直流电机工作原理.ppt

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1、1,第2章 直流电机,2.1 直流电机的工作原理,2.3 直流电机的磁场和电枢反应,2.2 直流电机的基本结构和额定值,2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,2.5 直流电动机的运行分析,2.6 直流发电机的运行分析,2.1 直流电机的工作原理,一、直流电动机的工作原理,U,线圈边中电流不改变方向，则平均 Te=0。,2.1 直流电机的工作原理,电刷,线圈边切割磁力线会产生什么？,换向片,一、直流电动机的工作原理,电磁关系,二、直流发电机的工作原理,E,E,电磁关系,气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形,每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形,2.2 直流电机的基本结构和额定值,一、直流电机的

2、基本结构 1.定子(1)主磁极(2)换向极(3)电刷(4)机座(5)端盖(6)轴承等,直流电机的定子,直流电机结构图,电枢绕组,主磁极,电枢铁心,励磁绕组,磁轭,补偿磁极,附加极绕组,换向器,电刷装置,端盖,风扇,轴承,轴,端盖,直流电机横向剖面图,直流电机的定子,直流电机的换向极和电刷,2.转子（电枢）,(1)电枢铁心(2)电枢绕组,(3)换向器(4)转轴与风扇,直流电机的转子,(a)转子主体,(b)电枢钢片,直流电机的换向器,直流电机,1.绕组的基本概念 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。(1)元件 是构成电枢绕组的基本 单元，其两端分别与两 片换向片相

3、连的单匝或 多匝线圈。,二、直流电机的电枢绕组,电枢绕组的元件,(2)叠绕组和波绕组,两匝元件,叠绕元件,波绕元件,(3)极距 一对磁极在电枢表面所跨过的距离。,电枢总槽数,极对数,(4)绕组的节距,y1 第一节距（用所跨过的槽数来表示）。y1=为整距绕组；y1 为长距绕组。y2 第二节距（用所跨过的槽数来表示）。y 合成节距：y=y1y2,叠绕元件在电枢上的连接,波绕元件在电枢上的连接,2.单叠绕组,2.单叠绕组,电动机,发电机,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,单叠绕组的展开图,n,Z=p=y1=y2=y=,12 2 3 3 2 1

4、,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,单叠绕组的展开图,结论：每个主磁极下的元件串联成一条支路；绕组的并联支路对数等于极对数，即 a=2=p。,n,单叠绕组的展开图,1 2 3 5 6 8 9 11 12,n,电刷的中心线对 着磁极的中心线：电刷之间的电动 势最大。被电刷短接的元 件电动势为零。习惯称“电刷放在 几何中心线位置”。,磁极中心线,几何中心线,电机装配图,1.额定电压 UN 发电机的 UN：指输出电压的额定值。电动机的 UN：指输入电压的额定值。2.额定电流 IN 发电机的 IN：指输出电流的额定值。电动机的 IN：指输入电流的额定值。3.额定功率 PN 发电机的 PN：指

5、输出电功率的额定值(UN IN)。电动机的 PN：指输出机械功率的额定值(UN INN)。4.额定转速 nN,三、直流电机的额定值,5.额定励磁电压 UfN6.额定励磁电流 IfN 额定状态：指 U、I、P、n 均为额定值的状态。满载状态：指 I=IN 的状态。,四、直流电机的励磁方式,他励,并励,串励,复励,1.直流电动机按励磁方式分类,2.直流发电机按励磁方式分类,分为他励和自励。,他励,串励（自励）,并励（自励）,复励（自励）,2.3 直流电机的磁场和电枢反应,空载时电枢电流可忽略不计。空载磁场由主磁极的励磁磁 动势单独作用产生。空载时磁场轴线与磁极轴线 相重合。几何中性线：相邻两主极之

6、间的中心线。该处的径向磁通密度为零。,磁场轴线 磁极轴线,几何 中性线,几何 中性线,一、直流电机的空载磁场,二、负载时的电枢磁动势,几何中性线,Fa,消耗在 x 点处每个气隙上的电枢磁动势为,ia 导体的电流；N 电枢总导体数；Da 电枢的直径。,电枢表面单位长度上的安培导体数，称为电枢的线负荷。,=Ax,在几何中性线处(x=/2)的电枢磁动势为,电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为,等效气隙长度。,Ba(x)=0Ha(x),三、直流电机的电枢反应,负载时电机中磁场：由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。,电枢反应,Ba,B,将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为

