電機與電力拖動第1章直流電機2課件

§1-3直流電機的電樞繞組§1-4直流電機的磁場§1-5直流電動機§1-6直流發(fā)電機§1-7直流電機的換向§1-3直流電機的電樞繞組繞組型式單疊繞組單波繞組電樞：轉(zhuǎn)子——機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐繞組是由許多線圈(下稱元件)按一定規(guī)律連接而成

電樞繞組是直流電機的核心部分，在電機的機電能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。電樞繞組須滿足以下要求：在能通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動勢（或電磁力）前提下，盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料；結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。1.電樞繞組元件——線圈(1).2個元件邊：嵌在槽中的部分(2).前端接部分、后端接部分(3).上層元件邊、下層元件邊(4).首(出線)端、末(出線)端上層元件邊、下層元件邊處在不同極性的磁極下，即同一元件的上層元件邊、下層元件邊的距離約為一個磁極的距離。一、元件與節(jié)距2.節(jié)距：用來表征元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)節(jié)距第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yk第一節(jié)距y1——必須是整數(shù)用槽數(shù)來表示同一元件的2個元件邊在圓周上的距離。極距τ：2個相鄰磁極在圓周上的距離。用槽數(shù)來表示p為極對數(shù)*.本課程只討論：一個槽內(nèi)共放置2個元件邊*.元件數(shù)S=換向片數(shù)K，即S=K*.換向片數(shù)K=槽數(shù)Z*.S=K=Z1片換向片總接1個元件的上層元件邊和另1個元件的下層元件邊。1個元件有2個元件邊。1個槽放2個元件邊。(3)合成節(jié)距y——必須是整數(shù)用槽數(shù)來表示直接相連的2個元件的對應(yīng)元件邊之間在圓周上的距離。(4)換向節(jié)距yk——必須是整數(shù)每個元件的首、末2端所接的換向片在圓周上的距離。用換向片數(shù)來表示。yk=y二、單疊繞組

疊繞組：后1元件的端接部分緊疊在前1元件的端接部分上;yk=1的疊繞組稱為單疊繞組。例：Z=S=K=16，2p=4，接成單疊繞組1.計算節(jié)距yk=y=1y1=4y2=3(6).畫磁極，一般認為在繞組的上方,寬度≈0.75τ(7).畫電刷：均布，與磁極同中心

（1）先畫16根等長、等距的實線，代表各槽上層元件邊，再畫16根等長等距的虛線，代表各槽下層元件邊。實際上一根實線和一根虛線代表一個槽，依次把槽編上號，如圖所示；（2）根據(jù)y1，畫出第一個元件的上下層邊（1～5槽），令上層邊所在的槽號為元件號；（3）接上換向片，1、2片之間對準元件中心線，之后等分換向器，定出換向片號；（4）畫出第二個元件，上層邊在第2槽，與第一個元件的下層邊聯(lián)接；下層邊在第6槽與3號換向片聯(lián)接。按此規(guī)律，一直把16個元件全部聯(lián)起來。

