直流電機原理

n直流電機基本工作原理、結構和額定數(shù)據(jù)n直流電機基本方程(1)狀態(tài)一bibi/NF/NFnnd--Ff=BFf=BxliS--(2)狀態(tài)二：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180電角度n直流電源供電主磁極F主磁極FbN+n旋轉(zhuǎn)180電角度后電磁力方向反向bN+-·a--n-·a--nFS若要維持電磁力方向不變，必須:FS--(3)兩種位置電磁力對比主磁極bb+i+iNNFFaann氣隙F·d--氣隙F·d-- S-+NFnb+NFnbFFS-(4)直流電動機原理－換向bb磁極的幾何分界線NFNFnnBF導體運動經(jīng)過磁極的幾何中性線期間BFS交換線圈電源極性S交換線圈電流方向電磁力方向維持不變-(1)狀態(tài)一n主磁極建立磁場n線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)n運動導體在磁場中產(chǎn)生感應電勢n對外輸出電能(2)兩種位置電動勢對比(3)直流發(fā)電機原理－換向n線圈旋轉(zhuǎn)方向不變N·d---N·d---nnn感應電勢換向＝整流SBSB--(4)線圈感應電勢波形n線圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過一對磁極的感應電勢波形單線圈換向后的感應電勢波形主磁極、勵磁繞組、電刷、軸承、磁軛和電刷裝置等電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等(2)直流電機整體實物結構圖(3)直流電機主要部件①主磁極②勵磁繞組勵磁繞組套在主磁極極身上主磁極鋼板沖片主磁極由鋼板沖片 ③電樞鐵心④電樞繞組均勻開槽涂絕緣漆沖③電樞鐵心④電樞繞組均勻開槽涂絕緣漆沖片疊壓而成（硅鋼片）⑤換向器⑥電刷n固定部分與運動部分間滑動接觸直流電機繞線式異步電機n額定功率PN：電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時電機的輸出功率(W/kW)n額定電壓UN：電機出線端電壓(V)n額定電流IN：電機出線電流(A)n額定轉(zhuǎn)速nN：(r/min,r.p.m)n額定勵磁電壓UfN：(V)n額定勵磁電流IfN：(A)n額定轉(zhuǎn)矩TN：(Nm)n額定效率ηN直流電動機）(%)nZ2-72”表示直流電動機、第二次改進設計型，國產(chǎn)直流電機主要系列產(chǎn)品nZ和ZF系列恒功調(diào)速范圍廣拖動冶金起重直流牽引龍門刨床冶金、礦山挖掘機用PN=UN.INPN=UN.IN.ηN(1)直流電機的可逆性原理n一臺直流電機，既可作發(fā)電機運行也可作電動所處狀態(tài)，由運行環(huán)境決定輸出電能為發(fā)電機，輸出機械能為電動機掌握：如何判斷直流電機的運行狀態(tài)？T發(fā)電機運行狀態(tài)emdtT1-T=JdΩ=emdt(2)調(diào)節(jié)(發(fā)電機電動機）調(diào)節(jié)1（初始發(fā)電機狀態(tài)）n保持磁場不變，不計電機損耗n減小機械輸入轉(zhuǎn)矩T1→轉(zhuǎn)速n下降→感應電勢E減小→Ia減小/輸出電功率減小→電磁轉(zhuǎn)矩減小n重新穩(wěn)定后T1=Tem，達到新平衡輸入機械功率減小輸出電功率減小調(diào)節(jié)2（達到理想空載狀態(tài)）輸入機械功率＝0輸出電功率＝0不將機械能轉(zhuǎn)換成電能也不將電能轉(zhuǎn)換成機械能稱為理想空載調(diào)節(jié)3（最終為電動機運行狀態(tài)）n在T1=0，再減小T1（T1<0)→轉(zhuǎn)速n下降→感應電勢E減小(E<U)→Ia減小(Ia<0)/輸出電功率減小(<0)→電磁轉(zhuǎn)矩減小(<0)輸入機械功率<0，輸出機械能輸出電功率<0，從電網(wǎng)吸收電能n結果：電機進入電動機運行狀態(tài)(3)調(diào)節(jié)（電動機發(fā)電機）n同理，電動機運行狀態(tài)也可以調(diào)節(jié)至發(fā)電機運n一臺直流電機，既可作發(fā)電機運行也可作電動機運行問題：其他類型電機是否遵循可逆性原理？