电机学课件第2章-直流电机

电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT第二章直流电机Chapter2DCmachine电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT简述电流有交流和直流之分，因此电机也有直流电机和交流电机两大类。直流电机具有调速性能好，启动转矩大的优点。但其制造工艺复杂，生产成本高，维护较困难，可靠性差等缺点。目前在很多场合直流电机已被交流电机和电力电子装置取代，但仍然有其应用场合。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT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问题的切入点：载流导体在磁场中受到的力(安培定律)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)所谓电动机是将电能转换为机械能.直流电机可以分为直流电动机和直流发电机。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（1）按照这种模式下，电枢将如何运动？（2）如何解决这一问题？由电磁力产生转矩的过程：（1）线圈ax中通入直流电流时,电流从a端流入，从x端流出；（2）线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。（3）这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，将产生逆时针旋转。思考把这个装有线圈的铁质圆柱体称为电枢。BA电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT解决上述振荡问题的办法：如果能使S极下的电流始终流出；而是N极下的电流始终流入，则可以产生连续的转矩。从而使电枢向一个方向运动。因此绕组ax在处于AB位置时必须交换一次电流方向。换向器换向器的构成：相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）与电枢连接在一起。每个与绕组的一端相连，换向片与电枢一起旋转。两个由石墨制成的电刷AB。当电枢旋转时，这种结构就能保证S极下的电流始终流入，而N极下的电流始终流出。换向片电刷电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（二）直流发电机的工作原理发电机将机械能转换为电能Blve问题的切入点：运动导体在磁场中切割磁力线产生电动势B—磁场的磁感应强度(Wb/m2)v—导体中切割磁力线的速度（m/s）l—导体的有效长度(m)电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（1）用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动（原动机输入机械力【机械功率】）（2）线圈边ab和cd以相同转速顺次切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势；（机械能转换为电能）（3）换向器配合电刷对电流的换向作用，电刷A、B端的电动势为直流电动势。（交流转换为直流）Flash：电刷上的电动势电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT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；电能转换为机械能发电机运行——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。机械能转为电能注意：不要孤立的看待发电机和电动机问题视频：直流发电机－直流电动机系统电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT二、直流电机的结构电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（一）直流电机的静止部分（定子）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。主磁极铁心用1－1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT4、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心2、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—槽底绝缘由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动将导致铁耗，为了减小铁耗，电枢铁心常用0.5mm厚的硅钢片的冲片叠压而成。电枢绕组是由许多按照一定规律连接的线圈组成，它是直流电机电路的主要部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT3、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—连接片将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交流电流。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT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)6、励磁方式直流电机的额定有四个方面的考虑，（1）功率；（2）电气方面；（3）机械方面；（4）磁场方面。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压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额定转速电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUTfN额定励磁电流I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。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT西门子公司的一台电机的铭牌额定功率7457W额定转速1180r/min额定电压500V额定电流17A励磁方式：并励励磁电流：1.4/2.8A励磁电阻166欧姆绝缘等级F工作制：连续最高环境温度：40度励磁电压300/150V电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT第三节直流电机的绕组对绕组的要求：一、能够通过规定的电流；产生足够的电动势；二、尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。电机是以磁场为介质实现机电能量转换的电气设备。那么，对电机最基本的考核标准是什么？答案：能量转换能力。在单位时间内，尽可能在小的体积内实现多的能量转换（比功率概念）。能量转换能力采用哪几个物理量描述？电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT一、简单的绕组1-2、3-4、5-6、7-8分别构成4个线圈右图只是说明原理的示意图。它的缺点是：随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。考虑一个事实：N极和S极下的磁场方向是一致的。因此若能将3－4、7－8线圈通以1－2线圈中类似的电流，那么就可以增加电机的利用率。（1）1－2、3－4、7－8串连在一起；（2）1－2、3－4、7－8并连在一起；电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT解决办法：用4个换向片将4个线圈都连接起来，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接2个不同的换向片。共用了4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT+-NS61832547电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT二、绕组的基本形式第一节距（y1）：元件的跨距（一个元件边到另一个元件边的距离，常用所跨的槽数表示）称为第一节距,其值经常等于或者接近一个极距τ。换向器节距（yc）：上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向器节距。绕组的每个线圈的两个端子各接在一个换向片上，它是绕组的一个单元，称为元件。每个主磁极在电枢圆弧上所分得的弧长。经常采用电枢槽数或者机械角度表示。y1yc电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（一）单叠绕组一台直流电机绕组数据为：极对数：p＝2；槽数Q＝16；元件数S＝槽数Q＝换向片数K＝16；第一节距：y1＝τ＝4换向器节距：yc＝1单叠绕组的特点是元件的两个端子连接于相邻的两个换向片。电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUTyc=2-1=1y1＝5-1=4电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT一、2号元件是叠放在1号元件上方（错开了一个槽），叠绕组二、yc＝1，单叠绕组电机学ElectricMachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电流流向：A1—1号换向片－1上－5下－2上－6下－3上－7下－4上－8下－5号换向片－B1A1—1号换向片－4下－16上－3下－15上－2下－14上－1下－13上－14号换向片－B2A2—9号换向片－9上－13下－10上－14下－11上－15下－12上－16下－13号换向片－B2A1—9号换向片－12下－8上－11下－7上－10下－6上－9下－5上－5号换向片－B1电机学El