直流电机讲座

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章 直流电机,电机及电力拖动基础,page,86,第,1,章 直流电机,电机及电力拖动基础,page,2,1-3,直流电机的电枢绕组,1-4 直流电机的磁场,1-,5,直流,电动机,1-,6,直流发电机,1-,7,直流电机的,换向,1-3,直流电机的电枢绕组,绕组型式,单叠绕组,单波绕组,电枢：转子,机电能量转换的枢纽,绕组是由许多线圈,(,下称,元件,),按一定规律连接而成,1.,电枢绕组元件,线圈,(1).2,个元件边：嵌在槽中的部分,(2).,前端接部分、后端接部分,(3).,上层元件边、下层元件边,(4).,首,(,出线,),端、末,(,出线,),端,上层元件边、下层元件边处在不同极性的磁极下，即同一元件的上层元件边、下层元件边的距离约为,一个,磁极的距离。,一、元件与节距,*.,现在讨论：一个槽内共放置,2,个元件边,*.,元件数,S=,换向片数,K,，即,S=K,*.,换向片数,K =,槽数,Z,*. S=K=Z,1,片换向片总接,1,个元件的上层元件边和另,1,个元件的下层元件边。,1,个元件有,2,个元件边。,不管一个元件里有多少匝，引出线只有两根：一根叫首端，一根叫尾端。同一个元件的首端和尾端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间是通过换向片彼此连接起来的，这样就必须在同一个换向片上既联有一个元件的首端，又联有另一个元件的尾端。,2.,节距：用来表征元件本身和元件之间连接规律的参数,节距,第一节距,y,1,第二节距,y,2,合成节距,y,换向节距,y,k,第一节距,y,1,必须是整数,用,槽数来表示,同一元件的,2,个元件边在圆周上的距离。,极距,：,2,个相邻磁极在圆周上的距离。用槽数来表示,p,为极对数,第一节距,y,1,=,整数 ,y,1,=,整数，,为,1,的正分数,整距绕组：,y,1,=,短距绕组：,y,1,长距绕组：,y,1,(2),第二节距,y,2,必须是整数,用槽数来表示第一个元件的下层元件边与直接相连的第二个元件的上层元件边之间在圆周上的距离。,(3),合成,节距,y,必须是整数,用,槽数,来表示直接相连的,2,个元件的对应元件边之间在圆周上的距离。,(4),换向,节距,y,k,必须是整数,每个元件的首、末,2,端所接的换向片在圆周上的距离。用换向片数来表示。,y,k,=y,二、单叠绕组,叠绕组,：后,1,元件的端接部分紧叠在前,1,元件的端接部分上,;,y,k,=1,的叠绕组称为单叠绕组。,例：,Z=S=K=16,，,2p=4,，接成,单叠绕组,1.,计算节距,y,k,=y=1,y,1,=4,y,2,=3,2.,画绕组展开图,(1).,画,Z,个槽,y,k,=y=1,y,1,=4,y,2,=3,(2).,画一个元件：对称,(3).,画换向片,(4).,画其他元件,(5).,换向片编号,(6).,画磁极，一般认为在绕组的上方,宽度,0.75,(7).,画电刷：均布，与磁极同中心,3.,单叠绕组连接顺序表,y,k,=y=1,y,1,=4,y,2,=3,下层,上层,1,2,3,4,5,6,7,8,9,换向片,上层边,下层边,5,6,7,4,5,3,8,1,2,1,16,3,15,4,1,2,3,16,1,15,4,4.,单叠绕组的并联支路图,5.,单叠绕组的特点,(1).,同一磁极下各元件串联成,1,支路；共,2p,条支路，并联,a=p,(2).,当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。,(3).,电刷的对数必须,=,极对数；电刷刷杆数,=,极数,三、单波绕组,单波绕组：合成节距,(,换向节距,)2,个极距、前后,2,元件串联起来像波浪形。,单波绕组的条件：,py,k,=K-1,例：,Z=S=K=15,，,2p=4,，接成,单波绕组,1.,计算节距,2.,画绕组展开图,(1).,画,Z,个槽,(2).,画一个元件,(3).,画换向片,(4).,画其他元件,(5).,换向片编号,(6).,画磁极,(7).,画电刷,3.,单波绕组连接顺序表,换向片,上层边,下层边,11,10,9,5,4,6,8,7,8,7,1,2,6,3,5,4,1,15,14,10,9,11,13,12,下层边,4,3,2,13,12,14,1,15,上层边,1,15,9,10,14,11,13,12,换向片,8,7,6,2,1,3,5,4,4.,单波绕,组的并联支路图,5.,单波绕,组的特点,(1).,上层边在,同一极性,磁极下所有元件串联成,1,支路；共,2,条支路，并联,a=1,(2).,当元件左右对称、电刷的中心线在换向器表面的位置对准磁极的中心线时，正负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路的元件中的感应电动势最小。