2直流電機繞組(1)繞組的要求①環(huán)形電樞繞組,,eeee②鼓形電樞繞組②鼓形電樞繞組或電磁力方向會相反而2e2e2e2e2e2e2e或電磁力方向會相反而2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2en元件邊：在電樞槽內(nèi)，感應電勢和產(chǎn)生電磁力的導體n端接線：聯(lián)接兩元件邊的導體n元件：組成繞組的最小獨立部分，由兩個元件邊和端接線組成n虛槽數(shù)Qu=u×Qn繞組元件數(shù)Sn換向片數(shù)K一般情況下，u=1則Qu=K=S第二節(jié)距y2合成節(jié)距y第一節(jié)距y第二節(jié)距y2合成節(jié)距y第一節(jié)距y1y1=左行右行換向節(jié)距yK=yc=ycny=1，右行；y=-1，左行某直流電機，極數(shù)2p=4，虛槽數(shù)Qu，元件數(shù)S，換向片數(shù)K均為16。第一節(jié)距y1y1=2p4合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yky=yK=1第二節(jié)距y2y2=y1-y=4-1=3單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)成一條支路并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)4極電機，Qu=S=K=16單疊右行整距繞組并聯(lián)支路對數(shù)a=2=p發(fā)電機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)n單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即：y=yk=11）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同，2a=2p。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。3）電樞電流等于各支路電流之和。為保證各支路電動勢相等，不產(chǎn)生環(huán)流，可在電樞繞組中理論上點位相等的點用均壓線聯(lián)結路+1為右行某直流電機，極數(shù)2p=4，虛槽數(shù)Qu，元件數(shù)S，換向片數(shù)K均為15。第一節(jié)距y1合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yK第二節(jié)距y2p2'' N489N48970 單波繞組是把所有處于相同極性下的元件都串聯(lián)起來構成一條支路并聯(lián)支路數(shù)等于24極電機，Q=Qu=S=K=15單波左行短整距繞組并聯(lián)支路對數(shù)a=11）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。并聯(lián)支路對數(shù)不同每條并聯(lián)支路所串聯(lián)的繞組不同直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組；直流電機電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。單疊繞組a=p即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機極對數(shù)電刷放置的一般原則是確?？蛰d時通過正、負電刷引出的電動勢最大，或者說，被電刷短路的元件中的電動勢為零。對于端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下單波繞組支路最少，用于小容量電機和電壓較高或轉(zhuǎn)速較低復波繞組可用于多極數(shù)、低速的大中型電機單疊繞組的支路數(shù)比波繞組多，主要用于中等容量、正常電壓和轉(zhuǎn)速的電機復疊繞組用于大容量或低壓、大電流的電機蛙型繞組常用在轉(zhuǎn)速較高、換向困難的大型直流電機3直流電機磁場n他勵式：勵磁繞組與電樞繞組無關n電動機：I=Ia+Ifn發(fā)電機：I=IaIfI=Ia=If(2)直流電機空載磁場分布n勵磁繞組通直流電產(chǎn)生的磁場n空載時電機中的磁場分布對稱n主磁通漏磁通n主極磁場根據(jù)磁力線通路（磁路）差異區(qū)分主極漏磁通Φfσ：不通過氣隙的磁通，不產(chǎn