chpt 3.1直流電機原理.ppt

1、HELLO EVERY ONE,十三朝的千年帝都，著名的古絲綢之路的起點，人類文明和中華民族的發(fā)祥地之一。這座永恒的城市，就像一部活的史書，一幕幕、一頁頁都記錄著中華民族的滄桑巨變。她是中國歷史的永恒坐標，也是國際的、市場的、人文的、生態(tài)的城市代表。,這就是古都-西安,第3章 直流電機原理和工作特性,3.1直流電機原理 3.1.1 直流電機的用途和主要結(jié)構 3.1.2 直流電機的基本工作原理 3.1.3 直流電機的磁路和電樞繞組 3.1.4 電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩 3.1.5 *有關直流電機更多的基本知識 3.2 電動機與拖動負載（用于本書其他各章） 3.3 他勵直流電機穩(wěn)態(tài)方程和外特性 3.4

2、 他勵直流電動機的運行特性,直流電機原理,3.1直流電機原理,3.1.1 直流電機的用途和主要結(jié)構,1直流電機主要用途： 特點：具有調(diào)速范圍寬，平滑調(diào)速，起、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，易于控制的優(yōu)點；但有結(jié)構較復雜，成本較高，維護不便等缺點。 用途：常用于對調(diào)速有較高要求的場合。 如在機器人、軋機、精密機床和以蓄電磁為電源的小型起重運輸機械等設備中應用較多；,直流電機結(jié)構,2 基本結(jié)構：直流電機主要由定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）兩大部分組成。 定子的作用是用來產(chǎn)生磁場和作電機的機械支撐。轉(zhuǎn)子用來感應電勢而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。,直流電機內(nèi)部結(jié)構,轉(zhuǎn)子：電樞鐵心，槽內(nèi)嵌入線圈 線圈的首末端分別連接到

3、兩片相鄰且相互絕緣的圓弧形銅片，即換向片上。與一個線圈的末端相聯(lián)的換向片同時與下一個線圈的首端連接，于是，各線圈通過換向片連接起來構成電樞繞組。各換向片固定于轉(zhuǎn)軸上且與轉(zhuǎn)軸絕緣。這種由換向片構成的整體稱為換向器。,直流電機內(nèi)部結(jié)構,直流電機內(nèi)部結(jié)構,2.1.2 直流電機的結(jié)構,定子解剖,（一）直流電機的靜止部分（定子部分 ）,詳見后頁,定子解剖,1、主磁極,2、換向極,1主磁極鐵心 2勵磁繞組 3機座,1換向極鐵心 2換向極繞組,用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。,作用是產(chǎn)生氣隙磁場。鐵心用0.51.5mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊而成，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的

4、部分稱為極靴。既可使氣隙中磁場分布比較理想。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成。,3、機座,兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極，也叫附加極或間極。作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花。換向極由換向極鐵心和換向極繞組組成。,電刷,4、電刷裝置,電刷裝置,用以引入或引出直流電壓和直流電流,1刷握 2電刷 3壓緊彈簧 4銅絲辮,圖2-8電刷裝置,轉(zhuǎn)動部分,（二）直流電機的轉(zhuǎn)動部分（電樞）,主要由電樞鐵心和電樞繞組,1、電樞鐵心：是主磁通磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。,a)電樞鐵心 沖片 b)電樞鐵心,圖2-9電樞鐵心,轉(zhuǎn)動部分,2、電樞繞組 由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。,1

5、槽楔 2線圈絕緣 3導體 4層間絕緣 5槽絕緣 6槽底絕緣,電樞槽內(nèi)的絕緣,圖2-10電樞繞組,轉(zhuǎn)動部分,3.換向器,由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。,換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向,4.轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。,氣隙,（三）氣隙,定子和轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，稱為氣隙。 氣隙是直流電機結(jié)構的重要組成部分，因為直流電機工作時，會在氣隙中形成氣隙磁場，直流電機在此進行積淀能量轉(zhuǎn)換。,氣隙既不能過大也不能過小。 氣隙過大，會產(chǎn)生很大的磁阻力，使得能量交換中產(chǎn)生不必要的損耗； 如果氣隙過小，又會使機械

6、部件產(chǎn)生靜電摩擦，導致電機不能正常運行。,直流電機名牌數(shù)據(jù),直流電機外形,一臺直流電機？,3. 直流電機的銘牌數(shù)據(jù),直流電機的額定值有：,1、額定功率PN(kW),2、額定電壓UN(V),3、額定電流IN(A),4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min),5、額定勵磁電壓UfN(V) 6、 電機的效率： N PN /P1,各量的物理意義？,名牌數(shù)據(jù)具體含義,在額定工況下，電機出線端的平均電壓,發(fā)電機：是指輸出額定電壓； 電動機：是指輸入額定電壓。 （電刷間測得的電壓）；,在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流,在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉(zhuǎn)速,幾個概念,對應于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)

