《第19章直流电机的运行原理-副本》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第19章直流电机的运行原理-副本（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录,第一节,1,2,第二节,3,第三节,4,第四节,5,第五节,第19章 直流电机的运行原理,19.1 直流电机的电枢绕组,按联结方法，可分为： 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。 区别在于电枢绕组的并联支路数不同。,电枢绕组产生感应电动势，通过电流，从而产生电磁转矩和电磁功率，是实现机电能量转换的重要部件。,3.5 直流电机的电枢绕组,鼓形电枢绕组,直流电机的电枢绕组,电枢绕组由结构相同的线圈组成，可以是单匝或多匝的。 线圈由线圈边和线圈端部组成，有首端和末端，首、末端分别与不同的换向片联结。,每个槽内放置两层线圈边。 线圈的一个线圈边放在槽的上层，称为上层边；另一线圈边
2、放在另一槽的下层，称为下层边。,直流电机的电枢绕组,每个槽内放置两个线圈边，电枢槽数 Q 等于线圈数 S 。,实际电机中，常在槽的上、下层放置多个线圈边。 用虚槽来描述，如果每个实槽中有u个虚槽，则虚槽数与实槽数的关系为QuuQ 。,直流电机的电枢绕组,线圈间通过换向片相互联结，同一换向片既联一个线圈的首端，又联另一线圈的末端，换向片数 K 等于线圈数 S 。,虚槽数、线圈数和换向片数的关系为 Qu S K 。,节距：表示相关的两个线圈边之间的距离，用虚槽数或换向片数表示。,直流电机的电枢绕组,第一节距 y1 ：一个线圈的两个线圈边在电枢圆周表面上跨过的距离。,为使线圈的感应电动势最大，y1应
3、接近极距p 。,整距线圈：y1p 短距线圈：y1p 长距线圈：y1p,直流电机的电枢绕组,第二节距 y2 ：一个线圈的下层边和与其串联的另一线圈的上层边间的距离。,合成节距 y ：两个串联的线圈的对应边的距离。,（代数和）,单叠绕组,单波绕组,直流电机的电枢绕组,换向片节距 yK ：一个线圈的首、末端在换向器表面跨过的距离，用换向片数表示。 yK y 。,单叠绕组,单波绕组,单叠绕组：yK1 ；单波绕组：yK2p 。,单叠绕组,单叠绕组的联结规律,以 2p4，QuSK16 的直流电机为例。,合成节距 y 为正表示右行，负表示左行。 绕组可用右行，也可用左行，通常采用右行。,单叠绕组,绕组展开图
4、,电枢在旋转，取某一时刻，磁极在上面。 电动势方向。 电刷的位置（磁极中心线下）。,实线表示上层边，虚线表示下层边。,几何中性线：相邻两个主极间的中心线。,单叠绕组,单叠绕组的并联支路图,绕组并联支路数2a等于电机的极数，即,电刷数应与极数相同，称为全额电刷。,单叠绕组自成一个闭合回路。,N,S,电枢绕组展开图,换向器由彼此绝缘的换向片构成； 换向片与电枢绕组保持相对静止，电刷与主磁极保持静止； 电刷放在主磁极中心线下的换向片上。,N,N,N,N,N,N,S,S,S,S,S,S,单波绕组,单波绕组的联结规律,经过p对极后，应与换向片1相邻，即,、号分别表示右、左行。左行端部稍短，常被采用。,y
5、1 接近极距p 。,整数,单波绕组,单波绕组的联结规律,以2p4，QuSK15 的直流电机为例。,采用左行绕组。,整数,单波绕组,绕组展开图,单波绕组,并联支路图,电刷数通常与极数相同（全额电刷）。,绕组并联支路数2a2，即 。,单波绕组自成一个闭合回路。,19.2 直流电机的磁场和电枢反应,1. 直流电机的励磁方式,大多数直流电机都采用励磁绕组通以直流励磁电流的方式来建立气隙磁场（此外还有采用永磁体建立气隙磁场的永磁直流电机）。 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。 直流电机在不同的励磁方式下，运行特性会有明显的差别。 按励磁方式分类是直流电机的一种主要分类方法。,直流电机的励磁方式,以直流电动
6、机为例。,他励,Ia I,并励,串励,复励,IIaUfIf,IIa,Ia ：电枢电流， I ：输入电流,IIaIf,直流电机空载磁场分布图 （只有励磁磁场）,二、直流电机的空载磁场,1) 主磁通 当励磁绕组通电流时，产生的磁通大部分由N极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭(电枢磁轭)，到S极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的S极，再经机座(定子磁轭)形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。,漏磁通 另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回
7、路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以表示。漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。,若不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度，即有B1/。主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。,气隙磁密分布波形,2) 直流电机的空载磁化特性 直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通，当励磁绕组的
8、匝数Wf一定时，每极磁通的大小主要决定于励磁电流If。 空载时每极磁通0与空载励磁电流If (或空载励磁磁势)称为电机的空载磁化特性。,由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的B-H曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性 较大时也出现饱和，如图所示。为充分利用铁磁材料，又不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分(图中A点附近)。,图 直流电机铁心空载磁化曲线,直流电机空载时的磁场,直流电机空载时（Ia0）的气隙磁场仅由励磁电流If 产生的励磁磁动势Ff 建立。,磁动势Ff 产生的磁场,2. 直流电机负载时的气隙磁场,主要分