)生感不計齒槽影響僧帽形僧帽形μ0(4)導體空載感應電勢及電磁力n運動導體感應電勢n載流導體產(chǎn)生電磁力xxfx=Bxli(5)直流電機空載磁化特性ANAIfIN0If0IfNIfIN0(1)電刷位于幾何中性線時電樞繞組磁動勢n則x處磁動勢大小x=Hδδ=n主磁極正下方氣隙均勻B∝Fn幾何中性線附近氣隙很大B很小n電機負載時，氣隙磁場由主極磁勢和電樞磁勢共同建立密度分布曲線主磁場的主磁場的磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線(2)電刷偏離幾何中性線時電樞繞組磁動勢電刷從幾何中性線偏移β角，電樞磁動勢軸線也隨之移動β角電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：n交軸磁勢Faq：磁勢與電刷軸線重合n直軸磁勢Fad：磁勢與磁極軸線重合(3)直流電機電樞反應n電樞反應：當勵磁繞組中有勵磁電流，負載后電樞中有電樞電流，氣隙中磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。n交軸電樞磁勢→交軸電樞反應n直軸電樞磁勢→直軸電樞反應①交軸電樞反應密度分布曲線主磁場的磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通α密度分布曲線αn交軸電樞磁勢對電機磁場的影響磁場畸變n半個磁極內(nèi)助磁n半個磁極內(nèi)去磁n物理中性線發(fā)生偏移發(fā)電機順著電機運動方向偏移α角磁通變化n不飽和時，每極磁通不變n飽和時，每極磁通略有減少②直軸電樞反應n直軸電樞磁場對主極磁場的影響與主極磁勢平行(4)直流電機電樞反應小結使氣隙磁場發(fā)生畸變物理中性線偏離幾何中性線α對主磁場起去磁作用電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁SSn電動n電動機狀態(tài)FaβSSnFfn β切換到發(fā)電機切換到發(fā)電機NN FaNN4直流電機基本方程n直流電機感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩方程n直流電機機械運動方程n直流電機電壓電流方程n直流電機轉(zhuǎn)矩功率方程=Bx.l.vfx=Bx.l.i導體感應電勢ex=Bx.l.v設電樞繞組總導體數(shù)為N，有2a條并聯(lián)支路每條支路串聯(lián)導體數(shù)NN 導體切割磁場速度v=.2p 一根導體產(chǎn)生的電磁力f設電樞繞組總導體數(shù)為N，有2a條并聯(lián)支路電樞繞組總電流為Ia，電樞外徑為Da每條支路電流一根導體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩定義平均磁密電樞繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩C=pNpN電動機參考定向發(fā)電機參考定向電動機：I=Ia+If發(fā)電機：I=Ia-If電動機：U=Ea+IaRa+2ΔUb=Ea+IaΣRa發(fā)電機：U=Ea-IaRa-2ΔUb=Ea-IaΣRaRRjRRaRRfI=Ia+IfΣRj=Rf+RjΔUb為電樞回路總電阻為勵磁回路總電阻為電刷接觸壓降Ia=I，Uf=IfRf電動機：Ea=U-IaRa-2ΔUb電流方程I=Ia=IfU=Ea+Ia.Ra+If.Rf+2ΔUb=Ea+Ia.ΣRaPem=EaIa=TemΩ=(CeΦn)Ia=(CTΦΩ)Ia=(CTΦIa)Ω電動機：T2=Tem-T0pcn鐵耗pFel通風損耗n機械損耗pl通風損耗n雜散（附加）損耗pΔ空載損耗p0P=Pem-pcua-pcufP=Pem+pcua+pcufP=Pem-pΩ-pFe=Pem-p0【例】一臺并勵直流發(fā)電機，電動機的額定數(shù)據(jù)為：額定功率25kW，額定電壓230V，額定轉(zhuǎn)速額定負載時雜散損耗為3.8％PN，鐵耗582W，機械損耗305W，求發(fā)電機額定負載時：（1）電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩；（2）輸入功率；（3）效率。