第3章直流电机原理.ppt
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1、* 掌握直流发电机和直流电动机的工作原理。 * 了解直流电机的结构、电枢绕组。 * 熟练掌握并能正确使用直流电机的额定值。 * 熟练掌握直流电机的励磁方式。 * 搞清直流电机空载磁场,正确理解磁化曲 线。 * 正确理解电枢反应概念及其影响。 * 正确理解电势及转矩公式,并能正确使用。,第三章 直流电机原理 DC Motor fundamentals, 3.1 直流电机的用途及其基本工 作原理,3.1.1直流电机的用途,直流电机,DC Machine,直流电机的用途 直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械装置。,把直流电能转变为机械能的电机是直流电动机; 反之,把
2、机械能转变为直流电能的电机是直流发电机。,直流电机具有可逆性: 一台直流电机既可以工作在电动机状态,也可以工作在发电机状态,取决于电机的运行条件。 直流电动机与交流电动机相比,其主要特点是: (1)调速范围广,易于平滑调速; (2)起动、制动和过载转矩大; (3)易于控制,控制装置可靠性较高。 直流电动机常应用于调速要求较高的工业应用场合: (1)大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、大型车床、 大型起重机; (2)电动车辆牵引、电力机车牵引; (3)挖掘机械、纺织机械。,直流发电机供电质量较好,常作为大型直流电动机以及大型交流发电机的励磁直流电源。 直流电机与交流电机相比的主要缺点是: (1)电机结
3、构较复杂,成本较高,维护困难,可靠性稍差; (2)主要是换向问题,直流电机在运行时由于电刷与换向器之间易产生火花,它限制了直流电机的极限容量和转速,又增加了维护的工作量;使得直流电机的发展和应用受到限制。 近年出,由于电力电子技术的迅速发展,与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现,直流电机有被取代的趋势。尽管如此,直流电机仍有相当重要的理论意义和实用价值。,3.1.2直流电机的基本工作原理 (一)直流发电机的基本工作原理,产生电能要两个必要条件:有一个磁场存在;导体在磁场中有运动,基本原理:电磁感应定律,从以上分析可以看出: 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
4、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。,磁极,电刷,(二) 直流电动机的基本工作原理,基本原理:电磁力定律,产生力矩要两个必要条件:有一个磁场存在;导体中有电流,从以上分析可见,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。,3.2 直流电机的主要结构与型号3.2.1 主要结构 定子部分(Stator) 、转子部分 (rotator) (电枢,Armature) 、 气隙(Air-gap),一、 定子部分: 主磁极; 换向磁极; 机座;电刷 main Magnetic pole ;commutation Magnetic
5、pole ; machine bearing; Brush,主磁极,换向磁极,http:/202.194.199.225/new/dianji/dianjijiegou.htm,爆炸图,装配图,1 、主磁极 主磁极的作用: 使用材料及结构形状:,2、换向极: 3、机座: 4 、电刷装置:,二 转子部分:转子又称为电枢,包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。 1 电枢铁心: 2 电枢绕组:,换向器,电刷,刷架,电刷,电枢铁心,电枢铁心硅钢片(0.5mm),电枢铁心,转子下线,换向器,3.2.2 直流电机的额定值(铭牌数据),1、额定功率PN 发电机是出线端输出的电功率。 PN= UN
6、*IN 电动机是轴上输出的机械功率PN= UN*INN 2、额定电压UN (V) 3、额定电流IN (A) 4、额定转速nN (rpm) 5 、励磁方式和额定励磁电流 (A),额定运行状态,欠载运行,过载运行,例:一台直流发电机,其额定功率PN=145kw,额定电压UN=230V, 额定转速nN=1450r/min,额定效率N=90%,求该发电机的输入功率p1及额定电流IN各为多少? 例:一台直流电动机,其额定功率PN=160KW,额定电压UN=220V,额定效率N=90%,额定转速nN=1500r/min,求该电动机的输入功率,额定电流及额定输出转矩各是多少?,解: 额定电流,额定输入功率,
7、电机型号表明电机的主要特点,第一部分为产品代号;第二部分为规格代号;,Z231,一般用途的防护式 中小型直流电机,表示第二次设计,表示机座号,表示铁芯长度顺序号,3.2.3 直流电机的主要系列,3.3.4国产直流电机的主要系列产品 国产的直流电机种类很多,常见的产品系列: Z2系列是一般用途的中、小型直流电机,包括发电机和电 动机。 Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列;ZF是直流发电机系列。 ZT系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。 ZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。 ZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。,
8、ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。 ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。 ZA系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。 ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。 ZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。,3.3 直流电机的磁场 (magnetic field),在介绍直流电机的空载磁场之前,我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。 3.3.1电机的励磁方式: 即:我们要看一下直流电机是如何给他的 励磁绕组通电的。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系,励磁式的 直流电机又可细分为:,他励电动机:励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机:
