new-第二章 直流电机

1第二章直流电机内容摘要本章以直流电动机为讨论的主要对象，分析直流电机的工作原理、结构及换向问题。旋转电机是一种实现机电能量转换的机电装置，把电能转换为机械能的称为电动机，把机械能转换成电能的称为发电机，电流有交、直流之分，所以旋转电机也有直流电机和交流电机两大类。直流电动机的调速性能好，起动转矩大，特别是调速性能为交流电动机所不及。因此，在对电动机的调速性能和起动性能要求较高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动。但是，直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差，所以，在现代工业的拖动系统中，直流电动机和交流电动机“各得其所”。直流发电机也由和直流电动机一样的上诉缺点，随着电力电子技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流发电机有逐步被整流电源取代的趋势。不过，目前有些直流电源，如大型同步发电机的励磁电源以及化学工业中的电镀、电解等设备的电源还是采用直流发电机供电的方式。2第一节直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力BilfB—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i—导体中的电流(A)l—导体的有效长度(m)一台直流电机作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。3把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。4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。当电枢旋转到右图所示位置时5直流电动机的工作原理示意图:6右图为直流发电机的物理模型，N、S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。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。（二）直流发电机的工作原理7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。8当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。0180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。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。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。9二、直流电机的结构直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心10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。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。定子转子电枢铁心：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1112（一）直流电机的静止部分1、主磁极2、换向极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座1—换向极铁心2—换向极绕组3、机座——用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。13（二）直流电机的转动部分4、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心142、电枢绕组——由许多按一定规律连接的线圈组成。1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器——由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片15思考题2-1直流电动机由哪些主要结构部件构成？1、一台直流发电机，在下列四种情况下，能发出直流电的是（）A电枢固定，电刷与磁极同时同速旋转B电刷固定，电枢与磁极同时同速旋转C磁极固定，电刷与电枢同时同速旋转D电刷、电枢与磁极同时同速旋转选择题2-2直流发电机电枢线圈导体感应的电动势是直流电动势吗？为什么？2-3直流电动机电枢线圈导体流过的电流是直流电流吗？为什么？2-4说明直流电动机的换向器的作用。2-5请说明直流电动机定子部分有哪些部件及它们的作用？2-6请说明直流电动机转子部分有哪些部件及它们的作用？16第二节直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)17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NP18fNI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此外，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。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。思考题：直流电动机的额定功率如何定义？19第三节直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。20思考题2-8直流电动机有哪些励磁方式？各种励磁方式分别有何特点？1、要改变并励直流电动机的转向，可以（）A增大励磁B改变电源极性C改接电枢绕组D减小励磁选择题2-10如何改变他励直流电动机的转向？2-13改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为什么？2-15改变串励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为什么？21第四节机电能量转换过程简述从电源输入的电能=机械能输出+磁场储能的增加+转换为热能的机电装置内部各种损耗22一、直流电机的电枢电动势第五节直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生: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:60aepNEΦnCΦna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).)(电动势常数为电机的结构常数其中apNCe60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。23二、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:2emaTapNTΦICΦIπa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)。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为电机的转矩常数，有其中πapNCT2eTCC9.5524一、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2aaabaaEUIRΔUUIR从方程式可见，直流发电机满足aEU(二).转矩平衡方程10emTTTfIfUΦUaI1T0TemTnaEemT发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩、电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。转矩平衡方程为：1T0T第六节直流电机的运行原理25直流发电机的励磁电流ffUIR(三)、励磁特性公式每极气隙磁通aff(I,I)(四).功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率1P电磁功率aaememIEΩTPPP01mecp机械摩擦损耗、铁损耗Fep、附加损耗adp空载损耗包括：0paE电磁功率一方面代表电动势为的电源输出电流时发出的电功率，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。aICuaP电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率CuaemPPP2cufp自励发电机中还应减去励磁损耗2627二、他励发电机的运行特性(一)、空载特性1Cn0I)f(IUf定义:当、时，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。空载时aEU空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfI)(faIfE空载特性实质上就是。所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。28(二)、外特性NnnfNfIIf(I)U定义：当、时，由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励U0U0IaaeRInCU根据可知端电压下降有两个原因：1、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；2、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。为什么低?29(三)、调节特性1Cn2CUf(I)If定义：当、时，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.fI0I三、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。30(一)、自励条件fI0U10fIA20U3曲线1为空载特性曲线,曲线2为励磁回路总电阻特性曲线，也称场阻线。fffUIRfR原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，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。fI增大,场阻线变为曲线3时，称为临界电阻。fRfRcrR若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。fIffRI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，增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与相等，达到稳定的平衡工作点A。31可见，并励直流发电机的自励条件有：(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只在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确思考题电机正转能自励,反转能自励吗?32(三)、外特性(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。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。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。33四、直流电动机4.1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。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