解：IN==108.7AIfN==1.77AI=I+I=110.47AaNNfNpcuf=INRfN=407.28Wpcua=INRa=1831.54WPem=PN+pcuf+pcua=27.24kWP955P（2）輸入功率：P（3）效率：η==86.21%5直流電機運行特性機械特性工作特性發(fā)電機參數(shù)：U,If,I,nf(If)U=f(If)f(I) If=f(I)l調(diào)整特性：If∞F0∞H 剩磁剩磁電動勢E0r勵磁電流If01加強磁場E01If02...穩(wěn)定電壓U0氣隙中有剩磁存在勵磁磁動勢與剩磁方向相同勵磁回路總電阻小于臨界電阻n不同轉(zhuǎn)速的臨界電阻U=CΦn-IRUN注意：他勵在額定勵磁時不可短路注意：他勵在額定勵磁時不可短路他勵發(fā)電機短路他勵發(fā)電機短路If[A]432If[A]432發(fā)電機外特性特點0發(fā)電機外特性特點0比水平線略微下降的額定勵磁下短路，短路電流很大負載電流增大，端電壓下降較快有拐彎現(xiàn)象穩(wěn)態(tài)短路（端電壓為0），短路電流不大機n復勵發(fā)電機外特性n電樞反應的去磁作用n電樞回路的電阻壓降①平復勵發(fā)電機②過復勵發(fā)電機③欠復勵發(fā)電機當I=IN時的UN＜U0。發(fā)電機外特性比較UOIINn表明n=C，負載變化時，如何調(diào)節(jié)勵磁以保持I↑If↑U=CΦI-IRI↑If↑n直流發(fā)電機的效率小型直流發(fā)電機額定效率ηN=91%~96%大中型直流發(fā)電機額定效率ηN=70%~90%{l人為機械特性〔{l人為機械特性{轉(zhuǎn)矩特性l效率特性{轉(zhuǎn)矩特性l效率特性f(P2)Tf(P2)η=f(P2){{{串勵電動機工作特性l復勵電動機工作特性1）直流他勵、并勵電動機的機械特性U=CeΦn+Ia(Ra+Rs)T=CTΦIaURUR+Rn=-asTCeΦCTCeΦ2=n0-βT硬特性考慮電樞反應去磁的機械特性電壓為額定電壓磁通為額定磁通電樞電路只有繞組電阻UUe通過人為改變電機運行條件形成的機械特性eTeTBB改變電樞電壓的機械特性U1U2U3UU1U2U3U4T0LTT0LC改變勵磁的機械特性機械特性繪制機械特性繪制ΦNaNEaNRaTNN,N,N,N,N,N,N確定兩點(TN,nN),(T=0,n0)nNeN根據(jù)經(jīng)驗EaN=(0.93~0.97)UNCΦ=EaN=UNINReNnNnNΦNIN=9.55CeΦNIN軟特性CemTCemTCKeemCKeemURURTC'IC'C'I2n當Ia或T較大時，磁路飽和，機械特性接近于直線n當Ia較小，磁通很小，機械特性在固有特性上方，Ia過小時會造成飛車固有特性（自然特性）URCeΦCTCeΦ2Φ=KfIf=KfIa C=KCC=KCee,TTCTCee,TTCTCI=aT'I=aT'A降低電源電壓人為特性A降低電源電壓人為特性n調(diào)壓器調(diào)壓n通過串并聯(lián)連接方式改變來實現(xiàn)串勵電機降電壓BBC勵磁繞組并分路繞組C勵磁繞組并分路繞組n并聯(lián)RB時，If=Ian勵磁減弱，機械特性應在固有機械特性之上D電樞并分路電阻D電樞并分路電阻則機械特性應在固有特性下方n另外，由于Rt上附加壓降，電樞電壓降低，轉(zhuǎn)速大大降低n可能進入第二象限，當理想空載2降壓人為機械特性3串RΩ人為機械特性4勵磁繞組并分路繞組人為機械特性5電樞并分路電阻人為機械特性U=220;Ra=0.17;p=2;N=398;a=1;phi=0.0103;K=0.0013;Te=0:0.01:5;nn00.511.5n=U/Ce/phi-Ra*Te/Ce/Ct/phi^2;plot(Te,n,'k')xlabel('Te(Nm)')ylabel('n(r/min)')title(‘并勵')C1=1/Ce*(Ct/K)^0.5;61).^(-0.5)-C2*Ra;6subplot(2,1,2)4plot(Te42ylabel('n(r/min)')2title(‘串勵')0xlabel('Te(Nm)')0axis([0,5,0,60000]){{轉(zhuǎn)矩特性l效率特性f(Pf(Ia)Tf(Pf(Ia)η=f(Pf(Ia)n-n-nΔn=0NnNTΦIa=1-pFe+pmec+pcuf+IRa+2IaΔUbU(Ia+If)注意：勵磁繞組不可斷開注意：勵磁繞組不可斷開2）直流串勵電動機的工作特性Φ∞If(=Ia)U=Ea+IaRa+IaRfnN3）復勵電動機的工作特性當負載轉(zhuǎn)矩突然增加時，電樞電流增大（電樞反應去磁），使主磁通增大。