直流电机教学课件PPT1.ppt
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1、第一篇 直流电机,直流电机的用途、基本工作原理与结构直流电机的磁路直流电机的电枢绕组直流发电机的运行原理与特性直流电动机的运行原理与特性直流电机的换向,本篇基本要求,了解直流电机的基本结构、工作原理;了解直流电机电枢绕组的特点;掌握电枢电动势和电磁转矩的计算;了解直流电机的励磁方式;掌握直流发电机的方程及运行特性;了解直流电机的可逆原理;掌握直流电动机的方程和运行特性;了解直流电机的换向;,第一章 直流电机的用途、基本工作原理与结构,1-1 直流电机及其用途电机是机械能与电能相互转换的装置。直流发电机是将机械能转变为直流电能。直流电动机是将直流电能转变成机械能。直流电动机的优点:1、调速范围广
2、,且易于平滑调节;2、过载、起动、制动转矩大;3、易于控制,可靠性高。,直流电机主要缺点:换向困难,价格贵,寿命短。目前,可控硅整流电源在很多场合可以代替直流发电机,但有些性能仍不及直流发电机。在电动机方面采用电力电子技术配合同步电机,构成无刷电动机,可具有直流电动机的性能,但总体上,还不能达到全面代替直流电动机的程度。,直流电机的用途直流电动机主要用在调速要求高的场合。如电车造纸、纺织拖动以及各种小型的控制电机等。直流发电机用作直流电动机、电解、电镀及交流电机的励磁等直流电源。,伺服,测速,励磁机,1.2 直流电机的基本工作原理,直流发电机是绕组在恒定磁场中旋转感生出交流电,再依靠换向装置,
3、将交流电变为直流电。,一、直流发电机的工作原理,直流发电机的物理模型,电刷,换向片,主磁极,线圈,(a),线圈中电流方向是:2dcba1,电刷A“”、B“”,(b),线圈中电流方向是:1abcd2,电刷A“”、B“”,线圈电动势是交变的,电刷间的电动势是一个脉动的直流电动势。,直流电动势的脉动很大,减小脉动,可通过增加线圈数目,且在空间上均匀分布来实现。一个线圈就需一个换向片。,结论:1)电枢线圈内产生的电势、电流方向是交变的,是交流电;2)电刷间电势为直流脉动电势;减小脉动的方法可通过增加线圈数目来实现。)产生的电磁转矩T与转子转向相反,是制动性质的转距。)换向器的作用是将电枢线圈中的交流电
4、转变成电刷间的直流电输出。,二、直流电动机的工作原理,电流方向,结论1)外施恒定的直流电,电枢线圈中的电流是交流电)产生的电磁转矩T与转子转向相同,是驱动性质。)换向器的作用是将电刷间的直流电转变成线圈中的交流电,产生恒定方向的电磁转距。,从上述基本电磁情况来看,一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,只是条件不同。,在直流电机的电刷两端加上直流电压,输入电能,从电机轴上输出机械能,拖动生产机械,电机将电能转换成机械能而成为电动机。如用原动机拖动直流电机的电枢,则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源,可输出电能,电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机既能作电动机又
5、能作发电机运行的这种原理,在电机理论中称为可逆原理。,1-3 直流电机的基本结构,1、定子由主磁极、换向极、机座以及电刷装置等组成,定子机座,换向极铁心,换向极绕组,主磁极铁心,主磁极绕组,换向极绕组与电枢绕组的串联接线,1-3 直流电机的基本结构,1-3 直流电机的基本结构,直流电机的基本工作原理和基本结构,一、主磁极,作用:产生主磁场 构成:主极铁心:11.5mm厚的钢板 励磁绕组:用绝缘铜线构成,主磁极钢板冲片(1-1.5mm厚),主磁极由钢板冲片叠压而成,励磁绕组套在主磁极极身上,N极和S极成对出现且沿圆周均匀交替分布;极对数:N极或S极的个数,通常用 p 表示;极数:主磁极的个数,等
6、于 2p。,(2)机座:般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成 作用:(a)用来固定主磁极、换向极和端盖等,起机械支承的作用;(b)作为电机磁路的一部分。,(3)换向极 换向极用来改善直流电机的换向,又称附加极。它由铁心和套在铁心上的换向极绕组组成。铁心常用整块钢或厚钢板制成,换向极绕组与电枢绕组串联。换向极的极数一般与主磁极的极数相同。(4)电刷装置:其作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通,将直流电压、电流引出或引入电枢绕组。它与换向器相配合,起整流或逆变器的作用。,2、转子部分 主要包括:电枢铁心、电枢绕组、换向器等部件,电枢铁心,电枢绕组,电枢绕组端部,换向器,端盖,(1)电枢铁心 作用:(a
7、)主磁路的一部分;(b)电枢绕组的支撑部件。,构成:一般用厚0.35-0.5且冲有齿、槽的硅钢片叠压夹紧而成。片间涂绝缘漆以减小损耗。,(2)电枢绕组,电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成。它是直流电机的主要电路部分,也是通过电流或感应电势从而实现机电能量变换的关键部件。,电枢绕组是用绝缘铜线制成元件,然后嵌放在电枢铁心槽内,每个线圈(元件)有两个出线端,分别接到换向器的两个换向片上。所有线圈按一定规律连接成一闭合回路。,(3)换向器换向器是直流电机的重要部件,在直流发电机中,它将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动势;在直流电动机中,它将电刷上的直流电流转换为绕组内的交流电流。
