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第3章_直流电机

上传者:7****0 2022-06-02 23:19:07上传 PPT文件 1.91MB
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1、1第三章第三章 直流电机直流电机&一、直流电机的工作原理与结构&二、 感应电动势和电磁转矩&三、直流电动机的工作特性&四、直流电动机的机械特性&五、他励直流电动机的启动和反转&六、他励直流电动机的调速&七、他励直流电动机的电气制动2一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构1、进行直流电能与机械能 之间的转换2、直流电动机主要应用场合: 起动性能和调速性能好,过载能力大,用于调速要求高,正反转和起制动频繁的生产机械3、直流发电机主要应用场合: 供给直流电动机、电解、电镀等所需的直流电能 4、主要缺点:

2、结构复杂,使用有色金属多,生产工艺复杂,价格昂贵,运行可靠性差 3一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构定子:产生主磁场和在机械上支撑电机,组成部分有主磁极,换向器,机座,端盖和轴承,电刷用电刷座固定在定子上。转子:产生感应电动势和产生机械转矩,组成部分有电枢铁芯,换向器,轴,风扇等4一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构主磁极:包括主磁极铁芯和套在上面的励磁绕组,主要作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极上装有励磁绕组,整个主磁极用螺杆固定在机座上。主

3、磁极的个数一定是偶数,励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N,S 极交替出现。 5一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构换向极:由铁芯和绕组构成,固定在定子的两个主磁极中间。它的作用是改善电枢电流的换向性能。换向极的个数一般与主磁极的极数相等,在功率很小的直流电机中,也有不装换向极的。换向极绕组与电枢绕组串联。6一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构机座:一是用来固定主磁极,换向器和端盖等,作为整个电机的支架,用地脚螺丝将电机固定在基础上,另一方面他是电机磁路的一部分。用铸钢或者钢板压成。机座中有磁通经过的部

4、分称为磁轭。7一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构电刷装置:包括电刷和电刷座,固定在定子上,电刷与换向器保持滑动接触,以便将电枢绕组和外电路接通。8一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构电枢铁芯:电枢铁心既是主磁通的组成部分,又是电枢绕组支撑部分;电枢绕组就嵌放在电枢铁芯的槽内。为减少电枢铁芯内的涡流损耗,铁心一般用硅钢片叠压夹紧而成。9一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构电枢绕组:电枢绕组是直流电机产生感应电动势和电磁转矩以实现能量转换的关键部分。由铜线绕成,包上绝缘层

5、后嵌入电枢铁芯的槽中,用槽楔将绕组楔在槽内。10一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的基本结构换向器:由许多彼此绝缘的铜片组合而成,这些铜片称为换向片,每个换向片都和电枢绕组连接。直流电动机中:将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流,使电磁转矩的方向恒定不变;直流发电机中:将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为电刷间的方向不变的直流电动势。 换向器和电刷 换向器换向器 电刷电刷 11一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构二、直流电机的工作原理电机的工作原理是建立在电磁感应定律、电磁力定律、电路定律等基本理论之上。设线圈放在磁场中,不论什么原因

6、,例如线圈的移动、转动或磁场强度发生变化等,造成与线圈相交链的磁通随时间发生变化,这时线圈内部会感应出电势,这种现象叫电磁感应。载流导体在磁场中受到力的作用。12一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构二、直流电机的工作原理直流发电机的工作原理:电枢由原动机驱动而在磁场中旋转,在电枢线圈的两根有效边(切割磁力线的导体部分)中便感应出电动势e。 显然,每一有效边中的电动势是交变的,即在N极下是一个方向,当它转到S极下时是另一个方向。但是,由于电刷A总是同与N极下的有效边相连的换向片接触,而电刷B总是同与S极下的有效边相连的换向片接触,因此,在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压

7、,当电刷之间接有负载时,在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。13一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构二、直流电机的工作原理直流电动机的工作原理:将直流电源接在电刷之间而使电流流入电枢线圈。电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而转动。电流方向:N极下的有效边中的电流总是一个方向,而S极下的有效边中的电流总是另一个方向,这样才能使两条边上受到的电磁力方向一致,电枢因此而转动。线圈的有效边从N(S)极转到S(N)极下时,电流的方向必须同时改变,以保证电磁力的方向不变,这要通过换向器实现。14一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构三、直流电机的励磁方式直流电

