第一章直流电机.ppt
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1、第一章,直流电机,电能的产生,若电机用于将其它形式的能量转换为电能,则被称为发电机(Generator),它主要实现以下三种能量的转换:水能转化为电能水力发电机;化石能转化为电能火力发电机;风能转化为电能风力发电机。,葛洲坝水利枢纽工程,三峡电站,三峡水力发电机组,三峡电站的水轮发电机全球最大的水轮发电机,火力发电厂,火力发电机组,丹麦Vesta公司生产的风力发电机组,电能的传输、变换,电能的传输和变化离不开电机。要传输一定的电能,为了减小传输线上的损耗,希望电压越高越好,而用户用电则为低压电。因此在电能的传输中必须使用变压器。电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形式上的变换。,大型电力变
2、压器(保定天威生产),配电变压器,电路板上所使用的低压高频变压器,磁路,研究磁路的必要性:电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置。,两个简单的物理事实:1、变化的磁场会产生电场由磁生电机械能向电能转换;2、通电导体会在磁场中受力电能向机械能的转换。,在工程中,通常将磁场问题简化为磁路问题。,磁场的基本常用量,磁感应强度(又称磁通密度)B 表征磁场强弱及方向的物理量。单位:Wb/m2,磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和。单位:Wb,磁场强度H 计算磁场时引用的物理量。B=H,单位:A/m,真实的物理量,反映了该点处的磁特性,磁感应强度的积分值,描述了磁场的总体特性,磁感应强度与该点磁导率的乘
3、积,反映了建立该点磁场的源,磁路的基本定律,B、H、之间的关系,产生磁场的电流建立,磁势F,各点处产生磁场强度H,各点处产生磁场感应强度B,对磁感应强度积分获得,B=H,与电流流过的路径称为电路一样,磁通所通过的路径称为磁路。电流只能从导体中通过,但是磁通可以在任意介质中通过,磁通可以分为两部分。主磁通:由于铁心的导磁性能比空气要好得多(磁导率大),所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。漏磁通:围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间,还存在少量分散的磁通,这部分磁通称为漏磁通。,磁路,磁路的基本定律,1 安培环路定律,磁场强度H沿任何一条闭合回线L的线积分,等于L所包围的电流的
4、代数和,如果在均匀磁场中,沿着回线 L 磁场强度H 处处相等,则,在均匀分段均匀的磁场中,安培环路定律的表达式为,推导过程:以等截面无分支闭合铁心磁路为例:线圈N匝,电流i,铁心截面为A,磁路平均长度为l,磁导率为u,2、磁路的欧姆定律,磁通与磁密关系为,磁场强度与励磁磁势的关系为,3、磁路的基尔霍夫定律,(1)磁路的基尔霍夫电流定律(第一定律),或,磁路的基尔霍夫电流定律,A,N,i,(2)磁路的基尔霍夫电压定律,磁路和电路的几点差别:,1(功率损耗问题)电路中有电流I 时,就有功率损耗;而在直流磁路中,维持一定磁通量,铁心中没有功率损耗。,2(磁路非理想)电路中的电流全部在导线中流动;而在
5、磁路中,总 有一部分漏磁通。,3(磁路的饱和性)电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的;而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。,4(磁路的非线性)在线性电路中,计算时可以用叠加原理;而在磁路中,B和H之间的关系为非线性,因此计算时不可以用叠加原理。,磁畴及磁化,(A)未磁化,(B)磁化,外加磁场,H,常用铁磁材料及其特性,一、铁磁物质的磁化,磁畴受磁场力而转动,未磁化时,铁磁材料的磁畴是无序排列的,对外不表现磁性。在外磁场的作用下,磁畴顺着外磁场方向转向,排列整齐,显示出磁性。(1)外磁场;(2)磁畴;(3)排列顺序,电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部分?,思考,电机中常用的铁磁
