直流電機工作原理

第二章直流電機2．1概述2.1.1直流電機工作原理首先，復習e=Bδlv公式，說明e正比于Bδ。結合圖2.1解釋v=2πRn/60（m/s，n(r/min)）;機械角速度Ω=v/R=2πn/60(r/s);電角速度ω=pΩ=p2πn/60(rad/s)（記下來）；導體或線圈。將直流電機簡單工作原理圖結構介紹清楚。包含：N、S磁極和A、B電刷靜止，換向片、線圈（導體）以及電樞逆時針旋轉(zhuǎn)。將其抽象成一個平面圖。假設磁力線進入磁極為正方向，離開磁極磁通方向為負。得氣隙磁密在空間得分布曲線Bδ(θ)(0≤θ=ωt≤2π)。進而得到導體電勢e(ωt)和線圈電勢eAB(ωt)。經(jīng)過合理多個線圈均勻分布設計，按照一定規(guī)律連接起來就組成電樞繞組，便能夠取得近似直流電動勢。工作原理：發(fā)電機：電樞繞組中感應交變電勢，依靠換向器換向作用，利用靜止電刷把同一磁極下導體電勢引出，變?yōu)橹绷麟妱葺敵?。（發(fā)電機通例）電動機：經(jīng)過電刷和換向器共同作用，使得同磁極下導體邊流過電流方向不變，導體受力方向不變，進而產(chǎn)生方向恒定電磁轉(zhuǎn)矩，使電機連續(xù)轉(zhuǎn)動。結論：（1）電機內(nèi)部（電刷為界），線圈中產(chǎn)生感應電勢、流過電流是交流量。（2）電機外部（電刷兩端），電動機運行外加直流電；發(fā)電機運行輸出直流電從原理上講，同一臺電機既能夠作電動機運行又能夠作發(fā)電機運行，是可逆。（4）電動機通例發(fā)電機通例iiuMotoruGenerator2．1．2直流電機主要結構部件主磁極、換向極定子——起機械支撐，產(chǎn)生磁場作用機座、端蓋、電刷、軸承直流電機結構氣隙——耦合磁場轉(zhuǎn)子——產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩、產(chǎn)生感應電勢電樞鐵心和電樞繞組換向器、轉(zhuǎn)軸、風扇部件名稱作用材料結構主磁極勵磁繞組通入直流，建立氣隙磁場1~1.5mm低碳鋼片疊制，降低渦流損耗P43Fig.2.8換向極改進換向整塊鋼或1~1.5mm鋼片疊制Fig2.9機座機械支撐并組成磁回路鑄鋼（小電機），厚鋼板焊接（大中型電機）P43Fig2.10電樞鐵心組成磁路、嵌放電樞繞組0.35~0概述.5mm硅鋼片疊制，降低渦流損耗P44Fig.2.11電樞繞組感應電勢，承載電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩圓截面銅線或扁導線、空心導線Fig.2.12換向器與電刷配合，用機械換接方法引入（出）直流電勢銅換向片和片間絕緣云母組成換向片F(xiàn)ig2.13電刷裝置與換向器配合，實現(xiàn)直流量和交流量之間轉(zhuǎn)換石墨碳刷Fig.2.142.152．1．3直流電機額定值額定值：指電機正常運行時各物理量數(shù)值。此時亦稱電機滿載運行。不然為欠載或過載額定功率：指輸出功率W,kW。發(fā)電機PN=UNIN電動機PN=ηUNIN額定電壓UN(V)，額定電流IN(A)，額定勵磁電壓UfN(V)，額定勵磁電流IfN(A)，額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)2.2直流電機電樞繞組2．2．1基本特點設計繞組（線圈、電樞）時，主要考慮產(chǎn)生較大感應電勢和經(jīng)過一定大小電流。直流電機有五種：單疊、復疊、單波、復波、蛙繞組。2．2．2單疊繞組單疊繞組：繞制時，任何兩個串聯(lián)元件都是后一個緊疊在前一個上面。每繞一個元件便在電樞表面移過一個虛槽。例題2.3（p49）已知電機極數(shù)2p=4,且Z=Zi=S=K=16。繞制一個單疊右行整距繞組。節(jié)距計算單疊右行，合成節(jié)距第一節(jié)距第二節(jié)距繞組連接表：確定16個元件（32個元件邊）串聯(lián)次序編號標準：槽號代表元件號也代表上元件邊號連接方法：某號元件m，上元件邊號m，嵌放在m槽內(nèi)，上元件邊接在m號換向片上；該元件下元件邊嵌放在編號m+y1槽下面，下元件邊接在m+yk號換向片上。而m+y1槽接另一個元件上層邊，編號為m+y1+y2。以下類推。連接規(guī)律：實線表示一個元件上、下元件邊；虛線表示不一樣元件兩個元件邊接在同一個換向片上。m+ykm+y1m+y1+y2繞組展開圖：首先進行槽編號按照連接規(guī)律把各元件邊嵌入槽內(nèi)全部元件串聯(lián)自行閉合判斷電動勢方向，可見1、5、9、13元件被短路了。