8、机的励磁方式是指励磁电流的供给方式,有自励(并励、串励、复励)、他励、永磁方式。他励:电枢绕组和励磁绕组电路独立,电枢电压U和励磁电流Uf无关,电枢电流与励磁电流也无关。直流发电机不同励磁方式接线图15一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构三、直流电机的励磁方式并励:电枢绕组和励磁绕组是并联关系串励:电枢绕组与励磁绕组是串联关系,串励绕组通常线径较粗,匝数较少。复励:主磁极上有两部分励磁绕组,一部分与电枢绕组并联,一部分与电枢绕组串联。直流电动机不同励磁方式接线图16一、直流电机的工作原理与结构一、直流电机的工作原理与结构四、直流电机的铭牌参数电机正常运行时的状态和条件额定功

9、率PN额定电压UN和额定电流IN额定转速nN五、直流电机系列Z2系列ZF和ZD系列ZZJ系列17二、感应电动势和电磁转矩二、感应电动势和电磁转矩一、感应电动势电枢在磁场中转动时,线圈中也要产生感应电动势e,式中:式中:E 感应电动势(感应电动势(V);); 一对磁极的磁通(一对磁极的磁通(Wb);); n 电枢转速(电枢转速(r/min);); Ke 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数方向方向: : 直流发电机直流发电机总是与电流的方向相同,常称为总是与电流的方向相同,常称为电源电动势电源电动势。 直流电动机直流电动机总是与电流的方向总是与电流的方向或外加电压相反,常称为相反,常称为反电

10、动势反电动势。 二、电磁转矩直流电机电枢绕组与磁通 相互作用,产生电磁力和电磁转矩。nKE e at IKT18二、感应电动势和电磁转矩二、感应电动势和电磁转矩式中:T 电磁转矩(Nm); 对磁极的磁通(Wb); Ia电枢电流(A); Kt与电机结构有关的常数,Kt=9.55 Ke直流电动机和直流发电机的电磁转矩的作用不一样。发电机的电磁转矩是阻转矩,它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此,在等速转动时,原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗转矩T0相平衡。电动机的电磁转矩是驱动转矩,它使电枢转动。因此,电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平

11、衡。19三、直流电动机的工作特性三、直流电动机的工作特性一、他励直流电动机的工作特性在U=UN、If=IfN、电枢回路附加电阻RPA=0时,电机的转速n、电磁转矩T和效率三者与负载之间的关系。实际中一般用电枢电流与三者的关系作为工作曲线。20三、直流电动机的工作特性三、直流电动机的工作特性二、串励直流电动机的工作特性飞车现象就是转速失控,超过了电机设定的最高转速仍然不停。伴随而来的是电机过电流,严重时损坏电机内部结构。串励电动机不允许轻载和空载情况下启动运行21四、直流电动机的机械特性四、直流电动机的机械特性一、他励电动机的机械特性机械特性:电动机与机械负载之间的配合,讨论系统动力特性时一般要

12、同时考虑电动机的机械特性和负载的机械特性恒转矩负载(反抗性负载、重物负载)恒功率负载泵类负载22四、直流电动机的机械特性四、直流电动机的机械特性23四、直流电动机的机械特性四、直流电动机的机械特性人为机械特性(1)电枢串接电阻的人为机械特性 (2) 改变电枢电压时的人为机械特性由于电动机绝缘耐压强度的限制,电枢电压只允许在其额定值以下调节,所以不同U时人为机械特性曲线均在固有机械特性曲线之下。(3)减弱磁通时的人为机械特性飞车现象直流他励电动机启动前必须先加励磁电流,在运转过程中,绝不允许励磁电路断开或励磁电流为零,一般都设有失磁保护装置。24四、直流电动机的机械特性四、直流电动机的机械特性二

