第二章直流电机课件.

第二章直流电机•第一节直流电机的工作原理（掌握）及结构（了解）•第二节直流电机的铭牌数据（了解）•第三节直流电机的绕组（阅读）•第四节直流电机的励磁方式及磁场（熟悉）•第五节感应电动势和电磁转矩的计算（掌握）•第六节直流电机的运行原理（掌握）•第七节直流电机的换向（阅读）第一节直流电机原理、结构•直流电动机的工作原理•直流发电机的工作原理•电机可逆原理（理解）•直流电机的结构（了解）一、直流电动机的工作原理NφφSiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线圈电枢气隙nd是否能连续旋转?图中:通电导体段bc是否影响旋转运动？fBli•主磁极建立磁场•线圈外加固定直流电压,在线圈中产生电流•载流导体在磁场中产生电磁力(左手定则）－，产生电磁转矩，使线圈旋转（逆时针旋转）转子旋转180电角度•直流电源供电，电流方向不变•旋转180电角度后,通电导体运动到新的磁极位置,线圈顺时针旋转（反向旋转）•平均电磁转矩为0不能连续旋转NφφSiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线圈电枢气隙•若要维持电磁力方向不变，必须:–改变磁极极性–改变线圈中电流方向–二者改变且仅改变一个直流电动机原理－换向•几何中性线--磁极的几何分界线•电刷和换向器配合实现电流换向--导体运动经过磁极的几何中性线期间--交换线圈电源极性，改变线圈电流方向--电磁转矩方向维持不变IU–+SbNadcU–+U–+电刷换向片2U–+IFFTn换向片作用：将外部直流电转换成线圈内部交替变化的交流电（即电流换向），图中电刷相对于磁极的位置保证，处于同一磁极下的线圈边中电流方向始终不变，均产生顺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。N,S为磁极,不动电刷A,B,不动abcd为线圈,转动换向片1,2,转动相对静止相对静止AB12线圈中感应电势与电流方向相反；产生的电磁转矩与转子转动方向相同。直流电动机运行时的几点结论IU–+SbNadcU–+U–+U–+IFFTnAB12直流电动机线圈中有没有感应电动势??产生的电磁转矩方向与电机转动方向关系？？ee外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；电机的各组成部件直流电动机动画直流电源导电体定子电磁场左手定则瞬间旋转运动换向器持续旋转运动输出转矩产生电磁转矩直流电动机的能量变换途径：课堂练习一:二、直流发电机的工作原理•主磁极建立磁场•外加机械转矩•线圈在磁场中旋转•运动导体在磁场中产生感应电势（右手定则）BlveNφφSeabcde+AB-电刷换向片n发电机模型n原动机•对外输出电能X问题:此时a,x间电位高低直流发电机的工作原理－换向•线圈转过180度时•线圈旋转方向不变–ax间感应电势方向改变即ax间输出的是交变电势问题：怎样才能输出直流电？？•感应电势换向＝整流–经过磁极的几何中性线交换线圈输出极性.输出脉动直流.否则，输出交流NφφSeabcde+AB-n发电机模型Xabc问题:此时a,x间电位高低特点:N,S为磁极,不动电刷A,B,不动abcx为线圈,转动换向片1,2,转动相对静止相对静止课堂练习二:直流发电机电动势动画NφφSeabcde+AB-电刷换向片n发电机模型n原动机XNφφSeabcde+AB-n发电机模型Xabc•电枢线圈内电势、电流方向是交流电；直流发电机机线圈是否受到电磁力作用??负载I•电刷AB间为直流电势。通过换向器电刷向外输出，接上负载后，线圈中电流方向与感应电势一致；•线圈受到电磁力作用，且产生的电磁转矩方向与转速反向。FFT直流电源导电体电磁场右手定则交变感应电势换向器直流感应电势输入转矩产生感应电势直流发电机的能量变换途径：直流发电机实质是带有换向器的交流发电机三.直流电机的可逆性原理•一台直流电机，即可作发电机运行也可作电动机运行----直流电机的可逆性原理C结构一样C所处状态，由运行环境决定掌握：如何判断直流电机的运行状态？四、直流电机结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置定子转子直流电机（产生励磁磁场）（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）直流电机结构及工作原理.mpeg气隙风叶磁极电刷电枢转子转轴换向器换向片压紧环电枢绕组绕组端部结构细说换向器直流电机横剖面示意图第二节直流电机铭牌数据铭牌由生产厂家为产品设定的额定（Normal）工作参数在额定工况下，电机出线端的平均电压发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速指轴上输出的机械功率指电刷间输出的额定电功率电动机发电机额定条件下电机所能提供的功率额定功率NPNNNIUPNNNNIUPfNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式电机运行时，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。课堂练习例题：一台直流电动机其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V，额定效率ηN=90%，额定转速nN=1500r/min，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少？解：额定输入功率P1=PN/ηN=160/0.9=177.8kW额定电流IN=PN/UNηN=160*103/220*0.9=808.1A额定转矩TN=9.55PN/nN=9.55*160*103/1500=1018.7N•m第三节直流电机的绕组直流电机绕组的作用:实现机电能量转换的枢纽.是直流电机的主要电路对电枢绕组的要求:第四节直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给.励磁绕组和电枢绕组相互独立。他励式积复励差复励1.串励式2.并励式3.