[工學]第二章-直流電機三相異步電動機的運行原理及單相異步電動機課件

1、第二節(jié) 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)第三節(jié) 直流電機的繞組 本章主要討論直流電機的基本結構和工作原理，討論直流電機的磁場分布、感應電動勢、電磁轉矩、電樞反應及影響、換向及改善換向方法。第四節(jié) 直流電機的勵磁方式及磁場第七節(jié) 直流電機的運行原理 第八節(jié) 直流電機的換向第一節(jié) 直流電機的工作原理和基本結構 第二章 直流電機第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉矩的計算 第一節(jié) 直流電機的工作原理及結構一、直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理是建立在皮薩電磁定律的基礎上的。根據(jù)實驗可知，若磁場與載流導體互相垂直，作用在改導體上的電磁力為 式中 磁場的磁感應強度（Wb/m2）； 導體中的電流（A）； 導體中的有效長度

2、（m）。由此計算出來的電磁力單位是N，其方向用左手定則確定。 把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。如右圖。 直流電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械。 在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S 極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。原N極性下導體ab轉到S極下，受力方向從左向右，原S 極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉。 當電樞旋轉到右圖所示位置時實際的直流電動機的電樞并非

3、單一線圈，磁極也并非一對。二、直流發(fā)電機工作原理 右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。 當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉 后 ，如右圖。 可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電刷B接觸的導體總是位于S極下， 導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。 可見，和電刷A接觸的導體總是位于N極下，和電

4、刷B接觸的導體總是位于S極下，因此電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。 實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉多對。二、直流電機的主要結構二、 直流電機的基本結構主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉子電樞鐵心電樞繞組換向器轉軸軸承第二節(jié) 直流電機的銘牌數(shù)據(jù) 額定值 是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶

5、進行產品設計或試驗的依據(jù)。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。額定功率 PN指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以 “W” 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PNUNIN 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率N存在。PNUNINN 額定電壓 UN指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。 額定電流 IN指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉速 nN指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以r/min為

6、量綱單位。 額定勵磁電流 If指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。 第三節(jié) 直流電機的繞組在電動機里，線圈中通過電流，產生電磁轉矩，使線圈在磁場中轉動，線圈中產生感應電動勢，吸收電功率，實現(xiàn)了將電能轉換為機械能。而在發(fā)電機中，線圈在磁場中轉動，線圈中產生感應電動勢，通過換向器及電刷向外輸出，接上負載后，電流流過線圈，產生制動的電磁轉矩，吸收機械功率，實現(xiàn)了機械能轉換為電能的機電能量轉換。直流機的電樞繞組嵌放在轉子上，直流機的轉子又稱為電樞。一、簡單的繞組電樞繞組中的相鄰線圈的首端和末端一起焊接到一個換向片上，使所有的線圈通過換向片連接成一個整體，構成一個閉合的繞組。直流電機電樞繞組是一個通過換向片

7、連接起來的閉合繞組，這就是直流電機電樞繞組構成的原則。直流繞組的基本知識元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。合成節(jié)距 ：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。第一節(jié)距 ：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。第二節(jié)距 ：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的

8、下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。單疊繞組單波繞組換向節(jié)距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。一般來說，直流電機每個槽中都分上層元件邊和下層元件邊，實際直流電機槽中上層元件邊和下層元件邊都不止一匝。為了便于說明問題將槽、換向片以及元件按順序編號。編號時元件的號碼、元件上層邊所放槽的號碼以及上層邊連接的換向片的號碼應編得一致。直流電機電樞繞組的基本形式有兩種：一種名為單疊繞組，另一種為單波繞組。單疊繞組和單波繞組如下圖所示：單波繞組示意圖單疊繞組示意圖單疊繞組節(jié)矩的計算：第一節(jié)矩式中 為使 成為整數(shù) 所取的數(shù)，一般取負數(shù)。第二節(jié)矩 二、單疊繞組 單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組

9、的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關系。繞組的并聯(lián)支路電路圖 單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即： 。單疊繞組的的特點：1） 同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同，a=p。2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。3）電樞電流等于各支路電流之和。單波繞組節(jié)矩的計算換向節(jié)矩第一節(jié)矩第二節(jié)矩三、單波繞組 兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。單波繞組的并聯(lián)支路

10、圖單波繞組的合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。單波繞組的特點1）把所有的在同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對數(shù)為1，與磁極對數(shù)無關；2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；5）電樞電流等于兩條支路電流之和。4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；一、直流電機的勵磁方式 供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復勵三種方式。1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。 他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：第四節(jié) 直流電機的勵磁方式及磁場2、并勵：發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組

