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直流电机
第五篇直流电机
直流电机的基本原理和电磁关系
直流电机的工作原理和基本结构
工作原理
简单电机模型
静止(定子)的部分:
磁极N、S,电刷1(正)、2(负)。
转动(转子)的部分:
换向器(换向片A、B),线圈abcd。
直流发电机原理过程
换向器和线圈由原动机带动恒速旋转,线圈两导体切割定子磁场,感应交流电势和电流,经电刷引出,电势和电流变成直流,供给直流负载。
直流电动机原理过程
从电刷两端加直流电压和电流,经换向器变成交流,在线圈中流通的电流与定子磁场相互作用,产生恒定方向的电磁力和力矩,使转子转动,带动机械负载。
电势波形注意问题(发电机工作)
单根导体电势:
e=Blv,线圈电势为2e;
电势e波形与磁场B相似,但B是位置变量,e是时间变量。
一个线圈换向前e波形的波形有正、负半周,换向后e波形全是正半周,脉动100%。
加一个线圈和两片换向片,电刷引出电势波形的脉动减为50%。
当每极下导体个数大于8,电刷引出电势脉动<1%。
可认为是较为稳定的直流电势和电流。
基本结构
定子
作用:
产生磁场,机械支撑。
包括:
主极、换向极、电刷、机座、端盖、轴承。
主极:
由1~1.5mm钢片迭压而成,产生气隙磁场。
主极成对均匀分布。
换向极:
由1~1.5mm钢片迭压而成,改善换向。
个数同主极,安装在两极之间。
电刷:
用碳石墨制成,与换向器配合,交直流变换。
电刷装于刷握中,有弹簧压在换向器上。
机座:
铸钢或厚钢板焊接成圆形或多边形。
起保护、支撑其它部件,磁闭合通路作用。
要求机械强度导磁性。
转子
作用:
感应电势,与外界机械连接。
包括:
电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇。
电枢铁芯:
开槽0.5mm硅钢片迭成,嵌放电枢绕组和磁通路。
冲片有轴孔、轴向通风孔。
电枢绕组:
由铜线或漆包线绕制(多匝)的线圈,用于感应电势或电流通路。
换向器:
由相互绝缘的铜质换向片组合而成,起机械换接(整流)进行交直流变换。
换向片之间用云母片绝缘,换向片用燕尾形固定,围成圆筒形,升高部分焊接线圈引线。
励磁方式
他励式:
励磁电源独立于电枢绕组。
自励式:
分为并励、串励、积复励、差复励。
并励:
并励绕组与电枢绕组并联。
发电机有Ia=If+IL,电动机有I=If+Ia。
串励:
串励绕组与电枢绕组串联。
发电机有Ia=If=IL,电动机有I=If=Ia。
积复励:
有并励和串励两个励磁绕组,产生磁势方向相同。
长分接法:
发电机有Ia=Is=If+IL,电动机有I=If+Is,Is=Ia。
短分接法:
发电机有IL=Is=If+Ia,电动机有I=Is=If+Ia。
差复励:
有并励和串励两个励磁绕组,产生磁势方向相反。
永磁式:
没有励磁绕组,由永久磁铁建立励磁恒定磁场。
直流电枢绕组
一些概念
线圈边:
分上层边(实线)、下层边(虚线)。
环型闭合绕组:
一个线圈有多匝,两个引出线,所有线圈由引线相连成闭合绕组。
所有连线处接一片换向片,换向片个数等于线圈个数。
实槽Z:
实际开槽数。
虚槽Ze:
等于线圈数,每槽放C个线圈,则Ze=CZ。
第一节距y1:
一个线圈的两个线圈边所跨槽数(虚槽)。
第二节距y2:
相连两线圈,前线圈的下层边跨到后线圈的上层边(虚槽)。
合成节距y:
相连两线圈对应边的跨距(虚槽)。
y=y1+y2
单叠绕组
举例数据:
Z=20,C=1,2p=4,a=2,y1=5,y2=-4,y=1。
作图步骤:
画槽并编号,线圈编号以其上层边(实线)所在的槽编号一致。
画磁极,轴线对称,相隔极距τ=20/4=5(槽)。
画1号线圈上层边(实线),下层边(虚线)据y1=5,画在6号。
画1号线圈的相连线圈,据y2=-4,定为2号,画上层。