9、析电枢绕组流过负载电流时产生的电枢磁动势及其作用。 电枢磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产生影响，称为电枢反应。 电枢反应对气隙磁通密度的大小、分布、电机的换向、运行性能都有影响。,电枢磁动势的空间分布,“电刷位于几何中性线” 通过换向片被电刷短路的整距线圈的线圈边位于几何中性线处。 画示意图时，通常省略换向片，把电刷直接画在几何中性线处，与被短路的线圈边直接接触。 通常将这种情况称为“电刷位于几何中性线”。,此时电刷的实际位置仍在主极中心线,电枢磁动势的空间分布,电刷位于几何中心线时,每极电枢磁动势最大值为,Fa使几何中性线处的气隙磁通密度不为零。,电枢磁动势的空间分布,电刷是电枢电流的分界线
10、。 以主极中心线为直轴（d 轴），以几何中性线为交轴（q 轴）。,电枢磁动势Fa及其产生的磁场的空间位置不动，轴线在交轴处。,交轴 （q 轴）,直轴 （d 轴）,电刷位于几何中心线时,电枢磁动势的空间分布,电刷位于几何中心线时,规定磁动势及磁通密度的参考方向：出电枢、进磁极为正。,每极下导体数为 z /2p ， 导体电流为 iaIa /2a 。,电负荷A ：电枢圆周单位长度上的安培导体数，,电枢磁动势的空间分布,电刷不位于几何中心线时,电枢磁动势可分解为两个分量：直轴、交轴磁动势。,电刷偏离,直轴电枢磁动势,交轴电枢磁动势,直轴电枢反应,交轴电枢反应,使磁场的零点偏移； 不饱和时，每极磁通量不
11、变； 饱和时，每极磁通量会减少。,电枢反应,交轴电枢反应,使磁场畸变，几何中心线处的气隙磁通密度不为零。 不饱和时，气隙每极磁通量不变。 饱和时，每极磁通量略有减小，有去磁作用。,直轴电枢反应,有增磁或去磁作用。,直流电机负载时气隙磁密波形,有限元方法计算的直流电机负载时气隙磁场的分布,19.3 直流电机的换向,直流电机电枢旋转时，构成电枢绕组的各线圈，依次从一条支路经由电刷短路后转入电流方向相反的另一条支路。这种电流方向的改变称为换向。,开始换向,换向过程中,换向结束,直流电机的换向,换向性能是直流电机运行品质的重要指标。 换向不好会在电刷与换向片间产生有害的火花。 当火花超过一定限度时，会
12、加剧电刷和换向器的磨损，可能损坏电刷和换向器表面，甚至产生环火，使电机不能正常运行甚至损坏。 产生换向火花的原因有多方面，受电磁、机械、电刷材质、电化学、电热以及环境等多种因素影响。,直流电机的换向,改善换向的方法,在几何中性线处安装换向极（最有效的方法）。 采用补偿绕组。 选用合适的电刷。,换向极,19.3 直流电机的换向,换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换向的因素以及产生电火花的原因，进而采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。,一、换向的过程,直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经
13、过固定不动的电刷短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向。,一、换向的过程,图是电机中一元件K的换向过程，设bS为电刷的宽度，一般等于一个换向片bK的宽度，电枢以恒速Va从左向右移动，TK为换向周期，S1、S2分别是电刷与换向片1、2的接触面积。 (1) 换向开始瞬时(图(a)所示)，t =0，电刷完全与换向片2接触，S1=0，S2为最大，换向元件K位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件K中流的电流i=+ia，由相邻两条支路而来的电流为2ia，经换向片2流入电刷。 (2) 在换向过程中(图(b)所示)，t =TK/2，电枢转到电刷与换向片1、2各接触一部分，换向元件
14、K被电刷短路，按设计希望此时K中的电流i=0，由相邻两条支路而来的电流为2ia，经换向片1、2流入电刷。,(3) 换向结束瞬时，(图(c)所示)，t=TK，电枢转到电刷完全与换向片1接触，S1为最大，S2=0，换向元件K位于电刷右边，属于右侧支路元件之一，K中流过的电流i=-ia，相邻两条支路电流2ia经换向片1流入电刷。 随着电机的运行，每个元件轮流经历换向过程，周而复始，连续进行。,(a) 换向开始瞬时 (b) 换向过程中某一瞬时 (c) 换向结束瞬时,3.10 直流电机的换向,二、影响换向的因素,影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。机械方面可通过改善加工
15、工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向元件K中，附加电流iK的出现而造成的，下面分析产生iK的原因。,1. 理想换向(直线换向),换向过程所经过的时间(即换向周期TK)极短，只有几毫秒，如果换向过程中，换向元件K中没有附加其它的电动势，则换向元件K的电流i均匀地从+ia变化到-ia(+ia0-ia)，如图1.29曲线1所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。,2. 延迟换向,电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素电磁因素的存在，使得换向不能达到理想，而出现了延迟换向，引起火花。电磁因素的影响有电抗电动势以及电枢反应电动势两种情况。,3.10 直流电机的换向,二
16、、影响换向的因素,影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。机械方面可通过改善加工工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向元件K中，附加电流iK的出现而造成的，下面分析产生iK的原因。,1. 理想换向(直线换向),换向过程所经过的时间(即换向周期TK)极短，只有几毫秒，如果换向过程中，换向元件K中没有附加其它的电动势，则换向元件K的电流i均匀地从+ia变化到-ia(+ia0-ia)，如图1.29曲线1所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。,2. 延迟换向,电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素电磁因素的存在，使得换向不能达到理想，而
