3直流电机(xin).

第3章直流电机及拖动第3章直流电机直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。认识直流电机.作电源用--直流发电机.作动力用--直流电动机.信号的传递==作为测量元件--直流测速发电机==作为执行元件--直流伺服电动机作电源用-直流发电机将机械能转化为直流电能作动力用-直流电动机将直流电能转化为机械能信号传递-直流测速发电机将机械信号转换为电信号信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。§3.1直流电机的工作原理及结构一、直流电机工作原理1.直流电机模型§3.1直流电机的工作原理及结构２．直流发电机的工作原理直流发电机的简化模型1）工作原理2）分析•感应电压与电流的方向，始终保持一致•电枢电流产生的磁场是一个恒定不变的磁场•电磁力f与转向相反，是制动性质的，需要不停输入机械功率，维持运转与电流输出。LvBex发电机原理§3.1直流电机的工作原理及结构２．直流电动机的工作原理直流电动机的简化模型Bilf1）工作原理－皮－萨定律2）分析•感应电势与电流的方向，始终保持相反•电枢电流产生的磁场是一个恒定不变的磁场•电磁力f与转向相同，是驱动性质的电动机原理§3.1直流电机的工作原理及结构3.电机的可逆原理同一台电机由于外界条件的不同，既可以作发电机也可以作为电动机运行，成为电机可逆原理，是电机中的普遍原理，不仅适于直流电机也适于交流电机。§3.1直流电机的工作原理及结构二、直流电动机的结构1）静止部分－定子主磁极换向极机座电刷装置2）转动部分－转子电枢铁心电枢绕组换向器3）气隙1）静止部分－定子主磁极换向极机座电刷装置2）转动部分－转子电枢铁心电枢绕组换向器3）气隙主磁极：大中型电机中，主磁极是一种电磁铁，铁心用1－1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。为了使主磁通在气隙中分布的更为合理一些，铁心下部（称为极靴）要比套绕组的部分（称为级身）宽，同时也使绕组牢固的套在铁心上电枢铁心是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图所示。电枢铁心固定在转轴或转子支架上。铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。实际图片§3.1.2直流电机的额定值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。§3.1.2直流电机的铭牌数据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对于直流电动机，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§3.1.2直流电机的额定值⒉额定电压UN指额定状态下电机出线端的电压，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（电机出线端）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。习题例一台直流电动机的部分额定数据给出如下：PN=89kW，UN=220V，ηN=89%，求额定输入功率PIN和额定电流IN。§3.2直流电机电枢绕组直流电机的电磁感应的关键部件之一为导电的绕组，因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。电枢绕组是由结构、形状相同的线圈组成，线圈有单匝、多匝之分，§3.2直流电机电枢绕组绕组问题的引入:§3.2直流电机电枢绕组绕组问题的引入:A1B1A2B2§3.2直流电机电枢绕组A1B1A2B2绘第一条线绘第二条线§3.2直流电机电枢绕组A1B1A2B2附:绕组画法将线圈的一个有效边放在槽的上层，称做上层边（画成实线）；另一个有效边放在有一定距离的另一槽的下层，称做下层边（画成虚线）§3.2.1基本概念（1）元件：线圈是组成绕组的元件（2）有效边:有效边是指线圈的直线部分。端部：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。3.2.1基本概念（3）电机的极距τ极距用希腊字母τ表示是电机的常用量之一。它有两个表达式：一是电机中每个磁极所占的电枢感槽数；Zτ＝-----(槽）2P§3.2.1基本概念4）绕组连接方式分类迭绕组波绕组混合绕组§3.2.1基本概念5）节距§3.2.1基本概念6）换向器节距YK元件上层元件边与下层元件边所联接的两个换向片之间的距离§3.2.2单迭绕组单叠绕组：绕制时，任何两个串联的元件都是后一个紧叠在前一个的上面。每绕一个元件便在电枢表面移过一个虚槽。§3.2.3单波绕组例题2.3（p49）已知电机极数2p=4,且Z=Zi=S=K=16。绕制一个单叠右行整距绕组。1节距计算单叠右行，合成节距第一节距第二节距τ＝Z/2p＝16/4＝4（槽）因为要求为整距线圈即第一节距y1＝τ＝4（槽）又因为单叠右行，则合成节距y＝+1；则第二节距y2＝y1－y＝3（槽）；2绕组连接表：确定16个元件（32个元件边）的串联次序编号原则：槽号代表元件号也代表上元件边号连接方法：某号元件m，上元件边号m，嵌放在m槽内，上元件边接在m号换向片上；该元件的下元件边嵌放在编号m+y1槽的下面，下元件边接在m+yk号换向片上。