第4章 直流电机 《电机与拖动基础及MATLAB仿真》课件.ppt
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,电机与拖动基础及MATLAB仿真陈亚爱周京华编著李正熙主审,Page2,本课程的章节和内容,绪论第1章变压器第2章三相交流电动机第3章三相交流电动机的电力拖动第4章直流电机第5章直流电动机的电力拖动第6章驱动和控制微电机第7章电动机容量的选择,Page3,第4章直流电机,本章内容,4.1直流电机工作原理,4.2直流电机的磁场,4.3直流电机的基本方程,4.4直流发电机的运行特性与试验测试,4.5直流电动机的工作特性与试验测试,4.6直流电机的换向,4.7实例(应用),4.8直流电机性能的仿真,Page4,本章教学基本要求,1.了解直流电机主要结构和励磁方式,注意换向器和电刷的作用,掌握其额定值。
2.熟悉直流电机的基本工作原理,理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义,掌握其计算方法。
3.掌握直流电机的基本平衡方程和功率流程,以及不同励磁方式的工作特性。
4.了解电枢反应对换向的影响和改善换向措施。
Page5,本章教学基本要求,直流电机的基本平衡方程和工作特性。
重点:
直流电机的换向。
难点:
Page6,Page7,提问,什么是直流电机?
有什么作用?
作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设备。
把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机,把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。
直流电机是将直流电能转换为机械能或将机械能转换为直流电能的一种装置。
直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的,变化的磁场在导体中要感应电动势是发电机工作的基本原理,图4-1所示为简单直流发电机模型。
Page8,4.1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,给励磁绕组通入直流电,将在固定的主磁极呈现上为N极、下为S极。
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。
其特点:
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
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