2直 流 电 机

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第二章 直 流 电 机,DC Machines,1,第一节直流电机的工作原理及结构,第二节直流电机的铭牌数据,第三节直流电机的绕组,第七节直流电机的换向,第四节 直流电机的磁场,第五节 直流电机的感应电势和电磁转矩,第六节 直流电机运行原理,2,第一节 直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,1.直流电动势的产生,电磁感应定律：,满足右手定则,为随时间正负交变的电动势,结论：,3,结论：,为脉动的直流电动势。,由于旋转电刷和静止换向器的,作用,，,4,2、电磁转矩的产生,电磁力定律：,满足左手定则,以单线圈简化模型为例，进行分析。,显然，在电刷间接入直流电源后，在线圈中就有直流电流流过。,5,直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流。,图中电刷相对于磁极的位置保证了，无论线圈边处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生逆时针方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩。,6,二 直流电机的结构,主磁极,换向磁极,电刷装置,机座,端盖,磁极铁心,励磁绕组,电刷,刷握,绝缘支架,压紧力调整装置,转子,定子,直流电机,（产生励,磁磁场）,（产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）,转 轴,电枢铁心,电枢绕组,换 向 器,7,第二节 直流电机的铭牌数据, 额定功率：,P,N,，kW, 额定电压：,U,N,，V, 额定电流：,I,N,，A, 额定转速：,n,N,，r/min, 绕组温升及绝缘等级：,T,N,，K；B，F，H 等,直流发电机：,直流电动机：,8,1.电枢,绕组与换向片,通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路,。,结论：,第三节 直流电机的绕组,9,2.电枢,绕组与电刷连接,位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。,电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。,两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。,10,3.电枢,绕组的一般知识, 元件数S，换向片数K，槽数 Q，虚槽 Q,几个基本概念,11, 第一节距,y,1,合成节距,y,和换向片节距,y,k, 第二节距,y,2,y,2,为元件下层边与其相联结的元件上层边之间的距离。,y,为相串连的两元件对应边的距离,。,y,1,指一个元件两个边的距离。,y,k,一个元件的首尾端在换向器上的距离。,12,单波绕组、单叠绕组、复波绕组、复叠绕组、混合绕组等。,电枢绕组的联结方法,绕组联结方法主要表述绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。,13,单波绕组,讲述单波绕组联结规律的节距、绕组展开图、,元件联结图、并联支路图。为什么叫单波绕组？,1、单波,绕组的节距,以一台 的直流电机为例。,（长距元件）,（,左行绕组）,14,2.单波,绕组的展开图,15,3.单波,绕组的元件联结次序,4.单波绕组的并联支路图,单波叠绕组并联支路对数与电机极对数无关,16,第四节 直流电机的磁场,一、直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。,17,他励电动机：,励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：,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。,M,他励,U,f,I,f,I,a,U,M,并励,U,I,f,M,串励,U,M,复励,U,18,二、直流电机的空载磁场,如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度，即有,B,1/,。主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。,气隙磁密分布波形,19,电机的磁化曲线是指电机主磁通,0,与励磁磁势,F,f,的关系曲线，即,0,=（,F,f,）。当励磁绕组的匝数,N,f,一定时，改变励磁电流,I,f,就可改变磁势，磁化曲线也可用,0,=（,I,f,） 表示。电机的磁化曲线可通过实验或电机磁路计算得到。图中曲线1是电机磁化曲线，曲线2是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，由于空气中的,0,为常数，故气隙线是线性的。,20,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,=（I,f,）曲线离开气隙线弯曲呈非线性,。,电机的磁化曲线,21,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。,22,三、直流电机负载时的磁场,直流电机负载运行时，电枢电流,I,a,不为零，气隙中的磁势由励磁电流,I,f,产生的励磁磁势,F,f,和电枢电流,I,a,产生的电枢磁势,F,a,共同建立。