直流電機(jī)工作原理分解.ppt

1、1,第2章 直流電機(jī),2.1 直流電機(jī)的工作原理,2.3 直流電機(jī)的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng),2.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值,2.4 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩,2.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析,2.6 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析,2.1 直流電機(jī)的工作原理,一、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理, U ,線圈邊中電流不改變方向，則平均 Te = 0。,2.1 直流電機(jī)的工作原理,電刷,線圈邊切割磁力線會(huì)產(chǎn)生什么？,換向片,一、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理,電磁關(guān)系,二、直流發(fā)電機(jī)的工作原理, E , E ,電磁關(guān)系,氣隙磁場(chǎng)的分布波形及線圈電動(dòng)勢(shì)波形,每極下有 3 個(gè)串聯(lián)線圈時(shí)的電動(dòng)勢(shì)波形,2.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值

2、,一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 1. 定子 (1) 主磁極 (2) 換向極 (3) 電刷 (4) 機(jī)座 (5) 端蓋 (6) 軸承等,直流電機(jī)的定子,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖,電樞繞組,主磁極,電樞鐵心,勵(lì)磁繞組,磁軛,補(bǔ)償磁極,附加極繞組,換向器,電刷裝置,端蓋,風(fēng)扇,軸承,軸,端蓋,直流電機(jī)橫向剖面圖,直流電機(jī)的定子,直流電機(jī)的換向極和電刷,2. 轉(zhuǎn)子（電樞）,(1) 電樞鐵心 (2) 電樞繞組,(3) 換向器 (4) 轉(zhuǎn)軸與風(fēng)扇,直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子,(a) 轉(zhuǎn)子主體,(b) 電樞鋼片,直流電機(jī)的換向器,直流電機(jī),1. 繞組的基本概念 單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、 復(fù)波繞組、蛙繞組（疊繞和波繞混合繞組）。

3、(1) 元件 是構(gòu)成電樞繞組的基本 單元，其兩端分別與兩 片換向片相連的單匝或 多匝線圈。,二、直流電機(jī)的電樞繞組,電樞繞組的元件,(2) 疊繞組和波繞組,兩匝元件,疊繞元件,波繞元件,(3) 極距 一對(duì)磁極在電樞表面所跨過(guò)的距離。,電樞總槽數(shù),極對(duì)數(shù),(4) 繞組的節(jié)距, y1 第一節(jié)距（用所跨過(guò)的槽數(shù)來(lái)表示 ）。 y1= 為整距繞組； y1 為長(zhǎng)距繞組。 y2 第二節(jié)距（用所跨過(guò)的槽數(shù)來(lái)表示 ） 。 y 合成節(jié)距： y = y1y2,疊繞元件 在電樞上的連接,波繞元件在電樞上的連接,2. 單疊繞組,2. 單疊繞組,電動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī),結(jié)論： 整個(gè)電樞繞組通過(guò)換向片連成一個(gè)閉合回路。,1 2 3

4、 5 6 8 9 11 12 1,單疊繞組的展開(kāi)圖,n,Z = p = = y1 = y2 = y =,12 2 3 3 2 1,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,單疊繞組的展開(kāi)圖,結(jié)論： 每個(gè)主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路； 繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)，即 a = 2= p。,n,單疊繞組的展開(kāi)圖,1 2 3 5 6 8 9 11 12,n, 電刷的中心線對(duì) 著磁極的中心線： 電刷之間的電動(dòng) 勢(shì)最大。 被電刷短接的元 件電動(dòng)勢(shì)為零。 習(xí)慣稱 “電刷放在 幾何中心線位置”。,磁極中心線,幾何中心線,電機(jī)裝配圖,1. 額定電壓 UN 發(fā)電機(jī)的 UN ：指輸出電壓的額定值。 電動(dòng)機(jī)的 U