電路圖：電刷放置：電樞繞組形成一個閉合回路，繞組產(chǎn)生電動勢要靠電刷引出（入）電刷放在換向器上位置是依照電機空載時，在正、負電刷之間取得最大電動勢為標準。電刷與感應電動勢為零元件邊連接換向片接觸，不然不能確保b)要求，而且假如感應電動勢不為零話，還會產(chǎn)生短路電流。只要元件軸線與主磁極軸線重合，元件中電動勢就是零。電刷必須放在換向器幾何中性線上。元件端接對稱時，主磁極軸線、元件軸線、換向器幾何中性線重合元件端接不對稱時，主磁極軸線、元件軸線重合，但與換向器幾何中性線不重合，電刷必須放在換向器幾何中性線上。注意：它與電樞上得幾何中性線無關。疊繞組電刷數(shù)=極數(shù)依照電路圖，將同極性端接在一起，得電樞電動勢。繞組并聯(lián)支路數(shù)：單疊繞組a=por2a=2p雙疊繞組a=m*p(m=2)or2a=2mp單疊繞組特點：電樞繞組是一個自行閉合繞組單疊繞組并聯(lián)支路數(shù)=極數(shù)=電刷數(shù)（雙疊繞組極數(shù)=電刷數(shù)=并聯(lián)支路數(shù)/2）電樞電勢就是支路電勢，電樞電流是2p個支路電流和。電刷放在換向器上幾何中性線上。電刷和磁極是靜止，必須把它們相對位置合理對稱分布在圓周上。電樞和換向器旋轉(zhuǎn)。適合于大電流電機2．2．3單波繞組單波繞組特點：電樞繞組是一個自行閉合繞組電刷放在主磁極軸線下?lián)Q向片上單波繞組支路數(shù)與極數(shù)無關，總有兩個支路，即a=1or2a=2電刷數(shù)等于極數(shù)（是為了減低電刷下電流密度）電樞電勢就是支路電勢，電樞電流是2個支路電流和。因為每條支路元件數(shù)多，能夠取得高電勢，適合于小電流高電壓電機。單波繞組連接規(guī)律m+ykm+y1m+y1+y2繞組總結：要依照電機額定電壓或電流要求選擇繞組形式。（疊--大電流，波--高電壓，蛙繞組--大型電機）電樞閉合電樞電勢就是支路電勢電樞電流是各支路電流總和。電刷放在換向器上幾何中性線上（電刷放在主磁極軸線下?lián)Q向片上----對端接對稱繞組）單疊繞組將每個極下全部元件串聯(lián)形成一個支路，2p=2a單波繞組將全部同極性磁極下全部元件串聯(lián)形成一個支路，2a=22．2．4電樞繞組均壓線為了防止因為電、磁不平衡、不對稱造成支路間環(huán)流，將理論上電位相等點用均壓線連接起來。2．3直流電機磁場2．3．1直流電機按勵磁方式分類給勵磁繞組供電方式，即勵磁方式，有四種：他勵、并勵、串勵、復勵2．3．2直流電機空載磁場空載磁場也叫主磁場，是當電樞電流為零，僅由勵磁電流建立磁場。（掛圖）磁通與磁動勢主磁通：經(jīng)過氣隙，且同時與勵磁繞組和電樞繞組交鏈磁通，亦稱為工作磁通。漏磁通：不經(jīng)過氣隙，僅與繞組本身交鏈磁通，其不參加機電能量轉(zhuǎn)換。則每極總磁通為：φm=φ0+φσ=φ0(1+φσ/φ0)=kσφ0kσ為主磁極漏磁系數(shù)，其值范圍：1.15~1.25假設每極磁通為φ0,則每對極所需要磁勢為式中各量依次為：氣隙磁勢、定子軛、定子齒、轉(zhuǎn)子軛、轉(zhuǎn)子齒。（見圖2.28）2）主磁場分布 依照知氣隙磁密與氣隙長度成反比。依照磁極形狀能夠知道磁場分布。氣隙磁密在一個極下分布規(guī)律為平頂波。3）磁化曲線：指電機主磁通φ0與勵磁磁動勢F0關系曲線。它與鐵磁材料磁化曲線形狀相類似。主磁通φ0與氣隙磁動勢Fσ關系曲線稱為氣隙線性磁化曲線。電機磁路飽和程度用飽和系數(shù)反應。它是空載額定轉(zhuǎn)速下運行產(chǎn)生額定電樞電壓時所需要磁動勢與氣隙磁動勢之比。（數(shù)值范圍1.1~1.35）過飽和，浪費銅節(jié)約鐵磁材料，電阻損耗增加；飽和系數(shù)小，浪費鐵省銅材料，鐵耗增加。適宜額定工作點應該設計在“膝點”附近。例題2.5(p59)2．3．3直流電機電樞磁場當電樞電流Ia不是零時，繞組中電流也會產(chǎn)生磁場，稱其為電樞磁場。電刷在幾何中性線上（圖2.33）電樞磁勢稱其為交軸電樞磁勢，另記為Faq=Aτ/2電樞磁場產(chǎn)生磁通密度沿著氣隙分布為：（B與x成反比）電刷偏離幾何中性線，電樞電流除了產(chǎn)生交軸電樞磁動勢外，同時還出現(xiàn)了直軸電樞磁動勢。2．3．4電樞反應電機負載后，電樞電流不是零，產(chǎn)生電樞磁場。此時氣隙磁場由直流勵磁磁場和電樞磁場共同建立。而且把電樞磁場對勵磁磁場作用稱為電樞反應。