7、速及額定功率時的勵磁電流,此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。,電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運行電流大于額定電流過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。,是直流電動機的額定效率。它是直流電動機額定運行時輸出機械功率與電源輸入電功率之比。,表示電動機軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩其大小應該,是輸出的機械功率額定值除以轉(zhuǎn)子角速度的額定值,直流電機的基本原理,3.1.2直流電機的基本原理,1直流發(fā)電機 (1) 輸

8、出開路（發(fā)電機電樞回路無電流） 單匝(動畫), 由許多線圈組成電樞繞組，使脈動大大降低。 (2) 輸出帶負載（發(fā)電機電樞回路有電流） 由左手定則可知電流所受到的電磁力是反對電樞旋轉(zhuǎn)的。原動機為了保持電機以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，就必須克服此電磁力而做功。,發(fā)電機如何發(fā)電,發(fā)電機如何發(fā)電？,用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交變的電動勢。 由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢確是直流電動勢。,有關發(fā)電機結(jié)論,(1)在電樞線圈內(nèi)感應電動勢ea及電流ia都是交流電，通過換向片及電刷的整流作用才變成外部兩電刷間的直流電動勢，使外

9、部電路得到方向不變的直流電流；,(3)電樞線圈是旋轉(zhuǎn)的且電樞線圈中的電流是交變的，從空間上看，N極與S極下的電樞電流方向不變，因此，由電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是一個恒定不變的磁場；,根據(jù)分析，可以得出直流發(fā)電機以下結(jié)論：,(2)發(fā)電機電樞線圈中的感應電動勢ea（稱為電樞電動勢）與其電流ia（稱為電樞電流）的方向始終一致；,(4)電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力f。據(jù)左手定則可以得出f的方向。此電磁力f使轉(zhuǎn)軸受到一個力矩T=f.R(R為導體對轉(zhuǎn)軸中心的半徑)，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是制動性質(zhì)。為此原動機須輸入機械功率克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)恒速旋轉(zhuǎn)，才能繼續(xù)不斷地發(fā)出電能

10、輸給負載，這就使機械能通過電磁感應作用變成了電能。,直流電動機原理,2 直流電動機(動畫2.1.2),由外電源從電刷A、B引入直流電流，使電流從正電刷A流入，而由負電刷B流出。此時，由于電流總是經(jīng)過N極下的導體流進去，而經(jīng)過S極下的導體流出來，所以上、下兩根導體分別受到的電磁力的方向是始終不變的，它們產(chǎn)生的力矩方向永遠是反時針方向，因此這臺電機可以帶動別的機械旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)換為機械能，成為一臺直流電動機。,電動機如何轉(zhuǎn)起來,B 磁場的磁感應強度(Wb/m2) i 導體中的電流(A) l 導體的有效長度(m),（一）直流電動機的工作原理（電動機如何轉(zhuǎn)起來？） 載流導體在磁場中受到的力,幾個專業(yè)術

11、語,當線圈ax中通入直流電流時,線圈邊a和x上均受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩。,當安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。 由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時，總是從電刷B流出的方向，就使電動機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。,注意專業(yè)術語的掌握！,有關電動機結(jié)論,根據(jù)分析，得出直流電動機以下結(jié)論：,(1)在直流電動機中，外施電壓u及電流I是直流，但電樞繞組內(nèi)部電流ia是交流。這是靠換向片及電刷的逆

12、變作用，將外部直流變成內(nèi)部的交流。 (2)從空間上看，由電樞電流所產(chǎn)生的磁場也是一個恒定磁場。 (3)當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞導體切割磁力線也會感應電動勢且是交變的，其方向與電樞電流ia的方向始終相反，稱之為反電勢。 (4)直流電動機中電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致，是驅(qū)動性質(zhì)的。,直流電機的磁路和電樞繞組,3.1.3 直流電機的磁路和電樞繞組,1 電機的磁路,幾個專業(yè)術語,2 極對數(shù)、電角度、機械角度、極距： 極對數(shù) nP 機械角度； 電角度np機械角度 極距: 用定子內(nèi)圓弧長表示相鄰兩磁極軸線間距離,關于電樞繞組,3 電樞繞組,電樞繞組連接例,2 個實例:,換向片,元件首端,末端,形成一 對磁極,

