电机课程_chap16直流电机的基本原理和电磁关系.ppt
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1、第16章 直流电机DC Machines,结构基本原理电磁关系,一、 直流电机的基本结构,1.1 定子 转子 (固定部分) (转动部分),主磁极换向极机座端盖轴承电刷装置,产生磁场、电机的机械支撑,电枢铁心电枢绕组换向器轴风扇,感应电势,而实现能量转换的部分,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心 由05mm厚的硅钢片叠装而成,用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中,用槽楔固定 。,1.2 直流电机的磁路,电枢铁心由05mm厚的硅钢片叠装而成,用作磁路及嵌放电枢绕组。铁芯外缘均匀冲有槽和齿。电枢绕组元件嵌入槽中,用槽楔固定 。,1.2 直流电机的磁路,磁极铁心由l-1.
2、5mm厚的钢片叠成,与励磁线圈一起固定在磁轭上 极靴表面沿圆周的长度称为极弧,二个相邻磁极上沿空气隙圆周表面的距离称为极距,极弧与极距比为极弧系数,约0.60.7,极靴极靴较磁极极芯向外引伸,使空气隙中的磁通密度沿圆周变化时较为缓渐而均匀,有利于固定励磁线圈 由于齿槽效应,表面磁通变化引起涡流损耗,极靴由叠片制成,磁轭在磁极外围将磁路闭合的部分,磁轭和底座相连 其中磁通不变(当直流励磁电流不变时),由铸刚构成,换向极磁路换向极,是位于两个主磁极之间的小磁极,用于改善换向。换向极常用整块钢或厚钢板制成 换向极的数目一般与主磁极相等。在小功率直流电机中,换向极数量通常只有主磁极的一半,或不设置换向
3、极,1.3 直流电机的电路,励磁绕组 套在磁极铁芯上。并励绕组和电枢绕组并联,匝数较多、截面积较小串励绕组和电枢绕组串联,匝数较少,截面积较大从电阻和能量消耗的角度考虑电枢绕组 嵌在电枢铁芯槽中叠绕组和波绕组换向极绕组 与电枢绕组串联,激励换向极磁通。 换向器将电枢绕组内部的交流电势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电势。,1.4 电刷装置,电枢电流能经旋转的换向器(随转子)通过静止的电刷(固定在定子上)接通外电路1.将转动的电枢与外电路相连2.与换向器配合作用而获得直 流电压,电刷组数一般等于电机极对数,1.5 直流电机的励磁方式,直流电机励磁方式,即励磁绕组与电枢绕组的连接方式,对电机的运
4、行特性有大的影响他励励磁由另外独立的直流电源供给,与电枢绕组不相连接自励励磁绕组与电枢绕组相连接,励磁电流由发电机本身供给,自励的形式,励磁回路的功率占总功率的1-5%。,二、 直流电机电枢绕组,二、直流电机电枢绕组,作用:电枢绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势,当电枢绕组中流通电流时,电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换。 特点:直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换向片上,每个换向片连接两个元件,各元件依一定规律依次连接,形成闭合回路。,用环型绕组说明直流绕组的闭合情况电枢旋转时,各线圈依次通过电刷作为引出端,2.1
5、 双层绕组,线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中:两边都能切割磁场而产生感应电势。两边电势相加:线圈的两边必须处于不同极性的极面下,线圈的跨距约等于一个极距。线圈对称排列:当一线圈的一个边在某槽中占有上层位置时,则该线圈的另一边必须放在另一槽下层。,虚槽概念,在大型电机中、每层可能有N个并列圈边为了改善电机的性能,用更多的元件组成电枢绕组。但电枢铁心不能开太多的槽,采用在每槽的上下层各放置若干元件边。,每层有3个圈边,每一元件有两个圈边,每一换向片上接有两个圈边,每一虚槽内放置有两个圈边,元件数S等于换向片数K,也等于虚槽数 每线圈有Nc匝,则总导体数N,2.2 直流绕组的节距,第一节距y1元件的