7、 零的点连接成的直线物理中性线。,几何中性线,物理 中性线,电枢反应的结果,气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用：电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。磁路不饱和时，每极下的磁通量不变；磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。物理中性线偏离了几何中性线：对发电机：顺着电枢旋转方向偏移；对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。,四、电枢反应对换向的影响及改善措施,1.电枢反应对换向的影响 处在几何中性线处的换向元件的 e0，使换 向发生困难。气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀；当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限 度，将产生电位差火花；而且随着电弧的拉长可能出现环火。,电刷是与处在几何中性线处的元件所

8、连接 的换向片接触的。,2.换向的基本概念,2ia,2ia,2ia,换向元件中电流的变化,直线换向,延迟换向和超前换向,直线换向 延迟换向 如果换向元件中的感应电动势大于零，产生延迟换向。超前换向 如果换向元件中的感应电动势小于零，产生超前换向。,换向不良的影响,会在换向器和电刷间产生火花；火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器；火花会产生电磁波，对无线通信造成干扰。,3.改善换向的方法,(1)加装换向磁极(2)移动电刷,换向极,2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,1.感应电动势的产生 电枢旋转 n 磁 场 2.感应电动势的大小(1)每根导体的感应电动势 ex=Bxlv Bx 导体所在处的

9、气隙磁密。l 导体的有效长度。v 导体切割磁场线的线速度。,一、直流电机的感应电动势,ex,ex,E,B,(2)电枢电动势的大小 设电枢总导体数为 N，则每条支路的导体为，故,平均气隙磁密,=CE n,每极下的磁通,E=CE n CE 电动势常数。,(V),3.感应电动势的方向和性质 方向：由 和 n 共同决定。性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,二、直流电机的电磁转矩,1.电磁转矩的产生 电枢电流 ia 磁 场,F Te,2.电磁转矩的大小 设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为 fav=Bavlia ia 导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转

10、矩为,电枢直径为：电枢电流与支路电流的关系为：则,(Nm),Te=CT Ia,CT 转矩常数。,3.电磁转矩的方向和性质 方向：由 和 Ia 共同决定。性质：发电机为制动转矩，Te 与 n 方向相反。电动机为拖动转矩，Te 与 n 方向相同。4.电动势常数和转矩常数的关系,因为,则,2.5 直流电动机的运行分析,一、直流电动机的基本方程,1.电压平衡方程式 励磁电路：Uf=Rf If电枢电路：Ua=ERaIa,Ra 电枢绕组总电阻，包括电刷的接触电阻。,Te=TL=T0T2,2.转矩平衡方程,T0 空载转矩，是由电动机的机械摩擦损耗及铁损 引起的总转矩；T2 输出转矩，即生产机械的制动转矩；T

11、L负载转矩，它是电动机的空载转矩 T0 与生产 机械的转矩 T2 的总称。,(1)输入功率 P1 P1=U I=UaIa(2)电枢铜损耗 PCua PCua=Ra Ia2(3)电磁功率 Pe Pe=P1 PCua 推导：U I=UaIa=(ERa Ia)Ia,Pe=EIa,3.电磁功率与功率平衡方程,Pe=EIa=CE n Ia,=Te,=E IaRa Ia2,(4)空载损耗 P0 P0=PFePfwPad,结论：电动机将电枢吸收的电功率 EIa 转换成了机械 功率 Te，故称 EIa 和 Te 为电磁功率。,机械损耗,附加损耗,铁损耗,(5)输出功率 P2 Te=T0 T2 P2=T2=Pe

12、 P0,(6)效率,功率流程图,二、直流电动机的工作特性,1.他励和并励直流电动机的工作特性 工作特性是指当U=UN、If=IfN 时，n、Te 和 与 Ia 的关系。(1)转速特性,转速特性,当Ia 时，n 下降不多(硬特性)。,当 If=0，=r 很小，n 不能突变 E 很小 Te=CTr Ia 仍有一定数值。,Ia,若 Te TL,n,(飞车),若TeTL,n,n=0,(闷车),励磁电路断电的后果,(2)转矩特性,转矩特性,Te=CT Ia,若不计磁路饱和，则 TeIa；若计及磁路饱和，则 Te 随着 Ia 的增加略有下降。,=f(Ia),(3)效率特性,效率特性,2.串励直流电动机的工

