电机拖动 吴玉香 化学工业出版社 课件 第一章

第一章直流电机原理本章主要教学内容1.直流电机的基本原理；2.直流电机的电枢绕组；3.直流电机的磁场；4.直流电机的感应电动势和电磁转矩；5.直流电机的换向。第一章直流电机原理1.1直流电机的基本原理1.1.1直流电机的作用直流电机分为：直流发电机和直流电动机.直流发电机：可作为直流电源，用做化工、冶炼、交通运输以及交直流发电机的励磁电源。直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上。直流电机的主要缺点：换向问题。1.1.2直流电机的结构定子部分：主磁极、机座、换向极、电刷装置转子部分：电枢铁心、电枢绕组、换向器端盖第一章直流电机原理直流电机结构图第一章直流电机原理两极直流电机剖面图直流电机电枢装配图第一章直流电机原理1.直流发电机直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。直流发电机是使电机的电枢绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，然后经过机械整流(换向装置)得到直流电。1.1.2直流电机的基本工作原理直流发电机物理模型第一章直流电机原理工作原理分析：原动机拖动电枢逆时针旋转从b→a从d→c电刷B为－，A为＋电枢转过从a→b从C→d此时d接A，a接B，A为＋，B为－流过负载的电流方向不变。abecdeo180结论：在直流发电机中：（1）线圈内为交流电；（2）通过电刷、换向器后，外电路电流方向不变，即直流电；（3）为减少外电路直流电脉动，采用多线圈。abecde第一章直流电机原理2直流电动机直流电动机的工作原理是建立在电磁力定律的基础上。外加直流电源，经过换向装置变成电枢绕组中的交流电，使电机电枢在电磁力的作用下旋转起来。直流电动机的物理模型第一章直流电机原理工作原理分析：外加如图所示直流电ab受力向左，cd受力向右产生逆时针方向转矩电枢转过cd受力向左，ab受力向右仍产生逆时针方向的电磁转矩电机逆时针反向旋转起来了。180结论：在直流电动机中（1）外电路是直流电；（2）通过换向，把直流电变成线圈里的交流电；（3）为防线圈外的电枢受力不均，采用多线圈。第一章直流电机原理1.1.4直流电机的铭牌数据和型号1.直流电机的铭牌数据额定功率额定电压额定电流额定转速额定励磁电流另外，直流电动机轴上输出的额定转矩用表示，计算式为：)(WPN)(VUN)(AINmin)/(rnN)(AIfNNT2NNNNNNNnPnPPT55.960/22第一章直流电机原理例1-1一台直流电动机，额定功率为160KW，额定电压为220V，额定效率为90％，额定转速为1500转/每分，求该电动机额定运行时的输入功率、额定电流及额定输出转距？解：额定输入功率为额定电流为额定输出转距为)(78.1779.01601KWPPNN)(1.8089.0220101603AUPINNNN)(7.1018)(15001016055.955.960232mNmNnPpnPPTNNNNNNN第一章直流电机原理2.直流电机的型号电机的型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。例如：型电机的含意为：912Z第一章直流电机原理1.2直流电机的电枢绕组1.2.1概述电枢绕组是直流电机的核心部分。电机中感应电动势的产生、机电能量的转换都是通过电枢绕组实现的。叠绕组：单叠绕组、复叠绕组电枢绕组波绕组：单波绕组、复波绕组混合绕组(蛙形绕组)电枢绕组是由许多个形状完全一样的绕组元件按照一定规律连接起来的。几个与电枢绕组有关的概念：(1)极轴线(2)几何中心线(3)元件(4)极距(5)单双层绕组(6)第一节距Y1(7)合成节距Y和换向器节距Yk(8)第二节距Y2第一章直流电机原理电枢绕组元件及嵌放方法如下：(注意：实槽与虚槽的关系。)在分析电枢绕组连接规律时，主要研究它的节距、展开图、元件连接次序和并联支路图。第一章直流电机原理1.2.2单叠绕组第1节距：1.