电机学直流电机(完美解析)

电机学ElectricMachinery（第2章直流电机）2.1概述直流电机工作原理直流电机额定值直流电机的主要结构部件2.1.1直流电机工作原理2.1.2直流电机的主要结构部件直流电机整体结构风扇电枢机座主磁极刷架换向器接线板出线盒换相极端盖2.1.2直流电机的主要结构部件直流电机主磁极与换向极2.1.2直流电机的主要结构部件直流电机机座2.1.2直流电机的主要结构部件直流电机电枢冲片和电枢绕组2.1.2直流电机的主要结构部件直流电机换向器2.1.2直流电机的主要结构部件直流电机电刷装置2.1.3直流电机的额定值额定功率：PN，单位W或kW额定电压：UN，单位V额定电流：IN，单位A额定励磁电压：UfN，单位V额定励磁电流：IfN，单位A额定转速：nN，单位r/min额定效率：N额定转矩：TN，单位N·m额定温升：，单位C2.2直流电机电枢绕组基本特点单叠绕组单波绕组2.2.1电枢绕组基本特点电枢绕组设计的基本要求电动势大，波形好电流大，产生并承受的电磁力和电磁转矩大结构简单，连接可靠便于维修换向性能好电枢绕组类型叠绕组：单叠绕组和复叠绕组波绕组：单波绕组和复波绕组蛙绕组：叠绕组与波绕组的组合2.2.1电枢绕组基本特点基本概念绕组元件：两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线圈。元件边：放在槽中切割磁力线、感应电动势的有效边。上（下）元件边：放在某一槽上（下）层。端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。2.2.1电枢绕组基本特点基本概念槽内每层元件边数：u槽数Z与虚槽数Zi：Zi=uZ元件数S、换向片数K与虚槽数Zi：S=K=Zi2.2.1电枢绕组基本特点基本概念第一节距y1：两个元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示极距：每个主磁极在电枢表面占据的距离，或相邻两主极间的距离，用弧长或虚槽数表示。y1应接近一个极距，且为整数。整距：y1=短距：y1长距：y12.2.1电枢绕组基本特点基本概念第二节距y2：与同一换向器相连的两个元件，第一个元件的下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距，也常用虚槽数表示。叠绕组，y20；波绕组，y20;合成节距y：串联的两个元件对应边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示。y=y1+y2换向器节距yK：与每个元件相连的两个换向器在换向器表面的跨距，用换向片数表示。y=yK17第一节距y1第二节距y2合成节距y换向节距yK整数ε2i1pZyK21yyyy单叠绕组元件右行左行单波绕组元件右行pKyy1K左行pKyy1K右行2.2.2单叠绕组4极电机，Z=Zi=S=K=16单叠右行整距绕组i12116ε4241143Zypyyyy19单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路20并联支路数等于极数，并联支路对数a=2电刷放置2.2.3单波绕组4极电机Z=Zi=S=K=15单波左行短整距绕组i1i21153ε3244115172734ZypZypyyy22单波绕组：所有处于同极性下的元件串联起来构成一条支路23并联支路数等于2，并联支路对数a=1电刷放置位置小结直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组。直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。在直流电机中，通常用a表示并联支路对数；单叠绕组，a=p，即并联支路对数恒等于电机极对数；单波绕组，a=1，即并联支路对数恒等于1。