8、,换向器由许多梯形铜排制成的彼此绝缘的换向片组成。换向片数与线圈元件数相同。,换向片,换向片间绝缘,直流电机的基本工作原理和基本结构,换向器,直流电机的基本工作原理和基本结构,主要由定子、转子两部分组成,(产生励磁磁场),(产生电动势,流过电流,产生电磁转矩),1-4 直流电机的励磁方式,直流发电机按励磁方式分:他励和自励两类,1、他励式:励磁绕组由其他电源供电,2、自励式发电机:利用自身发出的电流励磁电动机:励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。,并励式:励磁绕组与电枢绕组并联;串励式:励磁绕组与电枢绕组串联;,复励式:装有两个励磁绕组,一个与电枢并联的并励绕组,另一个与电枢串联的串励绕组。,1
9、-5 直流电机的型号和额定值,一、直流电机的型号(Z),型号表明电机的系列及主要特点。知道了电机的型号,便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。,1-5 直流电机的型号和额定值,直流电机的基本工作原理和基本结构,一、直流电机的型号(Z),1-5、直流电机的型号和额定值,直流电机上都有一铭牌,上面标明电机的必要数据,直流电机的额定值,(1)额定功率,指电机在铭牌规定的额定状态下运行时,电机的输出功率,单位kW,对电动机,额定功率是指转轴输出的机械功率;,对发电机,额定功率是指出线端输出的电功率。,额定电压UN:额定状态下出线端电压,单位V,额定电流IN:额定状态下出线端电流,单位A,额定
10、转速nN:额定状态下的电机转速,单位r/min,励磁方式:并励、串励、他励、复励。,工作方式:连续、短时、间歇三种工作方式。,作业:S1-1,S1-6,1-3,作用:电枢绕组是直流电机的关键部件之一,构成直流电机的电路部分,在机电能量转换中起着重要的作用,运行时电枢绕组产生电动势,流过电流并产生电磁转矩,是实现机电能量转换的枢纽。,电枢绕组的基本要求:,(1)能产生尽可能大的电动势,并有良好的波形。(2)能通过足够大的电流,以产生并承受所需的电磁力和电磁转矩。(3)节省材料(有色金属和绝缘材料),结构简单,连接可靠。(4)便于维护和检修。(5)对直流电机,应保证换向良好。,第二章 直流电机的电
11、枢绕组和电枢反应,分类,特点:闭合绕组,(1)叠绕组:单叠和复叠绕组。(2)波绕组:单波和复波绕组。(3)蛙绕组:叠绕和波绕混合的绕组。,电枢绕组的演变,环形电枢绕组,鼓形电枢绕组,直流电机的电枢绕组,电枢绕组的演变,环形电枢绕组,只有一半的导体产生感应电动势,导体利用率低。,环形绕组,直流电机的电枢绕组,电枢绕组的演变,鼓形电枢绕组,线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中,两边都能切割磁场而产生感应电势。,鼓形绕组,1、元件:构成绕组的线圈称为绕组元件,分单匝和多匝两种。,3、元件的首末端:每一个元件均引出两根线与换向片相连,其中一根称为首端,另一根称为末端。,首端,末端,2.1 电枢绕组的基本知
12、识:,2、元件边:放在槽中切割磁通感生电势的有效边;上层元件边,下层元件边。在槽外的部分不感生电动势的部分,称端部。,4、换向片数K等于元件数S 即:K=S,5、虚槽:槽内层嵌放的元件边数u,,7、第一节距y1:一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离。,6、槽数Q=S=K和虚槽数,为了使元件感应出最大电动势,,为整距元件,为短距元件,换向节距yk:同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,合成节距y:是串联的两个元件的对应边的距离,第二节距y2:为元件的下层边与其相联结的元件上层边之间的距离。,单叠绕组,绕组实物图,单波绕组,单叠绕组的连接规律是:所有的相邻元件依次串联(即后一元件的首端与前一
13、元件的尾端相连),同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上,最后形成一个闭合回路。,特点:槽数Ze、元件数S和换向片数K三者相同,单叠绕组的合成节距等于一个槽,换向节距等于一个换向片。,y=yk=1,2-2 单叠绕组,1.数据计算,yyk1,实例:p2,ZeSK16,单叠绕组分析实例:,直流发电机为例,构成单叠绕组。,3.绕组放置,元件1:上元件边在1槽,下元件边放在相距y1=4 即5槽下层。元件2:上元件边在2槽,下元件边放在相距y1=4 即6槽下层。以此类推,某一瞬间电刷、磁极放置,磁极:磁极宽度约0.7,均匀分布,N、S极交替安排。电刷:连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电
14、势以及产生最大的电磁转矩,电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电势为零的元件:在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。电刷放置:电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。,槽展开,2.单叠绕组展开图,电枢转向,绕电枢一周,所有元件互相串联构成一闭合回路。,元件连接顺序表,结合电刷的放置,得到该瞬时的电路图,每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。,这是单叠绕组的重要特点之一。,绕组电路图:,单叠绕组的特点:,1)同一主磁极下的元件串联成一条支路,主磁极数与支路数相同。,2)电刷数等于主磁极数,电刷位置应使感应电动势最大,
15、电刷间电动势等于并联支路电动势。,3)电枢电流等于各支路电流之和。,作业:2-1,为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加,元件边应处于相同磁极极性下,即合成节距,单波绕组:换向极距yK必须符合 即,为了使绕组从某一换向片出发,沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一换向片上,则可由此再绕下去。,单波绕组的连接规律是:把相隔大约两个极距,即在磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。,2-3 单波绕组,当取负数时,为左绕组;为正数时,为右行绕组。一般取负数,端接短些。,单波绕组,单波左行绕组和单波右行绕组,1.绕组数据计算,单波绕组分析实例:,实例:p2,,左行单波绕组,从绕组展开图可以看出,全部15
