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直流电机原理与绕组

  第 20 章直流电机的基本原理和结构 ? 直流电机的基本原理和结构 ? 直流电机的电枢绕组 ? 直流电机的磁场 直流电机的用途 测速 伺服 励磁机 电源 直流电机的特点 ? 直流电动机的调速范围宽广,调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强,起动和制动转矩较大。 ? 由于存在换向器,其制造复杂,价格较高 §20-1 直流电机的原理和结构 一、直流电机的结构 定子和转子 直流电机电枢绕组结构 直流电机电刷和换向器结构 直流电机电刷结构 直流电机电刷结构 直流电机的基本结构总结 直流电机 定子 机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器 转子 电枢绕组 轴承 风扇 转轴 直流电机的物理模型 * 旋转绕组通常嵌在园柱形铁心,转子, 电枢线圈,电枢绕组, * 园瓦形铜片(换向片)固定在转子上 并一起旋转, * 电刷A、B固定在主磁极上并构成定子 * 直流电机的磁路结构(画图),定子, 转子,气隙,一对极(极对数=1) 1 直流电机的工作原理 N极下 ab cd S极下 cd ab 电势方向 a←b←c←d a→b→c→d A + + B - (2)直流发电机运行时的几点结论 1. 电枢线圈内电势、电流是交流电; 2. 电刷间为直流电势。波形如P317的图20-2 (画图) 发电机运行时:线圈中感应电势与电流方向一致; 电动机运行时:线圈中感应电势与电流方向相反; 3, 由于换向片和电刷配合作用,才把线圈中的交流电势 “换向”成引出端的直流电势; 4.线圈的每条有效边感应的瞬时值为 e ? Bx l? ,电 2e 刷引出端电势的瞬时值为 5.直流电机可逆.若在电刷上加上直流电压,产生电流流 经导体,产生电磁力,使电机旋转。 (2)直流发电机运行时的几点结论 6、主磁极磁场的形成可由两种途径:永磁材料, 永久磁极;励磁线圈(励磁绕组)通励磁电流 (直流电流)。主磁极磁场在空间上是固定的。 7、旋转绕组通常嵌在园柱形铁心(构成转子且 使磁路的磁阻变小),称为电枢绕组。电枢绕组 流过电流,产生电枢磁场,电枢磁场在空间上也 是固定的。 8、如何使发电机发出来的电------电压更高、电 流更大、更接近于直流电? 直流电机的可逆原理 ? 同一台直流电机, 通过改变外界条件, 可当发电机运行, 也可当电动机运行。 三、直流电机的额定值 额定容量PN: 输出功率 额定电压UN:额定状态下出线端电压; 额定电流IN:额定状态下出线端电流; 额定转速n: 额定状态下的电机转速 ★ 直流发电机: 电功率PN=UN·IN 直流电动机: 机械功率PN=UN·IN · ? ?为电动机的工作效率 §1-2 直流电机电枢绕组 电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分,亦是实现机电能量转换的 枢纽。 对电枢绕组的要求: 刷端的电势要尽可能大; 各个线圈(或称元件)电流分配相同; 尽量利用电刷圆周表面,使绕组展开。 在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前 提下,所消耗的有效材料最省, 强度高(机械、电 气、热), 运转可靠,结构简单等。 绕组实物图 电枢绕组的形式 Z ? 2, S ?2 A B 槽数Z、 元件数 S v 换向片数K Z ? 2, S ? 2, K ? 2 2p ? 2 每极一槽 电枢绕组的形式 为加工方便,线圈分成两组,每槽一个线p 电枢绕组的形式 旋转90度,没有电势和电磁力矩 电枢绕组的形式 Bx 每极一槽 2? x e 每根导体的电势 2? x e AB T 每转脉动两次 e AB T 2? x 电刷两端的电势和合成转矩 脉动量 e AB max ? 0 ?e AB % ? ? 100% ? 100% e AB max 电枢绕组的形式 每极二槽 4个线圈都切割磁力线 在一个主极下的元件边电势具有 相同的方向 旋转45度,S1、S3被短路(没电 势),S2、S4产生电磁力矩 电枢绕组的形式 每极二槽 Bx 2? x e 2? x 每旋转90度,S1、S3和S2、S4交替 产生感应电势和电磁力矩 e AB T e AB T 脉动量 2? x 每转脉动四次 ?e AB % ? e AB max ? e AB max / 2 ? 100% ? 50% e AB max 电枢绕组的形式 e AB T 每转脉动 每极一槽 每极二槽 每极三槽 每极四槽 2次 4次 6次 8次 脉动量 ?e AB % ? 100% ?e AB % ? 50% ?e AB % ? 33% ?e AB % ? 25% 理论上每极槽数越多越好,但机械加工上有困难 最简单的直流电动机2P3Z 绕组展开图 以第一个线图 被短路时画出 有关电枢绕组名词、术语 极轴线:磁极中心线--d 几何中性线:磁极之间的平分线--q轴 轴 极距:铁心表面, 一个极所占的距离。 ?? ?Da 2p Z 2p (弧长) (槽数) ?? ? ?? (电角度) 有关电枢绕组名词、术语 元件(线 ? ? ? ? 每一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离, 常用槽数来表示 第二节距y2(y20) 联接在同一个换向片上两个不同元件的元件 边在电枢表面跨过的距离 合成节距y: y=y1+y2 相串联的两个元件的对应边在电枢表面跨过的距离 换向器节距yk: 每一个元件的两端所连接的两片换向片之间在换向表面上所跨过的距离 基本绕组形式 一、 单迭绕组: 迭: 两个相邻联接的元件, 后一元 件的端部紧迭在前一元件的端部。 