11、并聯(lián)。且滿足 。3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足 。4、復勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。二、直流電機的空載磁場 直流電機工作中，主磁極產生主磁極磁動勢，電樞電流產生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為 電樞反應。 右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為 ，流過電流為 ，每極的勵磁磁動勢為： 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。 如右圖 (a) 所示幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀 磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密

12、度較大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減?。粯O尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。 直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。 空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b) 所示。 空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c) 所示。（b）氣隙磁密分布 為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通 ，空載時，氣隙磁通 與空載磁動勢 或空載勵磁電流 的關系，稱為直流電機的空載磁化特

13、性。如右圖所示。 為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通 設定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。三、 直流電機負載時的負載磁場及電樞反應 直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。 假設勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。電樞反應與直流電機的運行特性關系很大，對電動機來說，它影響電機的轉速；對發(fā)電機來說，將直接影響到電機的端電壓。另外，它對直流電機的換向也是不利

14、的。同時，電樞磁動勢的作用，除產生電樞反應之外，還與氣隙磁場相互作用而產生電磁轉矩。對電樞發(fā)應作定性分析時，可先不計非線性因素，應用疊加原理，先把電樞磁動勢和電樞磁場的特性分析清楚，然后把兩種磁場合起來，在考慮飽和問題。不論什么形式的電樞繞組，其各支路中的電流都是通過電刷引入或者引出的。在一個磁極下元件邊中電流方向都是相同的；不同極性的磁極下元件邊中電流方向總是相反。因此電刷是電樞表面各元件邊中電流分布的分界線。 如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 所示。 由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁

15、動勢產生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中 所示。主磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線 當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與電刷的位置有關。1、當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點： 2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一

16、半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時不同。 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為交軸去磁性質。第六節(jié) 直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩產生:電樞旋轉時,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。直流電機無論作為電動機運行還是作發(fā)電機運行，電樞內部都感應產生電動勢一、感應電動勢的計算 如書P37所示：當元件軸線從某一主極軸線位置轉到相鄰主極軸線位置時

17、，電樞所轉過的電角度為，而與元件交鏈的磁通由變到。當以電角度為單位的電樞角速度為，這個過程經歷的時間為根據(jù)電磁感應定律一個匝數(shù)為 的元件中感應電動勢的平均值為：每條支路串聯(lián)的元件數(shù)是 ，支路電動勢的平均值為繞組的全部有效導體數(shù)是 ，所以對已制成的電機， 是一個常數(shù)。如果不計飽和影響，磁通 與勵磁電流 的關系可表示為這樣，感應電動勢的計算公式可表示為式中 為機械角速度設氣隙中某處的徑向磁密為 ，元件匝數(shù)為 ，元件邊的有效長度為 ，元件中的電流為 。元件邊所受的切線方向的電磁力為性質: 發(fā)電機電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機反電勢(與電樞電流反方向).二、直流電機的電磁轉矩當電樞直徑為 ，則

18、電磁力 產生的電磁轉矩為若元件數(shù)為 ，則電樞表面 段上共有元件邊數(shù)為 ， 段電流所產生的電磁轉矩為：繞組的全部有效導體數(shù)為 ，電樞總電流為 。則一個極距內導線電流所產生的電磁轉矩為如不計飽和的影響，電磁轉矩的計算公式也可以表示為：式中 此式表明電磁轉矩 的大小與每極磁通 和電樞電流 的乘積成正比。從以上各式可得出：從電磁角度看，電動機（或發(fā)電機）通過電磁感應作用，從電源吸取（或發(fā)出）電磁功率 ，從機械的角度來看，在電動機中， 為電動機克服電磁制動轉矩所需輸入電機的機械功率。所以無論是電動機還是發(fā)電機，其能量轉換過程中，電功率轉換為機械功率或機械功率轉換為電功率的這部分功率為 或 ，故稱這部分電

