《直流電機(jī)磁場》課件

直流電機(jī)磁場直流電機(jī)磁場是直流電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵，它決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)磁場由電磁鐵產(chǎn)生，通常由定子繞組通電形成。課程安排1直流電機(jī)磁場介紹直流電機(jī)的磁場結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生原理和特點(diǎn)。2定子磁場分析定子磁場的產(chǎn)生、特性和對轉(zhuǎn)子磁場的影響。3轉(zhuǎn)子磁場討論轉(zhuǎn)子磁場的產(chǎn)生、特性和與定子磁場的相互作用。4電動(dòng)機(jī)工作原理闡釋直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理、轉(zhuǎn)速特性和調(diào)速方法。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子定子是直流電機(jī)中固定不動(dòng)的部分，它由機(jī)座、磁極、定子鐵芯和定子繞組組成。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是直流電機(jī)中旋轉(zhuǎn)的部分，它由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、換向器和電刷組成。換向器換向器是直流電機(jī)的重要部件，它通過電刷將電流從定子繞組傳遞到轉(zhuǎn)子繞組，并使轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向發(fā)生改變。電刷電刷是連接定子繞組和換向器的導(dǎo)電部件，它將定子繞組中的電流傳遞到換向器，并使換向器與轉(zhuǎn)子繞組連接。定子磁場的產(chǎn)生定子繞組定子繞組是直流電機(jī)的重要組成部分之一。它由導(dǎo)線繞制而成，并按特定方式連接在定子鐵芯上。電流通過當(dāng)電流通過定子繞組時(shí)，會(huì)在繞組周圍產(chǎn)生磁場。這個(gè)磁場會(huì)穿過定子鐵芯，并形成一個(gè)閉合磁路。磁極形成定子鐵芯的形狀和繞組的連接方式?jīng)Q定了磁場的分布，并最終形成南北磁極。磁場作用定子磁場的作用是為轉(zhuǎn)子提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。感應(yīng)定子磁場的特點(diǎn)磁場方向定子磁場方向由定子繞組電流方向決定，與電流方向一致。磁場強(qiáng)度定子磁場強(qiáng)度由定子繞組電流大小和定子磁路結(jié)構(gòu)決定。磁極分布定子磁場呈現(xiàn)出周期性變化，形成一系列磁極。轉(zhuǎn)子磁場的產(chǎn)生1轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組通常由導(dǎo)線繞制而成，并連接到直流電源。當(dāng)電流流過轉(zhuǎn)子繞組時(shí)，就會(huì)在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生磁場。2磁場方向轉(zhuǎn)子磁場的方向由電流方向和繞組形狀決定，通常與定子磁場方向相反。3磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)子磁場的強(qiáng)度取決于電流大小和繞組匝數(shù)。電流越大，繞組匝數(shù)越多，磁場強(qiáng)度越強(qiáng)。感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場的特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)方向與定子磁場相同。磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)子磁場的強(qiáng)度取決于轉(zhuǎn)子電流和繞組結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子電流越大，轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度越大。磁場分布轉(zhuǎn)子磁場分布取決于轉(zhuǎn)子繞組的形狀和位置。轉(zhuǎn)子磁場在轉(zhuǎn)子表面形成一個(gè)環(huán)形磁場。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用是直流電機(jī)工作的基礎(chǔ)。定子磁場是固定磁場，而轉(zhuǎn)子磁場是旋轉(zhuǎn)磁場，二者的相互作用產(chǎn)生了電磁力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力的大小與磁場強(qiáng)度成正比，也與轉(zhuǎn)子電流成正比。轉(zhuǎn)子電流越大，電磁力也越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速也越快。電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電機(jī)利用定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而完成機(jī)械功。1定子磁場由定子繞組產(chǎn)生2轉(zhuǎn)子磁場由轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生3相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力4機(jī)械功驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)磁極對數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)成反比。磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低。假設(shè)電機(jī)線圈每秒繞過磁極對數(shù)為n，則轉(zhuǎn)速為N=60n/P，其中P為磁極對數(shù)。1轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)成反比2磁極磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低3線圈每秒繞過磁極對數(shù)60常數(shù)60秒等于一分鐘磁極對數(shù)的選擇電機(jī)類型直流電機(jī)類型決定磁極對數(shù)，例如永磁直流電機(jī)通常采用較少的磁極對數(shù)。負(fù)載特性負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和運(yùn)行速度會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而影響磁極對數(shù)的選擇。運(yùn)行效率過高的磁極對數(shù)會(huì)降低效率，而過低的磁極對數(shù)會(huì)導(dǎo)致磁場過強(qiáng)，增加損耗。成本與體積磁極對數(shù)會(huì)影響電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，進(jìn)而影響成本和體積。定子繞組與磁極對數(shù)的關(guān)系繞組形式定子繞組形式?jīng)Q定了磁極對數(shù)，例如單層疊繞組一般為2極或4極，雙層波繞組可實(shí)現(xiàn)多極。線圈數(shù)線圈數(shù)與磁極對數(shù)直接相關(guān)，每個(gè)磁極需要多個(gè)線圈繞組形成磁場。連接方式繞組連接方式會(huì)影響磁極對數(shù)，串聯(lián)連接可增加磁極對數(shù)，并聯(lián)連接則相反。定子繞組的基本形式定子繞組是直流電機(jī)中產(chǎn)生定子磁場的關(guān)鍵部件。定子繞組的基本形式主要分為兩種：波繞組和疊繞組。波繞組的特點(diǎn)是導(dǎo)線繞制方式類似于波浪形，能夠產(chǎn)生均勻的磁場，適合用于產(chǎn)生較強(qiáng)磁場的電機(jī)。疊繞組的特點(diǎn)是導(dǎo)線繞制方式類似于疊加，能夠產(chǎn)生較為集中的磁場，適合用于產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。定子繞組的串/并聯(lián)連接1串聯(lián)連接串聯(lián)連接可以增加繞組的電阻，降低電流，提高電壓。2并聯(lián)連接并聯(lián)連接可以降低繞組的電阻，提高電流，降低電壓。3串并聯(lián)連接串并聯(lián)連接可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整電壓和電流，提高電機(jī)性能。定子繞組設(shè)計(jì)的要點(diǎn)繞組形式定子繞組類型影響磁場分布和電機(jī)性能。常用的繞組形式有波繞組、單層繞組和雙層繞組。線圈數(shù)量線圈數(shù)量決定磁極強(qiáng)度。更多線圈意味著更強(qiáng)的磁場，也意味著更大的電流需求。線圈尺寸線圈尺寸決定磁極的大小和形狀。尺寸過小會(huì)導(dǎo)致磁場不均勻，尺寸過大則會(huì)增加電機(jī)尺寸。導(dǎo)線規(guī)格導(dǎo)線規(guī)格決定電機(jī)的電流容量。選擇合適的導(dǎo)線規(guī)格可以保證電機(jī)正常工作，避免過熱或過載。電機(jī)勵(lì)磁方式他勵(lì)勵(lì)磁繞組與電樞繞組分別獨(dú)立供電，勵(lì)磁電流由獨(dú)立的勵(lì)磁電源提供。自勵(lì)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)連接，勵(lì)磁電流由電樞繞組產(chǎn)生的電流提供。永磁勵(lì)磁繞組由永磁體組成，無需外部電源提供勵(lì)磁電流。自激式勵(lì)磁電機(jī)自激式勵(lì)磁電機(jī)是一種常用的直流電機(jī)類型，其勵(lì)磁繞組直接連接在電樞回路中。通過電樞電流產(chǎn)生磁場，從而實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。自激式勵(lì)磁電機(jī)主要分為并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式三種，分別對應(yīng)于勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接方式。永磁式勵(lì)磁電機(jī)永磁式勵(lì)磁電機(jī)使用永磁體作為勵(lì)磁源，無需額外的勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電流。永磁式勵(lì)磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型電動(dòng)工具、家用電器等領(lǐng)域。電機(jī)勵(lì)磁特性分析勵(lì)磁電流與磁場強(qiáng)度勵(lì)磁電流增加，磁場強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。但當(dāng)勵(lì)磁電流超過一定值后，磁場強(qiáng)度不再線性增加，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。勵(lì)磁電流與磁通量勵(lì)磁電流變化會(huì)影響磁通量大小。磁通量變化會(huì)影響電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。勵(lì)磁電流與電機(jī)效率勵(lì)磁電流過大，會(huì)增加勵(lì)磁損耗，降低電機(jī)效率。勵(lì)磁電流過小，則可能導(dǎo)致磁場強(qiáng)度不足，影響電機(jī)性能。電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)速功率電機(jī)產(chǎn)生的力矩流經(jīng)電機(jī)線圈的電流電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度電機(jī)輸出的機(jī)械功轉(zhuǎn)矩特性是指電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性對于電機(jī)選型和應(yīng)用至關(guān)重要。電機(jī)轉(zhuǎn)速特性電機(jī)轉(zhuǎn)速特性反映了負(fù)載變化對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降，負(fù)載減少時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)上升。