,图a表示由电枢电流单独产生的电枢磁场，根据电枢电流方向和右手螺旋定则，可判断电枢磁势的轴线与电刷轴线（也是几何中心线）重合，并与主磁极轴线正交，故电刷位于几何中心线上时的电枢磁势也是交轴电枢磁势。图b表示仅由励磁电流产生的空载磁场。假设电机磁路不饱和，可利用叠加原理，得到负载时气隙磁场如图c所示。,23,曲线,B,ox,=(,x,)表示励磁磁通密度，亦即电机空载时的磁通密度曲线。,由上述分析可知，电机负载时的气隙磁密,B,x,应等于励磁磁密,B,ox,与电枢磁密的,B,ax,合成，如图曲线,B,x,=(,x,)所示,。,24,直流电机负载时气隙磁密波形,25,当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁势。从上面分析可知：电枢磁势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。我们把电枢磁势对励磁磁势产生的影响称为,电枢反应,。,26,电刷位于几何中性线时的电枢反应,（1）使气隙磁场发生畸变,设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极,尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极,尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生,畸变，对发电机而言是前极尖磁场被削弱,后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极,尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。,27,（2）使物理中性线偏移,我们把气隙中各点磁通密度为零的点的连线称为物理中性线。直流电机空载时，几何中性线与物理中性线重合。负载时，物理中性线偏离几何中性线角，对发电机而言是顺转向偏离角；对电动机而言是逆转向偏离角。,28,（3）当磁路饱和时有去磁作用,磁路未饱和时，气隙里的磁通密度Bx由励磁磁密Box与电枢磁密的Bax叠加得到。磁路饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和性，使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱，如图虚线Bx=(x)所示。,29,电刷偏离几何中性线时的电枢反应,由于装配或换相的需要等原因，有时电刷会偏离几何中性线。从上面分析得到，当电刷位于几何中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势，而电刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离,角，产生的电枢磁势为,F,a,，将,F,a,分解成交轴电枢磁势,F,aq,和直轴电枢磁势,F,ad,，交轴电枢磁势,F,aq,对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而直轴电枢磁势,F,ad,与主磁极轴线重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离,角时，产生的直轴电枢磁势,F,ad,有助磁作用。,30,电刷偏离几何中线角时的电枢反应,电枢反应,31,第五节直流电机的感应电势和电磁转矩,1.直流电机电枢绕组的感应电势,直流电机电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，记作,E,a,。,32,如果设,N,为电枢绕组的总导体数，,a,为并联支路对数，,B,av,为一个磁极内的平均磁密，,l,为导体的有效长度，,v,为导体切割磁场的速度，则电枢电势为：,式中 称为电势常数，它是与电,机结构有关的参数,33,说明:,电势表达式,E,a,=,C,e,n,E,a,n,，改变,或,n,的大小，可使,E,a,大小发生变化，当磁通,单位为Wb，转速,n,单位为r/min，则电枢电势,E,a,单位为V；,E,a,方向取决于,和,n,的方向，改变,的方向（即改变励磁电流,I,f,的方向），就可改变,E,a,的方向。,34,2.直流电机的电磁转矩,直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。设,D,为电枢直径，,N,为电枢总导体数，,f,av,每根导体平均所受的力，则电磁转矩为：,即有： 式中 称为转矩常,数，它也是与电机结构有关的参数。,35,说明:,从电磁转矩表达式T=CTI,a,可见：,TI,a,，改变或I,a,的大小，可使T大小发生变化，当磁通单位为Wb，电枢电流I,a,单位为A，则电磁转矩T单位为Nm；,T方向取决于和I,a,的方向，改变的方向（即改变励磁电流I,f,的方向），就可改变T的方向。,36,电势常数与转矩常数之间的关系式：,根据 和 可得到电势常数与转,矩常数之间的关系式：,所以有：,C,T,=9.55,C,e,37,一、直流电动机的基本方程式,1.电压方程式,下图（a）、（b）分别表示他励和并励直流电动机稳态运行时以电动机惯例标注的各量之间正方向，图中I为线路电流，他励时有：,I,=,I,a,；并励时有：,I,=,I,a,+,I,f,。