9、励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机:励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机:励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在 同一电源上。,3.3.2 直流电机的空载气隙磁密分布 Main-field flux-density distribution with no-load,一 空载时直流电机的磁路: (magnetic route of DC machine with no load) 空载(no load condition),直流电机空载时的磁路,主磁通:,漏磁通:,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
10、和产生电磁转矩,称为主磁通,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,特点:,1)由同一个磁动势所产生 2)所走的路径不同,这就导致了它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同,在这里,气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能,所以,这一点将是我们主要研究的方向。,二、空载气隙磁密分布波形,分别是气隙.电枢齿.电枢磁轭.主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻,(b) The air-gap Flux-density distribution curve with no-load,极靴下的气隙远远小于极靴之外的气隙, 显然,极靴下
11、沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外,在两极之间的几何中心线处,磁场等于零。对于这一点,我们可以通过数学形式来看一下: 设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为纵轴,又设电枢长度为 ,则离开坐标原点为 的 范围内的气隙主磁通为:,则空载时每极主磁通为:,空载每极主磁通与空载平均气隙磁密成正比,而对于尺寸已定的电机,空载气隙磁密的大小由励磁磁势Ff所决定。当励磁绕组匝数一定时,Ff和If成正比。 换言之,空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。,Air-gap line,Magnetization curve of a dc machine,3.3.3电机的磁化曲线,为了感应电动势或产生
12、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。,曲线特点,电机的磁化曲线具有饱和特点,当主磁通0较小时,铁磁材料的磁位降较小,励磁磁通主要消耗在气隙中;当主磁通0较大时,铁磁材料出现饱和,磁位降迅速增大,使0=(If)曲线离开气隙线弯曲呈非线性。,分析,磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时,要考虑节省材料,磁通密度B值尽量取得大些,但又不能使磁路太饱和,所以,为了更有效经济地利用材料,一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。,3.3.4 直流电机负载磁场及电
13、枢反应,(一) 电枢磁势和磁场 Armature MMF (Magnetic Motive Force) and Magnetic field,1、负载时的气隙磁场:,(1)电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场:(Armature MMF and flux-density distribution) 如图可见:,(2)电刷不在几何中性线上的电枢磁动势: 看图:引出了直轴电枢磁动势, 直轴电枢磁动势:电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合,称为直轴电枢磁动势。以电动机为例,直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波,只是空间的函数 交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波 如沿电枢分布的
14、线圈无限增多,则级形波将趋近于三角形波,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。,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。,负载时的 气隙磁势和磁场,交轴,直轴,电枢磁势位置取决于电刷位置,电刷位于交轴,电枢磁势轴线也在交轴,为交轴电枢反应。,极尖处磁密最大 且由于其饱和程度的提高,饱和影响使高峰略有下降,即极面下的总磁通略减小, 呈先去磁作用,负载时的 气隙磁势和磁场,交轴,直轴,交轴电枢反应对气隙磁场的影响: 使气隙磁场发生畸变 使物理中心
15、线偏移几何中心线一个角度(对发电机:顺着旋转方向) 磁路未饱和时,每极磁通不变 如考虑磁路饱和的影响,则交轴电枢反应有去磁作用,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,(二) 交轴(quadrature axis)、直轴(direction axis)电枢反应: 1)交轴电枢反应:交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。,在这里,我们为了分析问题的简单, 假定(1)磁场是不饱和的,(2)发电机电枢转向是逆时针,电动机为顺时针。这样,我们就可以对上图进行叠加,可知 A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用,在另半个极内则起增磁作用
