电机学-直流电机

第三章直流电机第三章预习①直流电机的原理结构、工作原理、交流直流出现的位置、绕组和铁芯分类名称、额定值及其关系？直流机磁场的建立方式（励磁方式）②直流绕组名称及含义、构成，旋转运动过程中电势（电流）方向与分布规律（分界线）？③直流机空载到负载磁场分布的变化情况，这种变化用一侧磁场对另一侧磁场的影响（电枢反应）来描述，影响的结果（电枢反应的性质）是什么？是实现能量传递的必要条件。分清分析磁场的d轴、q轴位置、作用、意义。④掌握直流机的电枢电势、电磁转矩公式及其含义，了解推导原理和过程，发电与电动状态的判定。对比变压器的电势。⑤直流机电枢回路电压方程、不同励磁方式下3个电流间的方程、发电与电动状态下的区别？功率和损耗计算及功率流图⑥描述发电机的特性有哪些？不同励磁方式下的直流发电机特性的描述方程、曲线规律特点原因，并励发电机的自励条件，由此在使用中可以怎么样、不允许怎么样及原因⑦描述电动机的特性有哪些？不同励磁方式下的直流电动机特性的描述方程、曲线规律特点原因，由此在使用中可以怎么样、不允许怎么样及原因⑧直流电动机的机械特性？方程、曲线的特征点？了解恒转矩负载的机械特性，根据两条机械特性曲线交点的变化控制，来分析电动机启动、调速的种类、原理、方法、调速性能等。掌握平衡运行和稳定运行的异同。了解电动机的制动原理、方法和性能。3.2直流电机电枢绕组3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论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。3.4直流电机的电枢电动势和电磁转矩3.6直流电机的运行特性3.7直流电动机的起动、调速和制动3.8直流电机的换向3.1直流电机的基本工作原理与结构第三章直流电动机的稳态运行3.5直流电机的基本方程3.1.1直流电机的主要结构3.1直流电机的基本工作原理和结构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风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖•一、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。3.1.2直流电机的工作原理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。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，因此电刷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。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。气隙磁场的分布波形bOeOeO电枢线圈电动势波形电枢绕组输出电压波形二、直流电动机工作原理把电刷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。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。3.1.3直流电机的铭牌数据额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。⒈额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以W为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN⒉额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。⒊额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。⒋额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。⒌额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值。定子机座3.1.1直流电机的主要结构3.1直流电机的基本工作原理和结构主磁极电刷装置机座、端盖主极绕组定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴电刷主磁极绕组主磁极铁心电枢铁心电枢绕组换向器电枢绕组是直流电机实现机电能量转换的枢纽。3.2直流电机的电枢绕组电枢绕组的构成原则是，能够产生足够的感应电动势，并允许通过一定的电枢电流，从而产生所需要的电磁转矩和电磁功率。一、直流枢绕组基本知识3.2直流电机的电枢绕组元件：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。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。元件的概念线圈在槽中的安排上元件边前端接电枢绕组的元件前端接下元件边换向片NS1.元件数等于虚槽数2.每一个元件两个边接到两个换向片上，每一个换向片接两个元件的边，因此元件数等于换向片数极距和节距的概念合成节距y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。NSy1y极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。pD2yc换向器节距yc：同一元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离，称为换向器节距。yc＝y二、单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：。1kyy1S14513612SN8109416N2115145136127118109416321151451361271181094163215nA1A2B1B2+++___绕组的并联支路电路图单叠绕组的的特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2）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。电刷放置在几何中性线上3）电枢电流等于各支路电流之和。4）电枢表面电流方向的分布以电刷为分界换向。三、单波绕组单波绕组的合成节距与换向节距相等。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；5）电枢电流等于两条支路电流之和。4）电枢电动势等于支路感应电动势；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，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组的并联支路图一、直流电机的空载磁场3.2.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为，流过电流为，每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF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。如右图(a)所示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。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%。空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。xB（b）气隙磁密分布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，空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。000fF0fI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。NfNI0fF0fIA0N0二、直流电机负载时的负载磁场直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。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。如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中所示。axF由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中所示。axBaxBaxF电枢绕组总的导体数aaaa)(ZxAxxfDiZA22xB0xBaxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应影响：1）引起气隙磁场畸变，2)使电枢表面磁密过零位置（物理中性线）偏离几何中性线。3）不计饱和时，交轴电枢反应既无增磁、亦无去磁用;计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。A1A2磁密等于零的位置三、直流电机的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。电枢反应与电刷的位置有关。1、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用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角，磁通密度的曲线与空载时不同。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交轴去磁性质。2、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。adFaqF电枢磁动势交轴分量直轴分量)(βaqbAF2βadAbF交轴电枢磁动势直轴电枢磁动势2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机：与发电机情况相反。小结•空载时直流电机的磁场–由励磁磁势单独激励产生–电机磁场分为漏磁场与气隙磁场两部分–气隙磁场在极靴下最大且磁密均匀分布，在极靴两侧逐渐减小•负载时直流电机的磁场–电枢反应–交轴电枢反应的性质–直轴电枢反应的性质–电枢反应的大