机的工作原理外部提供用左手定则判断受力方向及形成的转矩方向：f=BXli通过电刷和换向器将直流变为元件的交流电引入产生电磁转矩使电机旋转带动负载旋转建立磁场交流→直流过程？电机与电气控制技术直流电机（二）直流电动机的工作原理电刷外接直流电源经过换向器后，绕组中流过交流电电机与电气控制技术直流电机二、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：电机与电气控制技术直流电机第二节直流电机的结构旋转部分:静止部分:定子转子中间有气隙电机与电气控制技术直流电机第二节直流电机的结构电机与电气控制技术直流电机第二节直流电机的结构小型直流电动机的剖面结构电机与电气控制技术直流电机一、定子部分电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械方面：整个电机的支撑。作用:构成:磁极机座换向极电刷装置端盖和轴承电机与电气控制技术直流电机（一）主磁极产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度励磁绕组铁心作用：电机与电气控制技术直流电机（二）机座整体机座:起导磁和机械支撑作用叠片机座:只起机械支撑作用电机与电气控制技术直流电机（三）换向极安装在相邻的两主磁极之间，用螺钉固定在机座上，用来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。用整块钢制成，也可用厚1~1.5mm厚钢板或硅钢片叠成电机与电气控制技术直流电机（四）电刷用石墨制成的导电块电机与电气控制技术直流电机（五）端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。电机与电气控制技术直流电机二、转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换作用:构成:电枢铁心换向器电机转轴电枢绕组轴承和风扇电机与电气控制技术直流电机（一）电枢铁心作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。材料：为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起的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。电机与电气控制技术直流电机（二）换向器作用：实现电刷内外交直流的转换。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电机与电气控制技术直流电机（三）转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。电机与电气控制技术直流电机（四）电枢绕组用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。线圈元件边在槽内的放置情况1．基本知识作用元件元件的首末端实槽和虚槽电机与电气控制技术直流电机设电枢槽内每层有µ个线圈单元边，则把每一个实际的槽看作包含µ个虚槽。实槽与虚槽（四）电枢绕组Zµ=µ*Z电机与电气控制技术直流电机（四）电枢绕组元件数S和换向片数K：极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离称为极距，用τ表示S=K=Zµ=µZ2pD叠绕组：串联的两个元件总是后一个元件端接部分紧贴在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式进行。电机与电气控制技术直流电机（四）电枢绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪似的前进。电机与电气控制技术直流电机第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的元件边数称为第一节距，第一节距用表示。（四）电枢绕组第二节距：连至同一换向片上的两个元件中的第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。第二节距用表示。电机与电气控制技术直流电机合成节距：连至同一换向片上两个元件对应边之间的距离，即第一个元件的上层边与第二个元件的上层边间的距离或第一个元件的下层边与第二个元件的下层边间的距离。合成节距用y表示。（四）电枢绕组合成节距与第一节距、第二节距的关系为：单叠绕组单波绕组21yyy21yyy电机与电气控制技术直流电机换向节距：同一元件首、末端连接的换向片之间的距离。换向节距用表示ky（四）电枢绕组电机与电气控制技术直流电机2．单叠绕组（四）电枢绕组（1）单叠绕组的节距计算1yykε2pZy11yyk取：称为右行绕组，元件的连接顺序为从左向右进行yyy12电机与电气控制技术直流电机2．单叠绕组（四）电枢绕组（2）单叠绕组的展开图元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷以表示元件间、电刷与主磁极间的相对位置关系。在画展开图前应根据所给定的电机极对数p、槽数Z、元件数S和换向片K，算出各节距值，然后根据计算值画出单叠绕组的展开图。电机与电气控制技术直流电机[例1]已知一台直流电机的极对数p=2，Z=S=K=16,试画出其右行单叠绕组展开图[解]第一步：计算绕组的各节距4416ε2pZy11yyk314yyy12第二步：画元件，用实线代表上层元件，虚线代表下层元件，虚线靠近实线，实线根数等于元件数S，从左向右为实线编号，分别为1至16。电机与电气控制技术直流电机第三步：放置主磁极。第四步：放置换向片。第五步：根据计算所的各节距值连接绕组第六步：放置电刷。电机与电气控制技术直流电机单叠绕组元件连接顺序电机与电气控制技术直流电机（3）单叠绕组的元件连接顺序及并联支路图单叠绕组的特点：①同一磁极下的元件串联在一起组成一个支路，这样有几个主磁极就有几条支路。