第2章-航空电机

第二章航空电机电机：应用电磁感应原理实现机电能量转换的电磁机械。§2.1概述一、分类能量转化形式发电机电动机变压器电流性质直流电机交流电机同步电机异步电机应用形式主电源发电机驱动电动机变压器变流机控制电机二、航空电机的工作条件1、环境温度2、湿度3、大气成分和性质4、机械过载三、航空电机的主要特点1、体积小、重量轻：缩短使用期限；选用优质材料；良好的冷却方式。2、特定的电压和频率：DC：28V,14V；AC：115V/200V、400Hz；§2.2直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构定子部分机壳转子部分主磁极电刷组件换向极电枢铁心电枢绕组换向器主磁通导磁和机械支撑主磁极电刷组件与换向器配合，起整流的作用换向极起改善换向的作用转子部分电枢铁心电枢绕组换向器电枢铁心硅钢片冲压而成，减小磁滞损耗和涡流损耗。电枢绕组产生感应电动势和电流，实现机－电能量转换换向器与电刷配合，起整流的作用。二、直流电机的工作原理发电机电能机械能电动机1、直流发电机的工作原理A、电枢线圈两端产生的是交变的感应电动势xeBlvB、由于整流子的作用，在电刷两端获得脉动电动势叠绕组：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。叠绕组示意图波绕组：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。波绕组示意图C、增加线圈和换向片的数量，在电刷两端就获得较大而平稳的直流电动势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。taE0aeECn2、直流电动机的工作原理xfBliemTaTCI3、直流电机的可逆性emTaTCI发电机电能机械能电动机aeECn2.3直流电机的电枢反应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。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。假设励磁电流为零，只有电枢电流。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。(a)空载磁场(b)电枢磁场(c)合成磁场交轴电枢反应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。电刷在几何中性线时的交轴电枢反应的特点：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，磁通密度的曲线与空载时不同。•合成磁场不再对称于主极轴线。在发电机状态下主极的前极尖去磁•气隙磁场的物理中线偏离几何中线。对于发电机，物理中线顺旋转方向前移•每极下的有效磁通基本保持不变（磁路不饱和时）交轴电枢反应的影响直轴电枢反应电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁2.4直流电机的换向一、换向概述元件1av12iiai2aiai2i1iaiiaiiai2aiai2i1iaiiaiiai2aiai2i1i为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。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。元件1av12iiai2aiai2i1iaiiaiiai2aiai2i1iaiiaiiai2aiai2i1i电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。电刷与换向片1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为。aii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。aii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。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。kT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。§2.5航空直流发电机由飞机发动机驱动，将机械能转换成直流电能，作为飞机直流电源系统的主要电源向飞机用电设备提供电能。他励自励并励串励复励一、直流发电机的励磁方式二、直流发电机的基本电磁关系aeECnemTaTCInT1TemT0+−+−UUfIfΦEaIaRa并励发电机：aaaUEIREaIaI+−If+−U电压平衡方程式三、直流发电机的自励原理及条件5112IfUIf0U0Er0EaIaIfΦrjrf+−U01、电机必须有剩磁；2、励磁磁势与剩磁方向一致；3、励磁电路电阻不能过大；4、转速不能过低。四、直流发电机的运行特性（U、I、If、n）1、空载特性U0If0If0U'0UNU0n=nmaxn'=nminn()0fIUfI空载特性本质上反映了发电机磁路的磁化特性2、外特性()fICUfIUI0U0他励并励INUI0U03nmaxnnminU02U01IK1IK2IK3IC1IC2IC3并励aaaUEIR3、调节特性()fUCIfII0IfIf0IfNIN§2.6航空直流电动机从直流电源系统获得电能，将电能转换成机械能，向飞机设备提供机械力矩。