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  直流电动机工作原理演示幻灯片_职业技术培训_职业教育_教育专区。直流电动机 基本结构与工作原理 1 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,从应用角度分析直流发电机的运行特

  直流电动机 基本结构与工作原理 1 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,从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。 1.1 直流电机的基本工作原理与结构 1.2 直流电机电枢绕组简介 1.3 直流电机的电枢反应 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 直流电机的换向 1.6 直流发电机 1.7 直流电动机 思考题与习题 2 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.1 直流电机的主要结构 主磁极:产生恒定的气隙磁通,由铁心和励磁绕组构成 换向磁极:改善换向。 定子 电刷装置:与换向片配合,完成直流与交流的互换 机座和端盖:起支撑和固定作用。 转子 电枢铁心:主磁路的一部分,放置电枢绕组。 电枢绕组:由带绝缘的导线绕制而成,是电路部分。 换向器:与电刷装置配合,完成直流与交流的互换 转轴 轴承 3 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.2 直流电机的工作原理 一、直流发电机工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。 右图为直流发电机的物理模型, N、环亚国际APPS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。 4 当原动机驱动电 机转子逆时针旋转 时同,线圈abcd将 感应电动势。如右 图,导体ab在N极 下,a点高电位,b 点低电位;导体cd 在S极下,c点高电 位,d点低电位;电 刷A极性为正,电 刷B极性为负。 5 当原动机驱动电机转子逆时针 旋转180后0 ,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。 与电刷A接触的导体总是位于N 极下,与电刷B接触的导体总是 位于S极下,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。 6 二、直流电动机工作原理 在磁场作用下,N极性下导体 直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左,S 极下导 成机械能的旋转机械。 体cd受力方向从左向右。该电磁 把电刷A、B接到直流电源 力形成逆时针方向的电磁转矩。 上,电刷A接正极,电刷B接负 当电磁转矩大于阻转矩时,电机 极。此时电枢线圈中将电流流过。转子逆时针方向旋转。 7 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。 与直流发电机相同,实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈, 磁极也并非一对。 8 直流电 动机的 工作原 理示意 图: 9 1.1.3 直流电机的铭牌数据 指轴上输出 的机械功率 电动机 额 定 功 率 PN 额定条件下电机 发电机 指电刷间输出的 额定电功率 所能提供的功率 额定电压 UN 在额定工况下,电机 额 定 电 流 IN 出线端的平均电压 额 定 转 速 nN 发电机:是指输出额定电压; 在额定电压下,运行于 额定功率时对应的电流 在额定电压、额定电流下,运 电动机:是指输入额定电压。 行于额定功率时对应的转速. 额定励磁电流I fN 对应于额定电压、额定电流、额 定转速及额定功率时的励磁电流 电机铭牌上还标有其它数 据,如励磁电压、出厂日 期、出厂编号等。 10 此外,电机铭牌上还标有其它数据,如励磁电压、直流电机全自动视频出厂日期、 出厂编号等。 电机运行时,所有物理量与额定值相同——电机运行于 额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行;运 行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电 机浪费,而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好 运行于额定状态或额定状态附近,此时电机的运行效率、工 作性能等比较好。 11 1.2 直流电机的电枢绕组简介 1.2.1 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。 t= 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。12 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 单波绕组 yy1y2 yy1y2 换向节距 y k :同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 1.2.2. 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 节距均为1,即:yyk 1 。 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出 来画在一张图里,展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、 电刷间的相对位置关系。 13 单叠绕组的展开图 14 根据单叠绕组的展开图可以得到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。 3)电枢电流等于各支路 电流之和。 15 1.2.3 单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等,展开图如下 图所示。 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。 16 单波绕组的并联支路图: 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。 17 1.3 直流电机的电枢反应 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。 1.3.1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 ,I f每极 的励磁磁动势为: Ff If Nf 18 漏磁通 磁力线不进入电枢铁心, 直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路 漏磁路 主磁通 磁力线由N极出来,经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入S极,再 经定子铁轭回到N极 主磁路 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%。 