13、電樞繞組連接例,注意電樞電流和導體電流的區(qū)別： 電樞電流為流經(jīng)電刷的電流（方向不變），而導體電流為一條支路的電流（方向變化）,導體電動勢,3.1.4 電樞電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩,1 電動勢： 電樞電動勢是指直流電機正、負電刷之間的感應電勢。,直流發(fā)電機運行時，電樞元件在磁場中運動，產(chǎn)生切割電動勢；直流電動機運行時，由于元件中有電流，會受到電磁力（轉(zhuǎn)矩） 。 （為了簡化分析，以下考察的電樞繞組的線速度v 方向與磁密B 的方向及導體成直交 。）,電樞電動勢,電樞電動勢:,直流電機制成后，其電樞電勢的大小正比于每極磁通和機械轉(zhuǎn)速。,一根導體的平均電動勢乘上串聯(lián)支路的總導體數(shù),稱為電動勢常數(shù),電磁轉(zhuǎn)矩,2電

14、磁轉(zhuǎn)矩:,一根導體電磁力和轉(zhuǎn)矩,直流電機制成后，其電磁轉(zhuǎn)矩的大小 正比于每極磁通和電樞電流。,電樞繞組的運動方向與磁密的方向成直交，根據(jù)載流導體在磁場里受力的左手原理:,N根導體的總電磁轉(zhuǎn)矩,稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù),其他知識,1直流電機的勵磁方式 2電樞反應 3換向問題,3.1.5 *有關直流電機更多的基本知識,勵磁方式,1直流電機的勵磁,勵磁：在直流電機中，由定子勵磁線圈通電產(chǎn)生磁場。所產(chǎn)生的主磁場也稱為勵磁磁場。,直流電機的突出優(yōu)點是，通過選擇不同的勵磁繞組勵磁方式，可以獲得多種不同的運行特性。,在控制系統(tǒng)中，勵磁方式不論對電機穩(wěn)態(tài)特性還是動態(tài)性能都會產(chǎn)生很大的影響。,什么是勵磁？,勵磁方式:勵磁繞

15、組的供電方式。 直流電機按勵磁方式可分為他勵和自勵兩大類. 他勵:是指If 由另外的電源供給，與電樞電路沒有電的連接； 自勵:是指發(fā)電機勵磁所需的If 由該電機本身電樞供給。按勵磁繞組與電樞連接方式的不同分為串勵、并勵和復勵。,勵磁種類,勵磁方式種類：,按勵磁繞組的電方式的不同，可把直流電機分成下列四種： 1、他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而是由其他直流電源對勵磁繞組供電。優(yōu)點是兩個電源獨立。,2、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。轉(zhuǎn)速易于控制。,3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。起動特性好。,4、復勵直流電機兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)， 另一個與電樞繞組串聯(lián)。具有并

16、勵和串勵優(yōu)點。,勵磁種類,電樞反應,2電樞反應,電樞電流也產(chǎn)生磁場，它的出現(xiàn)必然會影響空載時只有勵磁磁動勢單獨作用的磁場、改變氣隙磁密分布情況及每極磁通量的大小，這種現(xiàn)象稱為電樞反應 。,實際上空載工作點通常取在磁化特性的拐彎處，磁動勢增加，磁密增加得很少，磁動勢減少，磁密跟著減少。因此造成了 半個磁極范圍內(nèi)合成磁密增加得很少， 半個磁極范圍內(nèi)合成磁密減少得較多, 一個磁極下平均磁密減少。 與空載的主極磁場相比，電樞反應使合成磁場每極總磁通減少，這就是電樞反應的去磁效應。 通過增加“補償繞組”等方法可以消除電樞反應對主磁通的影響(略)。,電樞反應示意圖,換向問題,3 換向問題,在3.1.3節(jié)已

17、經(jīng)指出，電樞旋轉(zhuǎn)時，組成電樞繞組的元件將從一條支路轉(zhuǎn)入另一條支路，此時元件內(nèi)的電流要改變方向。元件電流改變方向的過程，稱為換向過程。,導體1 中的電流 ia: “+0-”。由于導體中有漏電感，電流變化時引起反電勢，電流反向的時間滯后，在電刷后端出現(xiàn)火花，使換向器受損。,換向問題改進方法,改善換向的方法,(1)加換向磁極,從產(chǎn)生火花的電磁原因出發(fā)，減少換向元件的自感（或互感）電動勢及電樞電動勢，就可以有效的改善換向。在主磁極的幾何中性線處加一換向磁極。 換向磁極的極性應與電樞磁場的極性相反。 換向磁極的勵磁繞組應與電樞繞組串聯(lián)。,加 換向極, 加補償繞組,換向問題改進方法,移動電刷改善換向,在小容量電機中無換向磁極，常用移動電刷的辦法改善換向。在直流發(fā)電機中將電刷順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向移動一個角，并使，