复励式自励式直流电机的励磁方式M并励：电机的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一电源供电。且满足：faIII串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足IIIfa2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：IMM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。(先并后串/先串后并)MM二、直流电机的空载磁场•空载:电枢电流为零或很小,且可不计其影响的一种运行状态。•无负载的运行状态，即无功率输出.对发电机而言不输出电功率，对电动机而言不输出机械功率.•空载磁场只由主磁极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。几何中心线磁极轴线磁极轴线电机空载是否意味着电机不转??直流电机空载磁通•主极磁场根据磁力线通路（磁路）差异区分C主磁通Φ：通过气隙，并形成气隙磁场（主磁场），同时交链励磁绕组和电枢绕组主磁通参与机电能量转换，能产生感应电动势和电磁转矩，是工作磁通C主极漏磁通Φf：不通过气隙的磁通，不产生感应电势,只影响饱和程度.主磁路: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极主极漏磁路: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空载气隙磁场分布•假设C铁磁材料μ→∞C不计齿槽影响•则IdlHffxxINH22ffxxINB0xffxINB0注意:磁极轴线附近磁通密度最大,极靴附近逐渐减小,磁极几何中心线上的磁通密度近似为0.空载磁化曲线空载磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主磁极磁动势Ff之间的关系曲线，Φ0＝f（Ff）。通过实验或计算得到。Φ0Ff直线，不饱和部分膝点饱和部分工程常识:在直流电机中,为了感应电动势或产生电磁转矩,气隙里需要有一定数量的每极磁通.当励磁绕组的匝数一定时,每极磁通的大小决定于励磁电流.BavBav—平均磁通密度。导体有效长度－极距，每极磁通llavB电枢磁动势:当直流电机带上负载以后，电枢绕组内流过电流,由电枢电流建立的磁动势叫电枢磁动势.直流电机带负载时,电机中气隙磁场由励磁磁动势与电枢磁动势共同建立.—双边励磁系统.电枢反应:电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响叫---.三.直流电机负载时的磁场4个元件所产生的电枢磁动势波形电枢反应后磁动势波形电枢反应:1、有负载时气隙磁场发生了畸变2、电枢反应呈现去磁作用.负载时比空载时每极磁通略有减少.对电机运行有影响.工程常识:通常情况下假设从空载到负载,每极磁通基本不变.除非特别考虑才考虑电枢反应.不考虑电枢反应时,当励磁绕组的匝数一定时,每极磁通的大小决定于励磁电流.在电机的物理量中：感应电动势: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。---主要的电气特征量电磁转矩主要的机械特征量一、感应电动势Ea1.量纲：伏特2.产生：无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。3.直流电机的感应电动势；每极合成磁通WbEa=Cen；Ce电动势常数；n电机转速r/min第五节感应电势和电磁转矩的计算CeaPZ60NφφSeabcde+AB-n发电机模型TnSbNdFFacIIEEU–+感应电动势性质: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).故也叫反电动势发电机和电动机的感应电动势方向与电枢电流方向有何关系？？电动机模型n原动机II二、电磁转矩Tm1.量纲：牛顿米2.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。3.直流电机的电磁转矩；,每极合成磁通WbTe=CTIa；CM转矩常数；Ia电机电枢电流A2TpZCaeC9.55CTCeaPZ60NφφSeabcde+AB-n发电机模型电动机模型TnSbNdFFacIIEEU–+电磁转矩性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。发电机和电动机的电磁转矩电动势方向与电机转动方向有何关系？？FFTn原动机—思考题—1.当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？2.当电机转速为零时，是否能确定Tem为零？三、机电能量的关系EaIa：（从电能角度看）通过电磁感应输出的电机的电功率Te：（从机械能角度)通过电枢转轴输出的机械功率2226060eaaaaaTPZIaPZInaPZInaEI转矩常数CT电动势常数Ce见P38~40eTCC9.55直流电机的电磁功率Pm：MaaePEIT直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。—思考题—从电机（发电机，电动机）感应电动势与电枢电流的方向，电磁转矩与转速的方向说明电机的能量转换方向。例：一台直流发电机2p=4,2a=2,31槽，每槽元件数为12，E=115V，额定转速nN=1450r/min。求：（1）每极磁通。（2）此发电机作为电动机使用，当电枢电流为800A时，能产生多大电磁转矩。解：(1)Ce=pZ/60a=2*31*12/60*1=12.4E/Cen=(115/12.4*1450)Wb=6.4*10-3Wb(2)CT=9.55Ce=118.42T=CTIa=(118.42*6.4*10-3*800)Nm=606.3Nm例上题电机之数据，当每极磁通量不变时：(1)电机转速降低至1000r/min时，电枢感应电动势为多少？(2)电枢电流减小到500A时，电枢产生的电磁转矩为多大？解：带入式感应电动势公式及电磁转矩公式计算如下：(1)Ea=Cen=(12.4*6.4*10-3*1000)V=79.36V(2)T=CTIa=(118.42*6.4*10-