第4章 直流电机 《电机与拖动基础及MATLAB仿真》课件PPT推荐.ppt
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N和S极之间是电枢,电枢铁心上安放着由A和X两根导体组成的电枢线圈,线圈的首端(A)和末端(X)分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换相片上,换相片形成的整体称为换相器。
换相器固定在转轴上,且与转轴绝缘。
换相片上安放着一对固定不动的电刷B1和B2,电刷能与外电路联接。
固定不动的部分(主磁极、电刷等)被称为定子,随转轴转动的部分(线圈、电枢铁心、换相器等)被称为转子(又称电枢)。
Page9,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a)wt=0时,A端X端b)wt=180时,A端X端电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图4-1直流发电机工作原理,磁极N和S所产生气隙磁通密度沿空间分布如图4-2所示。
定、转子之间有一空隙,称为气隙。
图4-2气隙磁通密度分布和线圈AX感应电动势,当原动机拖动电枢逆时针方向旋转时,导体切割磁力线,根据电磁感应定律,导体内产生感应电动势,大小为e=Bxlv,式中,Bx为导体所在处的磁通密度(Wb/m2),l为导体的有效长度(m),v为导体的线速度(m/s),e为感应电动势(V)。
Page10,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a)wt=0时,A端X端b)wt=180时,A端X端电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图4-1直流发电机工作原理,感应电动势方向由右手定则判定,展开右手使大拇指与四指呈90,当磁力线指向手心,大拇指指向导体运动方向时,则四指的指向为导体中感应电动势的方向。
发电机工作时,N极下导体电动势指向纸外,电刷B1总为“+”;
S极下导体电动势指向纸内,电刷B2总为“”,不难看出,线圈中的电动势是交流的,而通过换向器的作用,使电刷间的电动势为直流的,如图4-3所示。
Page11,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a)wt=0时,A端X端b)wt=180时,A端X端电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图4-1直流发电机工作原理,图4-3电刷B1B2间的电动势,换向器和电刷的共同作用:
将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势;
把转动的电路与外面不转的电路联接。
Page12,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a)wt=0时,A端X端b)wt=180时,A端X端电刷B1(+)B2(-)电刷B1(+)B2(-)图4-1直流发电机工作原理,图4-3电刷B1B2间的电动势,从刷间电动势波形看,脉动很大,为了减小电动势的脉动程度,实际电机采用很多元件组成电枢线圈,均匀分布在电枢表面,并按一定规律联接,刷间串联元件数增多,脉动减小,可获得所需的直流电。
如图4-4所示,将直流电加到电刷上(B1为+、B2为),线圈AX上就有电流通过(A端、X端),根据电磁力定律,载流导体在磁场中要受力,大小为f=Bxli,式中,i为流过导体的电流(A),方向由左手定则确定。
Page13,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,2直流电动机的基本工作原理,展开左手使大拇指与四指呈90,当磁力线指向手心时,四指的指向则为导体中电流的方向,大拇指指向为导体受力方向;
f的单位为N。
图4-4直流电动机的工作原理,换向器和电刷的共同作用:
将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电;
把外面不转的电路与转动的电路连接起来。
直流电机由两大部分组成:
定子(静止部分)和转子(转动部分,又称电枢)。
Page14,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,图4-6直流电机结构,Page15,磁极铁心,励磁绕组,励磁磁场,电动势、电磁转矩,图4-5直流电机结构概况,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,Page16,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。
(1)定子,主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成,铁心用11.5mm的钢板冲片叠成,外套励磁绕组。
主磁极的作用是建立主磁场,它总是成对出现,N、S极交替排列,如图4-7所示。
换向极也由铁心和绕组组成,铁心一般由整块钢组成,安放在相邻两主磁极之间(见图4-7),作用是改善电机的换向。
图4-7主磁极与换向极示意图,电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成(见图4-8),作用是连接转动和静止之间的电路。
机座作用是固定主磁极等部件,同时也是磁路的一部分。
图4-8电刷装置,Page17,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,机座作用是固定主磁极等部件,同时也是磁路的一部分。
(1)定子,转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。
(2)转子(电枢),Page18,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,电枢铁心一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成,作用是嵌放电枢绕组,同时又是电机主磁路的一部分。
(2)转子(电枢),电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈(又称绕组元件)按一定规律连接组成,每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内,元件的两个出线端分别与两个换向片相连。