5、N ：指輸入電壓的額定值。 2. 額定電流 IN 發(fā)電機(jī)的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動(dòng)機(jī)的 IN ：指輸入電流的額定值。 3. 額定功率 PN 發(fā)電機(jī)的 PN ：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動(dòng)機(jī)的 PN ：指輸出機(jī)械功率的額定值(UN INN ) 。 4. 額定轉(zhuǎn)速 nN,三、直流電機(jī)的額定值,5. 額定勵(lì)磁電壓 UfN 6. 額定勵(lì)磁電流 IfN 額定狀態(tài) ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態(tài)。 滿載狀態(tài) ： 指 I = IN 的狀態(tài)。,四、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式,他勵(lì),并勵(lì),串勵(lì),復(fù)勵(lì),1. 直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類,2. 直流發(fā)電機(jī)按勵(lì)磁方式分類,分為他勵(lì)和自勵(lì)。

6、,他勵(lì),串勵(lì)（自勵(lì)）,并勵(lì)（自勵(lì)）,復(fù)勵(lì)（自勵(lì)）,2.3 直流電機(jī)的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng),空載時(shí)電樞電流可忽略不計(jì)。 空載磁場(chǎng)由主磁極的勵(lì)磁磁 動(dòng)勢(shì)單獨(dú)作用產(chǎn)生。 空載時(shí)磁場(chǎng)軸線與磁極軸線 相重合。 幾何中性線： 相鄰兩主極之間的中心線。 該處的徑向磁通密度為零。,磁場(chǎng)軸線 磁極軸線,幾何 中性線,幾何 中性線,一、直流電機(jī)的空載磁場(chǎng),二、負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì),幾何 中性線,Fa,消耗在 x 點(diǎn)處每個(gè)氣隙上的電樞磁動(dòng)勢(shì)為, ia 導(dǎo)體的電流； N 電樞總導(dǎo)體數(shù)； Da 電樞的直徑。, 電樞表面單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)， 稱為電樞的線負(fù)荷。,= Ax,在幾何中性線處 (x = /2) 的電樞磁動(dòng)勢(shì)為,電樞

7、磁場(chǎng)沿氣隙的磁通密度分布為, 等效氣隙長(zhǎng)度。,Ba(x) = 0Ha(x),三、直流電機(jī)的電樞反應(yīng),負(fù)載時(shí)電機(jī)中磁場(chǎng)： 由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用產(chǎn)生的。 電樞反應(yīng)： 電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響。,電樞反應(yīng),Ba,B, 將通過(guò)圓心和電樞圓周上徑向磁密為 零的點(diǎn)連接成的直線物理中性線。,幾何 中性線,物理 中性線,電樞反應(yīng)的結(jié)果, 氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了畸變并有一定的去磁作用： 電樞圓周上幾何中性線處徑向磁密不再為零。 磁路不飽和時(shí)，每極下的磁通量不變； 磁路飽和時(shí)，每極下的磁通量減少了。 物理中性線偏離了幾何中性線： 對(duì)發(fā)電機(jī)：順著電樞旋轉(zhuǎn)方向偏移； 對(duì)電動(dòng)機(jī)：逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向偏移。,四、電樞反

8、應(yīng)對(duì)換向的影響及改善措施,1. 電樞反應(yīng)對(duì)換向的影響 處在幾何中性線處的換向元件的 e0，使換 向發(fā)生困難。 氣隙磁場(chǎng)畸變使換向器上的片間電壓不均勻； 當(dāng)相鄰兩換向片之間的電位差超過(guò)一定的限 度，將產(chǎn)生電位差火花； 而且隨著電弧的拉長(zhǎng)可能出現(xiàn)環(huán)火。, 電刷是與處在幾何中性線處的元件所連接 的換向片接觸的。,2. 換向的基本概念,2ia,2ia,2ia,換向元件中電流的變化,直線換向,延遲換向和超前換向, 直線換向 延遲換向 如果換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于零，產(chǎn)生延遲換向。 超前換向 如果換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小于零，產(chǎn)生超前換向。,換向不良的影響, 會(huì)在換向器和電刷間產(chǎn)生火花； 火花超過(guò)一定程

9、度，就會(huì)燒壞電刷和換向器； 火花會(huì)產(chǎn)生電磁波，對(duì)無(wú)線通信造成干擾。,3. 改善換向的方法,(1) 加裝換向磁極 (2) 移動(dòng)電刷,換向極,2.4 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩,1. 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 電樞旋轉(zhuǎn) n 磁 場(chǎng) 2. 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 (1) 每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ex = Bxlv Bx 導(dǎo)體所在處的氣隙磁密。 l 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度。 v 導(dǎo)體切割磁場(chǎng)線的線速度。,一、直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),ex,ex,E,B,(2) 電樞電動(dòng)勢(shì)的大小 設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為 N， 則每條支路的導(dǎo)體為 ， 故,平均氣隙磁密,= CE n,每極下的磁通,E = CE n CE 電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。,(V),3. 感