而m+y1槽接另一个元件的上层边，编号为m+y1+y2。以下类推。连接规律：实线表示一个元件的上、下元件边；虚线表示不同元件的两个元件边接在同一个换向片上。§3.2.4实际应用例1若单叠电枢绕组的个别线圈断线或与换向片焊接不良，即出现断路故障，一般采用测量换向片片间电压降的方法来检查。图1所示，在相邻换向片上接入低压直流电源，用直流毫伏表测量相邻两换向片间的电压降。若测得各换向片片间的电压降相同或电压平均值的偏差在±5％范围内，说明电路正常，若在相连接的换向片上，测得压降比平均值显著增大，则该处电枢绕组断线或焊接不良，试解释其中道理。解答：§3.3直流电机的磁场一、直流电机的励磁方式直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。他励方式自励方式并励式串励式复励式§3.3直流电机的磁场(a)他励(b)并励(c)串励(d)复励IsIs§3.3直流电机的磁场二、直流电机空载时的磁场m1.基本概念1）主磁通2）漏磁通2。磁化曲线（简单了解）电枢反应几何中性线NSB＝0SN电枢磁场分布三、直流电机负载时磁场及电枢反应§3.4直流电机的物理及数学模型§3.4.1电动势平衡方程式一、电枢电动势概念：电枢电动势是绕组在磁场中转动产生的直流电机正、负电刷之间的感应电动势。公式：符号说明：a:并联支路对数p:极对数N:导体总数Φ:每极磁通n:电枢转速r/minCe:电动势常数nCnapNEea60§3.4.1电动势平衡方程式二、电动势平衡方程式+-IUIaRΩrΩΦEaIf)(RRIEUaaa1.平衡方程式eaaCRRIUn)(2.转速公式3.励磁回路方程（略）3.4.2转矩平衡方程式一、直流电机电磁转矩1.定义：电枢绕组所有载流导体与主磁场相互作用力矩之和。符号T2.公式3.CM与Ce的关系aMaemICIapNTT2eMC55.9C3.4.2转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式ZTTTT021.平衡方程式（稳定恒速运行）T(Tem):电磁转矩T2:机械负责转矩T0：空载转矩TZ：总负载转矩mZaCTI2.电枢电流公式3.4.3功率平衡方程式一、直流电动机电磁功率1.定义：进入电枢的电功率，转换成为轴上的机械功率。符号：PM2.公式Ω为转子的角速度，单位rad/sTIEpaaM3.4.3功率平衡方程式二、功率平衡方程式：P1=PM+pCUa+pCUf机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。3.5机械特性一、他励电动机的机械特性即：TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，aTEaaΦIKTΦnKERIEUTΦKKRΦKUnETaE2M他励UfIfIaUn0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTnnTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即=KIa,则据此公式做出T-n曲线aaaΦTaTaΦEERIEUIKKΦIKTnIKKΦnKE2nTΦEaΦETKKRTKKUKnM串励UIa(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。nT(2)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。3.6直流电动机的调速与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：他励直流电动机的调速调速指标：1、调速范围D：minmaxnnD2、静差率（相对稳定性）δ%：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。%100%100%000nnnnnNNδ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。他励直流电动机的调速D与δ%相互制约：)1(maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnDδ越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的δ指标的前提下，要扩大D，须减少Δn，即提高机械特性的硬度。他励直流电动机的调速3、调速的平滑性：在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：1iinn越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。14、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。由该式可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，M他励UfIfIaU其中：=KIf•RfIfn，但在额定情况下，已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。•RfIfn，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法—减小磁通，n只能上调。TΦKKRnETa2ΦKUn