第3章-直流电机原理课件

第三章第三章 直流电机原理直流电机原理主要内容3.1 直流电机的用途及基本工作原理 3.2 直流电机的主要结构、额定值和励磁方式3.3 直流电机电枢绕组3.4 直流电机的磁路与电枢反应3.5 电枢电动势与电磁转矩3.6 它励直流电机稳态运行时方程3.7 直流电动机的运行特性 3.9 串励和复励直流电动机3.8 直流电机的换向与改善方法3.1 直流电机的用途及基本工作原理直流发电机：直流发电机：直流电动机：直流电动机：机械能变为直流电能机械能变为直流电能直流电能变为机械能直流电能变为机械能直流电机发明较早，当三相交流电发明后，交流电机迅速直流电机发明较早，当三相交流电发明后，交流电机迅速发展，但直流电机仍有使用，其优点有：发展，但直流电机仍有使用，其优点有：1、调速范围广，调速平滑。2、过载能力较强，起动和制动转矩大。3、易于控制，可靠性高4、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流电动机用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力机车、挖掘机械、纺织机械等直流发电机用作直流电动机和交流发电机的电源一、直流电机的用途一、直流电机的用途伺服电动机伺服电动机测速发电机测速发电机做励磁机用：一般小于做励磁机用：一般小于10万万kW即即100MW的单机同步发电机要用直的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。流发电机作为励磁机。直流电动机工作原理：建立主极磁场外加直流电压在线圈中产生电流载流导体在磁场中受到力的作用F=BIL克服阻力转动对外输出机械能二、直流电机的基本工作原理二、直流电机的基本工作原理转子旋转180电角度：直流电源供电，电流方向不变旋转180度后电磁力方向反向平均电磁力矩为零若要保持电磁力方向不变，则：改变磁极极性或改变电流方向直流电动机原理换向几何中心线：磁极的几何分界线电刷和换向器配合电流换向=电流逆变：导体运动经过磁极的几何中心线期间交换线圈电源极性交换线圈电流方向电磁力方向维持不变直流发电机工作原理：建立主极磁场外加机械转矩线圈在磁场中旋转运动导体在磁场中产生感应电动势e=Blv带电负载对外输出电能换向=机械整流：线圈旋转方向不变导体感应电动势（在不同极下感应电势方向不同，导体感应电势交变）感应电势换向=整流：经过磁极的几何中心线，交换线圈输出极性，输出直流，否则输出交流线圈电动势的波形线圈电动势的波形电刷间的电动势波形电刷间的电动势波形脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈串联而构成的。磁场主磁极永久磁铁/线圈线圈电枢绕组换向器和电刷换流/整流直流电机原理要求结构组成:3.2 直流电机的主要结构、额定值、励磁方式NSNS 直流电机剖面图直流电机剖面图极掌极掌极掌极掌/极靴极靴极靴极靴极心极心极心极心励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组机座机座机座机座转子转子转子转子风叶风叶风叶风叶磁极磁极磁极磁极电刷电刷电刷电刷电枢转子电枢转子电枢转子电枢转子转转转转轴轴轴轴换向器换向器换向器换向器换向片换向片换向片换向片压紧环压紧环压紧环压紧环电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组绕组端部绕组端部绕组端部绕组端部结构细说结构细说换换换换向向向向器器器器定子：定子：转子：转子：机座、主磁极、换向极和电刷装置等机座、主磁极、换向极和电刷装置等电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等承等1 1、机座：、机座：1 1）导磁，是主磁路的一部分，叫定子磁轭，用铸钢）导磁，是主磁路的一部分，叫定子磁轭，用铸钢制作。制作。2 2）机械支撑作用）机械支撑作用2 2、主磁极：又叫主极，形成磁场、主磁极：又叫主极，形成磁场永久磁铁：小直流电机，叫永磁直流电机永久磁铁：小直流电机，叫永磁直流电机电磁线圈：铁心和励磁线圈电磁线圈：铁心和励磁线圈钢板冲叠钢板冲叠3 3、换向极：又叫附加极，装在两主极之间。、换向极：又叫附加极，装在两主极之间。1KW1KW以上以上电机，改善换向，见电机，改善换向，见3.103.10节。铁心用整块钢板，绕组节。铁心用整块钢板，绕组流过电枢电流，匝数少、线粗流过电枢电流，匝数少、线粗4 4、电刷：靠弹簧压在换向器上，实现电枢电流的换向。、电刷：靠弹簧压在换向器上，实现电枢电流的换向。5 5、电枢铁心：是电机主磁路一部分。电枢旋转时，会、电枢铁心：是电机主磁路一部分。电枢旋转时，会有涡流与磁滞损耗，为减少损耗，用硅钢片冲压而成。有涡流与磁滞损耗，为减少损耗，用硅钢片冲压而成。6 6、电枢绕组：用包有绝缘的铜线绕制成一个个电枢线、电枢绕组：用包有绝缘的铜线绕制成一个个电枢线圈，线圈又称为元件。元件圈，线圈又称为元件。元件2 2个出线端连接换向片。个出线端连接换向片。7 7、换向器：装在转轴上，由许多换向片组成，换向片、换向器：装在转轴上，由许多换向片组成，换向片间是绝缘片。换向片与线圈元件数相同。间是绝缘片。换向片与线圈元件数相同。