6、宽度,虚槽数,两个圈边之间的距离第二节距y2联至同一换向片的两个圈边之间的距离 合成节距y紧相串联的两个元件的对应圈边在电枢表面的跨距 换向器节距yk每一线圈两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距,用换向片数表示,2.3 单叠绕组,每个元件出线端依次连在相邻的换向片上,后一个绕组元件相对前一个绕组元件仅移过一个槽。,右行左行,例:绕组20虚槽,四极,双层,由右手定则判电流方向在电枢几何中心线上的元件边感应电势为0,为获得对称的绕组,每元件连接的两换向片的分界线与元件轴线重合,例:绕组20虚槽,四极,双层,直流绕组是闭合绕组,每一极面下的元件串联成一支路,每支路中一个元件被电刷短路,处于换向状
7、态中,在整个闭合回路中,感应电势总和为0,绕组内部无环流,电刷数等于极数。同极性的电刷连接形成一个“极”,电刷之间的引出电势为每一支路个元件的电势和,电刷放置法,使电刷间导出的电势有最大值使与电势为零的元件所连接的换向片相连接,当导体转至交轴时,感应电势为零,电刷应与处于交轴位置的导体相连如导体对称,则磁极的几何中心线处为电刷位置换向绕组的绕组轴线、磁极轴线和电刷位置在同一位置上。,2.4 单波绕组,每一绕组元件的出发点和终端不在相邻的两换向片上,而相隔近似为一个极距相邻两元件相隔近似一对极距连接p个元件后回到出发元件的附近,相隔一个槽,例:电枢绕组19槽,四极,例:电枢绕组19槽,四极,只有
8、两条并联支路:所有N极下的导体并联为一支路,所有S极下的并联为另一支路。2a=2电刷数原则上等于2,为降低电刷电流密度,可用2p只电刷电刷位置:应与电势为零的元件所连接的换向片相连,2.5 单叠绕组和单波绕组的差别,单叠绕组:各个极面下上层的绕组元件构成一支路,并联支路数等于极数电枢间电势较下,电枢电流较大,称并联绕组单波绕组:N极下上层的绕组元件串联为一支路,S极下的串联为另一支路,并连支路数恒等于2电刷间电势较大,电枢电流较下,称串联绕组。,叠绕,波绕,三、 直流电机的简单工作原理,三、直流电机的简单工作原理,旋转电枢式的直流电机电枢旋转、磁极固定,带有换向器,通过换向片,电刷1总与位于N
9、极下的导体相连,极性为正电刷2与位于S极下的导体相连,极性为负,3.1 单线圈导体的感应电势,电刷l、2间的电势e12为一含有很大脉动分量的直流电势,如单相全波整流一样。电势和电流脉动的很大,3.2 两线圈串联后的合成电势,与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈,其两端各接有换向片,并与原有换向片A、B相距90电角度,换向器包含4片换向片,相邻换向片间各相距90电角度。当电枢旋转时,两个线圈的感应电势在时间相位上相距90电角度,当有足够多的线圈和换向片时,可获得稳定直流电势。若电机每极下的导体数大于8,电势脉动幅度可小于1%,直流发电机实质是带换向器的交流发电机,四、 直流电机的磁场和电枢反应
10、,四、空载时直流电机的磁场,由磁极的直流励磁电流产生,空气隙磁场不随时间变化,是恒定 磁场;空间上,忽略极面下的齿槽效应,沿极面均匀分布。,边缘磁通,空间上,非正弦分布,在导体中感应电势将包括有高次谐波。,主磁通与磁极漏磁通,主磁通 :产生感应电势和电磁转矩的有效磁通,通过空气隙,同时键链电枢绕组和励磁绕组。磁极漏磁通:从磁极的侧面逸出,只和励磁绕组键链。磁极磁通:包括主磁通和漏磁通, k = + 电枢磁通:主磁通的一半定子磁轭磁通:磁极磁通的一半,附:主磁路计算的基本原理,实验方法通过空载特性或磁化曲线计算励磁电流和主磁通的关系计算方法磁路计算。假设全部磁通集中在一定路径上流通,则可以用路代
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