19 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。 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 空载时的气隙磁通密度为 一平顶波,如下图(b) 所示。 空载时主磁极磁通的分 布情况,如右图(c) 所示。 21 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 的每极磁通 ,空载时,气隙磁通 0 0 与空 载0 磁动势 或空F 载f 0 励磁电流 的关系I f 0,称为直流电机的空载磁化 特性。如右图所示。 N 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 通 N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 A If0 I f I fN F f 0 IN 22 1.3.2 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。 23 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B 所示。 ax Bax Fax 24 1.3.3 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。 25 电枢磁场磁通 密度分布曲线 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 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)、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。 27 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。 电枢磁动势可以分解 为两个垂直分量:交轴 电枢磁动势 和F a直q 轴电枢 磁动势 。 Fad 28 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.4.1 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。 大小: pN Ea 60aΦnCeΦn 其中C e pN 60 a 为电机的结构常数 (电动势常数 ) 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). 29 1.4.2 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。 大小: pN Tem2πaΦIa CTΦIa 其中CT pN为电机的转矩常数,有 2 πa CT 9.5C5e 可见,制造好的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)。 30 1.5 直流电机的换向 1.5.1 换向概述 直流电机的某一个元件经过电刷,从一条支路换到另一条 支路时,元件里的电流方向改变,即换向。 为了分析方便假定换向片的宽度等于 v a 电刷的宽度。 电刷与换向片1接触时,元件1 中的 i i iiiaa ia ia iiiiiaa 电流方向如图所示,大小为 i ia 。 元件1 电枢移到电刷与换向片2接触时,直流电机结构和特性元 件1的被短路,电流被分流。 ii11 i 2 12 电刷仅与换向片2接触时,元件1 中 的电流方向如图所示,大小为i ia 2 i2a2iaia 31 元件从开始换向到换向终了所经历的时间,称为换向周 期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中,电 枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。 换向问题很复杂,换向不良会在电刷与换向片之间产生 火花。当火花大到一定程度,可能损坏电刷和换向器表面, 使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多,除了电磁原因外,还有机械的原 因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 32 1.5.2 换向的电磁理论 换向元件中的电动势: 自感电动势 e和L 互感电动势 eM:换向元件(线圈)在换向过程 中电流改变而产生的。 切割电动势 e a:在几何中性线处,由于电枢反应在存在,电枢 反应磁密不为零,在换向元件中感应切割电动势。 根据楞次定律,自感电动势、互感电动势和切割电动势总 是阻碍换向的。 换向电动势 e :k 在几何中性线处,换向元件在换向磁场中感应 的电动势。换向电动势是帮助换向的。 换向元件中的合成电动势为: e eL eM ea ek 33 换向元件中的电流: 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是R b1和 R,b 2元件自 身的电阻为 ,流R过的电流为 ,元件i与换向片间的连线电阻为 ,元 件在R k换向时的回路方程: R i ( R k R b 1 ) i ( R k R b 1 ) ie 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻,并设电刷与 换向片的接触总电阻为 R ,则可推导出换向元件中的电流变化 b 规律为 iiaTkT k2t Rb(T tk e Tk Tkt ilik ) 34 一、直线换向元件电流随时间线 性变化。 二、延迟换向 i 当e时0换向元件电流随时间不 是线性变化,出现电流延迟现象。 a 直线换向元件电流随时间再是 线性变化,出现电流超前现象。 超越换向 延迟换向 Tk t ia 35 1.5.3 改善换向的方法 除了直线换向外,延迟和超越换向时的合成电动势不为零, 换向元件中产生附加换向电流,附加换向电流足够大时会在电 刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良 产生火花。 改善换向一般采用以下方法: 选择合适的电刷,增加换向片与电刷之间的接触电阻 装设换向磁极 位于几何中性线处装换向磁 极。换向绕组与电枢绕组串 联,在换向元件处产生换向 磁动势抵消电枢反应磁动势 大型直流电机在主磁极 极靴内安装补偿绕组 补偿绕组与电枢绕组串联,产生 的磁动势抵消电枢反应磁动势 36 1.6 直流发电机 1.6.1 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。 I Ia 他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同,即: U G I Ia If Uf 37 2、并励: 发电机的励磁绕组与电 枢绕组并联。且满足 Ia = I+ I f U I Ea I f Ia 3、串励: 励磁绕组与电枢绕组串联。 