13、作特性 工作特性是指当 U=UN 时，n、Te 和 与 Ia 的关系。,I=Ia=IfU=UaUf=E(RaRf)Ia,(2)当 Ia 较大、磁路已饱和时，常数，,(1)当 Ia 较小、磁路未饱和时，=kIa,软特性,当Te=0 时，Ia=If=0，=r，n0=(5 6)nN；当Te 较小时，Ia 较小，磁路未饱和，Te Ia n 迅速下降；当Te 较大时，Ia 较大，磁路已饱和，Te Ia 基本不变 n 下降较少。,串励直流电动机的优点,相同的 Te，Ia 较小。对应允许的 Iamax，Tst 较大，过载能力较强。,串励直流电动机的应用,特别适用于起重机和电力机车等运输机械。不能在轻载或空载

14、下运行。不能用皮带轮传动。,3.复励电动机,(1)分为积复励、差复励。(2)特性介于他励和串励之间。(3)特点 有较大的 Tst。可以空载和轻载运行。,【例21】已知某并励直流电动机，PN=22 kW,UN=220 V,IN=115 A,nN=1500 r/min,电枢电阻Ra=0.18，励磁电阻 Rf628。试求：(1)CEN、CTN；(2)电磁转矩 Te；(3)额定输出转矩 T2；(4)空载转矩T0；(5)理想空载转速 n0 与实际空载转速 n0。解：(1),2.6 直流发电机的运行分析,一、直流发电机的基本方程,励 磁 Uf If,n,原动机,电枢,Ua,1.电压平衡方程,Uf=Rf I

15、f Ua=ERaIa,调节Rf,If 可调,可调,E 可调,Ua可调。,2.转矩平衡方程 T1=TeT0,3.功率平衡方程,T1=Te T0 P1=PeP0 Pe=EIa Pe=P2PCua P0=PFePfwPad,功率流程图,输入功率 P1：电磁功率 Pe：空载损耗 P0:,P1=P2PCuaP0,【例22】一台并励直流发电机 PN=46 kW，UN=115 V,nN=1500 r/min,电枢电阻 Ra=0.01，励磁电阻 Rf20，把此发电机当电动机运行，所加电源电压UN=110 V，保持电动机电枢电流和发电机时一样，不考虑磁路的饱和影响，求电动机的转速和电磁转矩。解：(1)发电机的电

16、枢电流为,发电机的常数为,电动机励磁电流为(用下标M表示电动机),当不考虑磁路的饱和时，电动机的常数为,电动机的转速为,电动机的电磁转矩为,二、他励直流发电机的工作特性,1.空载特性,当 n=nN、Ia=0 时：U0=E=f(If),Er,剩磁感应 电动势,空载特性,2.外特性,当 n=nN、If=IfN 时：Ua=f(Ia)=ERa Ia,外特性,当 Ia,RaIaE(电枢反应),电压调整率,(5%10%),当 n=nN，Ua=UaN 时：If=f(Ia),调整特性,3.调节特性,4.效率特性,小型发电机：N=70%90%中大型发电机：N=91%96%,当 n=nN，Ua=UaN 时：=f(

17、P2),三、并励直流发电机的自励与外特性,E？E？1.并励直流发电机的自励(1)主磁极必须有剩磁r,r,Er,Ifr,EEr,与r 方向相同,EEr,与r 方向相反,(2)励磁电流产生的磁通 必须与剩磁同方向,r,Er,Ifr,EEr,IfIfr,E,当 Rf Rk 时，E Er，能够自励。当 Rf=Rk 时，E 不确定，不能自励。当 Rf Rk 时，EEr，不能自励。,（场阻线）,场阻线的斜率：,RfRk,(3)励磁电路的电阻必须小于临界电阻,2.并励直流发电机的外特性,I=IaIfU=Ua=Uf,I Ia,RaIa E(电枢反应),Uf,Ua,并励,当 n=nN、If=IfN 时：U=f(

18、Ia)=ERaIa,特点 负载增加时，U 下降较快。VR 20%外特性有拐弯现象。,RL I(Ia)U If 下降不多,RL I(Ia)U If（下降较快）,E(较大幅度)U 的下降比 RL的减少得更快,RL U I,RL=0，U=0，If=0,稳态短路电流 ISC 不大。,=r，E=Er ISC 较小。,E=CE n U=ERaIa U=RLI,【例23】一台并励直流发电机 UN=220 V，IN=76 A,nN=1500 r/min,电枢电阻 Ra=0.1，励磁电阻 Rf 100，效率=86%。试求额定状态下的输入功率、电磁功率和电磁转矩。解：励磁电流为,电枢电流为,电枢电动势为,输入功率为,电磁功率为,电磁转矩为,直流电机,直流电容电机,直流电机,更多图片,76,第 2 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,