下层边据y1=5,画在7号。
以此类推…,画完20个线圈,右行,封闭。
线圈相连接线,分别接一个换向片,换向片编号与线圈一致。
画电刷,位置与主极轴线一致(“三线合一”)。
根据电势、电流方向定电刷正、负极性。
并联支路引线,支路数2a=2p=4。
注意事项:
线圈端部要对称,被电刷短路的线圈电势才能为零。
一个极下的线圈连成一条支路,支路数等于极数。
电刷引出总电势较小Ea=支路电势;总电流较大,等于各支路汇流Ia=2a×ia。
单波绕组
举例数据:
Z=19,C=1,2p=4,a=1,y1=5,y2=4,y=9。
作图步骤:
画槽并编号,线圈编号以其上层边(实线)所在的槽编号一致。
画磁极,轴线对称,相隔极距τ=19/4=4.75(槽)。
画1号线圈上层边(实线),下层边(虚线)据y1=5,画在6号虚线。
画1号线圈的相连线圈,据y2=4,定为10号上层。
下层边据y1=5,画在15号虚线。
以此类推…,画完19个线圈,左行,封闭。
线圈相连接线,分别接一个换向片,换向片编号与线圈一致。
画电刷,位置与主极轴线一致。
根据电势、电流方向定电刷正、负极性。
并联支路引线,支路数2a=2。
注意事项:
线圈端部要对称,被电刷短路的线圈电势才能为零。
N、S极下的线圈分别各连成一条支路,支路数等于2。
电刷引出总电势较大,Ea=(∑e)/2;总电流较小,等于2个支路汇流Ia=2×ia。
作业:
习题16-4、16-5
直流电机的磁场和电枢反应
空载磁场(主极磁场)
磁通分布
概念
主磁通Φ:
由主极产生,穿过气隙到电枢,同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通。
磁极漏磁通Φσ:
由主极产生,不穿过气隙,只与本身绕组或相邻磁极绕组交链的磁通。
每极总磁通KσΦ:
主磁通Φ和磁极漏磁通Φσ之和。
(场漏系数)
气隙磁通密度Bδ:
主极下气隙均匀,主极磁场在气隙建立的磁密为平顶波。
负载电枢磁场
电枢磁势波形:
积分法画成,三角波,最大值在交轴。
最大值计算:
设:
总导体数N,电枢直径Da,导体电流ia,电枢电流(电刷引出)Ia。
线负荷:
磁势最大值:
交轴电枢反应
电枢反应概念:
电枢磁势对主极的影响。
由于电枢磁势最大值在交轴,简称交轴电枢反应。
磁密波形分析:
知道四个中任意三个,可以确定第四个。
即:
主极极性、电流方向、发电机或电动机运行、转向。
发电机运行:
电流、极性、转向用“右手定则”。
电动机运行:
电流、极性、转向(力)用“左手定则”。
交轴电枢反应结果:
去磁
使极面下气隙磁密分布不均匀。
当发电机运行,后极尖磁场增强,前极尖磁场减弱;
当电动机运行,前极尖磁场增强,后极尖磁场减弱。
交轴电枢反应对电机运行的影响:
去磁作用,使每极磁通减小。
设去磁量为Faqd(或ΔIf),实际所加励磁为Ff(If),
则有效励磁:
Ff0=Ff-Faqd,或If0=If-ΔIf
气隙磁密畸变,各换向片之间电势大小不等,产生电位差火花,严重的出现环火。
交轴处磁密不等零,妨碍线圈电流换向。
直轴电枢反应
产生原因:
电刷偏离交轴位置。
图示分析:
电刷顺发电机转向偏离几何中心线β,对应弧长=
。
电枢反应分析:
发电机(电动机)运行时,电刷顺(逆)电机转向偏离β角,电枢反应磁势分解出直轴分量Fad呈去磁作用,交轴分量Faq呈交磁作用。
发电机(电动机)运行时,电刷逆(顺)电机转向偏离β角,电枢反应磁势分解出直轴分量Fad呈助磁作用,交轴分量Faq呈交磁作用。
磁势表达式:
磁势最大值:
计算例子:
例16-1
[例16-1]直流发电机,单波绕组,2p=4,UN=230V,IaN=84.8A,nN=1500r/min,ra=0.147Ω,Da=29.5cm,N=444匝,Nf=900匝,额定运行时,励磁电流IfN=2.85A,电枢反应电势EaN=242.5V。