直流电机换向器结构二、电机的铭牌数据（额定值）为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有：1额定容量（功率）（kW）：PN 2额定电压（V）：UN 3额定电流（A）：IN 4额定转速（rmin）：nN 5励磁方式和额定励磁电流IfN（A）另外：还有额定转矩TN和额定效率N注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。所以，直流发电机：的额定容量为：n 而直流电动机的额定功率为而直流电动机的额定功率为P32：国产直流电机的型号（略）：国产直流电机的型号（略）例例3-1 3-2 P32直流电机主极磁场：永久磁铁直流励磁绕组：磁场弱电源连接方式它励自励并励串励复励连接不同，特性不同3.8、3.9串励线圈导线粗，匝数少并励线圈导线细，匝数多先并后串，先串后并3.3 直流电机电枢绕组电枢绕组是由许多形状完全一样的绕电枢绕组是由许多形状完全一样的绕组元件按一定规律连接起来的。组元件按一定规律连接起来的。一个绕组元件就是一个线圈，称为元一个绕组元件就是一个线圈，称为元件，元件数用件，元件数用S S表示。表示。线圈线圈/元件可能单匝，也可能多匝。用元件可能单匝，也可能多匝。用NyNy表示。表示。每元件的二引出线称为首端和尾端。分别接到不同的换向每元件的二引出线称为首端和尾端。分别接到不同的换向片上。即一个换向片既接一个元件的首端，也接一个元件片上。即一个换向片既接一个元件的首端，也接一个元件的尾端。故换向片数的尾端。故换向片数K=SK=S。直流电机电枢绕组最基本的连接型式有单叠和单波绕组。直流电机电枢绕组最基本的连接型式有单叠和单波绕组。还还有复叠、复波和混合绕组。有复叠、复波和混合绕组。每元件的一边占了某槽的上边，另一每元件的一边占了某槽的上边，另一边就占某槽的下边。但一个槽里可并边就占某槽的下边。但一个槽里可并列放几个元件，引入虚槽概念，设有列放几个元件，引入虚槽概念，设有Z Z个实槽，一个实槽中的虚槽数为个实槽，一个实槽中的虚槽数为u u，则，则总虚槽数总虚槽数ZeZe=uZuZ=S=K=S=K分析电枢绕组连接规律，着重研究它的节距、展开图、元分析电枢绕组连接规律，着重研究它的节距、展开图、元件连接次序和并联支路图。件连接次序和并联支路图。我们介绍单叠绕组。我们介绍单叠绕组。一、节距一、节距指两元件边的距离，以虚槽数表示。指两元件边的距离，以虚槽数表示。二、单叠绕组的展开图二、单叠绕组的展开图绕组展开图：是将元件画在一张平面图上，研究元件间电绕组展开图：是将元件画在一张平面图上，研究元件间电路连接情况。路连接情况。画20根实线、虚线，构成20个槽，编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 放磁极：0.7极距*20虚槽/4极NSNS画换向片：元件中间，y1，编号20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20连绕组定感应电动势方向n放电刷：数=磁极，被短路E最小或得到最大电动势。试验-+三、元件连接次序四、并联支路图并联支路数=磁极数从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；并联支路数并联支路数2a=磁极数磁极数2P（2 2a=2=2P P），），整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无内部无“环流环流”；每每条条支支路路由由不不相相同同的的电电刷刷引引出出，所所以以电电刷刷不不能能少少，电电刷刷数数等等于磁极数；于磁极数；正正负负电电刷刷之之间间引引出出的的电电动动势势即即为为每每一一支支路路的的电电动动势势，电电枢枢电电压等于支路电压；压等于支路电压；由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2=2aia.说明：说明：在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中心线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此时中心线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此时电刷的位置，习惯上称为电刷的位置，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置电刷放在几何中性线位置”。P67：3-23.4 直流磁场和电枢反应n空载时，励磁磁动空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙势主要消耗在气隙上。忽略铁磁材料上。忽略铁磁材料磁阻时，主磁极下磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分气隙磁通密度的分布就取决于气隙的布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。几何几何中性线中性线极靴极靴极身极身气隙气隙空载时主磁极磁通分布空载时主磁极磁通分布空载时，气隙磁通0 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。如下图所示。一般直流电机额定运行时，额定磁通N 设定在图中A点负载时，电枢电流产生的磁场对主磁场的影响，称为电枢反应。负载时，电枢电流产生的磁场对主磁场的影响，称为电枢反应。