電機(jī)學(xué)-直流電機(jī)部分1PPT演示課件

1、1,電 機(jī) 學(xué),許 加 柱 湖 南 大 學(xué),2,第二章 直流電機(jī),3,2.1 概述,伺服,測速,勵磁機(jī),直流電機(jī)的用途,4,2.1 概述,電力牽引傳動系統(tǒng)的分類：,1、“直直”傳動裝置 最早應(yīng)用，直流供電、串勵電動機(jī)傳動。 特點： （1）直流串勵電動機(jī)傳動，其調(diào)速方便、結(jié)構(gòu)簡單、造價經(jīng)濟(jì)； （2）直流供電，網(wǎng)壓不高，限制機(jī)車功率的提高，不適于鐵路干線大功率機(jī)車。 應(yīng)用：礦山、地鐵電動車組等。（城市無軌電車亦之）,“直-直”傳動裝置示意圖,5,2.1 概述,電力牽引傳動系統(tǒng)的分類：,2、“交直”傳動裝置 交流供電，經(jīng)整流，直流（脈流）串勵電機(jī)傳動。 特點：交流高壓供電（25kV單相工頻） （1）

2、接觸網(wǎng)用材、線路損耗； （2）利于提高機(jī)車功率（無“直直”傳動網(wǎng)壓與電機(jī)端壓間的制約） （3）可控硅多段橋整流改善機(jī)車功率系數(shù)。 應(yīng)用：鐵路干線大功率機(jī)車。,“交-直” 裝置傳動示意圖,6,2.1 概述,電力牽引傳動系統(tǒng)的分類：,3、 “交直交”傳動裝置 交流供電，經(jīng)整流再逆變成交流，三相電機(jī)傳動。 特點：（1）交流電機(jī)優(yōu)點(結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕、造價低等優(yōu)點)；（2）可用功率（電機(jī)無整流子對功率的限制); （3）交流電機(jī)性能（動力指標(biāo)良好、牽引性能優(yōu)越功率系數(shù)、通訊干擾、電機(jī)維修量）。應(yīng)用：重載、高速。 注：目前多采用一臺逆變器并聯(lián)24臺電機(jī)（圖中是帶一臺）。,“交-直-交”傳

3、動裝置示意圖,7,2.1 概述,電力牽引傳動系統(tǒng)的分類：,3、 “交直交”傳動裝置,8,2.1 概述,電力牽引傳動系統(tǒng)的分類：,4、“交交”傳動裝置 沒有中間直流環(huán)節(jié)的交流變頻傳動。 5、“直交”傳動裝置 直流供電，轉(zhuǎn)變成三相交流變頻傳動。（目前，地鐵廣泛采用）,“交-交”傳動裝置示意圖,“直-交”傳動裝置示意圖,9,2.1 概述,直流電機(jī)的工作原理,直流電機(jī)模型,10,直流電機(jī)的工作原理,磁場方向規(guī)定,11,直流電機(jī)的工作原理,磁場分布,12,直流電機(jī)的工作原理,發(fā)電機(jī)原理,13,直流電機(jī)的工作原理,發(fā)電機(jī)運行的機(jī)電總結(jié),14,直流電機(jī)的工作原理,電動機(jī)工作原理：在直流電動機(jī)中，外加電壓并非

4、直接加于線圈，而是通過電刷和換向器再加到線圈上的。所以，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變。,電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同，是驅(qū)動性質(zhì)的,15,直流電機(jī)的工作原理,發(fā)電機(jī)慣例和電動機(jī)慣例,16,直流電機(jī)的主要部件,主要由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成,17,直流電機(jī)的主要部件,18,直流電機(jī)的主要部件,1. 主磁極與換向極,19,直流電機(jī)的主要部件,2. 機(jī)座,20,直流電機(jī)的主要部件,3. 電樞鐵心,21,直流電機(jī)的主要部件,4. 電樞繞組,22,直流電機(jī)的主要部件,5. 換向器,23,直流電機(jī)的主要部件,6.直流電機(jī)電樞,24,直流電機(jī)的主要部件,

5、7.電刷裝置,25,直流電機(jī)的額定值,電機(jī)根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)而確定的正常運行 狀況稱為額定運行工況.,表征額定運行工況的物理量稱為電機(jī)的額定值,26,直流電機(jī)的額定值,電機(jī)的額定功率定義為電機(jī)的額定輸出功率,1.對于發(fā)電機(jī)來說是其電端口輸出的電功率.,2.對于電動機(jī)來說是其轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率.,27,直流電機(jī)的額定值,額定值是客觀評價和選擇電機(jī)的基本依據(jù)， 一般來說都應(yīng)該讓電機(jī)運行于額定狀態(tài),過載運行導(dǎo)致電機(jī)過熱，加速絕緣老化， 降低使用壽命甚至燒毀電機(jī),輕載運行電機(jī)效率降低，浪費電機(jī)容量,總之，額定運行是電機(jī)最經(jīng)濟(jì)、安全以及總體最佳 的運行狀態(tài),28,直流電機(jī)的額定值,例2.1 已知一