6、材料的磁导率 Fe(20006000)Fe,从两个方面解释:(1)提高电机效率(2)减小电机体积,磁化曲线和磁滞回线,1、起始磁化曲线,将一块未磁化的铁磁材料进行磁化,当磁场强度H由零逐渐增加时,磁通密度B将随之增加。用B=f(H)描述的曲线就称为起始磁化曲线。,B,H,a,b,c,d,铁磁材料的起始磁化曲线,由于外磁场较弱,磁畴不会产生大规模偏转,磁通密度增加不快。,外磁场增强,磁畴产生大规模偏转,磁通密度增加较快。,外磁场继续增加,大部分磁畴已完成偏转,B值增加变得缓慢。,磁畴全部偏转,磁化曲线基本成为与非铁磁材料BuH平行的曲线。,拐点、膝点,在各种电机、变压器的主磁路中,为了获得较大的
7、磁通,但又不过分的增大励磁电流,通常把铁心内工作点的B选择在膝点附近。,2、磁滞回线,下面考虑两个问题,(1)磁化后磁性材料去掉外磁场;(2)对磁化后的磁性材料进行反向磁化。,剩磁当H从零增加到Hm时,B相应地从零增加到Bm;然后再逐渐减小H,B值将沿曲线ab下降。当H=0 时,B值并不等于零,而是Br。这就是剩磁。,H,B,a,b,H,B,a,b,c,矫顽力要使B值为零,必须加上相应的反向磁场,此反向磁场强度称为矫顽力Hc。,铁磁材料的磁滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,磁滞回线当H在Hm和 Hm之间反复变化时,呈现磁滞现象的BH闭合曲线,称为磁滞回线。,电工钢片实际测试的磁滞回线,3
8、、基本磁化曲线,对同一铁磁材料,选择不同的Hm反复磁化,得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来,所得曲线称为基本磁化曲线。基本磁化曲线和起始磁化曲线差别很小,磁路计算时使用的磁化曲线都是基本磁化曲线。,基本磁化曲线,基本磁化曲线,H,B,三、铁磁材料,1、软磁材料:磁滞回线较窄,剩磁和矫顽力都较小的材料,常用的软磁材料有电工硅钢、铸铁、铸钢等。可用来制造电机、变压器的铁心。,2、硬磁材料(永磁材料):剩磁和矫顽力都较大的材料。包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。,四、铁心损耗,1、磁滞损耗材料被交流磁场反复磁化,磁畴相互摩 擦而消耗的能量。,2、涡流损耗铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生
9、的 热能损耗。,3、铁心损耗磁滞损耗和涡流损耗之和。,硅钢片中的涡流,B,直流电机的结构,1.2 直流电机的基本结构,直流电机装配结构图,1换向器 2电刷装置3机座 4主磁极 5换向极6端盖 7风扇 8电枢绕组9电枢铁心,1.2 直流电机的基本结构,直流电机纵向剖视图,1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向6端盖7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心,1.2.1 定子主磁极,极靴,极身,1主磁极 2励磁绕组 3机座,定子作为电机的机械支撑并用来产生主磁场,由机座、定子铁心、励磁绕组、端盖、电刷装置组成。,定子铁心由0.350.5mm厚的电工钢板片叠压而成,用铆钉把冲片铆紧,固定在机座上。,励磁
10、绕组由铜线制成,包上绝缘材料后套在磁极上。励磁绕组通入直流电时,产生磁通,形成N、S极,控制用的直流电机一般都做成二极。,1.2.2 电刷装置,1刷握2电刷 3压紧弹簧 4刷辫,电刷装置连接外部电路和换向器,把电枢绕组中的交流电动势变成外电路的直流电动势。电刷被安装在电刷座中,用弹簧将它压在换向器表面上,使之有良好的滑动接触。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成,如图所示。电刷一般用石墨粉压制而成。电刷放在刷握内,用弹簧压紧在换向器上,刷握固定在刷杆上,刷杆装在刷杆座上,成为一个整体部件。,1电刷;2刷握;3弹簧压板;4座圈;5刷杆,1.2.3 直流电机转子,直流电机转子用来感应电
11、动势、产生电磁转矩,由电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等组成。,电枢铁心,换向器,电枢绕组,电枢铁心冲片,1.2.4 电枢铁心,电枢铁心是主磁路的一部分。为了降低铁心中的我流损耗,电枢铁心由0.350.5mm厚的电工钢片叠压而成,并用绝缘漆作为片间绝缘。,1.2.2 电刷装置,1刷握2电刷 3压紧弹簧 4刷辫,电刷装置连接外部电路和换向器,把电枢绕组中的交流电动势变成外电路的直流电动势。电刷被安装在电刷座中,用弹簧将它压在换向器表面上,使之有良好的滑动接触。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成,如图所示。电刷一般用石墨粉压制而成。电刷放在刷握内,用弹簧压紧在换向器上,刷握固定在刷杆