绕组展开图和并联支路图3.5 电枢电动势与电磁转矩电枢元件在磁场中运动，感应出电动势。电枢元件在磁场中运动，感应出电动势。例例3-3 P45电枢元件在磁场中通电流，产生电磁力电枢元件在磁场中通电流，产生电磁力/转矩。转矩。例 已知一台四极直流电动机额定功率为100kW，额定电压为330V，额定转速为 720r/min，额定效率为0.915，单波绕组，电枢总导体数为186，额定每极磁通为6.9810-2Wb，求额定电磁转矩是多少？ee发电机：发电机：电磁功率电磁功率+空载损耗空载损耗他励直流发电机功率流程输出机械功率输出机械功率+空载损耗空载损耗机械摩擦损耗机械摩擦损耗+铁耗铁耗他励直流电动机功率流程他励直流电动机功率流程并励直流发电机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程直流发电机：直流发电机：直流电动机：直流电动机：+-P67：3-4，3-5四、直流电动机的工作特性由由电机的电路原理图可得机电机的电路原理图可得机械特性的表达式：械特性的表达式：称为理想空载转速。称为理想空载转速。实际空载转速实际空载转速3.8 他励直流电动机的机械特性机械特性是指加上一定电压机械特性是指加上一定电压U和励磁电流和励磁电流If时转矩和转速的关系，即时转矩和转速的关系，即n=f(T)。一、固有机械特性一、固有机械特性当当 时的机械特性称为固有机械特性：时的机械特性称为固有机械特性：因电枢电阻很小，斜率很小，所因电枢电阻很小，斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。以固有机械特性是硬特性。当当T=TN时，时，n=nN，此点为电动，此点为电动机额定工作点，转速差机额定工作点，转速差nn=n=n0 0-nN，为额定转速差。约为额定转速差。约n n=0.05=0.05 n nN N 当当n=0时，即电动机起动时，电时，即电动机起动时，电磁转矩磁转矩T=Tst，称为起动转矩。此，称为起动转矩。此时启动电流、启动转矩很大，会破时启动电流、启动转矩很大，会破坏换向器坏换向器1 1、电枢串电阻时的人为机械特性、电枢串电阻时的人为机械特性 保持保持 不变不变,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为特性的人为特性特点：特点：1 1）不变，不变，变大；变大；2 2）越大，特性越软。越大，特性越软。二、人为机械特性二、人为机械特性当当改变改变 或或 或或 得到的机械特性称为人为机械特性。得到的机械特性称为人为机械特性。故电枢串电阻的人为机械特性是通故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性直线。过理想空载点的一簇放射性直线。2 2、降低电枢电压时的人为机械特性、降低电枢电压时的人为机械特性 保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压 时的人为特性：时的人为特性：特点：特点：1)1)随随 变化变化,不变不变;2)2)不同不同,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。是一组平行于固有机械特性的直线。3 3、减弱励磁磁通时的人为特性、减弱励磁磁通时的人为特性 保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性：特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁，增大；增大；2 2）弱磁，）弱磁，增大增大注：他（并）励直流电动机起动和运注：他（并）励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。行过程中，绝不允许励磁回路断开。3.3.机械特性求取机械特性求取（1 1）固有特性的求取）固有特性的求取 已知已知 ，求两点求两点:1:1）理想空载点）理想空载点 和额定运行和额定运行 。具体步骤：具体步骤：1）估算）估算2 2）计算）计算3）计算理想空载点：）计算理想空载点：4 4）计算额定工作点：）计算额定工作点：（2 2）人为特性的求取）人为特性的求取 在固有机械特性方程在固有机械特性方程 的基础上，根据人的基础上，根据人为特性所对应的参数为特性所对应的参数 或或 或或 变化，重新计算变化，重新计算 和和 ，然，然后得到人为机械特性方程式。后得到人为机械特性方程式。3.9 串励和复励直流电动机串励电动机的效率特性，和串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机相似。他（并）励电动机相似。串励直流电动机不能空载，否则“飞速”特点：1）起动转矩大与过载能力强；2）恒功率特性，充分利用电动机和电源。3）牛马特性：适用于牵引，如电力机车、电车等一类牵引机械。复励直流电动机复励直流电动机 三、三、复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险险 ，复励电动机的转速特性如图所示。，复励电动机的转速特性如图所示。复励直流电动机的转速特性复励直流电动机的转速特性 并励并励复励复励串励串励3.10 直流电机的换向换向引起的危害：换向引起的危害：电火花，损坏电刷、换向器电火花，损坏电刷、换向器自感电动势、互感电动势、切割电动势，影响换向自感电动势、互感电动势、切割电动势，影响换向