电机拖动基础 第二章 直流电机

第二章直流电机第1页共20页第二章直流电机(DCmachine)本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法从应用角度分析直流电动机的工作特性和直流发电机的运行特性2.1直流电机的工作原理及结构(basicoperationprincipleandstructureofDCmachine)一、直流电机的工作原理(basicoperationprinciple)1.直流电动机：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL。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。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。如图1。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。图1图2当电枢旋转到图2所示位置时,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。2.直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；原理：导体切割磁力线产生感应电动势，e=BLV；原动机驱动电机转子逆时针旋转，如图3。第二章直流电机第2页共20页图3图4转过0180后如图4。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。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。电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。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。3.直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。二、直流电机的结构(basicstructure)1.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；2.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴。3.气隙**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.电枢绕组是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。第二章直流电机第3页共20页直流电机的主要结构2.2直流电机的铭牌数据(typeandratedvalues)1.型号：Z2-92铁心长度代号机座号第二次改型设计直流2.额定值①额定功率：额定条件下电机所能提供的功率。发电机PN：指电刷间输出的额定电功率；主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承第二章直流电机第4页共20页电动机PN：指轴上输出的机械功率。②额定电压：UN；在额定工况下，电机出线端的平均电压。发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。③额定电流：IN；在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。④额定转速：nN；在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。⑤额定值之间的关系：发电机：额定容量PN=UNIN；电动机：额定功率PN=UNINηN。⑥额定励磁电压：UFn；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。励磁方式：指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。2.3直流电机的绕组(introductionofarmaturewinding)说明电枢绕组的绕法及基本概念。电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。电枢绕组须满足以下要求：在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，并且要结构简单、运行可靠等。一、简单绕组1.直流电枢绕组基本知识元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。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。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ表示。2Dp第二章直流电机第5页共20页也可用槽数表示，2Zp（槽），式中Z为电枢总槽数。元件节距y1（第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数。换向器节距yk：通常用换向片数K来表示。叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。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，象波浪式的前进。2.举例P25-26图2-12、图2-131)原理图2)展开图3)元件连接顺序表二、绕组的基本形式1.单叠绕组元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，yk=1，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。单叠绕组的特点：（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上。（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与并联支路数相同。（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”。（4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压。（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。2.单波绕组两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所在边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组的特点：1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；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；3）电刷数等于磁极数；4）电枢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。结论：相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较第二章直流电机第6页共20页低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。2.4直流电机的励磁方式及磁场(excitingmethodsandmagneticfield)一、直流电机的励磁方式(excitingmethods)1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：分为：他励式、并励式、串励式和复励式。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第二章直流电机第7页共20页1）他励式：励磁电流由其他直流电源单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2）自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：（1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足：faIII（2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：faUUafIII他励：励磁电流较稳定；并励：励磁电流随电枢端电压而变；串励：励磁电流随负载而变，由于励磁电流大，励磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并励绕组为主，以串励绕组为辅。**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。►他励：以电动机为例。自励：以发电机为例。二、直流电机的空载磁场（magneticfieldwithno-load）空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。主磁通：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Φ0。漏磁通：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Φσ。特点：1）由同一个磁动势所产生2）所走的路径不同，导致它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能。第二章直流电机第8页共20页直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。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Φ0，空载时，气隙磁通Φ0与空载磁动势Ff0或空载励磁电流If0的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通ΦN设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应（magneticfieldwithloadandarmaturereaction）1.概述空载：气隙中磁场仅由主磁场的励磁磁动势产生（Ff=NfIf）负载：负载时的气隙磁场Ff+电枢磁动势磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁路漏磁通磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路fNI0fF0fINIfIA0N0第二章直流电机第9页共20页电枢反应定义：电枢磁动势对励磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布：只增加磁路饱和作用0ffFI几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0；物理中性线：B=0处的直线位置3.电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：1)使气隙磁场发生畸变空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线α角，磁通密度的曲线与空载时不同。2)对主磁场起去磁作用磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为去磁性质。2.5电枢电动势和电磁转矩(electromotiveforceandelectromagnetictorque)一.电枢电动势：电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。一个磁极极距范围内，平均磁密用Bav表示，极距为τ，电枢的轴向有效长度为l，每极磁通为Ф，则avBl。励磁电流所建立的磁场电枢电流所建立的磁场气隙磁场第二章直流电机第10页共20页一根导体的平均电动势为：avaveBlv又因为：260nvp，所以：260avnep。因为一条支路里的串联总导体数2Na（N为电枢总导体数，2yNSN），于是，电枢电动势为：222