電機學課件第2章-直流電機

1、第二章 直流電機 Chapter2 DC machine,簡述,電流有交流和直流之分，因此電機也有直流電機和交流電機兩大類。 直流電機具有調(diào)速性能好，啟動轉矩大的優(yōu)點。 但其制造工藝復雜，生產(chǎn)成本高，維護較困難，可靠性差等缺點。 目前在很多場合直流電機已被交流電機和電力電子裝置取代，但仍然有其應用場合,第一節(jié) 直流電機的工作原理及結構,一、直流電機的工作原理,一）直流電動機的工作原理,問題的切入點：載流導體在磁場中受到的力(安培定律,所謂電動機是將電能轉換為機械能,直流電機可以分為直流電動機和直流發(fā)電機,1）按照這種模式下，電樞將如何運動？ （2）如何解決這一問題,由電磁力產(chǎn)生轉矩的過程： （

2、1）線圈ax中通入直流電流時,電流從a端流入，從x端流出； （2）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。 （3）這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉矩，將產(chǎn)生逆時針旋轉,思考,把這個裝有線圈的鐵質圓柱體稱為電樞,B,A,解決上述振蕩問題的辦法： 如果能使S極下的電流始終流出；而是N極下的電流始終流入，則可以產(chǎn)生連續(xù)的轉矩。從而使電樞向一個方向運動。 因此繞組ax在處于AB位置時必須交換一次電流方向,換向器 換向器的構成： 相互絕緣的兩個半圓形銅片（換向片）與電樞連接在一起。每個與繞組的一端相連，換向片與電樞一起旋轉。 兩個由石墨制成的電刷AB。 當電樞旋轉時，這種結構就能保

3、證S極下的電流始終流入，而N極下的電流始終流出,換向片,電刷,二）直流發(fā)電機的工作原理,發(fā)電機將機械能轉換為電能,問題的切入點：運動導體在磁場中切割磁力線產(chǎn)生電動勢,1）用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉動（原動機輸入機械力【機械功率】） （2）線圈邊ab和cd以相同轉速順次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；（機械能轉換為電能） （3）換向器配合電刷對電流的換向作用，電刷A、B端的電動勢為直流電動勢。（交流轉換為直流,Flash：電刷上的電動勢,一臺直流電機作為 電動機運行在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉，拖動生產(chǎn)機械旋轉 ，輸出機械能； 電能轉換為機械能 發(fā)電機運

4、行用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。 機械能轉為電能 注意：不要孤立的看待發(fā)電機和電動機問題,視頻：直流發(fā)電機直流電動機系統(tǒng),旋轉電機,定子,轉子,氣隙,二、直流電機的結構,一）直流電機的靜止部分（定子,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,3、機座 用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分,主磁極鐵心用11.5mm厚的鋼板沖片疊壓緊固而成,4、電刷裝置,1刷握 2電刷 3壓緊彈簧 4銅絲辮,二）直流電機的轉動部分,1、電樞鐵心,a)電樞鐵心沖片 b)電樞鐵心,2、電樞繞組由許多按一定規(guī)律連接

5、的線圈組成,1槽楔 2線圈絕緣 3導體 4層間絕緣 5槽絕緣 6槽底絕緣,由于電樞鐵心和主磁場之間的相對運動將導致鐵耗，為了減小鐵耗，電樞鐵心常用0.5mm厚的硅鋼片的沖片疊壓而成,電樞繞組是由許多按照一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機電路的主要部分，是通過電流和感應產(chǎn)生電動勢以實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部件,3、換向器由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣,1換向片 2連接片,將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內(nèi)的交流電流,第二節(jié) 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、額定轉速nN(r/min) 5、額定勵磁電壓