,第六节 直流电机运行原理,38,他励（并励）直流电动机惯例,39,电枢回路电压方程式：,U,=,E,a,+,I,a,R,a,其中反电势,E,a,=,C,e,n,，若为并励时，存在：,U,=,I,f,（,r,f,+,R,fad,）=,I,f,R,f,由于,R,a,很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压大部分降落在反电势,E,a,上。,40,2.转矩方程式,电动机空载时，轴上输出转矩,T,2,=0，则有：,T,=,T,0,当负载转矩为,T,L,，轴上输出有,T,2,=,T,L,，电动机匀速稳定运行时有：,T,=,T,2,+,T,0,其中电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式,T,=,C,T,I,a,计算，（,T,2,+,T,0,）为总的阻转矩，方向与,T,相反。,41,3.功率平衡关系,他励直流电动机输入功率为：,P,1,=,UI,=,UI,a,=,I,a,（,E,a,+,I,a,R,a,）=,E,a,I,a,+,I,a,2,R,a,P,1,=,P,em,+,p,Cua,式中电磁功率,P,em,的功率性质为电功率，,p,Cua,=,I,a,2,R,a,为电枢回路上的铜耗。,42,并励直流电动机,并励直流电动机输入功率为：,P,1,=,UI,=,U,（,I,a,+,I,f,）=,UI,a,+,UI,f,=（,E,a,+,I,a,R,a,）,I,a,+,UI,f,=,E,a,I,a,+,I,a,2,R,a,+,UI,f,=,E,a,I,a,+,I,a,2,R,a,+,I,f,2,R,f,，,P,1,=,P,em,+,p,Cua,+,p,Cuf,式中,p,Cuf,=,I,f,2,R,f,为励磁回路上的铜耗。,电磁功率,在转矩平衡方程式,T,=,T,2,+,T,0,两边同乘以角速度可得：,T,=,T,2,+,T,0,，,则有：,P,em,=,P,2,+,p,0,也可表示为：,P,2,=,P,em,-,p,0,式中电磁功率,P,em,的功率性质为机械功率，空载损耗：,p,0,=,p,Fe,+,p,m,+,p,ad,。,43,他励直流电动机功率流程图,44,并励直流电动机功率流程图,45,二、他励（并励）直流电动机的工作特性,直流电动机工作特性是指在,U,=,U,N,，,I,f,=,I,fN,，电枢回路不外串电阻的条件下，转速,n,、转矩,T,、效率,与输出功率,P,2,之间的关系曲线。实际运行中，电枢电流,I,a,是随,P,2,增大而增大，又便于测量，故也可把转速,n,、转矩,T,、效率,与电枢电流,I,a,之间的关系曲线称为工作特性。,46,1.转速特性,转速特性是指当,U,=,U,N,，,I,f,=,I,fN,，电枢回路外串电阻,R,=0时，,n,=(,I,a,)关系。根据电势方程式,E,a,=,C,e,n,和电压方程式,U,=,E,a,+,I,a,R,a,可得：,2.转矩特性,转矩特性是指当,U,=,U,N,，,I,f,=,I,fN,，电枢回路外串电阻,R,=0时，,T,=(,I,a,)关系。根据转矩公式,T,=,C,T,I,a,，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。,3.效率特性,效率特性是指当,U,=,U,N,，,I,f,=,I,fN,，电枢回路外串电阻,R,=0时，,=(,I,a,)关系。,47,根据效率的定义可得：,式中总损耗：,说明,空载损耗,p,0,与负载电流变化无关，称为不变损耗；,电枢铜耗,p,cua,随负载电流平方倍变化，又称可变损耗。,当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小。,如果不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点，对其它电机、变压器也适用，具有普遍意义。,48,工作特性,49,三、直流发电机的特性,发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压,U,、负载电流,I,、励磁电流,I,f,这三个基本物理量之间的函数关系。一般保持其中一个物理量不变，讨论剩余两个量之间的关系，这种函数关系就是运行特性。,1.空载特性,空载特性是指原动机的转速,n,=,n,N,，输出端开路，负载电流,I,=0（,I,a,=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：,U,0,=,E,0,=(,I,f,),50,他励直流发电机空载特性,发电机空载特性,51,实验接线图,空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。,52,注意：,实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到,U,0,=（1.11.3）,U,N,为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。,53,2.外特性,外特性是指原动机的转速,n,=,n,N,，励磁电流,I,f,=,I,fN,时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即：,U,=(,I,)，如图曲线1所示。这是一条略微下斜的曲线。,从空载到负载电压下降的原因是：,负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；,电枢电流增大，使电枢反应的祛磁作用增强，端电压进一步下降。