（5）放磁極：磁極寬度約為均勻分布在圓周上，N極磁力線垂直向里（進入紙面），S極向外（從紙面穿出）（6）放電刷：對準在磁極軸線下，畫一個換向片寬（實際上K很多，電刷寬＝2～3片寬）。并把相同極性下的電刷并聯(lián)起來。實際運行時，電刷是靜止不動的，電樞在旋轉(zhuǎn)，被電刷所短路的元件，永遠都是處于電機的幾何中性線，其感應(yīng)電動勢是接近零的。為使正、負電刷間引出的電動勢最大，我們已知被電刷所短路的元件電動勢為零，在元件端接線對稱的情況下，電刷的實際位置應(yīng)在磁極軸線下，習(xí)慣上稱為“電刷放在幾何中性線位置”，是指被電刷所短路的元件處于電機的幾何中性線。換向片上層邊下層邊5′6′7′4′5′3′8′1211631541231611544.單疊繞組的并聯(lián)支路圖5.單疊繞組的特點(1).同一磁極下各元件串聯(lián)成1支路；共2p條支路，并聯(lián)a=p(2).當(dāng)元件左右對稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對準磁極的中心線時，正負電刷間的感應(yīng)電動勢最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動勢最小。(3).電刷的對數(shù)必須=極對數(shù)；電刷刷桿數(shù)=極數(shù)三、單波繞組單波繞組：合成節(jié)距(換向節(jié)距)≈2個極距、前后2元件串聯(lián)起來像波浪形。單波繞組的條件：pyk=K-1例：Z=S=K=15，2p=4，接成單波繞組1.計算節(jié)距2.畫繞組展開圖(1).畫Z個槽(2).畫一個元件(3).畫換向片(4).畫其他元件(5).換向片編號(6).畫磁極(7).畫電刷換向片上層邊下層邊11′10′9′5′4′6′8′7′8712635411514109111312下層邊4′3′2′13′12′14′1′15′上層邊11591014111312換向片876213544.單波繞組的并聯(lián)支路圖5.單波繞組的特點(1).上層邊在同一極性磁極下所有元件串聯(lián)成1支路；共2條支路，并聯(lián)

a=1(2).當(dāng)元件左右對稱、電刷的中心線在換向器表面的位置對準磁極的中心線時，正負電刷間的感應(yīng)電動勢最大，被電刷短路的元件中的感應(yīng)電動勢最小。(3).電刷的對數(shù)=1；電刷刷桿數(shù)=2；可采用全額電刷，即用P對電刷§1-4直流電機的磁場直流電機的勵磁方式他勵直流電機并勵直流電機串勵直流電機復(fù)勵直流電機

1.他勵直流電機勵磁繞組由其他來源提供與電樞繞組沒有電的聯(lián)系永磁直流電機屬他勵電機永磁直流由永磁體產(chǎn)生磁場If只有額定電流的5%以內(nèi)2.并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)勵磁電壓=電樞端電壓If只有額定電流的5%以內(nèi)3.串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)勵磁電流=電樞電流=大4.復(fù)勵直流電機有2個勵磁繞組1個與電樞繞組并聯(lián)——并勵繞組1個與電樞繞組串聯(lián)——串勵繞組積復(fù)勵差復(fù)勵

1.他勵式：勵磁電流由其他直流電源單獨供給，勵磁繞組和電樞繞組相互獨立。2.自勵式：顧名思義，勵磁電流由電機自身供給。而根據(jù)自勵方式即電樞繞組和勵磁繞組的連接方式的不同，自勵式又分為串勵式、并勵式和復(fù)勵式;串勵式：電樞繞組和勵磁繞組相串聯(lián)，滿足：

并勵式：電樞繞組和勵磁繞組相并聯(lián)，滿足：

復(fù)勵式：在整個勵磁回路中，有兩套勵磁繞組，一套和電樞繞組相并聯(lián)，一套和電樞繞組相串聯(lián)，根據(jù)兩個勵磁繞組所產(chǎn)生的磁動勢的關(guān)系，又可分為積復(fù)勵和差復(fù)勵：積復(fù)勵：串勵繞組和并勵繞組所產(chǎn)生的磁動勢方向一致，互相疊加，反之，叫做差復(fù)勵：

二.直流電機的空載磁場空載運行直流電機不帶負載(不輸出功率)時的運行狀態(tài)空載電流相對額定電流而言，很小、常認為=0空載磁場——主磁場主磁極勵磁磁動勢單獨產(chǎn)生的勵磁磁場1.主磁通和漏磁通磁通：由勵磁繞組通電產(chǎn)生**主磁通Φ0與電樞繞組匝鏈的磁通;**主磁路主磁極、氣隙、電樞齒、軛、定子軛**漏磁通Φs只與勵磁繞組匝鏈的磁通；

2.直流電機的空載磁化特性Φ0=f（If0）Φ0=f（Ff0）飽和：**磁阻非線性**磁阻變大**電機工作點選在磁路開始飽和的A點3.空載磁場氣隙磁密分布曲線氣隙δ極距τ=πD/(2p)磁極極靴的寬度≈75%τ氣隙磁密平均氣隙磁密

