[工学]第二章-直流电机三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机课件.ppt
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- 工学 第二 直流电机 三相 异步电动机 运行 原理 单相 课件
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1、第二节第二节 直直流电机的铭牌数据流电机的铭牌数据第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理,讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法。第四节第四节 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场第七节第七节 直流电机的运行原理直流电机的运行原理 第八节第八节 直流电机的换向直流电机的换向第一节第一节 直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构 第二章 直流电机第六节第六节 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算 第一节 直流电机的工作原理及结构 一、直流电动机的工作原理直流电动机的
2、工作原理是建立在皮萨电磁定律的基础上的。根据实验可知,若磁场与载流导体互相垂直,作用在改导体上的电磁力为 式中 磁场的磁感应强度(Wb/m2);导体中的电流(A);导体中的有效长度(m)。由此计算出来的电磁力单位是N,其方向用左手定则确定。Bilf Bil 把电刷A、B接到直流电源上,电刷A接正极,电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。在磁场作用下,N极性下导体ab受力方向从右向左,S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时,电机转子逆时针方向旋转。原N极性下导体ab转到S极下,受力方向从左向右
3、,原S 极下导体cd转到N极下,受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位置时实际的直流电动机的电枢并非单一线圈,磁极也并非一对。二、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型,N、S为定子磁极,abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈,线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后 ,如右图。0180 可见,和电刷A接触的导体总是位于N极下,和电刷
4、B接触的导体总是位于S极下,导体ab在S极下,a点低电位,b点高电位;导体cd在N极下,c点低电位,d点高电位;电刷A极性仍为正,电刷B极性仍为负。可见,和电刷A接触的导体总是位于N极下,和电刷B接触的导体总是位于S极下,因此电刷A的极性总是正的,电刷B的极性总是负的,在电刷A、B两端可获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置,按照一定的规律连接起来,构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。二、直流电机的主要结构二、直流电机的基本结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承第二节 直流电机的铭牌
5、数据 额定值 是制造厂对各种电气设备(本章指直流电机)在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时,可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上,故又叫铭牌值。额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时,电机的输出功率,以“W”为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。对于直流发电机,PN是指输出的电功率,它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电动机,PN是指输出的机械功率,所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN 额定电压 UN 指额定状态
6、下电枢出线端的电压,以“V”为量纲单位。额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值,以“A”为量纲单位。额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速,以r/min为量纲单位。额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。第三节 直流电机的绕组 在电动机里,线圈中通过电流,产生电磁转矩,使线圈在磁场中转动,线圈中产生感应电动势,吸收电功率,实现了将电能转换为机械能。而在发电机中,线圈在磁场中转动,线圈中产生感应电动势,通过换向器及电刷向外输出,接上负载后,电流流过线圈,产生制动的电磁转矩,吸收机械功率,实现了机械能转换为电能的机电能量转换。直流机的电枢绕组嵌放在转子上,直流机
7、的转子又称为电枢。一、简单的绕组 电枢绕组中的相邻线圈的首端和末端一起焊接到一个换向片上,使所有的线圈通过换向片连接成一个整体,构成一个闭合的绕组。直流电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组,这就是直流电机电枢绕组构成的原则。直流绕组的基本知识元件:构成绕组的线圈称为绕组元件,分单匝和多匝两种。元件的首末端:每一个元件均引出两根线与换向片相连,其中一根称为首端,另一根称为末端。极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离,用 表示。pD2叠绕组:指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分,整个绕组成折叠式前进。波绕组:指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串
8、联起来,象波浪式的前进。合成节距 :连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y第一节距 :一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距 :连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。2y21yyy单叠绕组21yyy单波绕组换向节距 :同一元件首末端连接的换向片之间的距离。Cy 一般来说,直流电机每个槽中都分上层元件边和下层元件边,实际直流电机槽中上层元件边和下层元件边都不止一匝。为了便于说明问题将槽、换向片以及元件按顺序编号。编号时元件的号码、元件上层边所放槽的号码以及上层边连接的换向片的号码应编得一致。直流电机电枢绕组的基本形式有两种:一种名为单