节距第2节距：合成节距和换向器节距：1y2yyky整数pZyu211kyy2.极距：指在电枢铁心表面上一个极所跨的距离。pZu2其中，－－总虚槽数－－磁极对数uZpyyy12第一章直流电机原理3.绕组展开图例1-2已知一台直流电机的极对数，，画出它的右行单叠绕组展开图。解:(1)计算各节距4041621pZyu31412yyy1kyy(2)计算极距42pZu(3)根据元件的节距画绕组展开图第1步：画元件；第4步：连接绕组第2步：放主磁极；第5步：确定导体感应电动势的方向。第3步：画换向器；第6步：放置电刷及确定电刷极性16KSZu2p第一章直流电机原理第一章直流电机原理4单叠绕组元件连接次序5单叠绕组的并联支路图第一章直流电机原理结论：单叠绕组具有以下特点：(1)元件的两个出线端连接于两相邻换向片上；(2)位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，即并联支路对数等于极对数，；(3)当元件的几何形状对称时，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小；(4)电刷杆数等于磁极数；(5)电枢电压等于支路电压；(6)电枢电流为各支路电流之和，即(式中为每条支路的电流，即元件中流过的电流)。aaaiI2aipa第一章直流电机原理1.2.3单波绕组第1节距：1.节距第2节距：合成节距和换向器节距1y整数pZyu212y12yyyyky整数pKyyk12.极距pZu2第一章直流电机原理3.绕组展开图例1-3已知一台直流电机的极对数，，画出它的单波绕组展开图。2p15KSZu解：(1)计算节距44141521pZyu721151pKyyk34712yyy(2)计算极距75.34152pZu(3)根据元件的节距画绕组展开图第1步：画元件；第4步：连接绕组第2步：放主磁极；第5步：确定导体感应电动势的方向。第3步：画换向器；第6步：放置电刷及确定电刷极性第一章直流电机原理第一章直流电机原理4.单波绕组元件连接次序5.单波绕组的并联支路图第一章直流电机原理结论，单波绕组具有以下特点：(1)位于同极性下的各元件串联起来组成一条支路，支路对数与极对数无关，；(2)当元件的几何形状对称时，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大（即正、负电刷间电动势最大）；(3)电刷杆数等于磁极数；(4)电枢电压等于支路电压；(5)电枢电流为(式中为支路电流，即元件中流过的电流)。aaiI2ai1a第一章直流电机原理第一章分析单叠和单波绕组可知在电机的极对数、元件数以及导体截面积相同的情况下：(1)单叠绕组并联支路数多，每条支路里的元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机；(2)单波绕组并联支路数永远等于2，每条支路里的元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。1p第一章直流电机原理1.3直流电机的磁场1.3.1直流电机的励磁方式(a)他励(b)并励(c)串励(d)复励第一章直流电机原理1.3.2直流电机的空载磁场直流电机的空载是指励磁绕组里有励磁电流，电枢电流等于或近似为零的一种运行状态。1.直流电机的磁路：四极直流电机空载时的磁场示意图第一章直流电机原理空载时电机气隙磁密分布情况第一章直流电机原理3.空载磁化曲线2.空载时气隙磁通密度分布当忽略铁磁材料磁路的磁动势时，气隙磁密与气隙长度成反比，若电机气隙均匀，则气隙磁密分布如右上图中曲线1所示。实际上，电机的气隙是不均匀的，故实际气隙磁密分布如右上图中曲线2所示。一般把空载时气隙每极磁通与空载励磁磁动势或空载励磁电流之间的关系，称为直流电机的空载磁化曲线，如右下图。A点：电机额定磁通取点第一章直流电机原理1.3.3直流电机的负载磁场及电枢反应1.电枢磁动势直流电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也产生磁动势，称为电枢磁动势。