第二章-航空电机

第一节概述第二节直流电机的基本结构和工作原理第四节直流电动机第五节三相异步电动机第六节两相和单相异步电动机第七节飞机同步发电机航空电机电子教案第三节直流发电机第一节概述一、航空电机的分类二、航空电机的工作条件三、航空电机的主要特点课堂重点习题航空电机电子教案（一）普通电机的分类电动机发电机1.按能量转化分机交流电电机直流分电流性质2.按变压器、变频机等控制电机电动机发电机分功能3.按（二）航空电机的分类——根据在飞机上的应用1.主电源发电机2.驱动电机3.控制电机4.变流机航空电机工作环境的特殊性，决定了航空电机在结构、性能上有别于地面电机。1.环境温度-55~60℃2.大气压力H↑，P↓3.湿度在高温、高湿作用下，对电机的电气性能和机械性能影响很大4.大气成分5.机械过载——高速旋转、冲击载荷二、航空电机的工作条件1.体积小，重量轻2.特定的电压和频率电压——DC：28VAC：115/200Vf：400Hz，三相四线制三、航空电机的主要特点Chap2第二节直流电机基本结构和工作原理一、直流电机概述二、直流电机的基本结构三、直流发电机的工作原理四、直流电动机的工作原理五、直流电机的换向相关链接习题•直流电机的用途作电源用：发电机作动力用：电动机信号的传递：:测速发电机，伺服电动机•直流电机的优缺点直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。存在换向器2.直流电机结构及工作原理一、直流电机概述•直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机既可作为发电机使用，也可作为电动机使用。•直流电机的主要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2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构图1电机物理模型2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构图2电机结构剖面图2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构主极铁芯励磁绕组极靴机座主磁极：主磁极的作用是建立主磁场。一般可以是永久磁铁或通直流电的励磁绕组建立磁场。主磁极个数一般为偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。机座：起导磁和机械支撑作用。有整体式和叠片式两种。图3主磁极结构图2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构换向极：换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极。其作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。其结构与主磁极相似，个数与主磁极极数相等。2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构图4换向极结构图•电刷装置电刷是电枢电路的引出（或引入）装置，由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。当电枢旋转时，电刷与换向器表面形成滑动接触。2.直流电机结构及工作原理图5电刷结构图二、直流电机的基本结构电枢铁芯：电机主磁路的一部分。通常采用0.5mm厚的低碳硅钢片冲压叠装而成。电枢绕组：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成。2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构换向器：在直流发电机中，换向器起整流作用；在直流电动机中，起逆变作用。通过连接片与电枢线圈相连。2.直流电机结构及工作原理二、直流电机的基本结构2.直流电机结构及工作原理三、直流发电机的工作原理上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。导体ab处于N极下方时2.直流电机结构及工作原理三、直流发电机的工作原理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极下方：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。I导体cd处于N极下方时2.直流电机结构及工作原理dcab当原动机驱动电机转子逆时针旋转180度后，如左图。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，三、直流发电机的工作原理2.直流电机结构及工作原理三、直流发电机的工作原理因此电刷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。工作原理动画演示电枢电势Ea=Ceφn导体ab处于N极下方时2.直流电机结构及工作原理四、直流电动机的工作原理直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。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。如左图。I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。导体cd处于N极下方时2.直流电机结构及工作原理dcab当原动机驱动电机转子逆时针旋转180度后，如左图。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，四、直流电动机的工作原理2.