9、叠绕组,另一种为单波绕组。单叠绕组和单波绕组如下图所示:单波绕组示意图单叠绕组示意图 单叠绕组节矩的计算:第一节矩 式中 为使 成为整数 所取的数,一般取负数。第二节矩 PZy211y112 yy1Cyy二、单叠绕组 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里,展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。绕组的并联支路电路图 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即:。1Cyy单叠绕组的的特点:1)同一主磁极下的元件串联成一条支路,主磁极数与支路数相同,a=p。2)电刷数等于主磁极数,电刷位置应使感应电动势最大,
10、电刷间电动势等于并联支路电动势。3)电枢电流等于各支路电流之和。单波绕组节矩的计算 换向节矩 第一节矩 第二节矩PZy21yPKyC112yyyC三、单波绕组 两个串联元件放在同极磁极下,空间位置相距约两个极距;沿圆周向一个方向绕一周后,其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组的并联支路图单波绕组的合成节距与换向节距相等。单波绕组的特点1)把所有的在同极下各元件串联起来组成一条支路,支路对数为1,与磁极对数无关;2)当元件的几何形状对称时,电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线,支路电动势最大;3)电刷数等于磁极数;5)电枢电流等于两条支路电流之和。4)电枢电动势等于支路感应
11、电动势;一、直流电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类,自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1、他励:直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。aIIGUUfIFaII 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同,即:第四节 直流电机的励磁方式及磁场2、并励:发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足 。faIIIfIFIGUaI3、串励:励磁绕组与电枢绕组串联。满足 。IIIfaGIaIfIFU4、复励:并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组,一个与电枢绕组串联,一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF二、直流电机
12、的空载磁场 直流电机工作中,主磁极产生主磁极磁动势,电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为 ,流过电流为 ,每极的励磁磁动势为:fNfIfffNIF 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。如右图(a)所示几何中性线极靴极身(a)气隙形状 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,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。直流电机中,
13、主磁通是主要的,它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩,而漏磁通没有这个作用,它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上,漏磁通比主磁通小得多,大约是主磁通的20%。空载时的气隙磁通密度为一平顶波,如下图(b)所示。空载时主磁极磁通的分布情况,如右图(c)所示。xB(b)气隙磁密分布 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 ,空载时,气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系,称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。000fF0fI 为了经济、合理地利用材料,一般直流电机额定运行时,额定磁通 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。NfNI0fF0
14、fIINfIA0N0三、直流电机负载时的负载磁场及电枢反应 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。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。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。电枢反应与直流电机的运行特性关系很大,对电动机来说,它影响电机的转速;对发电机来说,将直接影响到电机的端电压。另外,它对直流电机的换向也是不利的。同时,电枢磁动势的作用,除产生电枢反应之外,还与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩。对电枢发应作定性分析时,可先不计非
15、线性因素,应用叠加原理,先把电枢磁动势和电枢磁场的特性分析清楚,然后把两种磁场合起来,在考虑饱和问题。不论什么形式的电枢绕组,其各支路中的电流都是通过电刷引入或者引出的。在一个磁极下元件边中电流方向都是相同的;不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反。因此电刷是电枢表面各元件边中电流分布的分界线。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 所示。axF 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 所示。axBaxBaxFxB0 xBaxB主磁场的磁通密度分布曲线电
16、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 当励磁绕组中有励磁电流,电机带上负载后,气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。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、当电刷在几何中性线上时,将主磁场分布和电枢磁场分布叠加,可得到负载后电机的磁场分布情况,如图(a)所示。由图可知,电刷在几何中性线时的电枢反应的特点:2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。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,物理中性线偏离几何中性线 角,磁通密度的曲线与空载时不
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