12、上,刷杆装在刷杆座上,成为一个整体部件。,1电刷;2刷握;3弹簧压板;4座圈;5刷杆,1.2.3 直流电机转子,直流电机转子用来感应电动势、产生电磁转矩,由电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等组成。,电枢铁心,换向器,电枢绕组,电枢铁心冲片,1.2.4 电枢铁心,电枢铁心是主磁路的一部分。为了降低铁心中的我流损耗,电枢铁心由0.350.5mm厚的电工钢片叠压而成,并用绝缘漆作为片间绝缘。,矩形槽,梨形槽,1.2.5 电枢绕组,上元件边,下元件边,后端接,前端接,电枢绕组通常由铜线绕成,预先制成元件,嵌放在槽内,然后将元件的两个端头按照一定的规律分别按到两个换向片上。,1.2.6 换向器,1换向片
13、 2连接部分 3V行套筒,换向器由许多换向片组成。换向片间用塑料或云母绝缘,各换向片与元件相连。,换向器的作里是机械整流,即在直流电动机中,它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电流;在直流发电机中,它将绕组内的交流电势整流成电刷两端的直流电势。,3,直流电机的工作原理,电磁感应(Electromagnetic induction)现象是指放在变化磁通量中的导体,会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流(感生电流)。迈克尔法拉第是一般被认定为与1831年发现电磁感应现象的人。参考的百度百科,可以到百度百科中看一下详细信息。,
14、直流电动机的工作原理,导体所处位置的磁感应强度,T;,流过导体的电枢电流,A;,导体在磁场中的长度,m;,直流电机是可逆的,根据不同的外界条件电机处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转,输入机械能,电机处于发电机状态,输出电能;当通过电刷施加电压,输入电能,电机处于电动机状态,驱动负载旋转,输出机械能。,下图是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极,可以是电磁铁,也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体,称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd,线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上,它们的组合在一起称为换向器,在每个半圆铜片上又分别
15、放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B,线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。,直流发电机的工作原理,导体所处位置的气隙磁通密度,T;,导体的有效长度,m;,导体切割磁场的线速度,m/s;,一台直流电机原则上可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷,输入电能,电机能将电能转换为机械能,拖动生产机械旋转,作电动机运行;如用原动机拖动直流电机的电枢旋转,输入机械能,电机能将机械能转换为直流电能,从电刷上引出直流电动势,作发电机运行。同一台电机,既能作电动机运行,又能作发电机运行的原理,称为电机的可逆原理。,直流发电机动画演示,(a)他励电动机(b)并
16、励电动机(c)串励电动机(d)复励电动机,直流电机的额定值有:1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)6、额定励磁电流IfN(V),1、额定功率PN:额定条件下电机所能提供的功率,等于额定电压和额定电流的乘积。电动机:指轴上输出的机械功率发电机:指电刷间输出的额定电功率,对电动机:PN=UNINN(指轴上输出的机械功率)对发电机:PN=UNIN(指电枢输出的电功率)电磁功率:,2、额定电压UN:在额定工况下,电机出线端的平均电压发电机:是指输出额定电压;电动机:是指输入额定电压。3、额定电流IN:在额定电压下
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