6、UfN(V) 6、勵磁方式,直流電機的額定有四個方面的考慮，（1）功率；（2）電氣方面；（3）機械方面；（4）磁場方面,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,西門子公司的一臺電機的銘牌,額定功率7457W,額定轉速1180r/min,額定電壓500V,額定電流17A,勵磁方式：并勵,勵磁電流：1.4/2.8A,勵磁電阻166歐姆,絕緣等級F,工作制：連續(xù),最高環(huán)境溫度：40度,勵磁電壓300/150V,第三節(jié) 直流電機的繞組,對繞組的要求： 一、能夠通過規(guī)定的電流；產(chǎn)生足夠的電動勢； 二、盡可能節(jié)省銅和絕緣材料，并且結構簡單、運行可靠,電機是以磁場為介質實現(xiàn)機電能量

7、轉換的電氣設備。那么，對電機最基本的考核標準是什么,答案：能量轉換能力。在單位時間內(nèi)，盡可能在小的體積內(nèi)實現(xiàn)多的能量轉換（比功率概念,能量轉換能力采用哪幾個物理量描述,一、簡單的繞組,1-2、3-4、5-6、7-8分別構成4個線圈,右圖只是說明原理的示意圖。它的缺點是：隨著電樞的轉動，始終只有一個線圈有電流。這樣的話，材料沒有充分利用，產(chǎn)生的總轉矩或電勢均很小,考慮一個事實：N極和S極下的磁場方向是一致的。因此若能將34、78線圈通以12線圈中類似的電流，那么就可以增加電機的利用率。 （1）12、34、78串連在一起； （2）12、34、78并連在一起,解決辦法：用4個換向片將4個線圈都連接起

8、來，成為一個閉合繞組，兩個不同的元件邊連接一個換向片。每個元件的兩個元件邊連接2個不同的換向片。共用了4個換向片，節(jié)省了材料，提高了輸出轉矩,N,S,6 1 8 3 2 5 4 7,二、繞組的基本形式,第一節(jié)距（y1）：元件的跨距（一個元件邊到另一個元件邊的距離，常用所跨的槽數(shù)表示）稱為第一節(jié)距,其值經(jīng)常等于或者接近一個極距,換向器節(jié)距（yc）：上層元件邊與下層元件邊所連接的兩個換向片之間的距離稱為換向器節(jié)距,繞組的每個線圈的兩個端子各接在一個換向片上，它是繞組的一個單元，稱為元件,每個主磁極在電樞圓弧上所分得的弧長。經(jīng)常采用電樞槽數(shù)或者機械角度表示,y1,yc,一）單疊繞組,一臺直流電機繞組

9、數(shù)據(jù)為： 極對數(shù)：p2； 槽數(shù) Q16； 元件數(shù)S槽數(shù)Q換向片數(shù)K16,第一節(jié)距：y14 換向器節(jié)距：yc1,單疊繞組的特點是元件的兩個端子連接于相鄰的兩個換向片,yc =2-1=1,y15-1=4,一、2號元件是疊放在1號元件上方（錯開了一個槽），疊繞組 二、 yc 1，單疊繞組,電流流向： A11號換向片1上5下2上6下3上7下4上8下5號換向片B1 A11號換向片4下16上3下15上2下14上1下13上14號換向片B2 A29號換向片9上13下10上14下11上15下12上16下13號換向片B2 A19號換向片12下8上11下7上10下6上9下5上5號換向片B1,當電機運行時，依次被短路

10、的線圈是12，56，910，1314。并聯(lián)支路對數(shù)：ap（并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù),二）單波繞組,一臺直流電機繞組數(shù)據(jù)為： 極對數(shù)：p2； 槽數(shù) Q15； 元件數(shù)S槽數(shù)Q換向片數(shù)K15,第一節(jié)距：y13 換向器節(jié)距:yc=(K-1)/p=7,單波繞組的規(guī)律是將相距大約兩個極距，在磁場中位置差不多的對應元件連接起來,yc =8-1=7,y14-1=3,電流流向： A15號換向片5上8下12上15下4上7下11上14下3上6下10上13下2上5下12號換向片B1 A212號換向片4上7下11上14下3上6下10上3下15上15號換向片B2,單波繞組不是把元件依串聯(lián)，而是把相隔大約兩個極距，即在磁場中