当转速为额定时,测得电机的空载特性数据如下表,试求:
E0(V)
44
104
160
210
240
258
275
If0(A)
0.37
0.91
1.45
2.0
2.38
2.74
3.28
(1)电枢的线负载A;
(2)电枢在交轴时Fa;
(3)电枢反应等效去磁安匝数Faqd;
(4)电刷顺转向偏离β=8°电角度,此时的Fad和Faq。
解:
单波绕组,a=1
(1)
(2)
(3)根据额定电枢反应电势242.5V,在特性曲线240~258之间作线性插值,
求得对应的有效励磁电流:
作业:
16-9
电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式
电枢绕组的感应电势
电枢绕组的感应电势Ea指正、负电刷之间的电势,等于支路电势:
其中:
Ce为电势常数。
电压平衡方程式
励磁电流
电压平衡式
功率平衡方程式
功率流程图示意
功率方程式
电磁功率:
各种损耗概念
不变损耗:
电机转动后(转速不变),损耗就存在,且大小不变,不随负载大小而变。
机械损耗pmec----轴承、电刷、换向器等各种摩擦损、风损。
铁芯损耗pFe----电枢铁芯中的交变磁通磁滞、涡流损耗。
附加损耗pad----杂散损耗,经验数据(0.5%~1%)P2。
其中:
空载损耗p0=pmec+pFe
可变损耗:
随负载电流(电枢电流)的大小而变。
励磁铜损pf----UIf=(1%~3%)PM,他励时,单独电源,损耗不计。
电枢铜损pa----电枢电阻损耗,与电枢电流平方成正比。
电刷电损pb----2ΔUIa=2Ia,与电刷表面接触状况有关。
效率:
计算例子:
例16-2
[例16-2]长分接法积复励直流发电机,PN=20KW,UN=220V,ra=0.156Ω,rs=0.00714Ω,ΔU=1V,∑rf=78.3Ω,p0=1KW,pad不计。
试求额定负载时:
(1)各绕组的铜损;
(2)电磁功率;(3)输入功率;(4)效率?
解:
(1)额定负载运行时:
(2)电磁功率
(3)输入功率
P1=PM+p0=22238.8+1000=23238.8(W)
(4)效率
电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式
电枢绕组的电磁转矩T
电刷引出的电枢电流为Ia,导体电流(支路电流)为Ia/(2a)。
转矩平衡式
只与转轴机械功率有关,相应功率除Ω等于转矩:
作业:
习题16-2、16-10、16-11
直流发电机和直流电动机
自励发电机的电压建起
自励建压过程
电枢旋转时,因磁极剩磁→在电枢绕组产生剩磁电压→加在励磁绕组中→有微小的励磁电流→加强磁极磁场→产生更大的电枢电压→…以此返复→…至建立稳定电压。
自励建压条件
主极有剩磁,磁化曲线有饱和(弯曲)现象;
励磁接法正确,使最初微小的励磁电流产生的磁势方向与剩磁方向相同;
励磁回路的总电阻(场阻)小于对应转速的临界电阻。
直流发电机的运行特性
空载特性
定义:
在n=nN(=const.),IL=0时,U0=f(If)的曲线。
∵U0=E0=CeΦn,∴空载特性与电机的磁化曲线Φ=f(If)相似。
说明:
他励、并励绕组一样,测试相同。
串励是在主极上另一套绕组,线圈截面大,匝数少,曲线斜率小。
外特性
定义:
在n=nN(=const.),If=const.时,U=f(IL)的曲线。
电压调整率:
外特性曲线是电压随负载电流变化而变化,变化大小用电压调整率表示:
说明:
他励:
引起端电压下降的原因有:
①Ia↑→(Iara)↑
②Ia↑→电枢反应去磁作用↑→Φ↓→Ea↓
由
得,电压是下降。
并励:
引起端电压下降的原因除上面的①,②外,还有:
③U↓→If↓→Φ↓→Ea↓→U↓↓,所以,并励外特性曲线比他励要软。
串励:
IL=IS=Ia,当IL=0→IS=0→U=0,特性过原点。
由