6、臺直流發(fā)電機(jī):PN=180kW,UN=230V,N=89.5%,求輸入額定功率和額定電流。,例2.2 已知一臺直流電動機(jī):PN=100kW,UN=220V,N=89%,求輸入額定功率和額定電流。,29,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,1.電樞繞組的基本特點,（1）產(chǎn)生盡可能大的電動勢，并有良好的波形 （2）能通過足夠大的電流，以產(chǎn)生并承受所需的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩 （3）結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠 （4）便于維護(hù)和檢修 （5）對直流電機(jī)來說，應(yīng)保證換向良好,30,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,2.電樞繞組的分類,31,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,2.電樞繞組的分類,32,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,3.電樞繞組

7、的幾個基本概念,（1）繞組元件（線圈）,33,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,（2）元件邊,34,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,（3）端接,利用漸開線的每一點的空間坐標(biāo)準(zhǔn)確描述端部。 漸開線的每點切線與線棒間的電動力垂直，其機(jī)械性能好，同時漸開線端部組成的籃式線圈軸向長度短、抗短路力矩和沖擊力強(qiáng)。,35,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,（3）端接,36,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,（4）虛槽,37,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,（5）虛槽數(shù)、換向片數(shù)以及元件數(shù)的數(shù)量關(guān)系,38,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,（6）幾種節(jié)距,第一節(jié)距,每個元件的兩個元件邊在電樞表面的跨距，以虛槽數(shù)來表示。為了使元件中感應(yīng)的電動

8、勢最大，y1應(yīng)接近一個極距。,39,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,40,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,第二節(jié)距,同一片換向片相連的兩個元件中的第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)來表示,41,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,合成節(jié)距,相串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊 在電樞表面的跨距,換向器節(jié)距,與每個元件相聯(lián)的兩個換向 片表面的跨距，用換向片數(shù) 表示,42,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,4.單疊繞組,疊：兩個相鄰聯(lián)接的元件， 后一元件的端部緊迭在前一元件的端部。,單：首末端相聯(lián)的兩換向片相隔一個換向片的寬度。,y=yk=1,43,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,實例： 2p4， Zi

9、=ZSK16 要求繞制右行單疊繞組,單疊右行：,整距：,第二節(jié)距：,44,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,45,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,1,5,2,6,3,7,1,46,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,槽展開,47,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,一個換向片連接一個元件的上邊和另一個元件的下邊， 其編號和上邊所在的元件號相同,48,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,49,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,電刷放置的原則：電刷短路的 元件的感應(yīng)電動勢應(yīng)該為零。,電刷放置的位置：換向器上的 幾何中心線（主極軸線）。,電刷的個數(shù)：2p。,50,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,51,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,52,2.2

10、直流電機(jī)的電樞繞組,元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上 并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)， 2a=2p 整個電樞繞組的閉合回路中， 感應(yīng)電動勢的總和為零， 繞組內(nèi)部無環(huán)流 每條支路由不相同的電刷引出， 電刷不能少， 電刷數(shù)等于磁極數(shù) 正負(fù)電刷引出的電動勢即為每一支路的電動勢， 電樞電壓等于支路電壓 由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和。,53,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,5.單波繞組,54,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,55,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,56,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,實例： 2p4， Zi=ZSK15 要求繞制左行單波繞組,57,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,58,2.2 直流

11、電機(jī)的電樞繞組,槽展開,59,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,60,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路， 支路對數(shù)a1， 與磁極對數(shù)p無關(guān) 當(dāng)元件的幾何尺寸對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動勢最大 電刷組數(shù)應(yīng)等于極數(shù)（采用全額電刷） 電樞電流 Ia2ia,61,2.2 直流電機(jī)的電樞繞組,62,2.3 直流電機(jī)的磁場,（1）永磁體磁場：永磁電機(jī)(在微電機(jī)中使用) （2）電磁鐵磁場，由套在主極鐵心上的勵磁繞組通入電流產(chǎn)生：電勵磁電機(jī),63,2.3 直流電機(jī)的磁場,64,2.3 直流電機(jī)的磁場,空載：電樞電流為零時，即為空載，空載時，磁場僅由勵磁電流