11、的位置差不多相對應的元件連接起來,當電機運行時，依次被短路的線圈是18，56，910，1314。 并聯(lián)支路對數(shù)：a1,直流電機的電樞繞組除了單疊、單波兩種基本形式以外，還有其他形式，如復疊繞組、復波繞組、混合繞組等,第四節(jié) 直流電機的勵磁方式及磁場,直流電機存在兩種電流： （1）勵磁電流； （2）電樞電流,勵磁方式，是為了研究這兩種電流之間的關系,他勵式,并勵式,串勵式,復勵式,并勵繞組,串勵繞組,按照上面的描述，存在如下四種情況,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,2、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián),3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián),4

12、、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)。 復勵式直流電機又分為積復勵和差復勵兩種,自勵直流電機,二、直流電機的空載磁場,直流電機存在兩種電流（1）勵磁電流；（2）電樞電流。這兩種電流都會產(chǎn)生磁場。那么什么可以稱為空載磁場呢,直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動勢單獨建立的磁場,電機的功率可以從兩個方面認識：（1）Pei，（2）PTe 當電流為零或者很小時，（1）等于零，（2）中Te也很小或者為零,絕大部分磁通同時交鏈主磁極繞組和電樞繞組，稱為主磁通0。 一部分磁通僅交鏈勵磁繞組，稱為漏磁通,氣隙中主磁場磁通密度的分布,極靴的寬度小于一個極距

13、,在磁極軸線下氣隙較小，在極尖處氣隙較大,在磁極軸線下磁密B較大，在極尖處磁密B較小,可以看出，由于氣隙中的磁密B不是均勻分布的，這就為工程分析帶來了麻煩,磁化曲線,在電機的工程問題中，往往不關心氣隙中磁密的分布，而更加關心一個極距內(nèi)磁通的多少,直流電機勵磁曲線的演化,氣隙磁通0是由勵磁繞組的總磁動勢Nfif產(chǎn)生的，磁通與磁動勢的關系曲線被稱為電機的磁化曲線,電樞電動勢ea0正比氣隙磁通，可用某一角速度下電機的電動勢來表示磁化曲線,磁動勢較小時，電機鐵心未飽和，此時磁通主要由氣隙的磁阻決定,電樞電動勢ea0表示為勵磁電流if的曲線，這種關系可以不關心電機設計細節(jié)，通過外部測量獲得,三、直流電機

14、負載時的磁場及電樞反應,1）與空載不同，直流電機帶上負載以后，在電樞中必將產(chǎn)生電流ia，有電流就存在磁動勢。這個磁動勢稱為電樞磁動勢,2）此時的電機氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產(chǎn)生的。電樞磁動勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應,安培環(huán)路：逆時針方向 忽略磁路中鐵心部分地磁壓降，有：H1l1+H2l2=Nyia 規(guī)定磁動勢穿出為正,Faxy0.5Nyia,Faxy0.5Nyia,每個臺階高度為 Nyia,元件為單層元件， N電樞繞組的總導體數(shù)， Ny每個元件的匝數(shù) S元件數(shù) p極對數(shù) 極距 Da電樞直徑,幅值的計算,每個極下的元件邊數(shù)為,在每個元件邊處出現(xiàn)一次跳變，因此上半部分階梯數(shù)為,每

15、個階梯幅值為Nyia，因此三角波幅值為,電樞表面的單位周長內(nèi)的安培導體數(shù)，稱為線負荷。電機設計中一個非常重要的參數(shù),如果忽略鐵心內(nèi)的磁壓降，則可以求出電樞磁動勢產(chǎn)生的磁密沿電樞表面分布的曲線,在兩級的中間部位，雖然電樞磁動勢Fax出現(xiàn)峰值，但是由于這里的氣隙較大，因此電樞電動勢產(chǎn)生的磁密Bax相對較小。Bax呈馬鞍型分布,電樞磁場Bax主磁場B0 x負載時氣隙磁密Bx,電樞反應對直流電機磁場的影響： （1）負載時氣隙磁場發(fā)生了畸變。圖中所示為電動機情形。在電動機中物理中心線逆著旋轉方向偏移。在發(fā)電機中則順著電機旋轉方向偏移。 （2）呈去磁特性。 電樞反應將會使磁路中的部分磁勢增加，部分磁勢減小