16、个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是:,用联接顺序图表示为:,单波绕组元件连接顺序表,元件、换向片的放置:1元件上层边1槽,下层边4槽;首末端所连的换向片相距yk7;为了端部对称,首末端所连的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。1元件上层边所连的换向片定为1。依次联接。,磁极放置:N、S极磁极均匀交替的排列。,电刷的放置:放在与主极轴线对准的换向片上。,元件、磁极、电刷放置原则,槽展开,单波绕组展开图,电枢转向,单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分,所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关,永远为1,即a1。,单波绕组电路图,1、同极性下各元件串联起来
17、组成一条支路,支路对数a1,与磁极对数p无关。2、当元件的几何尺寸对称时,电刷在换向器表面上的位置对准主磁极轴线,支路电动势最大。3、电刷组数应等于极数(采用全额电刷);4、电枢电流 Ia2ia。5、电枢电动势等于支路感应电动势;,单波绕组的特点:,单叠绕组和单波绕组的区别,作业:2-1,2-2,2-4 直流电机的磁场和磁路,磁路从气隙1出发经电枢齿1电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1,最后又回到气隙1,气隙2,电枢齿1,电枢轭,气隙1,定子轭,主磁极,一、直流电机的磁路,电枢齿2,直流电机的磁动势和磁场,一、空载时的主磁场,主磁场磁密的分布,在一个磁极的范围内,励磁磁势大小一样,B大
18、小完全与气隙长度成反比。,在主极直轴附近的气隙较小,并且气隙均匀,磁阻小,即此位置的主磁场较强,在此位置以外,气隙逐渐增大,主磁场也逐渐减弱,到两极之间的几何中线处时,磁密等于0。,二、空载时气隙磁通密度的分布波形,为了感应电动势或产生电磁转矩,直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通,空载时,气隙磁通 与空载磁通势 或空载励磁电流 的关系,称为直流电机的空载磁化特性。,为了经济、合理地利用材料,一般直流电机额定运行时,额定磁通 设定在图中A点,即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。,三、空载磁化特性,电枢反应:负载磁动势对励磁磁场的影响,直流电机带上负载后,电枢绕组中有电流,电枢电流产生的磁动势
19、称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。,假设励磁电流为零,只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况,电枢磁动势为交轴磁动势。,四 直流发电机的电枢反应,1、直流电机负载时的负载磁场,如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布,则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波,如图中 所示。,由于主磁极下气隙长度基本不变,而两个主磁极之间,气隙长度增加得很快,致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型,如图中 所示。,2、直流电机的电枢反应,当励磁绕组中有励磁电流,电机带上负载后,气隙中的磁场是励
20、磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。,1、当电刷在几何中性线上时,将主磁场分布和电枢磁场分布叠加,可得到负载后电机的磁场分布情况,如图(a)所示。,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,由图可知,电刷在几何中性线时的电枢反应的特点:,2)、对主磁场起去磁作用,1)、使气隙磁场发生畸变,空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响,每一个磁极下,一半磁场被增强,一半被削弱,物理中性线偏离几何中性线 一个角度,磁通密度的曲线与空载时不同。,磁路不
21、饱和时,主磁场被削弱的数量等于加强的数量,因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部,主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高,铁心磁阻增大,增加的磁通少些,因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。,思考题:直流发电机负载工作下将电刷顺电枢转向移动一角度后,电枢反应是什么性质的?当电枢反方向转动后,负载工作下电枢反应的性质与前者有何不同?,2-5 直流电机电枢绕组的感应电动势,气隙磁场的分布如图,每根导体的感应电动势为,电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电动势的代数和,直流电机的电势常数。,2-6 直流电机的电磁转矩,电枢表面任一点处的载
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