电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩,是实现机电能量转换的枢纽。
换向器由许多相互绝缘的换向片组成,如图4-9所示,作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。
图4-9换向片与换向器,Page19,4.1直流电机工作原理,4.1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,为了使电机能够运转,定子和转子之间要留有一定大小的间隙,此间隙称为气隙,也是主磁路的一部分。
(3)气隙,Page20,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、复叠、复波、复合绕组等,其基本形式是单叠绕组和单波绕组。
a)单叠b)单波图4-10单匝元件示意图,a)单叠b)单波图4-11两匝元件示意图,图4-12u=2示意图,由于工艺等方面的原因,有时电枢不宜开太多的槽,在一个实际的槽中,上、下层嵌放多个(设为u个)元件边,通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。
若电枢每槽上、下层只有一个元件边,则总元件数S等于实槽数Q;
若每槽的上、下层各有u个元件边时,如图4-12所示,则有S=uQ=Qu,Qu为虚槽数。
Page21,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,在直流电机中,把相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距,用槽数表示极距时,有,a)单叠b)单波图4-11两匝元件示意图,式中,p为主磁极的极对数,S为总元件数。
a)单叠b)单波图4-10单匝元件示意图,Page22,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的,每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上,最后形成一闭合回路。
其特点:
支路对数a等于极对数p,同时还等于电刷对数b,即a=p=b;
电枢电流Ia等于各支路电流ia之和,即Ia=2aia。
(1)单叠绕组,单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路,相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。
支路对数a等于1,与极对数p无关,即a=1;
电枢电流Ia等于2倍支路电流ia,即Ia=2ia;
为了减小电刷的电流密度,实际电刷对数b等于极对数p。
(2)单波绕组,Page23,4.1直流电机工作原理,4.1.2电枢绕组和直流电机模型,2直流电机模型,为方便起见,在分析电机内部电磁关系时建议采用电机模型,如图4-13所示。
图4-13直流电机模型,从图中可见,无论电机有多少对磁极,都只用N、S一对磁极表示,不画换相器,电刷放在几何中性线处,并与位于几何中性线处的元件接触,一个圆圈代表一个元件。
几何中性线对应的轴线被称为交轴,用q-q表示;
与交轴垂直的磁极轴线被称为直轴,用d-d表示。
以后在分析电机内部电磁过程时均采用直流电机模型。
Page24,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,为使用户正确使用电机,电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌,上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据(又称额定值),该标牌称为铭牌,如下图所示。
Page25,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,Page26,此外,电机铭牌上还标有其它数据,如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。
4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,Page27,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,额定值:
是选择电机的依据,应根据实际使用情况,合理选择电机容量,使电机工作在额定运行状态。
长期欠载运行将造成电机浪费,而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。
电机最好运行于额定状态或额定状态附近,此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
电机运行时,所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。
电机运行电流小于额定电流欠载运行;
运行电流大于额定电流过载运行。
Page28,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,2国产电机主要系列,国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示,型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示,例如:
“Z4-72”表示直流电动机、第四次改进设计型,“7”表示机座号,7后面的2表示长铁心(2号表示长铁心,1号表示短铁心)。
(1)Z2系列是普通中小型直流电机。
(2)ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。
其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。
【例题4-1】,注意:
变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。
某直流电动机额定数据为:
PN=250kW,额定电压UN=220V,额定转速nN=1000r/min,额定效率hN=91.6%,求该电动机的额定电流和输入功率。
解:
(1)额定电流,
(2)输入功率,4.1直流电机工作原理,4.1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,电动机的额定电流为:
电动机的输入功率为:
Page29,4.2直流电机的磁场,4.2.1直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。
除永磁式微型直流电机外,直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。
按励磁方式不同可分为四种:
他励、并励、串励和复励。
图4-15直流电机励磁方式示意图,Page30,4.2直流电机的磁场,4.2.1直流电机的励磁方式,1)他励。
励磁绕组接在独立的电源上,与电枢绕组无关,如图4-15a所示。
永磁直流电机也属他励。
2)并励。
励磁绕组与电枢绕组并联,如图4-15b所示。
3)串励。
励磁绕组与电枢绕组串联,如图4-15c所示。
图4-15直流电机励磁方式示意图,Page31,4.2直流电机的磁场,4.2.1直流电机的励磁方式,4)复励。
主磁极上有两套励磁绕组,一套与电枢绕组并联称并励绕组,另一套与电枢绕组串联称串励绕组,如图4-15d所示。
d)复励,若两套励磁绕组产生的磁动势是相加的,则称积复励;
若两套励磁绕组产生的磁动势是相减的,则称差复励,如图4-16所示。
实际应用中常用积复励。
a)积复励b)差复励图4-16复励示意图,Page32,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。
图4-17所示是一台四极直流电机空载磁场的分布,图中主磁极N、S交替分布,故磁场的分布是对称的。
图4-17直流电机空载磁场的分布,空载时,励磁绕组内有励磁电流,电动机电枢电流很小可忽略,而发电机电枢电流为零,这时电机的磁场由励磁电流单独建立。
Page33,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,绝大部分的磁通经主磁极、气隙、电枢铁心及定子磁轭闭合的这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组,称主磁通,记作:
0。
图4-17直流电机空载磁场的分布,主磁通参与机电能量转换,能产生感应电动势和电磁转矩,是工作磁通。
主磁通通过的磁路称主磁路,主磁路中气隙较小,故磁阻较小。
Page34,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,另一小部分磁通不穿过电枢,仅与励磁绕组自身链绕,称漏磁通,记作:
s。
图4-17直流电机空载磁场的分布,漏磁通通过的磁路称漏磁路,漏磁路中空气隙较大,磁阻较大。
漏磁通不穿过电枢表面,不参与机电能量转换,不是工作磁通。
所以,漏磁通比主磁通小得多,约占主磁通的20%。
Page35,Page36,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,若不考虑电枢表面齿槽效应,设电枢表面光滑,根据磁路定律可推出气隙磁通密度Bd与气隙长度d呈反比,即有Bd1/d。
1空载时气隙磁通密度分布,图4-18空载磁场气隙磁通密度分布,图4-18所示,主磁极下气隙小,且均匀,气隙磁通密度分布均匀;
在主磁极极靴尖,气隙增大,磁阻增大,磁通密度下降;
在极靴尖外,气隙迅速增大,气隙磁通密度急剧下降,在相邻两极的空间分界线上,磁通密度降为零。
气隙磁通密度沿电枢表面空间分布的波形被称为平顶波,也可称为钟形曲线。
Page37,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,1空载时气隙磁通密度分布,Page38,空载时的磁场分布示意图,a)空载时磁场分布,b)主磁场磁通密度分布,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,电机的磁化曲线是指电机主磁通0与励磁磁动势Ff的关系曲线,即0=(Ff)。
当励磁绕组的匝数Nf一定时,改变励磁电流If就可改变磁动势,可用0=(If)表示。
2电机的磁化曲线,电机的磁化曲线可通过试验或电机磁路计算得到,如图4-19所示。
图中曲线1为电机磁化曲线,曲线2为气隙线,它表示气隙中所消耗的磁动势,由于空气中的0为常数,故气隙线是线性的。
Page39,图4-19电机的磁化曲线,4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,电机的磁化曲线具有饱和特点,当主磁通0较小时,铁磁材料的磁位降较小,励磁磁通主要消耗在气隙中;
当主磁通0较大时,铁磁材料出现饱和,磁位降迅速增大,使0=(If)曲线离开气隙线弯曲呈非线性。
2电机的磁化曲线,Page40,图4-19电机的磁化曲线,磁化曲线表征磁路的饱和程度,对电机运行性能有很大的影响。
4.2直流电机的磁场,4.2.2直流电机的空载磁场,2电机的磁化曲线,Page41,图4-19电机的磁化曲线,设计电机时,既要考虑节省材料,磁通密度B值尽量取得大些,但又不能使磁路太饱和,所以,为了更经济有效地利用材料,一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。
电机的磁化曲线可通过试验或电机磁路计算得到。
4.2直流电机的磁场,4.2.3直流电机负载时的磁场,Page42,图a表示仅由励磁电流产生的空载磁场,图b表示由电枢电流单独产生的电枢磁场,设电机磁路不饱和,利用叠加原理,得到负载时的气隙磁场如图c所示。
直流电机负载运行时,电枢电流Ia不为零,气隙中的磁动势由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff和电枢电流Ia产生的电枢磁动势Fa共同建立。
a)空载磁场b)电枢磁场c)气隙磁场图4-20直流电机电机负载时的磁场,4.2直流电机的磁场,4.2.3直流电机负载时的磁场,Page43,引入电枢线负荷的概念,线负荷是指在电枢表面单位长度上的安培导体数,用A表示。
设N为电枢绕组总导体数,ia为导体电流,Da为电枢直径,则根据线负荷定义有,图4-21直流电机负载时气隙磁蜜波形,将电枢外表面从几何中性线处展开成直线,如图4-21所示,并设主磁极轴线与电枢表面的交点处为原点0,这点的电枢磁动势为零,在离原点x处作一矩形磁闭合回路,根据安培环路定律,当磁路不饱和时,存在,Fax=Ax,(4-7),(4-8),4.2直流电机的磁场,4.2.3直流电机负载时的磁场,Page44,式中,Fax为每个气隙磁动势,Fax与x成正比,则电枢磁动势分布波形为三角波,如图4-21曲线Fax=(x)所示。