②电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。③电枢电流等于各并联支路电流之和。单叠绕组并联支路图电机与电气控制技术直流电机3．单波绕组（1）单波绕组的节距计算①第一节距计算单波绕组的第一节距的计算方法与单叠绕组的计算相同。②合成节距y和换向器节距计算选择时，应使串联的元件感应电动势同方向。1Kpykp1Kyk电机与电气控制技术直流电机③第二节距计算12yyy（2）单波绕组的展开图[例2]已知主磁极极对数p=2，Z=S=K=15，绘制单波左行绕组展开图。[解]首先计算各节距343415ε2pZy172115p1Kyyk437yyy12电机与电气控制技术直流电机单波绕组的展开图电机与电气控制技术直流电机（3）单波绕组的连接次序及并联支路图单波绕组的连接次序表单波绕组的并联支路电机与电气控制技术直流电机①同极性下的各元件串联起来组成一个支路，支路对数a=1，与磁极对数p无关。②当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大（即正、负电刷间电动势最大）。③电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。④电刷电动势等于支路感应电动势。⑤电枢电流等于两条支路电流之和。单波绕组的特点：电机与电气控制技术直流电机主极极靴和电枢间的间隙称为空气隙。三、空气隙气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重要组成部分。由于空气磁阻远大于铁磁物质的磁阻，而电机的能量转换是依靠气隙磁通为媒介进行的，所以气隙的大小和形状对电机的性能有很大影响。直流电机的气隙是不均匀的。极靴中部气隙较小，两侧气隙逐渐扩大，极尖处气隙最大。小型电机气隙约为1~3mm；大型电机气隙可达10~12mm。作用:电机与电气控制技术直流电机第三节直流电机的铭牌电机型号铭牌数据主要包括：电机额定功率电机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、出厂日期等电机与电气控制技术直流电机Z2—92一般用途直流电机设计序号,第二次改型设计机座序号电枢铁心长度序号第三节直流电机的铭牌电机与电气控制技术直流电机Z系列：一般用途直流电动机（如Z2，Z3，Z4等系列）；ZJ系列：精密机床用直流电动机；ZT系列：广调速直流电动机；ZQ系列：直流牵引电动机；ZH系列：船用直流电动机；ZA系列：防爆安全型直流电动机；ZKJ系列：挖掘机用直流电动机；ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机；第一部分字符的含义如下：第三节直流电机的铭牌电机与电气控制技术直流电机1．额定功率PN2．额定电压UN和接法额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率；对于发电机是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为kW额定运行状态时，定子绕组应加的线电压，单位为V第三节直流电机的铭牌电机与电气控制技术直流电机3.额定电流IN指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为A额定功率、额定电压和额定电流的关系为：发电机PN=UNIN×10−3kW电动机PN=UNINN×10−3kW第三节直流电机的铭牌电机与电气控制技术直流电机4.额定转速nN：对应于额定电流，额定电压，电机运行于额定功率时所对应的转速。额定功率的单位为r/min。5.额定励磁电流IfN：对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A6.励磁方式：直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根据电枢线圈与励磁线圈的连接方式不同，直流电机励磁有并励、串励、他励、复励等方式第三节直流电机的铭牌电机与电气控制技术直流电机电机的电流正好等于额定值。长期过载运行将使电机过热，降低电机寿命甚至损坏电机的电流超过额定值电机的电流比额定值小得多。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近满载运行:过载运行:轻载运行:第三节直流电机的铭牌电机与电气控制技术直流电机第四节直流电动机的电动势、电磁转矩和功率一、直流电机的励磁方式和磁场（一）励磁方式1．他励电机分别由两个不同的电源供电。电压可以相同，也可以不同ffffRUII他励电机的励磁电流电机与电气控制技术直流电机2．并励电机由同一电源供电。励磁电流一般为额定电流的5%faIII电机与电气控制技术直流电机3．串励电机励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速，串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求很大起动转矩且转速允许有较大变化的负载等电机与电气控制技术直流电机4．复励电机串励绕组他励或并励绕组通常他励（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相同。积复励：串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相反。差复励：电机与电气控制技术直流电机绕组名称电枢绕组换向极绕组补偿绕组串励绕组并励绕组他励绕组线端名称A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2直流电机各绕组线端的符号电机与电气控制技术直流电机（二）空载时直流电机中的磁场直流电机空载时，电枢电流为零，只有励磁绕组中存在电流。因此，空载时电机的气隙磁场完全由励磁绕组的电流所产生。电