,(3).,电刷的对数,=1,；电刷刷杆数,=2,；,可采用全额电刷，即用,P,对电刷,电枢电流,I,a,=2ai,a,其中,i,a,为每条支路的电流，共,2a,条支路,单叠绕组和单波绕组的区别,：,并联支路对数的多少,*单叠绕组：低电压、大电流,*单波绕组：高电压、小电流,1-4,直流电机的磁场,直流电机的励磁方式,他励直流电机,并励直流电机,串励直流电机,复励直流电机,1.,他励直流电机,励磁绕组由其他来源提供,与电枢绕组没有电的联系,永磁直流电机属他励电机,永磁直流由永磁体产生磁场,I,f,只有额定电流的,5%,以内,2.,并励直流电机,励磁绕组与电枢绕组并联,励磁电压,=,电枢端电压,I,f,只有额定电流的,5%,以内,3.,串励直流电机,励磁绕组与电枢绕组串联,励磁电流,=,电枢电流,=,大,4.,复励直流电机,有,2,个励磁绕组,1,个与电枢绕组并联,并励绕组,1,个与电枢绕组串联,串励绕组,二,.,直流电机的空载磁场,空载运行,直流电机不带负载,(,不输出功率,),时的运行状态,空载电流,相对额定电流而言，很小、常认为,=0,空载磁场,主磁场,主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场,1.,主磁通和漏磁通,磁通：由励磁绕组通电产生,*主磁通,0,与电枢绕组匝链的磁通,;,*,主磁路,主磁极、气隙、电枢齿、轭、定子轭,*漏磁通,s,只与励磁绕组匝链的磁通；,运用磁路欧姆定理，可以求得：,考虑到气隙磁阻的主导地位，实际应用中，我们可以忽略气隙以外其他磁路的影响，所以有：,电枢电动势与电磁转矩,直流电机工作时，由于转子（电枢）绕组中通有电流，必然就会受到电磁力的作用，同时，电枢绕组在磁场中运转，肯定要做切割磁场的运动，从而产生切割电动势，所以在分析电枢部件的性能的时候有必要定量分析这两方面的情况：,一、电枢电动势：,电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。,一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为,，则,一根导体的平均电动势为：,又因为：,所以：,因为一条支路里的串联总导体数 （,N,为电枢总导体数 ），于是，电枢电动势为：,式中，,是一个常数，称为电动势常数。,例：已知一台,10KW,、,4,极、,2850r/min,的直流发电机，电枢绕组是单叠绕组，整个电枢总导体数为：,372,。当发电机发出的电动势为：,Ea=250V,时，求这时气隙每极磁通量是多少：,2.,直流电机的电枢磁场,*,分析仅由电枢绕组的电流产生的磁场。用右手螺旋定则可以电枢磁动势的方向。,*电枢磁动势,Fa,三,.,电枢绕组的感应电动势,指正负电刷之间的感应电动势,产生的原因：元件边,(,导体,),切割气隙合成磁场,气隙合成磁场的分布是不均匀，每根导体的感应电动势是不同的。,假设磁密是均匀的,假设磁密是均匀的，取,1,个极下的平均值,每个极下的,1,根导体的感应电动势的大小相等,电枢绕组的感应电动势,四,.,电枢绕组的电磁转矩,电枢电动势、电磁转矩公式,1-5,直流电动机,一、直流电动机稳定运行的基本关系式,电压平衡方程式,转矩平衡方程式,功率平衡方程式,电动机惯例,反电动势,Ea,与,U,方向相反,励磁绕组与电枢绕组是并联的,1.,电压平衡方程式,并励电动机,2.,转矩平衡方程式,电磁转矩,T,，与,n,同方向,拖动转矩,空载损耗转矩,T,0,，为制动转矩,轴输出的转矩,T,2,，带动生产机械,(,负载转矩,),，通常是制动转矩。,3.,功率平衡方程式,电磁功率,P,em,在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，或由机械能转换为电能的这部分功率称为,电磁功率,。用,P,em,表示。,体现了能量的互相转换作用。,功率平衡方程式,他励电动机,二、并励直流电动机的工作特性,1.,转速特性,2.,转矩特性,3.,效率特性,当可变损耗,p,cu,等于不变损耗时，效率,达到最大值。,三、串励直流电动机的工作特性,特点：,反电动势,Ea,与,U,方向相反,励磁绕组与电枢绕组是串联的,总电阻,反电势,串励绕组电阻,串励直流电动机的工作特性,1.,转速特性,串励直流电动机的工作特性,2.,转矩特性,起动时，,n=0,Ia,很大,四、,复励,直流电动机的工作特性,工作特性由起主要作用的励磁绕组决定；一般在并励与串励电动机的特性之间。