电刷放置的一般原则：确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大；被电刷短路的元件中的电动势为零；端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。2.3直流电机的磁场磁场是电机实现机电能量转换的媒介。主极磁场可由永久磁铁产生主极磁场也可由励磁绕组通入直流电流或由产生。2.3.1直流电机按励磁方式分类他励直流电机并励直流电机串励直流电机复励直流电机2.3.2直流电机的空载磁场空载磁场（主磁场）：电枢电流Ia=0，仅由If建立的励磁磁场。2.3.2直流电机的空载磁场磁通：空载是电机中的磁场是对称分布的，分为两部分主磁通：经气隙、电枢、相邻主极下的气隙、主极铁芯、定子磁轭闭合。主磁通同时交链与励磁绕组和电枢绕组；在电枢绕组中产生感应电动势，实现机电能量交换；用0表示。漏磁通：经主极间的空气或定子磁轭闭合。不穿过气隙；不参与机电能量交换；用表示。总磁通：为主磁通与漏磁通之和，用m表示。2.3.2直流电机的空载磁场磁通间的关系k—主极漏磁系数，一般取值1.15~1.2500001σmσσΦΦΦΦΦkΦΦ2.3.2直流电机的空载磁场磁动势F0—每对极励磁磁动势Nf—每极主极上的励磁绕组匝数主磁路结构—五段式两个气隙两个齿两个主极一个定子轭一个转子轭0ffd2FHlNI2.3.2直流电机的空载磁场主磁场分布气隙磁密为平顶波Bδ00()()δμFBxδx32磁化曲线起始阶段为直线其延长线为气隙线铁磁饱和导致磁化曲线的弯曲01FeμδδFFkFF2.3.3直流电机的电枢磁场电枢绕组中的电流产生的磁场。主磁极的中心线称为直轴，相邻N极和S极的分界线称为交轴。一般情况下，直流电机电枢磁场方向总是对准交轴，称为交轴电枢反应。34电刷位于几何中性线上35电刷偏离几何中性线aqβ()2τFAbadβFAb直轴电枢磁动势交轴电枢磁动势2.3.4直流电机的电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应对气隙磁场的影响使磁场的零点偏移；不饱和时，每极磁通量不变；饱和时，每极磁通量会减少。38直轴电枢反应直轴电枢反应对气隙磁场的影响直轴电枢磁场轴线与主机轴线重合；直轴电枢磁场对励磁磁场起去磁或助磁的作用；2.3.5感应电动势和电磁转矩感应电动势E：支路中各串联元件感应电动势的代数和。电磁转矩Tem：所有导体产生的电磁转矩的代数和。Φ为每极磁通量，空载时由励磁电流产生，负载时由励磁电流和电枢电流共同产生。CE为电动势常数CT为转矩常数，与电机结构有关。ema2TaTTCIpNCa60EaEECnpNCa30πTECC2.4直流发电机的基本特性2.4.1基本方程并励发电机等效电路IaIIfrjrfraGUEΔUbΔUbT1T0TemW+-2.4.1基本方程1、电动势平衡方程电枢回路ffjfff222aabaaaabaaabaaaaEUIRUIRIrΔUIrIURrIUIrrIRIIIUb—电刷接触电阻电压降，0.3~1V励磁回路电流方程2.4.1基本方程2、功率平衡方程电磁功率：电枢绕组感应电动势E与电枢电流Ia的乘积2f2CufCua2Cu60230emaaaemaaememaaPEIpNpNπPΦnIΦInTΩaπaPUIUIIRPppPp1mecFead012Cu02211100%1100%ememPPpppPpPPppPppPηPP2.4.1基本方程3、转矩平衡方程转矩平衡方程可由功率平衡方程得出0110ememPpPTTTΩΩΩ2.4.2他励发电机的运行特性1、空载特性当n=常值、I=0时，U0=f(If)的关系曲线。rjGAVRLUfIfI他励发电机特性实验接线图2.4.2他励发电机的运行特性1、空载特性他励发电机空载特性曲线空载特性本质上就是通过实验方法测定发电机实际的磁化曲线空载特性曲线测定均按他励发电机接线方式，与电机的励磁方式无关U0IfO,n=nNO2.4.2他励发电机的运行特性2、负载特性当n=常值、I=常值时，U=f(If)的关系曲线。