根据Bax=oHax,可推出电枢磁通密度为,图4-21直流电机负载时气隙磁蜜波形,在磁极下气隙均匀,则Baxx;
在极尖,因气隙很大,则Bax很小,电枢磁通密度沿电枢表面分布为一马鞍波形,如图4-21曲线Bax=(x)所示。
图中曲线Box=(x)表示励磁磁通密度,亦即电机空载时的磁通密度曲线。
Fax=Ax,(4-8),(4-9),4.2直流电机的磁场,4.2.4直流电机的电枢反应,Page45,当电机带负载后,电枢绕组流过电流,产生电枢磁动势。
图4-21直流电机负载时气隙磁蜜波形,从上面分析可知,电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响,故对电机的运行性能也会产生一定的影响。
将电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为电枢反应。
4.2直流电机的磁场,4.2.4直流电机的电枢反应,Page46,当电机带负载后,电枢绕组流过电流,产生电枢磁动势。
1电刷位于几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page47,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page48,负载磁通合成示意图,b)电枢磁通,a)主磁通,+,=,c)气隙磁通,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page49,负载磁通密度合成示意图,+,a)主磁通密度,b)电枢磁通密度,c)合成磁通密度,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page50,负载时的磁场分布示意图,a)负载时的磁场分布,b)合成磁通密度分布,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page51,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,当电刷位于几何中性线时,电枢反应表现:
使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移,当磁路饱和时有去磁作用。
(1)使气隙磁场发生畸变,设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极尖,电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。
电枢反应使气隙磁场发生畸变,如图4-21所示,对发电机而言是前极尖磁场被削弱,后极尖磁场被加强;
对电动机而言是前极尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。
图4-21直流电机负载时气隙磁蜜波形,4.2直流电机的磁场,Page52,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,
(2)使物理中性线偏移,通常,将气隙中各点磁通密度为零的点的连线称为物理中性线。
图4-21直流电机负载时气隙磁蜜波形,直流电机空载时,几何中性线与物理中性线重合。
负载时,物理中性线偏离几何中性线a角,对发电机而言是顺转向偏离a角;
对电动机而言是逆转向偏离a角(见图4-21)。
4.2直流电机的磁场,Page53,4.2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,(3)当磁路饱和时有祛磁作用,图4-21直流电机负载时气隙磁蜜波形,磁路未饱和时,气隙里的磁通密度Bx由励磁磁通密度Box与电枢磁通密度Bax叠加得到。
磁路饱和时,要利用磁化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲线,显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和性,使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱,如图4-21中虚线Bx=(x)所示。
4.2直流电机的磁场,Page54,4.2.4直流电机的电枢反应,2电刷偏离几何中性线时的电枢反应,当电刷位于几何中性线时,电枢电流只产生交轴电枢磁动势,而电刷偏离几何中性线时,设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离角,产生的电枢磁动势为Fa,将Fa分解成交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad,如图4-22所示。
a)交轴电枢磁动势b)直轴电枢磁动势c)电枢磁动势图4-22电刷偏离几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page55,4.2.4直流电机的电枢反应,2电刷偏离几何中性线时的电枢反应,交轴电枢磁动势Faq对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样,而直轴电枢磁动势Fad与主磁极轴线重合,方向相反,故有去磁作用;
同理,当电刷顺电动机旋转方向偏离角时,产生的直轴电枢磁动势Fad有助磁作用。
a)交轴电枢磁动势b)直轴电枢磁动势c)电枢磁动势图4-22电刷偏离几何中性线时的电枢反应,4.2直流电机的磁场,Page56,4.2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,1直流电机电枢绕组的感应电动势,直流电机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷之间引出的电动势,也称为电枢电动势,记作Ea。
如果设N为电枢绕组的总导体数,a为并联支路对数,Bav为一个磁极内的平均磁通密度,l为导体的有效长度,v为导体切割磁场的速度,则电枢电动势为,式中,称为电动势常数,它是与电机结构有关的参数。
(4-10),4.2直流电机的磁场,Page57,4.2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,1直流电机电枢绕组的感应电动势,由电动势表达式Ea=Cen可知:
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