①使電磁轉(zhuǎn)矩很快的增大以克服突然增大的負載轉(zhuǎn)矩；2－并勵為主的復勵電動機2－并勵為主的復勵電動機3－串勵為主的復勵電動機4－串勵電動機③當電樞反應去磁作用很強時，仍能使電機有下降的機械特性，保持其穩(wěn)定運行。5－差復勵電動機+iat①電抗電勢er換向周期Tk：方向必與換向前的元件電流ia的方向一致。②旋轉(zhuǎn)電勢n換向元件所處的幾何中線處，主磁場幾乎為零；n電樞反應磁勢所產(chǎn)生的磁通Φa正好穿過換向元件。割Φa所生電勢ea稱為旋轉(zhuǎn)n設換向元件匝數(shù)為Na，電樞反應磁勢在換向元件處平均值=Ba.Na.l.vann旋轉(zhuǎn)電勢的特點載越重或者轉(zhuǎn)速越高，旋轉(zhuǎn)電勢也越大。（2）據(jù)右手定則，ea的方向總是與換向前元件中的電流方向相同，ea與er方向一致，也阻礙換向①環(huán)流能量釋放ii②延遲換向和超越換向n延遲換向和超越換向相對于直線理想換向而言nΔe=0，即旋轉(zhuǎn)電勢恰好補償電抗電勢為直線換向nΔe≠0，產(chǎn)生附加換向電流 n電磁原因——引起火花的重要原因如換向完畢后，附加換向電流不為零，則在換向回路存儲相當大的電磁能量，在電刷與換向片間產(chǎn)生火花換向過分超越，則前刷端電流密度過大；過分延遲，則后刷端電流密度過大，引起發(fā)熱，產(chǎn)生電火花電刷與換向器接觸不良過大電刷壓力破壞電刷表面的氧化膜（有利換向），容NnaSNnaS抵消電樞反應磁勢，使ea＝0kNk換向極磁勢kNk換向極磁勢=-ern電樞反應使氣隙磁場發(fā)生畸變，使處于Bδmax處的元件的感應電勢增大。當片間電壓Uk超過一定值時，換向片間空氣被擊穿，產(chǎn)生火花，稱為電位差火花。7直流電動機拖動7.1直流電動機起動n起動：通電后，轉(zhuǎn)速從零達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程。起動轉(zhuǎn)矩大起動電流小起動設備簡單可靠、經(jīng)濟Rs+nMIaTnMUEURaRf+UfIf+UfIfU=E+Ia(Ra+Rs)U=CeΦn+Ia(Ra+Rs)nn0Un0nNnNe=n0βTR+ReT asTeTTNTTNT0n起動時必須先保證有磁場(先加勵磁電流);可達額定電流的1020倍起動流：Ist=Ia=-電流沖擊可達額定電流的1020倍限流：Ist≤Iam=λiINλi為直流電動機短時允許電流過載倍數(shù)，一般取1.5~2.0分析：U=CeΦn+Ia(Ra+Rs) UCΦnI=eaR+RU隨n升高逐步增大，直到U=UN手動調(diào)節(jié)n2）電樞回路串接附加起動電阻UR=-RsIaRs隨n升高逐步切除（分級起動），直到Rs＝0TLTL n0fghRs1Rs2RaRadR2R n0fghRs1Rs2RaRadR2R2cbR1R1aaTT2TTT2T1起動：R1,T＝T1>TL一n↑,T↓a→bKM1通，R2T＝T1>TL,n↑c→dKM2通，Rad→eT＝T1>TL,n↑一e→f→g 根據(jù)工作機械的要求人為改變電動機的轉(zhuǎn)速。n速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)（控制的要求）n有級調(diào)速與無級調(diào)速（調(diào)速的平滑性）n恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速（適應負載要求）n2)電樞電路串附加電阻調(diào)速改變電樞電壓調(diào)速mT0mT0nnU1U2U3U4TLn1U1U1U2n平滑調(diào)節(jié)n2nNN0TTLn①旋轉(zhuǎn)變流機組n②靜止變流裝置又稱直流斬波器，利用可控的功率開關器件實現(xiàn)對負載所加電壓的通斷控制，控制通斷時間改變負載上的直流電壓的平均值，從而將固定的直流電源變?yōu)榭烧{(diào)的直流電壓直流斬波器調(diào)速性能好、效率高、可控性好、體積小、重量輕斬波調(diào)速逐漸成為目前直流調(diào)速的主流他勵直流電動機串電阻調(diào)速nRs1<Rs2<Rs3n0RaRa+Rs1Ra+Rs2Ra+Rs30T0TL1)RS越大特性越軟，靜差越大，穩(wěn)定性越差。2)所有人為特性都在固有特性之下。 。 。