,54,他励（并励）直流发电机的外特性,直流发电机的外特性,55,3.并励直流发电机,他励直流发电机运行特性好，但励磁回路需一直流电源供电，若实际应用中没有条件，可采用并励，这样就不需设制专门的直流励磁电源了。,自励过程,当发电机在原动机带动下以恒定的额定转速,n,N,运转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电势,E,r,（约为25%,U,N,），从而在发电机电枢两端建立剩磁电压,U,r,，在剩磁电压,U,r,作用下，产生不大的励磁电流,I,f,（,I,f,=,U,r,/,R,f,），此励磁电流通过励磁绕组会产生磁场，磁场的方向如果与剩磁方向一致，则主磁通得以加强，使电枢端电压进一步提高，端电压的升高，又使励磁电流增大，主磁通更加强，如此反复，最终使电枢端电压建立。,56,并励直流发电机接线图,并励直流发电机接线图,57,并励直流发电机自励过程,自励过程,58,电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；,励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变并励绕组极性；,励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。,实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先减小励磁回路的外串电阻，看电压是否能建立，不行再改变励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应考虑可能没有剩磁，充磁后，再进行自励发电。,并励直流发电机的自励条件是：,59,电机的可逆原理,直流电机的运行是可逆的，同一台电机,既可在一定条件下作发电机运行，又可在另,一条件下作电动机运行，如在原动机的拖动,下，可作为发电机，将输入的机械能转变为,电能；如在电枢两端输入直流电能，可作为,电动机，将输入的电能转变为机械能。,60,第七节 直流电机的换向,换向的物理过程,从前面分析直流电机工作原理可知，直流电机电枢绕组里的电势和电流是交变的。电机运行时，元件会随电枢的运转从一条之路经过电刷换到另一条之路，元件电流改变方向，这一过程称为换向，换向也是直流电机特有的问题，换向的好坏，直接影响直流电机的运行性能。,61,1.换向过程,下图是某一单叠绕组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换向片宽度相等，电枢以,v,a,的速度从右向左旋转。,1号元件换向过程,62,1号元件换向过程,63,换向之前：如图（a）所示，电刷与换向片1接触，1号元件中的电流,i,a,从下层边流向上层边，设为+,i,a,，元件处于右支路。,换向之中：如图（b）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号元件被短接，元件中的电流正从+,i,a,向-,i,a,变化。,换向之后：如图（c）所示，电刷与换向片2接触，1号元件中的电流,i,a,从上层边流向下层边，电流为-,i,a,，元件处于左支路。,电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元件的换向时间称为换向周期，记作：,T,k,。,说明:,64,2.直线换向,如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时间均匀变化，即有：,i,=(,t,)，我们把这种换向称为直线换向，如图曲线1所示，直线换向是理想换向，电机不会出现火花。,65,换向元件中的电流变化,66,3.改善换向的方法,由于换向元件中的,e,=,e,a,+,e,r,0，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流,i,k,产生，设闭合回路的总电阻为,R,，环流为：,环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随时间直线变化，电流的变化比直线换向慢，如图曲线2所示，这种换向称为延迟换向。延迟换向使电刷电流密度不均匀，电刷后部电流密度比前部大，因此在电刷后部出现火花。,67,方法,为了改善换向，应使,i,k,=0，想办法产生e,k,，使,e,k,大小等于,e,a,+,e,r,，方向与,e,a,+,e,r,的方向相反，则,e,=0。如果,e,k,作用大于,e,a,+,e,r,，则电流变化如图曲线3所示，这种换向称为超前换向，超前换向使电刷前部出现火花。,改善换向的方法是加装换向磁极。在几何中心线处加装换向磁极，换向绕组与电枢绕组串联，使,B,k,I,a,，换向磁极的极性与电枢磁场极性相反，以抵消,e,a,+,e,r,的作用。小容量的电机，因为体积有限，无换向磁极，一般用移刷的方法来改善换向。,68,加装换向磁极的极性与电路,加装换向磁极,69,环火原因和克服环火的方法,由前面介绍的直流电机电枢反应内容可知，电枢反应使气隙磁密发生畸变，使位于,B,max,处的元件所连接的两换向片之间的电压增大，此电压超过一定限度，可能出现环火，即在正、负电刷之间出现电弧，环火能使电机在很短时间内损坏。为了防止环火，可在主磁极的极靴中加装与电枢绕组串联的补偿绕组，它所产生的磁势应与电枢磁势相反。,70,本章结束！,71,