極靴下氣隙的遠遠小于極靴之外的氣隙。顯然，極靴下沿電樞圓周各點的主磁場將明顯大于極靴范圍以外，在兩極之間的幾何中心線處，磁場等于零。

對于這一點，可以通過數(shù)學(xué)形式來看一下：設(shè)電樞圓周為x軸，磁極軸線處為縱軸，又設(shè)電樞有效長度為l，則離開坐標原點為x的dx范圍內(nèi)的氣隙主磁通為：dΦx

=Bxldx

則空載時每極主磁通為：Bav為氣隙磁密的平均值

在額定狀態(tài)下，電機往往工作在飽和點附近，這樣既可以獲得較大的磁通，又不致需要太大的勵磁磁動勢，從而可以節(jié)省鐵心和勵磁繞組的材料。

負載時的氣隙磁場：

由于電樞磁動勢的出現(xiàn)，氣隙磁場將會發(fā)生變化，而這個變化的性質(zhì)將是我們下面研究的重點電樞反應(yīng)：電樞磁動勢對主極氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)又根據(jù)其反應(yīng)方向的不同，分為交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)。二.電流電機的電樞反應(yīng)及負載磁場1.直流電機的電樞反應(yīng)負載時，電樞繞組通有負載電流，由此產(chǎn)生電樞磁動勢Fa，F(xiàn)a與勵磁磁動勢Ff共同合成負載時的氣隙磁密，它與空載氣隙磁密分布不同。電樞磁動勢對氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。2.直流電機的電樞磁場**分析僅由電樞繞組的電流產(chǎn)生的磁場。用右手螺旋定則可以電樞磁動勢的方向。**電樞磁動勢Fa先分析只有1個整距元件Wc匝，電流ia，磁動勢為iaWc設(shè)從電樞出、進定子的磁動勢為+可得1個繞組元件的磁動勢如圖3個元件——3階梯波形很多個元件三角波形3.負載時的氣隙合成磁場1）物理中性線偏離了幾何中性線不考慮飽和，每極總磁通Φ不變電樞反應(yīng)的影響，使電樞表面磁密=0的物理中性線偏離了幾何中性線對電動機，物理中性線逆著旋轉(zhuǎn)方向偏離了幾何中性線對發(fā)電機，物理中性線順著旋轉(zhuǎn)方向偏離了幾何中性線2）考慮飽和的影響考慮飽和的影響，半個極下減少的磁通大于增加的磁通，使每極總磁通減小。如電刷放在幾何中性線上，電樞反應(yīng)的影響：(1)是氣隙磁場發(fā)生畸變，物理中性線偏離了幾何中性線(2)考慮飽和的影響，半個極下減少的磁通大于增加的磁通，使每極總磁通減小。三.電樞繞組的感應(yīng)電動勢指正負電刷之間的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的原因：元件邊(導(dǎo)體)切割氣隙合成磁場氣隙合成磁場的分布是不均勻，每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢是不同的。假設(shè)磁密是均勻的假設(shè)磁密是均勻的，取1個極下的平均值每個極下的1根導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢的大小相等