電機(jī)的調(diào)速方法改變勵(lì)磁電流通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，改變定子磁場強(qiáng)度，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。改變電樞電壓通過改變電樞電壓，改變電樞電流，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。改變電樞回路電阻通過改變電樞回路的電阻，改變電樞電流，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由多個(gè)組件組成，包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器等。驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)將控制信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)能夠理解的電壓電流，控制器根據(jù)需要對電機(jī)速度進(jìn)行控制。傳感器用于檢測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，反饋給控制器，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)11.穩(wěn)定性控制系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠，能夠在各種工況下正常運(yùn)行。22.響應(yīng)速度控制系統(tǒng)應(yīng)快速響應(yīng)指令，并能及時(shí)跟蹤電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化。33.精度控制系統(tǒng)應(yīng)具有高精度，能夠精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。44.抗干擾能力控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抗干擾能力，能夠抵御外部環(huán)境的干擾。電機(jī)熱特性分析熱量產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)產(chǎn)生熱量。熱量主要來源于銅損和鐵損。熱量傳遞熱量通過傳導(dǎo)、對流和輻射方式傳遞給周圍環(huán)境。溫度升高電機(jī)內(nèi)部溫度升高會(huì)影響絕緣性能，降低電機(jī)效率，甚至導(dǎo)致電機(jī)故障。電機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)散熱方式自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷等多種散熱方式，根據(jù)電機(jī)功率、環(huán)境溫度等選擇合適的散熱方案。散熱器設(shè)計(jì)散熱器的材質(zhì)、形狀、尺寸、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)的設(shè)計(jì)影響散熱效果。散熱風(fēng)機(jī)選擇合適的散熱風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)尺寸、風(fēng)量、風(fēng)壓、噪音等指標(biāo)需要綜合考慮。散熱系統(tǒng)評估通過仿真分析或?qū)嶒?yàn)測試，評估散熱系統(tǒng)性能，確保電機(jī)正常工作。電機(jī)的噪聲特性噪聲來源電機(jī)噪聲主要來自轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)、定子線圈的振動(dòng)和氣隙磁場變化等因素。噪聲會(huì)影響電機(jī)的工作環(huán)境，甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞。噪聲控制電機(jī)噪聲控制主要包括減小轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲、抑制定子線圈振動(dòng)和降低氣隙磁場變化?？梢酝ㄟ^優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)、采用低噪聲材料和改進(jìn)散熱系統(tǒng)等方法來降低電機(jī)噪聲。電機(jī)選型的考慮因素工作環(huán)境環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等因素會(huì)影響電機(jī)的工作性能。需要選擇耐腐蝕、防塵、防水的電機(jī)。工作性能電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率等決定電機(jī)是否滿足應(yīng)用需求?？刂菩枨箅姍C(jī)控制方式、調(diào)速功能、安全性等因素會(huì)影響電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。維護(hù)成本選擇易于維護(hù)、維修成本低的電機(jī)可以降低運(yùn)營成本。電機(jī)使用與維護(hù)定期檢查檢查電機(jī)的外觀，檢查電機(jī)內(nèi)部的潤滑情況，檢查電機(jī)是否有異常聲音。清潔保養(yǎng)定期清潔電機(jī)，保持電機(jī)表面清潔，避免灰塵和油污堆積。正確操作避免過載運(yùn)行，避免頻繁啟動(dòng)和停止，避免電機(jī)在高溫環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行。安全防護(hù)電機(jī)使用過程中，應(yīng)注意安全，避免觸電，避免電機(jī)過熱。本章小結(jié)直流電機(jī)磁場直流電機(jī)的工作原理基于定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用。磁極對數(shù)與轉(zhuǎn)速磁極對數(shù)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加磁極對數(shù)可降低轉(zhuǎn)速。電機(jī)勵(lì)磁方式電機(jī)勵(lì)磁方式分為自激式和永磁式，影響電機(jī)特性和應(yīng)用場景。電機(jī)應(yīng)用直流