积复励有较高的启动能力、过载能力，可空载轻载运行。,1-6,直流发电机,直流发电机的励磁方式,他励直流,发,电机,并励直流,发,电机,串励直流,发,电机,复励直流,发,电机,一、直流发电机稳定运行的基本方程式,他励直流发电机,发电机惯例：,1.,电动势平衡方程式,2.,转矩平衡方程式,空载损耗转矩,由机械损耗、铁耗引起,拖动转矩,电磁转矩,方向同,n,方向,-n,方向,-n,3.,功率平衡方程式,发电机的输入功率,P1,，除小部分损耗外，大部分转换为电磁功率，由机械功率,电功率,3.,功率平衡方程式,电磁功率，除去电枢回路的铜损耗外，其余部分,输出电功率,发电机的,输出功率,电枢回路的,铜损耗,3.,功率平衡方程式,他励,并励,直流发电机的总损耗,由,输入机械功率,或,其他电源,提供,发电机的效率,二、他励直流电发电机的运行特性,4,个主要物理量：,电枢端电压,U,励磁电流,I,f,负载电流,I=I,a,转速,n,一般保持为额定值不变,运行特性即：,3,个量，其中,1,个不变，其余,2,个物理量之间的关系。,1.,空载特性,空载磁化特性,饱和曲线,空载特性,磁滞现象、平均空载特性、剩磁电压,饱和现象、设计时工作点的选择,如果转速不是额定值，则空载特性按比例变化,2.,外特性,负载试验方法：,1.,I,f,I,fN,保持,2.nn,N,保持,3.,I,从,0,调节,1.2,I,N,2.,外特性,由于电枢反应使磁通减小，使端电压与电流的关系不是一条直线。,发电机端电压随负载电流的增大而减小的程度,电压调整率,重要性能指标,3.,调节特性,负载电流的增大,端电压下降，原因？,调节励磁电流达到保持端电压不变,三、并励直流发电机的自励过程和自励条件,发电的条件,机械拖动,n,要有气隙磁场,并励直流发电机的自励过程和自励条件,并励直流发电机自励的三个条件,1,电机必须有剩磁,2,励磁绕组并联到电枢的极性必须正确,3,励磁回路中电阻小于,Rcr(,称为临界电阻,),四、并励直流发电机的运行特性,空载特性,该接成他励方式后，测量得到空载特性，方法和特性曲线与他励直流发电机相同。,并励直流发电机的外特性,2.,外特性,同一台直流发电机，分别接成,并励方式,、,他励方式,，得到外特性分别如图,1,、,2,曲线。,3.,并励直流发电机的调节特性,五、复励直流发电机的外特性,并励绕组：电压高,线细、匝多,串励绕组：电流大,线粗、匝少,串励绕组起辅助作用，并励绕组起主要作用。,积复励,:,过复励、,平复励,、欠复励,1-7,直流电机的,换向,以单叠绕组为例，,一个元件被电刷短路前的电流是,+,i,a,，被短路一下，之后的电流是,-,i,a,，这种电流方向的改变，就称为,换向,。,换向火花,换向周期,T,k,换向条件不好则会在电刷与换向器之间产生火花。超过一定限度，会烧坏电刷和换向器。,正常工作时，火花等级不超过,1.5,级；,短时过载时，火花等级不超过,2,级。,1.,直线换向,(,电阻换向,),*,只考虑接触电阻，它与接触面积成反比。,* 接触电阻是均匀变化的。,* 换向元件的电流是由,i,a,均匀变化到,-,i,a,直线换向的特点：电刷下的电流密度为常数，不产生火花。,理想换向,2.,延迟换向,自感电势,互感电势,切割电势,电抗电势,元件从,+i,a,-i,a,产生,电抗电势,e,r,，,e,r,的方向与换向前的电流 方向一致；,电枢反应使几何中线处,B0,，产生切割电势,e,a,，它的方向也与换向前电流方向一致。,e,r,和,e,A,的存在，使换向延迟了。在电刷中的电流密度分布不均匀，产生附加换向电流,i,k,延迟换向,换向结束瞬间，附加换向电流,i,kT,0,，换向元件储存能量,L,r,i,kT,2,，释放出火花,改善换向的方法：,二、产生火花的,其他原因,机械原因,装配因素,化学原因,环境因素,三、改善换向的方法,2.,装设换向极,换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几何中性线处,B=0,，另一方面产生一个电势刚好与电抗电势,e,r,相抵消，使换向元件内的合成电势等于零，不出现火花。,换向极绕组必须和电枢绕组,串联,，同时,换向极磁路,应处于,不饱和,状态，且极性不能搞错,(,分发电机、电动机,2,种情况,),1.,选用合适型号的电刷,用换向极改善换向,四、环火与补偿绕组,产生环火的原因,电枢反应,2.,装设补偿绕组,补偿绕组与电枢绕组,串联,，其磁势大小与电枢电流成正比，,磁势方向,与电枢磁势,相反,，这样在任何条件下，都可以有效,地防止环火的发生。,