電樞繞組的感應(yīng)電動勢四.電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩公式§1-5直流電動機一、直流電動機穩(wěn)定運行的基本關(guān)系式電壓平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式功率平衡方程式電動機慣例反電動勢Ea與U方向相反勵磁繞組與電樞繞組是并聯(lián)的1.電壓平衡方程式并勵電動機2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式電磁轉(zhuǎn)矩T，與n同方向——拖動轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩T0，為制動轉(zhuǎn)矩軸輸出的轉(zhuǎn)矩T2，帶動生產(chǎn)機械(負載轉(zhuǎn)矩)，通常是制動轉(zhuǎn)矩。3.功率平衡方程式電磁功率Pem在電磁感應(yīng)作用下，由電能轉(zhuǎn)換為機械能，或由機械能轉(zhuǎn)換為電能的這部分功率稱為電磁功率。用Pem表示。體現(xiàn)了能量的互相轉(zhuǎn)換作用。功率平衡方程式他勵電動機二、并勵直流電動機的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性2.轉(zhuǎn)矩特性3.效率特性當(dāng)可變損耗pcu等于不變損耗時，效率η達到最大值。三、串勵直流電動機的工作特性特點：反電動勢Ea與U方向相反勵磁繞組與電樞繞組是串聯(lián)的總電阻反電勢串勵繞組電阻串勵直流電動機的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性串勵直流電動機的工作特性2.轉(zhuǎn)矩特性起動時，n=0,Ia很大四、復(fù)勵直流電動機的工作特性工作特性由起主要作用的勵磁繞組決定；一般在并勵與串勵電動機的特性之間。積復(fù)勵有較高的啟動能力、過載能力，可空載輕載運行?！?-6直流發(fā)電機直流發(fā)電機的勵磁方式他勵直流發(fā)電機并勵直流發(fā)電機串勵直流發(fā)電機復(fù)勵直流發(fā)電機一、直流發(fā)電機穩(wěn)定運行的基本方程式他勵直流發(fā)電機發(fā)電機慣例：1.電動勢平衡方程式2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式空載損耗轉(zhuǎn)矩由機械損耗、鐵耗引起拖動轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩方向同n方向-n方向-n3.功率平衡方程式發(fā)電機的輸入功率P1，除小部分損耗外，大部分轉(zhuǎn)換為電磁功率，由機械功率電功率3.功率平衡方程式電磁功率，除去電樞回路的銅損耗外，其余部分輸出電功率發(fā)電機的輸出功率電樞回路的銅損耗3.功率平衡方程式他勵并勵直流發(fā)電機的總損耗由輸入機械功率或其他電源提供發(fā)電機的效率二、他勵直流電發(fā)電機的運行特性4個主要物理量：電樞端電壓U勵磁電流If負載電流I=Ia轉(zhuǎn)速n——一般保持為額定值不變運行特性即：3個量，其中1個不變，其余2個物理量之間的關(guān)系。1.空載特性空載磁化特性飽和曲線空載特性磁滯現(xiàn)象、平均空載特性、剩磁電壓飽和現(xiàn)象、設(shè)計時工作點的選擇如果轉(zhuǎn)速不是額定值，則空載特性按比例變化2.外特性負載試驗方法：1.IfIfN保持2.nnN保持3.I從0調(diào)節(jié)1.2IN2.外特性由于電樞反應(yīng)使磁通減小，使端電壓與電流的關(guān)系不是一條直線。發(fā)電機端電壓隨負載電流的增大而減小的程度電壓調(diào)整率重要性能指標3.調(diào)節(jié)特性負載電流的增大端電壓下降，原因？調(diào)節(jié)勵磁電流達到保持端電壓不變?nèi)?、并勵直流發(fā)電機的自勵過程和自勵條件發(fā)電的條件機械拖動n要有氣隙磁場并勵直流發(fā)電機的自勵過程和自勵條件并勵直流發(fā)電機自勵的三個條件1電機必須有剩磁2勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確3勵磁回路中電阻小于Rcr(稱為臨界電阻)四、并勵直流發(fā)電機的運行特性空載特性該接成他勵方式后，測量得到空載特性，方法和特性曲線與他勵直流發(fā)電機相同。并勵直流發(fā)電機的外特性2.外特性同一臺直流發(fā)電機，分別接成并勵方式、他勵方式，得到外特性分別如圖1、2曲線。3.并勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性五、復(fù)勵直流發(fā)電機的外特性并勵繞組：電壓高線細、匝多串勵繞組：電流大線粗、匝少串勵繞組起輔助作用，并勵繞組起主要作用。積復(fù)勵:過復(fù)勵、平復(fù)勵、欠復(fù)勵

一、換向概述1-7直流電機的換向為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。直流電機的某一個元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向。電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。如圖所示。電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為。元件112一個元件被電刷短路前的電流是+ia，被短路一下，之后的電流是-ia，這種電流方向的改變，就稱為換向。1.直線換向(電阻換向)**只考慮接觸電阻，它與接觸面積成反比。**接觸電阻是均勻變化的。**換向元件的