16、，總的說來，增加的磁勢等于減小的磁勢。 但考慮到電機中鐵磁磁路的飽和性，磁勢的減小能夠導致磁密顯著減小，但磁勢的增大無法導致磁密顯著增大,主極產(chǎn)生的空載磁場B0 x分布,電樞磁動勢產(chǎn)生的電樞磁場Bax分布,兩者直接加和后的產(chǎn)生的氣隙磁場Bx分布,兩者直接加和并考慮鐵心飽和后的產(chǎn)生的氣隙磁場Bx分布,通過電樞表面氣隙磁密Bx等于零的線為物理中心線，空載時物理中心線與幾何中心線是重合的,負載時物理中心線與幾何中心線不再重合。中間存在一個位移角,主極產(chǎn)生的磁場,電樞電流產(chǎn)生的磁場,合成后的磁場,請問：這是發(fā)電機還是電動機運行,有限元方法計算的直流電機負載時氣隙磁場的分布,第五節(jié) 感應電動勢和電磁轉矩

17、的計算,一、感應電動勢的計算,問題的提出：無論是電動機運行還是發(fā)電機運行，電樞繞組中都會產(chǎn)生感應電動勢,發(fā)電機發(fā)出的功率為 Pei,電動機吸收的功率為 Pei,旋轉電角度以后,與22繞組所交鏈的磁通由變?yōu)?n-電機轉速（r/min） p-電機極對數(shù),若22線圈共有Ny匝，在這一過程中產(chǎn)生的平均電動勢為,每條支路串聯(lián)的元件數(shù)為,因此每條支路平均電動勢為,繞組的全部有效導體數(shù)Z為,Ce 為電動勢常數(shù),若不計飽和影響，有,其中Kf 為比例常數(shù),感應電動勢的計算公式為,當速度表示為機械角速度（rad/S,電機學中一個重要的常數(shù)，它是轉/分與弧度/秒之間的換算系數(shù)：60/2=9.55 1 弧度/秒9.5

18、5 轉/分,二、電磁轉矩的計算,電磁轉矩也可以表示為,其中Gaf=CT Kf,a為并聯(lián)支路對數(shù) Z為總的有效導體數(shù),Ea=Cen=Ce 9.55Ce Ce 9.55 Ce CT n-轉/分， rad/秒,第六節(jié) 直流電機的運行原理,一、直流電機的基本方程式,一）電動勢平衡方程式,電動機情形,對于并勵電動機,若電動機處于穩(wěn)態(tài)運行,發(fā)電機情形,若電動機處于穩(wěn)態(tài)運行,幾點注意事項： 1 直流電機內(nèi)存在兩種電流，兩套繞組，為什么這些繞組之間沒有耦合,電樞繞組軸線,勵磁繞組軸線,由于這兩套繞組是互相垂直的，其互感為零,因此直流電機的兩套繞組之間不存在耦合，所有參量可以獨立控制。這是直流電機易于控制的根本

19、原因,二）轉矩平衡方程式,對于電動機,穩(wěn)態(tài)運行時,其中T2為負載制動轉矩，T0為空載損耗轉矩,對于發(fā)電機,其中T1為原動機拖動轉矩,穩(wěn)態(tài)運行時,三）功率平衡關系,輸入電功率P1,勵磁損耗PCuf,電樞銅耗PCua,電刷接觸損耗Pc,電磁功率Pe,機械損耗Pmech,鐵心損耗PFe,機械功率P2,電動機情形,直流電動機電磁功率Pe, Pe=EaIa PeTe,輸入機械功率P1,鐵心損耗Pe,機械損耗Pmech,電樞銅耗PCu,電磁功率Pe,電刷接觸損耗Pc,勵磁損耗PCuf,電功率P2,發(fā)電機情形,直流發(fā)電機電磁功率Pe, Pe=EaIa PeTe,由于電樞電流便于測量，因此往往將工作特性表示為