10、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向和性質(zhì) 方向：由 和 n 共同決定。 性質(zhì)：發(fā)電機(jī)為電源電動(dòng)勢(shì)； 電動(dòng)機(jī)為反電動(dòng)勢(shì)。,二、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,1. 電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 電樞電流 ia 磁 場(chǎng) ,F Te,2. 電磁轉(zhuǎn)矩的大小 設(shè)電刷在幾何中性線處，元件為整距。 (1) 同一極下每根導(dǎo)體受到的平均電磁力為 fav = Bavlia ia 導(dǎo)體中的電流 。 每根導(dǎo)體受到的平均電磁轉(zhuǎn)矩為,電樞直徑為： 電樞電流與支路電流的關(guān)系為： 則,(Nm),Te = CT Ia, CT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)。,3. 電磁轉(zhuǎn)矩的方向和性質(zhì) 方向：由 和 Ia 共同決定。 性質(zhì)：發(fā)電機(jī)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Te 與 n 方向相反。 電動(dòng)機(jī)為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Te 與

11、 n 方向相同。 4. 電動(dòng)勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系,因?yàn)?則,2.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析,一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程,1. 電壓平衡方程式 勵(lì)磁電路： Uf = Rf If 電樞電路： Ua = ERaIa, Ra 電樞繞組總電阻，包括電刷的接觸電阻。,Te = TL = T0T2,2. 轉(zhuǎn)矩平衡方程, T0 空載轉(zhuǎn)矩，是由電動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損耗及鐵損 引起的總轉(zhuǎn)矩； T2 輸出轉(zhuǎn)矩，即生產(chǎn)機(jī)械的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩； TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩，它是電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩 T0 與生產(chǎn) 機(jī)械的轉(zhuǎn)矩 T2 的總稱。,(1) 輸入功率 P1 P1 = U I = UaIa (2) 電樞銅損耗 PCua PCua = Ra Ia2

12、 (3) 電磁功率 Pe Pe = P1 PCua 推導(dǎo)： U I = UaIa = ( ERa Ia ) Ia,Pe = EIa,3. 電磁功率與功率平衡方程,Pe = EIa = CE n Ia,= Te,= E IaRa Ia2,(4) 空載損耗 P0 P0 = PFePfwPad,結(jié)論： 電動(dòng)機(jī)將電樞吸收的電功率 EIa 轉(zhuǎn)換成了機(jī)械 功率 Te ，故稱 EIa 和 Te 為電磁功率。,機(jī)械損耗,附加損耗,鐵損耗,(5) 輸出功率 P2 Te = T0 T2 P2 = T2 = Pe P0,(6) 效率 ,功率流程圖,二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性,1. 他勵(lì)和并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性 工作

13、特性是指當(dāng)U = UN、If = IfN 時(shí)，n、Te 和 與 Ia 的關(guān)系。 (1) 轉(zhuǎn)速特性,轉(zhuǎn)速特性,當(dāng)Ia 時(shí)，n 下降不多(硬特性)。,當(dāng) If = 0， = r 很小，n 不能突變 E 很小 Te = CTr Ia 仍有一定數(shù)值。, Ia , 若 Te TL,n ,(飛車), 若TeTL,n ,n = 0,( 悶車),勵(lì)磁電路斷電的后果,(2) 轉(zhuǎn)矩特性,轉(zhuǎn)矩特性,Te = CT Ia, 若不計(jì)磁路飽和，則 TeIa ； 若計(jì)及磁路飽和，則 Te 隨著 Ia 的增加略有下降。, = f (Ia),(3) 效率特性,效率特性,2. 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性 工作特性是指當(dāng) U = U

