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重大电机学第三章 直流电机_2012_图文

重大电机学第三章 直流电机_2012_图文

第三章 直流电动机的稳态运行
本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理,讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法。 3.1 直流电机的基本工作原理与结构 3.2 直流电机电枢绕组 3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场 3.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 3.5直流电机的基本方程 3.6直流电机的运行特性

3.7直流电动机的起动、调速和制动
3.8 直流电机的换向

3.1 直流电机的基本工作原理和结构
3.1.1直流电机的主要结构
主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
风扇 机座 电枢 铁心和绕组

主磁极

电刷
换向器

定子

转子

接线板 端盖

接线盒

励磁绕组

3.1.2直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理 右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。

当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 180 0 后 ,如右图。 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,

气隙磁场的分布波形
b

电枢线圈电动势波形
e
e

电枢绕组输出电压波形

O

O

O

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。

二、直流电动机工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
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。 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。如右图。

当电枢旋转到右图所示位置时

原N极性下导体ab转到S极下,受力 方向从左向右,原S 极下导体cd转 到N极下,受力方向从右向左。该 电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作 用下继续逆时针方向旋转。
同直流发电机相同,实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈, 磁极也并非一对。

3.1.3 直流电机的铭牌数据
额定值 是制造厂对各种电气设备(本章指 直流电机)在指定工作条件下运行时所规定的 一些量值。在额定状态下运行时,可以保证各 电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。 额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验 的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上,故 又叫铭牌值。

⒈额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时,电机的输出功率, 以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。
对于直流发电机,PN是指输出的电功率,它等于额定电压和额定 电流的乘积。PN=UNIN 对于直流电机,PN是指输出的机械功率,所以公式中还应有效 率ηN存在。PN=UNINηN

⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压,以 “V” 为量纲单位。 ⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值,以 “A” 为量纲单位。 ⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速,以r/min为量纲单位。 ⒌额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。

3.1 直流电机的基本工作原理和结构
3.1.1直流电机的主要结构
主磁极

主极绕组

主磁极绕组

主磁极铁心

定 子

定子
电刷

电刷装置

机座

机座、端盖
电枢铁心 电枢绕组
换向器

电枢铁心

电枢绕组

转 子

换向器 转轴

3.2 直流电机的电枢绕组
一、直流枢绕组基本知识
元件:构成绕组的线圈称为绕组元件,分单匝和多匝两种。 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。 极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离,用 表示。 ?D ?? 2p 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。

?

第一节距 y1 :一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第二节距 y 2 :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。 合成节距 y :连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 单叠绕组

y ? y1 ? y2 y ? y1 ? y2
N y y2 y1 S

单波绕组
换向节距 换向片之间的距离。

y k:同一元件首末端连接的

1

2

3

二、单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节 y 距均为1,即: ? yk ? 1 。

n
?
15 16 1 2 3 4

?
5 6 7 8

?
9 10 11 12

?
13 14

1

2

N

4

5

6

S

8

9

10

N

12

13

14

S

16

15

16

1

2

3

4

5

6

A1

+

B1

_

7

8

9

10

11

12

13

14

A2

+

B2 _

_ 15

+

绕组的并联支路电路图

单叠绕组的的特点: 1) 同一主磁极下的元件串联成一条支路,主磁极数与支路 数相同。

2)电刷数等于主磁极数,电刷位置应使感应电动势最大,电 刷间电动势等于并联支路电动势。电刷放置在几何中性线上
3)电枢电流等于各支路电流之和。 4)电枢电流的方向以电刷为分界换向。

三、单波绕组
单波绕组的合成节距与换向节距相等。 单波绕组的特点 1)同极下各元件串联起来组成一条支路,支路对数为1,与磁极对 数无关; 2)当元件的几何形状对称时,电刷在换向器表面上的位置对准主 磁极中心线,支路电动势最大;

3)电刷数等于磁极数;
4)电枢电动势等于支路感应电动势; 5)电枢电流等于两条支路电流之和。

两个串联元件放在同极磁极下,空间位置相距约两个极 距;沿圆周向一个方向绕一周后,其末尾所边的换向片落在 与起始的换向片相邻的位置。

单波绕组的并联支路图

3.2.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场
直流电机工作中,主磁极产生主磁极磁动势,电枢电流产生 电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。

一、直流电机的空载磁场
右图为一台四极直 流电机空载时的磁场示 意图。 当励磁绕组的串联匝数 为 N f ,流过电流为 I f , 每极的励磁磁动势为:

Ff ? I f N f

直流电机中,主磁通是主要的,它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩,而漏磁通没有这个作用,它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上,漏磁通比主磁通小得 多,大约是主磁通的20%。 空载时,励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁 阻时,主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。

如右图 (a) 所示
磁极中心及附近的气隙小且 均匀,磁通密度较大且基本为常 数,靠近极尖处,气隙逐渐变大, 磁通密度减小;极尖以外,气隙 明显增大,磁通密度显著减少, 在磁极之间的几何中性线处,气 隙磁通密度为零。
极身

极靴 几何中性线

?
(a)气隙形状

空载时的气隙磁通密度为一平 顶波,如下图(b) 所示。

Bx
(b)气隙磁密分布

?