12、建立。,65,2.3 直流電機(jī)的磁場,主磁通：經(jīng)過氣隙與電樞繞組交鏈的那部分磁通。,漏磁通：不經(jīng)過氣隙與電樞繞組交鏈的那部分磁通。,66,2.3 直流電機(jī)的磁場,67,2.3 直流電機(jī)的磁場,典型磁路由兩段氣隙、兩個電樞齒、兩個主極、一個定子軛、一個轉(zhuǎn)子軛組成,68,2.3 直流電機(jī)的磁場,氣隙磁密在一個主極下的分布不均勻，通常為一平頂波。,69,2.3 直流電機(jī)的磁場,直流電機(jī)的磁化曲線是指 電機(jī)的主磁通與勵磁磁動 勢的關(guān)系曲線。,70,2.3 直流電機(jī)的磁場,1）氣隙線 2）飽和系數(shù),71,2.3 直流電機(jī)的磁場,直流電機(jī)磁化曲線的幾種變形,72,2.3 直流電機(jī)的磁場,當(dāng)電機(jī)有負(fù)載時，電

13、樞繞組中有電流流過， 該電流也會產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。 可以分為電刷放在幾何中心線上和偏移幾何 中心線兩種情況分析。,73,2.3 直流電機(jī)的磁場,74,2.3 直流電機(jī)的磁場,電樞磁動勢在氣隙中的分布,稱為電機(jī)的線負(fù)荷，指沿電樞表 面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù),75,2.3 直流電機(jī)的磁場,電樞磁動勢的軸線方向,當(dāng)電刷放在幾何中性線上時， 電樞磁動勢的軸線也位于幾 何中性線上，與主極的軸線 正交，稱為交軸電樞磁動勢。,76,2.3 直流電機(jī)的磁場,電樞磁密的分布,77,2.3 直流電機(jī)的磁場,78,2.3 直流電機(jī)的磁場,1）把電樞磁動勢分為兩部分討論 2） 部分內(nèi)的導(dǎo)體，電流產(chǎn)生與電刷在幾何

14、中性線上時相同性質(zhì)的磁動勢，是交軸性質(zhì)的，其大小為 3） 范圍內(nèi)的導(dǎo)體，電流產(chǎn)生與電刷在幾何中性線上時相同性質(zhì)的磁動勢，是交軸性質(zhì)的，其大小為,79,2.3 直流電機(jī)的磁場,電樞磁動勢波形,80,2.3 直流電機(jī)的磁場,1）當(dāng)電機(jī)負(fù)載運行時，電樞磁場對空載磁場（勵磁磁場）的作用叫做電樞反應(yīng) 2）根據(jù)電樞磁場性質(zhì)的不同，電樞反應(yīng)可以分為交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng) 3）負(fù)載運行時的磁場是由空載磁場和電樞磁場共同建立的,81,2.3 直流電機(jī)的磁場,交軸電樞反應(yīng),82,2.3 直流電機(jī)的磁場,交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響,1）物理中性線偏移幾何中性線，對發(fā)電機(jī)來說，順電樞旋轉(zhuǎn)的方向，電動機(jī)則逆電樞旋

15、轉(zhuǎn)的方向 2）不計飽和時，每個主極下的磁場，一半被消弱，一半被加強(qiáng)，總的磁通不變 3）考慮飽和時，加強(qiáng)的那部分磁通比消弱的少，因此總磁通減少 4）交軸電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場畸變，而且還有去磁作用,83,2.3 直流電機(jī)的磁場,直軸電樞反應(yīng),1）直軸電樞磁動勢的軸線與主極軸線重合，因此直軸電樞反應(yīng)只影響每極磁通的大小。 2）以發(fā)電機(jī)為例，當(dāng)電刷順電樞旋轉(zhuǎn)的方向偏移時，電樞磁場與勵磁磁場方向相反，起去磁作用 3）當(dāng)電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)的方向偏移時，電樞磁場與勵磁磁場方向相同，起助磁作用 4）電機(jī)作為電動機(jī)運行時，情況與發(fā)電機(jī)相反,84,2.3 直流電機(jī)的磁場,假設(shè)繞組為整距，電刷在幾何中性線上，Na為 電樞導(dǎo)體總數(shù)，則每條支路串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為Na/2a。 那么第k根串聯(lián)導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢為,85,2.3 直流電機(jī)的磁場,支路感應(yīng)電動勢,86,2.3 直流電機(jī)的磁場,電磁轉(zhuǎn)矩推導(dǎo),87,2.3 直流電機(jī)的磁場,對有2p個主極，則每個主極下有Na/2p根電流 方向相同的導(dǎo)體，則它們合成的電磁轉(zhuǎn)矩為：,88,2.3 直流電機(jī)的磁場,電動勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系,89,2.3 直流電