14、N 時(shí)， n、Te 和 與 Ia 的關(guān)系。,I = Ia = If U = UaUf = E(RaRf ) Ia,(2) 當(dāng) Ia 較大、磁路已飽和時(shí)， 常數(shù)，,(1) 當(dāng) Ia 較小、磁路未飽和時(shí)， = kIa,軟特性,當(dāng)Te = 0 時(shí)，Ia = If = 0， = r， n0 = (5 6) nN ； 當(dāng)Te 較小時(shí)，Ia 較小，磁路未飽和， Te Ia n 迅速下降； 當(dāng)Te 較大時(shí)，Ia 較大，磁路已飽和， Te Ia 基本不變 n 下降較少。,串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn), 相同的 Te ， Ia 較小。 對(duì)應(yīng)允許的 Iamax ， Tst 較大，過(guò)載能力較強(qiáng)。,串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用, 特

15、別適用于起重機(jī)和電力機(jī)車等運(yùn)輸機(jī)械。 不能在輕載或空載下運(yùn)行。 不能用皮帶輪傳動(dòng)。,3. 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī),(1) 分為積復(fù)勵(lì)、差復(fù)勵(lì)。 (2) 特性介于他勵(lì)和串勵(lì)之間。 (3) 特點(diǎn) 有較大的 Tst 。 可以空載和輕載運(yùn)行。,【例21】 已知某并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN = 22 kW, UN = 220 V, IN = 115 A, nN = 1500 r/min, 電樞電阻Ra = 0.18 ，勵(lì)磁電阻 Rf628 。試求：(1) CEN、CTN ； (2) 電磁轉(zhuǎn)矩 Te；(3) 額定輸出轉(zhuǎn)矩 T2；(4) 空載轉(zhuǎn)矩T0 ； (5) 理想空載轉(zhuǎn)速 n0 與實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 n0 。 解：(1),2.

16、6 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析,一、直流發(fā)電機(jī)的基本方程,勵(lì) 磁 Uf If ,n,原動(dòng)機(jī),電樞,Ua,1. 電壓平衡方程,Uf = Rf If Ua = ERaIa,調(diào)節(jié)Rf,If 可調(diào), 可調(diào),E 可調(diào), Ua可調(diào)。,2. 轉(zhuǎn)矩平衡方程 T1 = TeT0,3. 功率平衡方程,T1 = Te T0 P1 = PeP0 Pe = EIa Pe = P2PCua P0 = PFePfwPad,功率流程圖,輸入功率 P1： 電磁功率 Pe ： 空載損耗 P0 :,P1 = P2PCuaP0,【例22】 一臺(tái)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī) PN = 46 kW，UN = 115 V, nN =1500 r/min, 電

17、樞電阻 Ra= 0.01 ，勵(lì)磁電阻 Rf20 ，把此發(fā)電機(jī)當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，所加電源電壓UN = 110 V，保持電動(dòng)機(jī)電樞電流和發(fā)電機(jī)時(shí)一樣，不考慮磁路的飽和影響，求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。 解：(1) 發(fā)電機(jī)的電樞電流為,發(fā)電機(jī)的常數(shù)為,電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流為 (用下標(biāo)M表示電動(dòng)機(jī)),當(dāng)不考慮磁路的飽和時(shí)，電動(dòng)機(jī)的常數(shù)為,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為,二、他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的工作特性,1. 空載特性,當(dāng) n = nN、Ia = 0 時(shí)： U0 = E = f (If ),Er,剩磁感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì),空載特性,2. 外特性,當(dāng) n = nN、If = IfN 時(shí)： Ua = f (Ia) = ERa

18、Ia,外特性,當(dāng) Ia,RaIa E (電樞反應(yīng)),電壓調(diào)整率,( 5% 10% ),當(dāng) n = nN，Ua = UaN 時(shí)： If = f (Ia),調(diào)整特性,3. 調(diào)節(jié)特性,4. 效率特性, 小型發(fā)電機(jī)： N = 70% 90% 中大型發(fā)電機(jī)： N = 91% 96%,當(dāng) n = nN，Ua = UaN 時(shí)： = f (P2),三、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)與外特性,E ？ E ？ 1. 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì) (1) 主磁極必須有剩磁r,r,Er,Ifr,EEr, 與r 方向相同,EEr, 與r 方向相反,(2) 勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通 必須與剩磁同方向,r,Er,Ifr,EEr, IfIfr, ,E ,當(dāng) Rf Rk 時(shí)， E