19、功率為電磁功率。性質: 發(fā)電機制動(與轉速方向相反)； 電動機驅動(與轉速方向相同)。一、直流電機的基本方程 第七節(jié) 直流電機的運行原理 （一）電動勢平衡方程式（電動機）不計直流電機磁路的飽和效應，將定轉子的一些參數(shù)視為常數(shù)根據(jù)基爾霍夫定律，可列出并勵電動機電樞回路的電動勢平衡方程式： （231） 式中 電源電壓； 電樞繞組的端電壓； 勵磁繞組上的端電壓； 電樞電流； 勵磁電流； 電樞回路電阻； 勵磁回路的電阻； 電樞回路的自感系數(shù)； 勵磁回路的自感系數(shù)； 電動機的機械角速度。（232）若電機穩(wěn)態(tài)運行，則（231）、（232）可變?yōu)槿綦姍C作為發(fā)電機運行時，方程式變?yōu)椋核苑€(wěn)態(tài)運行時，電動勢平衡

20、方程式為（二）轉矩平衡方程電動機的轉矩平衡方程式（電動機）為穩(wěn)態(tài)時即電動機（轉速不變）時則有：在發(fā)電機中原動機的拖動轉矩為 ,其轉矩平衡方程式為穩(wěn)態(tài)時，電動機的電功率平衡關系式而電磁功率 中，其中一部分為鐵心損耗 和機械損耗 ，還有一些附加損耗 ，我們令 ，稱為空載損耗。所以電動機中機械功率的平衡關系式為對于并勵發(fā)電機，可得功率平衡關系為又因為所以并勵發(fā)電機轉矩平衡方程為電動勢方程式如圖規(guī)定各物理量的參考方向直流電動機的基本方程如下：二、直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性是指其端電壓 （額定電壓）；電樞回路中無外加電阻；勵磁電流 （額定勵磁電流）時，電動機的轉速 、電磁轉矩 和效率 三者

21、與輸出功率 之間的關系（1）、轉速特性定義：當 、 時，由方程式可得 忽略電樞反應的去磁作用，轉速與負載電流按線性關系變化。如圖所示。（2）、轉矩特性定義：當 、 時，轉矩表達式 考慮電樞反應的作用，轉矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。1.并勵直流電動機的工作特性（3）、效率特性定義：當 、 時，由方程式可得 空載損耗為不變損耗，不隨負載電流變化，當負載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負載電流增大，效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此時效率又變小。如圖所示。對于直流并勵電動機，由于勵磁電壓是不變的，所以氣隙磁通基本不變

22、，又由于并勵直流電動機的轉速變化很小，所以勵磁損耗、鐵心損耗以及機械損耗都可認為不變，效率與電流成二次曲線關系，當不變損耗等于可變損耗時，效率有最大值。2.串勵直流電動機的工作特性 當負載電流較小時，電機磁路不飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關系。即：轉速特性轉矩特性 當負載電流較大時，磁路飽和，串勵電動機的工作特性與他勵電動機相同。曲線如圖所示。 當負載電流為零時，電機轉速趨于無窮大，所以串勵電動機不宜輕載或空載運行。3.復勵電動機的工作特性復勵電動機的轉速特性如書P47頁圖241所示三、 直流發(fā)電機的特性如圖規(guī)定各物理量的參考方向1、電樞電動勢和電動勢平衡方程 為電樞回路總電阻， 為正負

23、電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動勢平衡方程為：電樞電動勢：從方程式可見，直流發(fā)電機（一）空載運行 （他勵發(fā)電機的運行特性）定義： ，勵磁繞組端加上勵磁電壓 ，調節(jié)勵磁電流 ，使發(fā)電機空載端電壓 ，然后再使 逐步降回到零測取空載端電壓 及勵磁電流 ，即可得出它勵發(fā)電機空載運行時端電壓的特性，即空載特性曲線 直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。 空載時， 。由于 ，因此空載特性實質上就是 。由于 正比于 ，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同?？蛰d特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線2、并勵和復勵直流發(fā)電

24、機空載電壓的建立 曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻 特性曲線，也稱場阻線 。 原動機帶動發(fā)電機旋轉時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢 。 在電動勢作用下勵磁回路產生電流 。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確，產生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，則電動勢增大，從而 增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與 相等時，達到穩(wěn)定的平衡工作點A，自勵的條件見書P49增大 ，場阻線變?yōu)榍€3時， 稱為臨界電阻 。如圖所示。若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵。定義：當 、 時， 外特性曲線如圖所示 由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵 根據(jù) 可知，端電

25、壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。（二）負載特性（外特性）一、換向的電磁現(xiàn)象第八節(jié) 直流電機的換向 為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。 直流電機的某一個元件經過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向。 電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。如圖所示。 電刷與換向片1接觸時，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為 。 電刷僅與換向片2接觸時，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為 。元件112 換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表