電樞磁場交軸分量對勵磁磁場作用與影響稱為交軸電樞反應。電樞磁場直軸分量對勵磁磁場作用與影響稱為直軸電樞反應。交軸電樞反應結合空載時磁場分布（幾何中性線）和負載時磁場分布（物理中性線），交軸電樞反應對氣隙磁場影響：使物理中性線偏離幾何中性線一個角度（見筆記上圖）不考慮飽和影響時，每個主極下磁場二分之一被減弱，另二分之一被加強，每極下總磁通不變?？紤]飽和時，因為交軸電樞反應作用，對被減弱二分之一磁場影響不大，而被加強另二分之一磁場出現(xiàn)了飽和情況，曲線尖頂部分被減弱了，使得每個磁極下磁通降低了，而且磁場波形發(fā)生畸變。即飽和時，磁場畸變，且有去磁作用。經(jīng)過增加主極磁勢賠償電樞反應去磁影響。直軸電樞反應（以電動機為例）電動機時，電刷逆著電樞轉(zhuǎn)向移動，直軸電樞反應磁勢與主極磁勢相反，是去磁；順轉(zhuǎn)向移動助磁。發(fā)電機時，電刷逆著電樞轉(zhuǎn)向移動一個角度，助磁電樞反應；逆轉(zhuǎn)則去磁。2．3．5感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩感應電動勢設電樞繞組在電樞表面連續(xù)分布，總導體數(shù)為Na,支路數(shù)為2a，則每個支路有導體個數(shù)為Na/2a。圖中某點x處，氣隙磁密為Bδ(x)，單根導體感應電動勢為：ek=Bδ(x)lv電樞電動勢（電刷上引出（入））為：上式就是直流電機電樞繞組感應電動勢通常計算公式。CE=pNa/60a電動勢常數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩設電樞電流為Ia，則支路電流為ia=Ia/2a,第k根導體所產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩為：Tk=Bδ(x)lia(Da/2)=Bδ(x)l（Ia/2a）(pτ/π)=Bδ(x)lpτIa/2πa每極下導體產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩為：2p個磁極合成電磁轉(zhuǎn)矩為：上式就是直流電機電磁轉(zhuǎn)矩通常計算公式。CT=pNa/2πa轉(zhuǎn)矩常數(shù)，或電機常數(shù)。電動勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)關系CE/CT=π/30;andΩ=2πn/60=πn/30所以E=CTΦΩ例題2.6（p68）2．5直流電動機基本特征2．5．1基本方程（并勵電動機為例）電動勢平衡方程式（電壓定律）穩(wěn)態(tài)時暫態(tài)時功率平衡方程式功率流程圖：P1PemP2(P1)(P2)PFepadpcufpmecpcuapcub電動機(發(fā)電機)圖中各項損耗有：電樞銅耗電刷銅耗勵磁繞組銅耗機械損耗pmec，包含軸承、電刷摩擦損耗，定轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗，通風損耗。鐵心損耗，主極磁通在轉(zhuǎn)動電樞鐵心中交變，引發(fā)磁滯和渦流損耗。雜散損耗，附加損耗。估算為(0.5~1)%PN其中，后三項損耗在電機空載時就已經(jīng)存在，且數(shù)值基本不變，稱為空載損耗或不變損耗。所以：結合等效原理圖分析知，電機輸入功率為：P1=UI將穩(wěn)態(tài)時電壓電流帶入上式得：P1=EIa+Ia2Ra+UIf=Pem+pcua+pcuf=Pem+pcu其中，定義電磁功率為電樞繞組感應電動勢E與電樞電流Ia乘積。電動機效率：輸出與輸入功率比值，即轉(zhuǎn)矩平衡方程式穩(wěn)態(tài)Tem=T2+T0暫態(tài)：Tem=T2+T0+J(dΩ/dt)狀態(tài)方程（略）2．5．2工作特征工作特征：電源電壓一定，勵磁電阻一定時，η、n、Tem=f(P2)關系曲線。（一）并勵電動機（UNIfN條件下）（并勵電動機勵磁繞組絕對不能斷開）速率特征n=f(P2)轉(zhuǎn)速調(diào)整率轉(zhuǎn)矩特征Tem=f(P2)效率特征η=f(P2)（75~95）%（二）串勵電動機（UN條件下）(不允許空載運行，最少帶四分之一負載開啟)特點：If=Iaφ=kIf=kIa速率特征n=f(P2)轉(zhuǎn)速調(diào)整率轉(zhuǎn)矩特征Tem=f(P2)優(yōu)點：起動轉(zhuǎn)矩大；輸出功率基本不變；電機不輕易過載。（三）復勵電動機（略）2．5．3機械特征機械特