电枢磁动势所产生的磁场与励磁磁动势所产生的主磁场相互垂直。其磁力线分布如右图所示。第一章直流电机原理2.电枢反应电枢磁动势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁动势单独作用的磁场，改变气隙磁密分布情况及每极磁通量的大小，这种现象称为电枢反应。当直流电机负载运行时，电机内的磁场由主磁极磁场和电枢磁场合成。由于主磁极磁场和电枢磁场两者垂直，由它们合成的磁场轴线必然不在主磁极中心线上，而发生了磁场扭歪，气隙磁密过零点偏离了几何中心线，即电枢反应使主磁极磁场的分布发生了畸变。结论：电机负载运行时，就会有电枢反应，电枢反应的作用如下：(1)使气隙磁场分布发生畸变；(2)呈去磁作用。第一章直流电机原理1.4直流电机的感应电动势和电磁转矩1.4.1电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组每条并联支路里的感应电动势，又称为电枢电动势。计算方法：先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均电动势，再乘以一条支路里的总导体数，就得到了电枢电动势。计算公式：aN2nCnpaNeaNEeava60222apNCe60其中，是一个常数，称为电动势常数――电枢绕组的总导体数；――电枢绕组的并联支路对数。Na第一章直流电机原理1.4.2直流电机的电磁转矩当电枢绕组中有电流流过时，载流导体在气隙磁场中将受到电磁力的作用，电枢全部导体受到的电磁力与电枢半径的乘积称为电磁转矩。计算方法：先求一根导体所受的平均电磁力和产生的平均电磁转矩，再乘以电枢总导体数，即可得到总的电磁转矩。计算公式：aTaaaaaavavICIapNDaIllNDaIlNBNTT22222N式中：是一个常数，称为转矩常数，并有。－－电枢电流。apNCT2eTCC55.9aI第一章直流电机原理例1-4一台直流发电机，极对数，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数为根，额定转速，每极磁通韦伯。求：(1)此发电机电枢绕组感应电动势；(2)此发电机作为电动机使用，当电枢电流为800安时，能产生多大的电磁转矩。2p216Nmin/1460rnN2102.2解:(1)(2)6.3260216260apNCe)(1161460102.26.32VnCEea3.3455.9eTCC).(603800102.23.342mNICTaT第一章直流电机原理1.5直流电机的换向换向的定义：旋转着的电枢绕组元件从一条支路换到另一条支路，元件中电流改变方向，这一过程称为换向。换向过程中产生的换向电动势：1.自感电动势；2.互感电动势；如果电刷宽度大于换向片宽度，则同时换向的元件就不止一个，换向元件之间会产生互感电动势。3.切割电动势；电枢反应磁动势的存在，使得处在几何中心线上的换向元件的导体中产生切割电动势。以上三种电动势都是阻碍换向的(楞次定律)，造成换向延迟，在电刷和换向片之间产生火花。第一章直流电机原理改善换向的方法：1.在主磁极之间加装换向极(换向极绕组与电枢绕组串联，且产生磁通方向与电枢反应磁通相反，大小比电枢反应磁通大)，以消除或减弱电磁性火花。换向火花产生的原因：电磁原因＋机械原因＋电化学、电热等直流电动机换向极绕组连接与极性火花的危害：损坏电刷和换向器，严重时使电机不能正常运行。在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边刚离开的那个主极极性一致；在直流发电机中，换向极极性应和换向元件边要进入的那个主极极性一致；第一章直流电机原理在工作繁重的大型直流电机中，由于电枢反应的严重影响，除上述电磁性火花外，在正、负电刷间还会产生电弧，甚至“环火”。2.在主磁极极靴上加装补偿绕组，以消除电弧和环火现象补偿绕组与电枢绕组串联，且补偿绕组产生的磁通方向与电枢反应磁通方向相反，以保证在任何负载下都能抵消电枢反应磁动势。一台直流电机既有换向极绕组，又有补偿绕组，则它的接线如上图。