空载时主磁极磁通的分布情况, 如右图(c) 所示。

为了感应电动势或产生电磁转矩, 直流电机气隙中需要有一定量的每极 ?0 ?0 磁通 ,空载时,气隙磁通 与空 Ff 0 If0 载磁动势 或空载励磁电流 的关 ? 0 系,称为直流电机的空载磁化特性。 如右图所示。

?N

A

为了经济、合理地利用材料, 一般直流电机额定运行时,额定磁? N 通 设定在图中A点,即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。

0

I fN

If0 Ff 0

二、 直流电机负载时的负载磁场
直流电机带上负载后,电枢绕组 中有电流,电枢电流产生的磁动势称 为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使 电机的磁场发生变化。

右图为一台电刷放在几何中性线 的两极直流电机的电枢磁场分布情况。
假设励磁电流为零,只有电枢电 流。由图可见电枢磁动势产生的气隙 磁场在空间的分布情况,电枢磁动势 为交轴磁动势。

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 Fax 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Bax 所示。

Bax Fax

电枢磁场磁通 密度分布曲线

B?x
主磁场的 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

Bax
B0 x

三、直流电机的电枢反应
当励磁绕组中有励磁电流,电 机带上负载后,气隙中的磁场是励 磁磁动势与电枢磁动势共同作用的 结果。电枢磁场对气隙磁场的影响 称为电枢反应。电枢反应与电刷的 位置有关。

1、当电刷在几何中性线上时,将 主磁场分布和电枢磁场分布叠加, 可得到负载后电机的磁场分布情况, 如图(a)所示。

由图可知,电刷在几何中性线时的电枢反应的特点: 1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢 反应的影响,每一个磁极下,一半磁场被增强,一半被削弱,物理 中性线偏离几何中性线 ? 角,磁通密度的曲线与空载时不同。 2)、对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时,主磁场被削弱的数量等于加强的数量,因此每 极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部,主 磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高,铁心磁阻增大,增加的 磁通少些,因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时 的电枢反应为交轴去磁性质。

2、当电刷不在几何中性线上时

电刷从几何中性线偏 移? 角,电枢磁动势 轴线也随之移动 ? 角,如图(a)(b)所示。
这时电枢磁动势可以分解 为两个垂直分量:交轴电 枢磁动势 Faq和直轴电枢磁 动势 Fad 。如图(a)(b)所示。

3.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩
3.4.1 直流电机的电枢电动势
产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电
枢电动势。

pN ?n ? Ce ?n 大小: Ea ? 60 a pN 其中 Ce ? 为电机的结构常数 (电动势常数 ) 60 a
可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。

性质:

发电机——电源电势(与电枢电流同方向); 电动机——反电势(与电枢电流反方向).

3.4.2

直流电机的电磁转矩

产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。

pN ?I a ? CT ?I a 大小: Tem ? 2?a pN 30 Ce ? 9.55Ce 其中CT ? 为电机的转矩常数,有 CT ? 2?a ?
可见直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。

性质: 发电机——制动(与转速方向相反);
电动机——驱动(与转速方向相同)。

3.5 直流电机的基本方程
一、电动势平衡方程: E a ? U ? I a Ra ? 2?U b
+

Ia Ra

Ia Ra

Uf If

Ea


U

Uf


Ea

U


If

2? R 式中: a :电枢回路总电阻; U b 正、负电刷电压降,一般为 0.6~2伏;发电机:取“+”;电动机:取“-”; 忽略电刷压降,则 E a ? U ? I a Ra

E 结论:发电机:E a ? U ;电动机: a ? U ;即根据 E a与U的大小判 断直流电机的运行状态。



+

+

+

二、转矩方程
1.发电机 2.电动机
Tem ? T1 ? T0
Tem ? T2 ? T0

三、功率方程
Pem ? Ea ? I a ? Te ? ?