16、,引起气隙磁场畸变,使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线,新的等于零的我们称之为物理中性线。 B:不计饱和,交轴电枢反应即无增磁,亦无去磁作用。考虑饱和时,起到去磁作用。,2)直轴电枢反应:当电刷不在几何中性线上,出现了直轴电枢反应,从图上可以看出: A:若为发电机,电刷顺着旋转的方向移动一个夹角,对主极磁场而言,直轴起去磁反应,若电刷逆着旋转方向移动一个夹角,则直轴电枢反应将是增磁的, B:若为电动机,刚好相反,这里不再具体分析。,交轴电枢反应: 1)将主磁场扭曲,磁场为零的位 置发生偏转至物理中性线。 2)主磁通量减少,称为电枢反应 的附加去磁. 3)呈去磁作用,(直动),电枢绕组
17、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。 因此,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。,3.4 直流电机的电枢绕组 Armature winding of DC machine,一、名词术语介绍,(1)极轴线:磁极的中心线; (2)几何中性线:磁极之间的平分线, (3) :极对数; (4) 极距:在电枢铁心表面上,一个极所占的距离。 可用槽数表示, (槽),式 中Z为电枢总槽数; (5)元件(线圈):是绕组的一个基本单元,可为单匝,也可为多匝,,元件(线圈):两端分别连接两个换向片
18、的一匝或多匝线圈,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。,(6) 元件节距(第一节距) :元件两条边的距离,以槽数计,总是整数。 整数 其中: :凑整分数。 ,绕组称为整距绕组 取负值, 称为短距绕组 取正号时 , 称长距绕组。短距绕组端接短、省铜,且有利于换向,故常用;,合成节距 :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 :一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,第二节距 :连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向节距 :同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,叠绕
19、组,波绕组,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。,叠绕组示意图,波绕组示意图,大的分类为环形和鼓形;环形绕组只曾在原始电机用过,由于容易理解故讲原理时也用此类绕组;现代直流电机均用鼓形绕组,它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易,又节省导线,运行较可靠,经济性好,故现在均用鼓形绕组。,环形绕组示意图,鼓形绕组示意图,波绕组示意图,叠绕组示意图,单波绕组,单叠绕组,复波绕组,复叠绕组,复合绕组,各种形式的直流电机绕组的区别,主要表现在合
20、成节矩上,其公式为: 叠绕组:y = y1 - y2 若为双叠右行时,则合成节距 y + 2。因单叠左行绕组端接部分交叉,故很少采用。 波绕组:y = y1 + y2按单波绕组的接线规律得知 式中: K - 电机的换向片数; P - 极对数; 单波左行:y 取负号 单波右行:y 取正号 因为右行单波绕组端接部分交叉,故很少采用。,单叠右行:y = + 1,单叠左行:,y = - 1,例:已知某直流电机的极对数P=2,槽数Z、元件数S及换向片数K为Z=S=K=16。试绕成单叠绕组,二、单叠绕组,1、计算节距 第一节距: 换向器节距和合成节距: 第二节距:,2 、绘制绕组展开图 1)画16根等长、
21、等距的平行实线代表16个槽的上层,在实线旁再画16根虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线代表一个槽,编好槽号 2)按节距 连接一个元件,第一个元件的上下层边(15槽),令上层边所在的槽号为元件号;,3)接上换向片,4)画出第二个元件,5)放磁极:,6)放电刷,3 单叠绕组元件联接次序图,4.单叠绕组电路图:,单叠绕组的电路图和和并联支路数(a=p),http:/ (2)位于同一个极下的各元件串联起来组成了 一个支路,即支路对数等于极对数.a=p (3)当元件的几何形状对称,电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时,正负电刷间感应电动势为最大,被电刷所短路的元件里感应电动势最小 (4)
22、电刷杆数等于极数 (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)电枢电流Ia=2aia,三、单波绕组,1.节距 (1) 第一节距 (2)合成节距和换向器节距 (3)第二节距,单波绕组展开图: 我们以一个具体的例子来看这个问题: 已知某直流电机极对数p2,槽数、元件 数及换向片数为z=s=k15。要求绕成单 波绕组。 解:1)计算相关节距: 2)连图:,3)绕组元件连接次序: 从绕组展开图可以后出,全部15个元件是按下列次序串联而构成一个闭合回路的,即: 1815714613512411310291,这样,我们就可以作出他的次序图:,4)、绕组并联支路图(瞬间)
23、 根据单波绕组15个元件的串联次序及 电刷位置,可以画出本例单波绕组的电路图如图所示。;,可以看出,元件15、7、14、6、13串联在一起,即处在S极下的所有元件串联在一起构成一条支路,各元件的电动势方向是相同的。元件4、11、3、10、2串联在一起,构成另一条支路,它们的电动势方向也是相同的。由此可见,单波绕组是把所有N极下的全部元件串联起来组成了一条支路,把所有S极下的全部元件串联起来组成了另一支路。由于磁极只有N、S之分,所以单波绕组的支路图对数与极对数多少无关,永远为1,即:a1 .,单波绕组的特点: (1)位于相同极性下的各元件串联起来组 成了一个支路, a=1 即支路对数与极对数无
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