20、,二、直流電動機工作特性,特性,轉速n，轉矩Te，效率和輸出功率P2的關系,轉速特性,轉矩特性,效率特性,一）并勵直流電動機的工作特性,1. 轉速特性,理想轉速特性,實際轉速特性,提示： 1、從參數(shù)變化的角度思考？ 2、什么原因導致了的變化,當電機電流較大時，電樞反應表現(xiàn)出明顯的去磁特性，從而使減小，磁通減小將會使 （1）理想空載轉速n0略微上升， （2）使轉速曲線斜率減小。 綜合兩方面的因素，設計時使得并勵直流電機具有略微下降的轉速特性,2. 轉矩特性,當U=UN ,If=IfN時，Te=f(Ia)的關系曲線,提示： 1、從參數(shù)變化的角度思考？ 2、什么原因導致了的變化,理想轉矩特性,實際轉

21、矩特性,3. 效率特性,當U=UN ,If=IfN時，=f(Ia)的關系曲線,主磁通在電樞鐵磁材料中交變所產(chǎn)生的損耗，分為磁滯損耗和渦流損耗。 當電機主磁通和轉速變化不大時，鐵耗近似不變，因此這部分損耗也被稱為不變損耗,機械損耗包括軸承及電刷的摩擦損耗、電機通風散熱引起的風阻損耗。在電機轉速不變時，機械損耗也是大致不變的,勵磁回路銅耗，一般可以忽略不計,電樞繞組銅耗，當電樞繞組有電流流過時，產(chǎn)生的發(fā)熱損耗。 這一部分損耗是隨著電樞電流變化的，或者說輸出功率變化的，因此也被稱為可變損耗,電刷接觸損耗,當電機可變損耗等于不變損耗時，電機的效率達到最高。 一般電機的最高效率點出現(xiàn)在80的額定功率附近

22、,二）串勵直流電動機的工作特性,電動勢平衡方程式,電動勢公式,轉矩平衡方程式,轉矩公式,其中，Rfc為串勵繞組電阻,串勵直流電機中，IfIa,串勵直流電機當在負載很小時，電機的轉速將會很高，容易導致轉子出現(xiàn)機械損壞，因此串勵直流電機不允許輕載運行,串勵直流電機在啟動時，轉速很低，端電壓基本上靠勵磁繞組和電樞繞組的電阻壓降平衡，此時電樞電流很大。磁路飽和，因此磁通接近不變。根據(jù)TeCT Ia，可知串勵直流電機帶載啟動能力很強,三）復勵直流電動機的工作特性,例2-1、一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為,設電動機原來在額定轉速和額定負載下運行，在負載的總制動轉矩（包括損耗轉矩）保持不變的情況下，試求,1）在電樞回路中突然串入電阻R=0.0743,求串入電阻最初瞬間和達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉速分別是多少,2）減少電動機的勵磁電流，使磁通減少10%，當達到穩(wěn)定時的電樞電流和轉速分別是多少,解,1）電樞回路中突然串入電阻R最初瞬間，電機轉速不發(fā)生變化，但電流發(fā)生變化,進入新的穩(wěn)態(tài)時，由于負載轉矩未發(fā)生變化，認為電磁轉矩不發(fā)生變化,額定運行時電機的反電動勢為,思考： （1）電源發(fā)出的功率是否變化？ （2）電機發(fā)出的電磁功率是否變化？ （3）這兩部分功率的差值到哪里去了？ （4）總結直流電動機調(diào)速的第一種方法，請問