13、、电动机稳定运行条件稳定运行的定义:系统能以一定速度匀速转动;系统在某种外部干扰作用而使运行速度稍有变化时,应保证系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速度。稳定运行的充分必要条件(1)电动机的机械特性曲线n=f(Tm)与生产机械的负载特性曲线n=f(Tl)有交点;(2)当转速大于平衡位置的转速时,TMTL.即若干扰使转速上升,当干扰消除后有TM-TL0;转速小于平衡位置转速时则相反。25五、他励直流电动机的启动和反转五、他励直流电动机的启动和反转电动机的启动就是施电于电动机,使电动机转子转动起来,达到所要求的转速后正常运转的过程。n KEeaaEURI启动时n=0 E=0将电动机直接接入电网并施

14、加额定电压时NNstIRUI2010/? 1)不利于换向; 2)易损坏可控硅; 3)产生较大的动态冲击,易损坏机械设备; 4)对电网产生危害。通常规定启动电流IST=(1.52.0)IN26五、他励直流电动机的启动和反转五、他励直流电动机的启动和反转启动方式降压启动降低供电电压,随着转速的升高反电动势增大,再同步提高供电电压至额定电压,到达所需转速。电枢回路串接外加电阻启动启动电流受到外加电阻的限制,随着转速升高反电动势增大,然后逐步切除电阻使电动机达到所需转速。我国一般启动为3-4段。反转改变T的方向即可27六、他励直流电动机的调速六、他励直流电动机的调速速度调节-在一定的负载下,人为改变参

15、数,从而改变电动机稳定转速。负载不变速度变化-由于负载发生变化而引起电动机转速改变。特性不变TKKRKUnteae228六、他励直流电动机的调速六、他励直流电动机的调速TKKRKUnteae2电枢串电阻调速缺点:机械特性较软,电阻愈大则特性愈软,稳定度愈低;在空载或轻载时,调速范围不大;实现无极调速困难;在调速电阻上消耗大量电能。启动电阻不能当作调速电阻。弱磁调速为防止磁路饱和,一般采用减弱磁通的方法,小容量电动机多在励磁回路中串接可调电阻,大容量电动机可采用单独的可控整流电源来实现弱磁调速。降压调速电动机工作电压不能高于额定电压。29七、他励直流电动机的电气制动七、他励直流电动机的电气制动电

16、气制动是指在电动机轴上加一个与旋转方向相反的转矩,以达到快速停车,减速或稳速。判断电动机是否处于制动状态:电磁转矩T的方向是否和转速n的方向相反。快速、平滑、可靠、能量损耗小(1)自然停车:脱离电网、靠摩擦阻转矩消耗机械能,需时较长(2)制动:联在电网上,电动机运行在发电机状态,快速停止30七、他励直流电动机的电气制动七、他励直流电动机的电气制动回馈制动:电动机为正常接法、电动机的实际转速大于其理想空载转速反接制动:电源反接制动、倒拉反接制动能耗制动:外加电枢电压突然下降为零,将电枢串接一个附加电阻短接起来电动机电动运行状态时,由于某种因素而使电动机的转速高于理想空载转速时电动机便处于回馈制动

17、状态。电枢电压U和电枢电势E在外部条件的作用下,方向由相反变为一致,由此得T与n的方向相反,故称之为反接制动。将改变电枢电压U所产生的反接制动称为电源反接制动。将改变电枢电势E所产生的反接制动称为倒拉反接制动。31本章小结本章小结一、重点一、重点1、直流电机的结构与原理、直流电机的结构与原理2、机械特性:分析启动、调速和制动特性的依据,是电动机内、机械特性:分析启动、调速和制动特性的依据,是电动机内容的重中之重他励直流电动机的调压调速特性容的重中之重他励直流电动机的调压调速特性 3、他励直流电动机的启动,调速,制动特性分别的特点、他励直流电动机的启动,调速,制动特性分别的特点二、难点二、难点1、电流、电势的、电流、电势的换向换向过程和电动机的过程和电动机的制动制动过程;过程;2、电动机在各种运转状态下特点的分析。、电动机在各种运转状态下特点的分析。3、 求他励电动机的固有机械特性与人为机械特性。求他励电动机的固有机械特性与人为机械特性。


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