IL↑→Ea↑和Ia(ra+rS)↑→U↑或U↓
开始,磁路未饱和,Ea↑起作用,U↑
电流较大时,磁路饱和,Ea↑有限,Ia(ra+rS)↑主导作用,可使U↓
复励:
积复励:
串励绕组的磁化方向与并励的磁化方向相同。
串励绕组的磁化作用除了补偿电枢反应的去磁作用外,还使电枢绕组中的感应电势升高,以平衡电枢回路中的电阻压降。
根据补偿这两点的情况不同,分为:
平复励----从空载到满载,刚好补偿,电压大小一样。
欠复励----从空载到满载,不够补偿,电压下降。
超复励----从空载到满载,过补偿,电压上升。
差复励:
串励绕组的磁化方向与并励的磁化方向相反,没有补偿,反而进一步去磁。
电压快速下降。
调整特性
定义:
在n=nN(=const.),U=const.时,If=f(IL)曲线。
说明:
串励If=IS=IL,没有调整特性;
并励测试调整特性,要按他励办法,特性与他励相似。
计算例子:
例17-1
[例17-1]一台并励发电机,n=1450r/min,ra=0.516Ω,ΔU=1V,IaN=40.5A,当满载时电枢反应的去磁作用相当于并励绕组励磁电流0.05A。
当转速为1000r/min,测得空载特性的数据如下,试求:
If0(A)
0.64
0.89
1.38
1.73
2.07
2.75
E0(V)
101.5
145
218
249
264
284
(1)若满载端电压为230V,问并励回路电阻为多少?
电压变化率为多少?
若每极加串励绕组5匝,可将满载电压提升至240V,保持励磁场阻不变,问每极并励绕组有几匝?
若串励绕组增至10匝,问满载端电压为多少?
解:
作业:
17-1、17-2
直流电动机的机械特性和工作特性
工作特性
转矩特性
定义:
在U=UN,If=const.时,T=f(Ia)曲线。
说明:
并励:
T=CTΦIa,励磁不变,线性;若考虑电枢反应去磁,Φ↓→T略微下倾。
串励:
由于Φ=kIa,T=CTΦIa∝Ia2,曲线快速上翘。
复励:
有串励,上翘;有并励,下倾,最后介于二者之间。
转速特性
定义:
在U=UN,If=const.时,n=f(Ia)曲线。
说明:
并励:
,特性下倾,但变化不大,特性较硬,其中n0为空载转速。
。
串励:
,
特性为双曲线。
转速随电流变化较大,
。
复励:
特性介于二者之间。
机械特性
定义:
在U=UN,If=IfN,∑ra=const.时,n=f(T)或T=f(n)曲线。
说明:
并励:
Ra=0,自然机械特性,Ra愈大,曲线下倾愈大。
并励电动机工作中,不可断开励磁回路或快减励磁电流,否则:
Φ↓≈0→Ea↓→Ia↑(
),从T=CTΦIa得:
若Φ↓>Ia↑→T↓→n↓→Ea↓→Ia↑↑→“过热损坏”
若Φ↓ 串励: ,也是双曲线,软特性。 根据特性曲线的特点,有: 串励电动机启动力矩大(n小,T大),过载能力强(T∝Ia)。 串励电动机不允许空载或轻载(一般转矩>TN/4),否则n会很大。 带负载用齿轮或连轴,不能用皮带轮。 复励: 特性介于并励和串励之间。 有串励,可以克服过载或突然增加负载; 有并励,可以避免轻载或空载运行转速过大。 永磁直流电动机 特点: 定子主极由永久磁铁制成,体积小;没有励磁损耗,效率高; 但气隙磁通密度小,且不可调;磁性受温度影响大,会退磁。 工作特性类似他励。 直流电动机的稳定运行 常用负载类型 恒转矩负载: T=const.,P∝n,如输送带、起重机、压缩机等。 平方转矩负载: T∝n2,P∝n3,如风机、水泵负载。 恒功率负载: T∝1/n,P=const.,如轧钢机、机床。 稳定运行判定 静态稳定运行的概念: 机组受干扰,工作点发生偏离,扰动消失后,能否回到原工作点,判定是否是稳定运行的工作点。 静态稳定运行,在工作点处,满足: 计算例子: 例17-2 [例17-2]有一台并励电动机,满载运行,UN=220V,IaN=40.5A,ra=0.516Ω,ΔU=1V,Fadq=100A,Nf=1350匝,∑rf=123.3Ω。 