单: 首末端相联的两换向片相隔 一个换向片的宽度。 y=yk=1 特点: 槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同 单迭绕组分析实例 实例: P=2, Z=S=K=16 计算数据y和y1 1. 数据计算: y=yk=1 y1 ? ? ? Z 16 ? ?4 2 p 2? 2 画绕组展开图 安放电刷和磁极 单迭绕组展开图 1. 槽展开 槽展开 τ 2. 绕组放置 绕组放置 τ 3.安放磁极电刷 安放磁极、电刷 τ τ 1 2 3 N 4 5 6 S7 8 9 10 N 11 12 13 14 S 15 16 15 16 1 + 2 3 4 5 - 6 7 8 9 + 10 11 12 13 - 14 主磁极和电刷固定, 绕组和换向片可移动 + - 某一瞬间电刷、磁极放置 磁极:磁极宽度约0.7τ , 均匀分布,N、S极交替安排。 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的元件电势为零。 ? 电刷:连接内、外电路。 ? 为了在正负电刷间获得最大直流电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。 ? 电刷放置:电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准。 ? 被电刷短路(电势为零)的元件的有效边的位置应在几何中性 线上(筒称为电刷放在几何中性线 N 11 12 13 14 S 15 16 15 16 1 几何中性线 N 1 2 3 4 5 + 6 S 7 8 9 -N 10 S 12 13 14 15 16 11 + - - 电路图 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。 即单迭绕组的并联支路数正好等 于电机的极数。 这是单迭绕组的重要特点之一。 单迭绕组的特点 ? 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 ? 并联支路数等于磁极数, 2a=2p; ? 整个电枢绕组的闭合回路中, 感应电动势的总和为零, 绕组内部无环流; ? 每条支路由不相同的电刷引出, 电刷不能少, 电刷 数等于磁极数; ? 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势, 电枢 电压等于支路电压; ? 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和, 即 Ia ? 2ai a 二、单波绕组 波绕组:首末端所接的两换 向片相隔很远,真钱扑克大全, 两个元件紧 相串联后形似波浪。 ?同极性下各元件串联起来组成一条支路, 支路对数a=1, 与磁极对数p无关。 ?电刷组数应等于极数(采用全额电刷); ?电枢电流 Ia=2ia 。 直流电机绕组的归纳 ? 所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路. ? 回路合成电势为零。 ? 电刷总是与位于几何中线上的导体所连接 的换向片相接触,得到最大的直流电势。 ? 电枢绕组的电路支路数(2a)永远是成对 出现,这是由于磁极数(2p)是一个偶数. 迭绕组:2a=2p 波绕组:2a=2 分析时,以一对极进行分析。 发电机 电动机 e ia f em ? f em e ?i a 电枢电动势Ea与电流Ia方向一致; 输出电功率 电磁转矩Tem与转速n方向相反, 为制动转矩,吸收机械功率。 电枢电动势Ea与电流Ia方向相反 , 吸收电功率。 电磁转矩Tem与转速n方向一致,为驱 动转矩,输出机械功率。 直流电机的励磁方式 Is Is 复励 串励 并励 他励 复励电机既有并励绕组Nf又有串励绕组Ns 积复励和差复励——并励绕组和串励绕组的磁势互为相加 称积复励;相减的则称差复励 长复励和短复励: Ia ? Is 长复励 短复励 I f ? Ia ? Is ? I 直流电机的空载磁场 当励磁绕组的串联匝数 为 N f ,流过电流为 I f , 每极的励磁磁动势为: Ff ? I f N f P=2 直流电机的空载磁场 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 ? 0 ,空载 时,气隙磁通 ? 0 与空载磁动势F f 0 或空载励磁电流 I f 0 的关系,称 为直流电机的空载磁化特性。 如右图所示。 为了经济、合理地利用材料, 一般直流电机额定运行时,额定 ?N 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。 ?0 ?N A 0 I fN If0 If F f 0 IN 直流电机的空载磁场 空载时,励磁磁动势主要消 耗在气隙上。当忽略铁磁材料的 磁阻时,主磁极下气隙磁通密度 的分布就取决于气隙的大小和形 状。 磁极中心及附近的气隙小且 均匀,磁通密度较大且基本为常 数(已饱和),靠近极尖处,气隙逐 渐变大,磁通密度减小;极尖以 外,气隙明显增大,磁通密度显 著减少,在磁极之间的几何中性 线处,气隙磁通密度为零。 极身 极靴 几何中性线 ? (a)气隙形状 Bx (b)气隙磁密分布 垂直电枢表面分量 ? 直流电机的空载磁场 空载时的气隙磁通密度为一 平顶波(与正弦波相比)。 Bx (b)气隙磁密分布 ? 主磁通——同时与主磁极和电枢 (定子和转子)绕组相匝链的磁 通,主要部分,进行功率传递。 