《电机与拖动基础 第2版 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第03章－直流电机原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与拖动基础 第2版 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第03章－直流电机原理（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-1-,第三章 直流电机原理,电机与拖动基础（第2版）,第一节 直流电机的基本原理和结构,第二节 直流电机的电枢绕组和磁场,第三节 电枢绕组感应电动势和电磁转矩,第四节 直流电机的基本方程和工作特性,-2-,引 言 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之则称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，起、 制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场合。本章主要介绍直流电机的基本结构和工作原理、电枢绕组的基本结构和磁场，以及直流电动机的基本方程和工作特性。,第三章 直流电机原理,-3-,第三章 直
2、流电机原理,第一节 直流电机的基本原理和结构 一、直流电机的基本原理 根据第一章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化模型，如图3-1所示。,-4-,1. 直流电动机的工作原理 励磁线圈通入直流电流，产生直轴（d轴）方向的主极磁通，称为主磁场。交轴（q轴）方向上的一对电刷将电枢线圈分为上下两部分，电枢线圈按照一定的联接方式组成电枢绕组。当直流电源通过电刷向电枢绕组供电时，电枢表面的左半部分导体（即N极下）可以流过相同方向的电流，根据左手定则导体将受到逆时针方法的力矩作用；电枢表面的右半部分导体（即S极下）也流过相同方向的电流，同样根据左手定则导体也将受到逆时针方法的力矩作用。这样，整个电枢
3、绕组即转子将按逆时针旋转，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。,第三章 直流电机原理,-5-,第三章 直流电机原理,2. 直流发电机的工作原理 根据电机的可逆原理，在图3-1所示的直流电机模型中，励磁线圈仍通入直流电流，产生主极磁通。 电枢上不外加直流电压，而用原动机拖动电枢恒速旋转， 使电枢线圈切割磁力线而产生感应电动势，电动势的方向由右手定则确定。 由于电枢连续的旋转，电枢绕组的每个线圈边交替地切割N极和S极下的磁力线，产生交变得感应电动势。 再通过换向器的作用，使得在上下两个电刷端输出的电动势为为一个方向相同的脉动电动势， 比如， 从电刷A总是输出切割N极磁力线的线圈边所产生的正
4、向电动势，从电刷B总是输出切割S极磁力线的线圈边所产生的负向电动势， 这样，电刷A始终为正极性，而电刷B始终为负极性。因此，虽然线圈切割不同极性磁极所产生的感应电动势是交变的， 但通过换向 器的作用，在电刷两端却输出直流电压。,-6-,二、直流电机的基本结构 直流电动机和直流发电机在主要结构上基本相同，常用的中小型直流电动机结构如图3-2所示。直流电动机主要由定子、转子，电刷装置、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。,第三章 直流电机原理,-7-,1. 定子 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面结构示意图如图3-3所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机的机械支架。,第三章 直流电
5、机原理,-8-,2. 转子 转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，如图3-4所示。它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。,第三章 直流电机原理,-9-,第二节 直流电机的电枢绕组和磁场 一、直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能转换的核心部件。在实际的直流电机中，为增加电机的感应电动势和电磁转矩其电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈， 这些线圈按一定规律与换向器联接起来， 组成电枢绕组。,第三章 直流电机原理,-10-,第三章 直流电机原理,电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图3-5所示。元件依次
6、嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图3-6所示。,-11-,第三章 直流电机原理,按照元件首尾端与换向片联接规律的不同，电枢绕组可分为叠绕组和波绕组，叠绕组又有单叠和复叠之分，波绕组也有单波和复波之分。单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式。,-12-,二、直流电机的磁场 1. 空载磁场 直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功率输出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。,第三章 直流电机原理,-13-,主磁通0 的大小决定于励磁磁动势Ff 、磁路各段几何尺寸和选用的材料性质。在磁路尺寸和材料已定的情况下，0 与Ff 满足图
7、3-9所示的 0 = f（Ff ）关系曲线。若励磁绕组匝数一定，磁动势Ff 便与励磁电流If 成正比，使 0 = f（Ff ）= f（If ），称为磁化曲线。,第三章 直流电机原理,磁化曲线表明，电机中磁通增大时，磁通与磁动势成线性正比，但当磁通达到一定数值时，磁通增长缓慢，呈饱和趋势，随着磁动势继续增加，磁通趋于平直。一般电机空载时，电机的磁场处于磁化曲线浅饱和区的a点。,-14-,2. 电枢反应 直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢
8、反应。 首先分析电枢磁场的单独分布。 由于电枢绕组中各支路电流是经电刷与外电路连接的， 电枢表面的磁场分布与电刷分布有关。电刷是电枢表面电流分布的分界线，如图3-10a所示，根据右手螺旋定则，其磁通分布和磁密分布曲线展开如图3-10b所示。如电枢元件在电枢表面的分布是均匀的， 则电枢磁动势在主磁极中央为零，在两磁极的中间为最大。 两磁极中间的气隙磁阻大，使磁通最大点出现在主磁极两端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。,第三章 直流电机原理,-15-,第三章 直流电机原理,-16-,直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈
9、现不均匀分布，出现了电枢反应。,第三章 直流电机原理,-17-,三、直流电机的励磁方式 在直流电机中，由定子励磁线圈通电所产生的主磁场称为励磁磁场。不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按励磁绕组的供电方式不同，可把直流电机分成下列四种：,第三章 直流电机原理,-18-,第三节 电枢绕组感应电动势和电磁转矩 在直流电机运行时，电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，同时电枢绕组中有电流便会受电磁力的作用。下面讨论感应电动势和电磁转矩的计算公式。 一、电枢绕组感应电动势 电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生的感应电动势，如图3-13所示，电刷间感应电动势波形如同一个交
10、流正弦电压经过整流以后的波形，这说明直流电机电枢上产生的是交流电，经过电刷换向后才输出直流电。,第三章 直流电机原理,-19-,第三章 直流电机原理,这里，直流电机运转时在电刷间产生的平均感应电动势为,由式（1-35）电机产生的感应电动势为,（3-1）,由电枢转动的机械角速度与感应电动势角频率e 的关系,（3-2）,（3-3）,-20-,式（3-1）表示的直流电机感应电动势可写成,第三章 直流电机原理,由于电枢绕组的匝数N与电枢总有效边数Z以及支路对数a的关系为 N = Z/4a，,（3-4）,令 为电动势常数，那么就得到直流电机的电枢电动势计算公式,（3-5）,-21-,第三章 直流电机原理
11、,二、电磁转矩 这里利用第一章推导的一般电机电磁转矩方程式（1-44）来计算直流电机的电磁转矩。从直流电机的基本结构可以看出，它是一种定子绕组为凸极的电机，现假定其满足以下条件： 1）可以忽略各种饱和与非线性； 2）电刷的位置在几何中心线上，即 r = 90，并忽略电刷宽度； 3）忽略磁动势的空间谐波； 4）电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽； 如图3-1所示的直流电机，在定子绕组中通以直流励磁电流If ，产生恒定的磁通，这时sr = ，由电枢绕组产生的每极磁动势Fa 波形如图3-14所示，其幅值为,-22-,对电枢磁动势Fa 进行傅里叶变换，其正弦基波分量的幅值Fa1为,第三章 直流电机
12、原理,-23-,将上述各变量的关系代入式（1-44），得,第三章 直流电机原理,令 为转矩常数，则可得直流电机电磁转矩计算公式,（3-6）,另外，根据比-萨电磁力定律，计算直流电机电枢绕组元件边在磁场中的受力，也可推导出与式（3-6）同样的电磁转矩方程，这方面的内容可参阅教材有关的内容。,-24-,第四节 直流电机的基本方程和工作特性 直流电机的运行情况可以用基本方程来研究。直流电机可为发电机运行和电动机运行。当直流电机由外动力拖动，在电枢转轴上输入机械能，电枢感应出电动势，并经电刷转换输出直流电能向负载供电，感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运行。当直流电机电枢输入直流电源电压，此电压经
13、电刷转换流入电枢绕组， 电枢受电磁转矩作用， 在转轴输出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于电枢电压，则电机作电动机运行。本节给出直流电机稳态运行时的基本方程和工作特性。,第三章 直流电机原理,-25-,一、直流电动机 在列写直流电动机的基本方程之前，先规定相关物理量的参考正方向，若各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，其值为正，反之为负。,第三章 直流电机原理,-26-,1. 电压方程 (1) 他励直流电动机 他励式直流电动机的励磁线圈采用单独电源供电,第三章 直流电机原理,直流电动机的电枢回路电源电压Ua，电枢绕组的电阻Rw ，正、负电刷的接触电压降为2Ub ，由基尔霍夫电压定律
14、可列出电枢回路方程,（3-7）,（3-8）,式中 Ra 包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻 Ea 直流电机感应电动势,（3-9）,-27-,(2)并励直流电动机 如图3-12b所示，电动机采用并励方式时， 励磁绕组与电枢回路并联， 共用一个电源，电枢回路的电压方程与他励时相同，并有,第三章 直流电机原理,（3-10）,（3-11）,(3) 串励直流电动机 如图3-12c所示，电动机采用串励方式时，励磁绕组与电枢回路串联，再与电源连接，此时,（3-12）,（3-13）,-28-,2. 转矩方程 直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态，此时，电枢产生电磁转矩Te ，其方向如图3-16所示，为逆
15、时针转动，与电动机空载转矩T0 和电动机的轴上负载转矩TL 相反。当电机稳态运行时，应有Te与T0、TL相平衡。这样，按图3-15中正方向的约定，可写出电动机的转矩方程,第三章 直流电机原理,（3-12）,3. 功率方程 励磁回路输入的电功率,（3-13）,-29-,电枢回路输入的电功率,第三章 直流电机原理,（3-16）,式中 pCua = RaIa2 电枢回路的铜耗； Pem =EaIa 电机的电磁功率，且有,（3-17）,由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式,（3-18）,-30-,由此可见，电枢的电磁功率用于克服电枢轴上的机械负载转矩，实现机电能量的转换。在转矩平衡方程（3-14）两边乘以转速 ，可得,第三章 直流电机原理,（3-19）,式中 PL 电机的机械负载功率； p0 电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗pm和 铁心损耗pFe 。 上式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。他励直流电动机电动运行时的功率关系如图3-16所示。,-31-,第三章 直流电机原理,此时，电动机的输入电功率