励磁方式：他励、并励、串励和复励一、直流电动机的基本电磁关系aeECnemTaTCInT2T0+−+−UUfIfΦEaTemaaaUEIR120cuPPPP20emTTT电压平衡方程式：功率平衡方程式：转矩平衡方程式：nT2T0+−+−UUfIfΦEaTem581、机械特性emnfTaeaaECnUIRaaeUIRnCaemeeTRUnTCCC二、直流电动机的运行特性（U、Ia、Tem、n）对于并励电动机，U、Ra为常数，磁通Φ基本不变aemeeTRUnTCCC0emnT0nNTNTemnn'0“硬”特性60对于串励电动机，Ia＝IfaemeeTRUnTCCC串励电动机的磁通Φ随Ia变化而变化0nNTNTemn“软”特性61aKI2emTaTaTCIKCI当磁路不饱和时，可认为afTeeemRRCUnCC0nNTNTemn“软”特性串励电动机不允许空载或在很轻负载下运行2、转矩特性emaTfI并励电动机emTaaTCICI0IaTem串励电动机2emTaTaTCIKCI0IaTem三、直流电动机的起动1、起动要求第一、起动转矩Tst要大；第二、起动电流Ist要小；第三、起动设备简单，便于操作控制。2、起动方法小功率电动机一般采用直接起动；大功率电动机采用电枢电路串接电阻起动；大型电动机采用降压起动。四、直流电动机的调速1、调速原理()aapeUIRRnC2、调速方法A、改变电枢电路电阻调速；B、改变电机磁通调速；C、改变电枢端电压调速。1、反转2、制动方法能耗制动反接制动反馈制动emTaTCI改变磁通或电枢电流的方向五、直流电动机的反转与制动69能耗制动反接制动反馈制动+−RLrjEa(1)(2)+−REa制动电动rj电动机发电机•航空电机的分类•影响航空电机工作的因素•直流电机的基本结构•直流电机的工作原理•直流电机的励磁方式•直流发电机的自励原理和条件本章要点•直流发电机的运行特性•直流电动机的工作特性及特点•直流电动机的起动、调速、反转及制动方法§2.7三相同步发电机三相交流电机内部定子电流产生的磁场是一个旋转磁场1060fnp三相同步电机：三相异步电机电机的转子转速与旋转磁场的同步转速相等一、三相同步发电机的结构原理sinAmeEtsin()0120BmeEtsin()0120CmeEtCeABeCAeBeωtome对称三相交流电二、三相同步发电机结构分类飞机无刷同步发电机结构他励式永磁式副励磁机交流励磁机交流发电机自励式旋转整流器交流发电机三、同步发电机的运行特性1、空载特性()0fIUfI2、外特性()fICUfI3、调节特性()fUCIfI§2.8三相异步发电机一、结构定子转子笼型转子绕线型转子笼型转子绕线型转子二、旋转磁场1、旋转磁场的产生mmmsinsinsin00120120ABCiItiItiItBiAXBYCZAiCiBiAXBYCZAiCiCiAiBiCiAiBiiωtomI600900AXYCBZNS0tAXYCBZ60t60SNAXYCBZ90tSN90当电流变化一个周期，磁场恰好旋转一圈2、旋转磁场的极对数BiAXBYCZAiCiAXYCBZNS1p2pC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiAXXNSZCZBYBYACSNXNSAXABZCYZCYBSN0t60t30AXXZCZBYBYACNSNS当电流变化一个周期，p＝2时磁场恰好旋转半圈???3p3、旋转磁场的转速1p0160nf2p10602fn3p10603fn1060fnp4、旋转磁场的转向BiAXBYCZAiCiBiAXBYCZAiCiCiAiBiCiAiBiiωtomI6009006060AXYCBZAXYCBZNSAXYCBZAXYCBZNSAXYCBZAXYCBZ9090NS改变通入三相定子绕组的三相电流的相序（任意调换两相的连接线），即可改变旋转磁场的转向。三、异步电机的工作原理及工作状态1、工作原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电分）转/(6010pfn方向:相序旋转磁场FvFNSn切割转子导体Blv右手定则感应电动势E2感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力F电磁转矩Tn异步电动机正常工作时，n略小于n0转差率00nnsn2、工作状态（a）（b）（c）n1010nS发电状态电动状态电磁制动状态nn1NSn1NSn1nn1NSn1n()emnfT四、三相异步电动机的机械特性五、三相异步电动机的起动及调速1、起动直接起动降压起动笼型电动机自耦变压器降压起动Y－换接起动定子电路串接电阻（电抗）起动绕线型电动机转子电路外接电阻起动自耦变压器降压起动Y－换接起动定子电路串接电阻（电抗）起动转子电路外接电阻起动（绕线型）2、调速()()011601nsnfsp变极调速变频调速变转差率调速变极调速（笼型）有级调速变频调速（笼型）无级调速f=400Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~变转差率调速（绕线型）无级调速单相异步电动机单相异步电动机具有结构简单、成本低廉、噪声小的优点。由于只需要单相电源供电，因而使用方便，被广泛应用于家用电器、电动工具以及自动化仪表等设备中。其功率一般在1KW以下。各式各样的单相电动机与电动工具U1U2定子为单相绕组，转子为鼠笼式。单相异步电动机的结构特点U1U2U1U2i脉动磁场的产生单相正弦电流在单相绕组中产生的磁场是在空间固定方位、随时间作正弦变化的脉动磁场。设：B=Bmsint可以分