三、功率流图
发电机: Pem ? P ? p0 1
p? 机械损耗
P2 ? Pem ? pCua ? pCuf ? pb ? P1 ? ? p

电动机: em ? P1 ? pCua ? pCuf ? pb P2 ? Pem ? p0 ? P1 ? ? p P
p Fe铁耗 p ? 杂散损耗 pCua电枢铜耗 p
S

P2 ? ? ? 100 % P1

电刷损耗

pCuf 励磁铜耗

输入机械功率

Pem

P1

pCua电枢铜耗 pS 电刷损耗 pCuf 励磁铜耗 p? 机械损耗 pFe铁耗
输入电功率

p? 杂散损耗

P2 输出机械功率

Pem

P1

电磁功率

P2

输出电功率

电磁功率

3.6 直流电机的运行特性 一 直流发电机
(一) 直流发电机的励磁方式
供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大 类,自励方式又分并励、串励和复励三种方式。 1、他励:直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。如图 所示。 他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同,即:

?
I ? Ia

U
G

?

I ? Ia

F If ? U ?

2、并励:发电机的励磁绕组与电 3、串励:励磁绕组与电枢绕组 枢绕组并联。且满足 I a ? I ? I f 。 串联。满足 I a ? I f ? I 。

?

U
G

?
I

?

U

?

I

Ia

If

F

F
If

Ia

G

4、复励:并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组, 一个与电枢绕组串联,一个与电枢绕组并联。

?

U

?

?

U

?

I

Ia

I f1
G

I

Ia

I f1

F

G

If2

F

If2 F

(二)、 直流发电机的基本方程
如图规定各物理量的参考方向 1、电枢电动势和电动势平衡方程 电枢电动势:Ea ? Ce ?n 刷与换向器表面的接触压降。则电动势平 衡方程为:

?

U

?

Ia

T1

Ra为电枢回路总电阻, ?U b 为正负电 2

n

? G ? I f Ea

T0 Tem

Ea ? U ? I a R ? 2?U b ? U ? I a Ra
从方程式可见,直流发电机 Ea ? U

?

Uf

?

2、电磁转矩和转矩平衡方程 电磁转矩: Tem ? CT ?I a 直流发电机轴上有三个转矩:原动机输入给发电机的驱动转矩 、 电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程为: Tem T0 T1 T1 ? Tem ? T0 3、励磁特性公式

直流发电机的励磁电流

每极气隙磁通

U If ? Rf

? ? f (Ia , I f )

4、功率平衡方程 原动机输入给发电机的机械功率 P1 空载损耗P0 包括:机械摩擦损耗Pmec 、铁损耗 PFe 、附加损耗Pad 。 电磁功率P ? P ? P ? Tem ? ? Ea I a em 1 0 电磁功率一方面代表电动势为Ea的电源输出电流 I a 时发出的电 功率,一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。 电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗P Cua 输出的电功率 P ? P ? P 2 em Cua

自励发电机中还应减去励磁损耗Pf

(三) 他励发电机的运行特性
1、空载特性

U 定义:当 n ? C1 、 ? 0 时, ? f ( I f ) I
空载时,U ? Ea 。由于 Ea ? Ce ?n, 因此空载特性实质上就是 Ea ? f ( I f ) 。由 于 Ea 正比于 ? ,所以空载特性曲线的形 状与空载磁化特性曲线相同。 直流发电机的空载特性是非线性的 的,上升与下降的过程是不相同的。实 际中通常取平均特性曲线作为空载特性 曲线。

空载特性曲线上升分支

U
平均空载特性曲线

If
空载特性曲线下降分支

2、外特性

定义:当n ? nN 、I f ? I fN 时, ? f (I ) U
外特性曲线如图所示

U U0

他励

并励

由曲线可见,负载电流增大时,端电压 有所下降。

0

I

根据 U ? Ce ?n ? I a Ra 可知,端电压下降有两个原因:一是 在励磁电流一定情况下,负载电流增大,电枢反应的去磁作用使 每极磁通量减少,使电动势减少;另一个原因是电枢回路上的电 阻压降随负载电流增大而增加,使端电压下降。

3、调节特性

I 定义:当 n ? C1 、U ? C2 时, f ? f (I ) 外特性曲线如图所示

If

由曲线可见,在负载电流变化时,若保持 端电压不变,必须改变励磁电流,补偿电枢反 应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。

(四)、 并励发电机的自励条件和外特性

0

I

并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的,而端电压是在励 磁电流作用下建立的,这一点与他励发电机不同。并励发电机建立 电压的过程称为自励过程,满足建压的条件称为自励条件。

1、自励条件 曲线1为空载特性曲线,曲线2为励磁回路总电阻R f 特性曲线, 也称场阻线 U ? ? I f R f 。 f

R 增大R f ,场阻线变为曲线3时, f 称为临界 电阻 Rcr 。如图所示。
若再增加励磁回路电阻,发电机将不能自 励。

U

原动机带动发电机旋转时,如果主磁 U 0 极有剩磁,则电枢绕组切割剩磁通感应电 动势。在电动势作用下励磁回路产生 。 If 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确, 产 If 生与剩磁方向相同的磁通,使主磁路磁通 If 增加,电动势增大, 增加。如此不断增 0 I f Rf 长,直到励磁绕组两端电压与 相等时, 达到稳定的平衡工作点A。