直流电机结构及工作原理四、直流电动机的工作原理可见，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。工作原理动画演示电枢电势Ea=Ceφn•换向：旋转的电枢绕组元件从一条支路经电刷短路，而进入另一条支路，元件里电流改变方向的过程，称直流电机的换向问题。•换向不良时带来的危害：换向不良将在电刷、换向片之间产生火花，火花大到一定程度时，可能损坏电刷和换向器表面。•换向动画演示：2.直流电机结构及工作原理五、直流电机的换向•换向火花产生原因：（极为复杂）电磁性原因——换向时，元件中的自感电势、互感电势以及切割磁通的切割电势，在换向回路中产生附加电流；机械原因——摩擦、磨损；化学原因——高空缺氧、水，导致换向器表面的化学反应而使表面保护膜破坏。•改善换向的措施增大换向回路电阻设置换向极和补偿绕组。2.直流电机结构及工作原理五、直流电机的换向Chap2第三节直流发电机一、直流电机的励磁方式二、直流发电机的稳态运行方程式三、并励直流发电机的自励四、直流发电机的运行特性课堂重点习题直流电机的励磁方式（励磁绕组的接线方式）他励自励——串励、并励、复励接线图他励并励串励（一）发电机的电势平衡式M1nMM01.发电机——Ea、Ia同向Ea=IaRa+U（1）2.电动机——Ea、Ia反向转子导体在磁场中受力产生转矩，转子旋转，产生电势Ea，与电枢电流Ia反向，故又称反电势。U=IaRa+Ea（2）将式（1）两端同乘Ia，得：（三）转矩平衡式M1=M+M0(4)（二）功率平衡式P2PCuaP2——负载有效功率PCua——电枢回路总铜耗aaaaaRIUIIE2(3)式（4）两端同乘电机角速度Ω，得：M1Ω=MΩ+M0Ω(5)P1PMP0P1——原动机输入机械功率PM——电磁功率P0——空载损耗功率EaIaPM(6)（四）发电机的效率12PP由式（3）~（6）得P1=P2+Pcua+P0=P2+ΣP,ΣP=Pcua+P0PPPPPPPP222121EaIIfIa自励：励磁绕组并接于电枢绕组两端，由发电机本身端电压提供励磁，而发电机似的端电压又必须在有了励磁电流后才能产生，所以，并励发电机由初始的U=0到正常运行时的U，有一个自己建立电压的过程（自励）•电机的主磁极通常总有剩磁存在。•原动机拖动转子旋转，电枢绕组切割剩磁场φr，产生一个不大的剩磁感应电势Er。•这一电势加到励磁绕组将产生一个不大的励磁电流If。•该励磁电流产生的磁势φ1如果和剩磁φr同方向，将相互加强，会建立起稳定电压。•该励磁电流产生的磁势φ1如果和剩磁φr反方向，将相互减弱，无法建立稳定电压。自励过程自励条件：电机主磁路有剩磁φr；励磁绕组极性正确；励磁回路总电阻小于建压临界电阻。运行特性：在发电机的运行参数U、I、If中，固定其中一个，研究另外两个参数之间的关系叫运行特性。不同励磁方式的电机运行方式不同。1.负载特性I=Cont.→U=f(If)；I=0时，为空载特性。见图2-142.外特性——If=Ife.n=ne→U=f(I)•他励：U=Ea-IaRa=Ceφn-IRa,I↑U↓•并励U=Ea-IaRa=Ceφn-（I+If)Ra;I增大，导致：a)电阻Ra上的压降增大，导致端电压U下降；b)U下降，导致If下降，φ下降，进一步降低U。•外特性图他励并励IUU0U0直流发电机的外特性03.调节特性a)负载调节特性：U=Cont.→If=f(I)•当负载电流I发生变化时，通过调节If来使端电压保持不变。•并励：当I增大，则U下降，此时，若提高If，则Ea增大，U增大，从而使U保持不变。故I↑，If↑b)速率调节特性：I=Cont.→If=f(n)•I不变，当n变化时，通过调节If来使端电压保持不变。•并励：当n增大，则U增大，此时，若减小If，则Ea减小，U减小，从而使U保持不变。故n↑，If↓Chap2第四节直流电动机一、直流电动机的特性二、直流电动机的起动和调速三、直流电动机的反转和制动课堂重点习题一、直流电动机的运行特性（一）转速特性——U不变时，n=f(Ia)eaaCRIUn转速特性a)并励——If=U/Rf，→If、φ为常数aeaaeICCCRICUn21b)串励——If=Ia，→φ=kIa2111CICkCRIkCUkICRIUCRIUnaeaaeaeaaeaaIan121—并励2—串励C10U=Ea+IaRa，Ea=Ceφn(二）转矩特性——U=Cont.,M=f(Ia)并励电动机——φ=Cont.aaMCIICM串励电动机——φ=kIa2aaaMaMCIIkICICM转矩特性图IaM121—并励2—串励0(三）机械特性——U=Cont.n=f(M)MCCRCUnICMCRIUnMeaeaMeaa2•机械特性方程式：•并励——If、φ为常数MCCMCCRCUnMeae212•串励——φ=kIa，与转速特性相似，也呈双曲线关系Mn并0复串二、直流电动机的起动和调速（一）起动起动：电机从静止到稳定运行阶段直接起动电流：n=0，Ea=0，Ist=(U-Ea)/Ra=U/Ra=10~20IN起动要求（1）励磁线圈不能断路；（2）Ist尽可能小；起动方式：直接起动降压起动（U减小）电枢电路串电阻或分级起动（二）调速调速方法：改变电枢回路调节电阻Rj改变电动机的磁通φ改变电动机的端电压UejaaCRRIUn)(转速表达式：三、直流电动机的反转和制动（一）反转由M=CmφIa，可知，改变电动机转向的方法有：改变主磁极φ(If)方向；或改变电枢电流Ia方向；（二）制动定义：当断开电机电源时，为使电动机尽快停止转动，在电机转轴上产生一个与电机转向相反的阻碍力矩，来制止电动机继续运转的方法。1.能耗制动：利用电动机本身的转动惯性来产生制动转矩，消耗电动机转动的部分动能。2.反接制动：改变电枢电流方向或主磁通方向，使电磁转矩反向，待n≈0时，切断电源。3.回馈制动