当转速nN=1000r/min,为额定时,测得电机的空载特性数据如下表,试求: E0(V) 70 100 150 172 182 196 If0(A) 0.64 0.89 1.50 1.73 2.07 2.75 CeΦ 0.07 0.10 0.15 0.172 0.182 0.196 (1)空载转速、额定转速、转速变化率。 (2)每极加串励NS=6匝时,积复励电动机时额定转速和转速变化率。 (3)差复励电动机时额定转速和转速变化率。 解: 作业: 17-6 直流电动机的起动、调速和制动 起动 起动性能: 起动转矩大;起动电流小;起动时间短;起动设备经济、可靠。 起动方法: 直接起动、电枢串变阻器起动、降电源电压起动。 其中: 直接起动适用小容量,降压起动适用他励,要有专用电源。 起动器: 起动过程: 转起动手柄接第一触点→全部电阻串入→I 运行完断电,手柄被弹簧拉回原处,便于下次起动。 调速 概述: 比较两种电动机 异步电动机: 优点: 结构简单、运行可靠、造价低。 缺点: 起动性能差、调速难、降低电网功率因数。 直流电动机: 优点: 起动性能好、调速性能好(经济、平滑、范围广)、不影响电网功率因数。 缺点: 结构复杂、可靠性差、造价高。 调速公式依据 转速: 有变磁通、变电压、变串接电阻三种调速方法。 调速方法 调节励磁电流以改变磁通Φ If↓→Φ↓→n↑,忽略Ea变化,认为n∝1/Φ∝1/If; 额定工作点磁路已饱和,从该点开始,If只能下调,不能上调; 最低转速(要If↑和Φ↑)受励磁绕组本身固有电阻及磁路饱和的限制; 最高转速(要If↓和Φ↓)受到机械强度及换向的限制。 消耗小,调速比1: 2~1: 6。 调节电枢回路串接的电阻Ra Ra↑→n↓ Ra=0,n最大,从该点开始,n只能下调; 调速过程中,消耗能量大,效率低,不经济; Ra↑→机械特性变软→n受负载影响波动大; 恒转矩,轻负载时,调速范围太小。 调节外施电源电压U U↓→n↓,n∝U 从额定工作点开始,U一般要下调,n下降,U反向,n也反向; 可以用于降压起动 调速消耗小,范围广,1: 24以上; 要专用设备,投资大。 制动 直流电动机“电动”时: T驱动电机转动,T与n同向; 直流电动机“制动”时: T反向,n受惯性不变,则T与n方向相反。 能耗制动 电动: 制动: 特点: 耗能(机组动能消耗在电阻R中)、操作简便、低速制动力矩小。 回馈制动 电动: 制动: 特点: 节能(电功率回馈电网)、制动作用仅限于限制n的增加。 反接制动 电动: 制动: 特点: 耗能(机组动能消耗在电阻R中)、制动力矩大、制动到零时要迅速切断电源。 计算例子: 例17-3 [例17-3]积复励直流电动机,UN=220V,IaN=22A,rf=121Ω,ra=0.954Ω,△U=1V,Nf=1530(匝),NS=25,Fadq=200(安匝),在他励状态下,测定n=500(r/min)时的磁化曲线如下,试求: If0(A) 0.29 0.46 0.63 0.80 1.34 1.87 2.86 E0(V)(当n=500) 39.4 59.2 79.0 98.6 138.0 157.6 177.4 CeΦ(当n=750或500) 0.0788 0.118 0.158 0.197 0.276 0.315 0.355 E0(V)(当n=750) 59.1 88.8 118.5 147.9 207 236.4 266.1 (1)变励磁调速: 为使nN=750r/min,励磁串电阻Rf=? 此时的T,n0 (2)变电枢串接电阻调速: 电枢串电阻Ra=1Ω,此时的nN,n0,P1,pR 解: 满载时电势: 直流电机的换向和改善换向的方法
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