3 2 A

1

If0 If

可见,并励直流发电机的自励条件有: (1)电机的主磁路有剩磁 (2)并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确 (3)励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻 2、空载特性

并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样,也是磁 化曲线。由于励磁电压不能反向,所以它的空载特性曲线只在第 一象限。

3、外特性 并励发电机的外特性与他励发电机相似,也是一条下降曲线。 对并励发电机,除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用 和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外,还有第三个原因:由 于上述两个原因使端电压下降,引起励磁电流减小,端电压进一 步下降。

4、调节特性 并励发电机的电枢电流,比起他励发电机仅仅多了一个励磁 电流,所以调节特性与他励发电机的相差不大。

二、直流电动机
(一)、直流电机的可逆原理
以他励电机为例说明可逆原理:
把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行, 保持不变。 U 保持发电机的U 不变,减少原动机的输出功率,发电机的转 速下降。当 n下降到一定程度时,使得Ea ? U ,此时I ? 0,发 P 电机输出的电功率 2 ? 0 ,原动机输入的机械功率仅仅用来补偿 电机的空载损耗。继续降低原动机的 n ,将有 Ea ? U , I a 反向, 这时电网向电机输入电功率,电机进入电动机状态运行。同理, 上述的物理过程也可以反过来,电机从电动机状态转变到发电机 状态。 一台电机既可作为发电机运行,又可作为电动机运行,这 就是直流电机的可逆原理。

(二) 直流电动机的基本方程
如图规定各物理量的参考方向 电机的基本方程如下: E a ? Ce ? n

?

U

?

U ? Ea ? I a Ra ? 2?U b ? Ea ? I a Ra Ea ? U
Tem ? CT ?I a

Ia

Tem

? M ? I f Ea

n

T0 T2

Tem ? T2 ? T0

P ? P ? P ? Tem ? ? Ea I a em 1 Cua P2 ? P ? P ? P ? ( Pmec ? PFe ? Pad ) em 0 em

?

Uf

?

(三)直流电动机的工作特性
1、他励(并励)直流电动机的工作特性 (1)、转速特性 n I 定义:当 U ? U N 、 ? I fN 时, ? f ( I a ) 由方程式可得 n ?
UN Ra ? Ia Ce ? C e ?

忽略电枢反应的去磁作用,转速与负 载电流按线性关系变化。如图所示。 (2)、转矩特性
T I 定义:当 U ? U N 、 ? I fN 时,em ? f ( I a )

T

n
Tem

n
T2

转矩表达式 Tem ? CT ? N I a
考虑电枢反应的作用,转矩上升的速度 比电流上升的慢。如图所示。

T0

0

Ia

(3)、效率特性

? I 定义:当 U ? U N 、 ? I fN 时, ? f ( I a )
由方程式可得
P ??P 1 P 1 P0 ? Ra I ? 1? U N Ia
2 a

?
?

??

空载损耗为不变损耗,不随负载电流变化, 当负载电流较小时效率较低,输入功率大部分 消耗在空载损耗上;负载电流增大,效率也增 大,输入的功率大部分消耗在机械负载上;但 0 当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此 时效率又变小。如图所示。

Ia

2、串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时,电机磁路不饱和,每极气隙磁通与励磁 电流呈线性关系。即:
? ? k f I f ? k f Ia

转速特性 ( Ra ? R f ) I a Ra ? R f UN UN n? ? ? ? Ce ? Ce ? k f Ce I a k f Ce

? n Tem

?
Tem

当负载电流为零时,电机转速趋于无穷大, 所以串励电动机不宜轻载或空载运行。
2 转矩特性 Tem ? CT ?I a ? k f CT I a

n
Ia

0

当负载电流较大时,磁路饱和,串励电动机的工作特性与他 励电动机相同。曲线如图所示。

3.7直流电动机的起动、调速和制动
一、直流电动机的起动 1、对起动性能的要求:

Tst足够大
Ist尽量小(小于允许值)

2、起动方法
直接起动——直接将电枢投入UN起动

电枢回路串变阻器起动——起动时在电枢回路串 入起动电阻Rst
降压起动——起动降低电枢绕组电压 U<UN

二、直流电动机速度的调节 1.对调速性能的要求: (1) 调速范围大(2) 调速平滑(3) 经济性好 (4) 方法简便可靠

2.调速方法
因为 n=U/Ceφ-Ia(Ra+RΩ)/CeCTφ2 (2)改变励磁电流 If (励磁回路串电阻)

所以 (1)电枢回路串电阻RΩ (3)改变电枢电压U

三、直流电动机的制动(电磁制动) 一般保持原磁场大小,方向不变。 能耗制动 反接制动 回馈制动


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