满足 Ia = If = I U I Ea Ia If 38 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 I I f1 Ea Ia If2 U I If1 Ea I f2 Ia 39 1.6.2 直流发电机的基本方程 如图规定各物理量的参考方向 一.电动势平衡方程 Ia E a U I a R a 2 Δ U b U I a R a 从方程式可见,直流发电机满足 Ea U 二. 转矩平衡方程 U T1 T0 n Ea T em If Uf Φ 发和电机Tem机械轴摩上 擦有及三铁个损转引矩 起:的原空动载机转输矩入。给转的T 矩0 驱平动衡转方矩程T为1、:电磁转矩 T1 TemT0 40 三、励磁特性公式 直流发电机的励磁电流 每极气隙磁通 U 四.功率I平f 衡R方f 程 f(Ia,If ) 原动机输入给发电机的机械功率 P1 空载损耗 p包0 括: 机械摩擦损耗 pmec、铁损耗 pFe 、附加损耗 pad 电磁功率 P em P 1 P 0 T eΩ m E a I a 电磁功率一方面代表电动势为E 的a 电源输出电流 时I a 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。 电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗 PCua 输出的电功率 P2 PemPCua 自励发电机中还应减去励磁损耗 p cuf 41 1.6.3 他励发电机的运行特性 一、空载特性 定义:当 n 、C1 I时,0 U f(If ) 空载时 U Ea 空载特性实质上就是 Ea f。(I所f )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 二、外特性 定义:当n n、N I f 时 ,I fN U f(I) U U0 由曲线可见,负载电流增大时,端 电压有所下降。 他励 为什 么低? 并励 根据 UCen可知Ia端Ra电压下降有两个 原因: 0 I (一)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; (二)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。 43 三、调节特性 定义:当n C、1 U时C,2 I f f(I) I f 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. 0 I 1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机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。 44 一、自励条件 曲线为空载特性曲线为励磁回路总电阻 R 特f 性曲线, 也称场阻线Uf If Rf 。 原动机带动发电机旋转时,如果主磁 U 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I f 。 U 0 32 A 1 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确, 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通,使 主磁路磁通增加,电动势增大,I f 增加。 如此不断增长,直到励磁绕组两端的电压 与I f R相f 等,达到稳定的平衡工作点A。 0 增大R ,f 场阻线时, R 称为临界电阻 f R。c r If0 I f 若再增加励磁回路电阻,发电机将不能自励。 45 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 思考题 电机正转能自 励,反转能自励 吗? 二、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 三、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。 四、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。 47 1.7 直流电动机 1.7.1 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电源电压不变。 减少原动机的输出功率,发电机的转速下降。当转速下降到 一定程度时,使得Ea ,U此时电枢电流为零,发电机输出的电功 率为零,原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。 继续降低原动机的转速,将有 Ea,U电枢电流反向,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,直流电机换向器打磨条电机从电动机状态 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。 48 第1章 直流电机 1.7.2 直流电动机的基本方程 规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下: Ea CeΦn U E a I a R a 2 Δ b U E a I a R a I a Ea U Tem CTΦIa Tem T2T0 U T em T0 n M T2 I f Ea P em P 1 P C u T e aΩ m E a I a P 2 P e m P 0 P e m (m P P e F c P e a) d Uf 49 1.7.3 直流电动机的工作特性 一、他励(并励)直流电动机的工作特性 1、转速特性 定义:当 U、UN If时,IfN n f(Ia ) 由方程式可得 nCUeΦ N CReΦ a Ia Tn 忽略电枢反应的去磁作用,转速与负 载电流按线、转矩特性 T em n 定义:当 U、UN If时,IfN Temf(Ia ) T2 转矩表达式 TemCTΦNIa T0 考虑电枢反应的作用,转矩上升的速度 0 Ia 比电流上升的慢。 50 3、效率特性 定义:当 U、UN If时,IfN η f(Ia ) 由方程式可得 ηP 1 P1P0RaIa 2 P 1 UNIa η 空载损耗为不变损耗,不随负载电流 η 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。 0 Ia 51 二、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: ΦkfIf kfIa 转速特性 η n Tem η nU NR aIa U N R aR f C eΦC eΦkfC eIa kfC e T em 当负载电流为零时,电机转速趋于无穷 n 大,所以串励电动机不宜轻载或空载运行。 转矩特性 T em C TΦa IkfC TIa 2 0 Ia 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。 52 53

时间:2020-08-19 11:39