漏磁通——仅与主磁极相匝链的 磁通,少量。 第二十一章 直流电机的电势、磁势和转矩 了解直流电机磁势和电枢反应。 掌握感应电势和电磁转矩的计算方法。 第一节 每根电枢绕组导体中感应电势 电枢绕组的感应电势和电磁转矩 ex ? Bx lv dx 范围内电枢绕组电势和为 dex ? Bx l v( ? N dx ? ) 2a ? N电枢绕组的总导体数,2a支路数 N v ? E ? ? de x ? ? ? lB x dx 0 2a ? 0 v ? ?Da n n ? 2 p? 60 60 2 pn ? ? 60 v ? lB dx ? ? 0 x ? 一、感应电势 支路电势:正、负电刷端的电势 Ea ? E ? N 2 pn Np ? ?? ? n? 2a 60 60 a N:总导体数 a:支路对数 Ce:电势常数 Ea ? Ce?n Ce ? Np 60 a n:电枢旋转速度(r/min) ? :每极磁通 一台制造好的电机, 它的电枢电势(V)正比于每极磁 通φ (韦伯)和转速n(r/min), 与磁密分布无关。 ?和n大小和方向可以改变 二、电磁转矩 一根导体的平均电磁力: f x ? Bx lia ia ? Ia 2a 该导体所受的电磁转矩: Da Da 2 p? Da ? Tx ? f x ? B x lia ? 2 2 Da N dTx ? ( Bx lia )?( ? dx) 2 ?Da Tem ? ? ?Da 0 dTx ? 2 p ? dTx 0 ? ? N N Ia ? 2p ia ? Bx ldx ? 2 p ? ? 0 2? 2? 2a 电磁转矩 Tem pN ? ? ? ? I a ? CT ? ? ? I a 2?a 一台制造好的电机, 它的电磁转矩正比于每极磁通 φ (韦伯)和电枢电流(A), 与磁密分布无关。 ?和I a 大小和方向可以改变 电势常数Ce和转矩常数CT决定于结构常数。 它们的关系为: CT 60 ? Ce 2? Ea ? Ce?n Tem ? CT ? ? ? I a 三、电磁功率 电枢电功率 Pem ? E a ? I a ? C e ? ? ? n ? I a 2? ? ? CT ? ? ? n ? I a ? Tem ? ? 60 机械功率 直流电动机:从电源吸收的电功率, 通过电磁感应 作用, 转换成轴上的机械功率; 直流发电机:原动机克服电磁转矩的制动作用所做的 机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的 电功率。 第二节 电枢绕组的磁势 (直流电机负载时的负载磁场) 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 势称为电枢磁动势Fa。电枢磁动势 的出现使电机的磁场发生变化。 一、电刷放在几何中性线上时的电枢 磁 动势 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。 从0度切开,压平,得下图 主磁极轴线——直轴、纵轴、d轴 极间(几何)中性线—交轴、横轴、q轴 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 Fax 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 B ax 所示。垂直电枢表面分量,进 入为正,离开为负 Fax Bax 第三节 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(称为气隙磁 场)是励磁磁场与电枢磁场共同作用的 结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为 电枢反应。 结果影响磁场的大小和形状(相位) 分直轴电枢反应和交轴电枢反应 主磁极轴线——直轴、纵轴、d轴 极间(几何)中性线—— 交轴、横轴、q轴 第三节 直流电机的电枢反应 电机带上负载后,气隙中的磁场 (称为气隙磁场)是励磁磁场与 电枢磁场共同作用的结果。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、交轴电枢反应 将主(励磁)磁场分布和电枢磁 场分布叠加,可得到负载后电机 的气隙磁场分布情况,如图(a) 所示(电刷放在几何中性线上)。 垂直电枢表面分量,进入为正 ,离开为负 第三节 直流电机的电枢反应 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 磁路饱 和时 主磁场的 磁通密度 分布曲线 ??(画错了) 第三节 直流电机的电枢反应 1)、使气隙磁场发生畸变 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 2)、物理中性线偏离几何中性线 物理中性线偏离几何中性线 ?角(发电机状态为顺转向,电动机状态为逆转向), 磁通密度的曲线与空载时不同。物理中性线:电枢表面磁通密度为零的连接线)、磁路饱和时对主磁场起交轴去磁作用 磁路不饱和时,主磁场被削弱的数量等于加强的数量,因此每极量的磁通 量不变,与空载时相同。 磁路饱和时,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。即磁路饱和且电刷放在几何中 性线上时的电枢反应起交轴去磁性质。 第三节 直流电机的电枢反应 二、直轴电枢反应(磁路饱和且电刷偏离几何中性线上时) 电刷顺转向偏移 发电机 电动机 交轴去磁和直轴去磁 交轴去磁和直轴助磁 电刷逆转向偏移 交轴去磁和直轴助磁 交轴去磁和直轴去磁

时间:2020-07-13 14:05