他励发电机负载特性曲线空载特性与负载特性之间存在一个特性三角形—EAU。UIfOI=0I,f1If1EUAI=const2.4.2他励发电机的运行特性3、外特性当n=常值、If=常值时，U=f(I)的关系曲线。IOUU0UNIN他励发电机外特性曲线外特性随负载电流增大呈下降趋势，是由电枢回路电阻压降和电枢反应去磁效应引起的；机端电压随负载变化的程度用电压调整率衡量0NN100%UUUU2.4.2他励发电机的运行特性4、调节特性当n=常值、U=常值时，If=f(I)的关系曲线。IOIfIf0IfNIN励磁电流随负载电流增加而增加，以补偿电枢反应的去磁作用。铁磁材料的饱和，使励磁电流增加的速率还要高于负载电流。他励发电机调节特性曲线2.4.3并励发电机的自励条件和外特性1、自励过程与条件并励发电机运行特性实验接线IIfrjRLAAVSrf2.4.3并励发电机的自励条件和外特性1、自励过程与条件并励发电机自励条件U0IfOPP'P临界电阻线1234α励磁回路电阻线电机有剩磁励磁绕组连接正确励磁回路电阻小于临界电阻IfO临界电阻线Rf1α临界电阻线Rf2n2n1n1n2Rf1Rf2不同转速的临界电阻2.4.3并励发电机的自励条件和外特性2、外特性当n=常值、If=常值时，U=f(I)的关系曲线。UIO并励他励INIkIcr并励发电机外特性外特性下降快，有“拐弯”电压调整率可达20%稳态短路电流小2.4.3复励发电机的特点复励发电机：励磁绕中既含有并励绕组，又含有串励绕组的直流发电机，包括积复励发电机（并励绕组其主要作用）和差复励发电机（串励绕组其主要作用）IIfrjRLAAVSrf复励发电机实验接线2.4.3复励发电机的特点复励发电机外特性复励发电机外特性曲线UIO差复励欠复励IN平复励过复励U02.5直流电动机的基本特性2.5.1基本方程IaIIfrjrfraMUEΔUbΔUbT2T0TemW+-并励电动机等效电路2.5.1基本方程1、电动势平衡方程电枢回路电压方程电枢绕组电势Ra—电枢回路总等效电阻baaaabaaa22ΔUIRIrΔUIrIaaUEIREECΦn2.5.1基本方程励磁回路电压方程Rf=rf+rj—励磁回路总电阻电流方程ffjffUIrrIRafIII2.5.1基本方程动态情况下的电动势平衡方程电枢回路励磁回路aaaaaffaffddTiLRikiΩutkiΩECΦΩffffddiLRiut2.5.1基本方程2、功率平衡方程电功率平衡方程—电磁功率—电枢铜耗—励磁绕组铜耗1PUIafIIIaaUEIR21aaafPEIIRUIaEI2aaIRfUI1emCuaCufemCuPPppPpem2mecFead20+PPpppPp12CuaCufmecFead2Cu02+PPpppppPppPp2.5.1基本方程3、转矩平衡方程稳态动态0220ememPpPTTTΩΩΩ2020d=demΩTTTJTTΔTt2.5.2工作特性工作特性—电动机运行时转速n、电磁转矩Tem和效率与负载P2的关系曲线。直流电动机的工作特性因励磁方式而异。工作特性通常用实验方法确定。2.5.2工作特性1、并励电动机工作特性实验电路IIfrjRstAAVSrfU+-2.5.2工作特性（1）并励电动机速率特性——n=f(P2)（2）并励电动机转矩特性——Tem=f(P2)（3）并励电动机效率特性——=f(P2)工作特性实验电路n,T,P2O=f(P2)n=f(P2)PNT2n0T0Tem=f(P2)2.5.2工作特性2、串励电动机串励电动机工作特性接线IRstU+-AVSM2.5.2工作特性2、串励电动机串励电动机工作特性P2on,η,TηTemn2.5.2工作特性3、复励电动机复励电动机工作特性实验电路IIfrjAVSrfARstU+-2.5.3机械特性直流电动机机械特性：在U=UN=常值时，转速n与电磁转矩Tem之间的关系曲线n=f(Tem)。并励电动机