, , , , , , 第章概述 课题的目的和意义 由于直流电机的不断发展，对直流电机的要求日益提高，在直电机是国民经 济各部门广泛采用的种动力机械和发电设备。随着工农业生产的迅速发展机 械化自动化程度的提高和日用电器的普及，电机的产量和种类日益增加。随着电 机在人们日常生活中所占的比例越来越大，对电机的要求也越来越高。同时随着 科技的发展，这就更加需要电机来提供不同的能源方式，电机的种类也就更趋繁 多。在些特殊的工作地点要求些特殊的电机来提供能源，这就使在电机设计 时必须考虑除了经济和可靠的性能外，还要考虑更多的工作性能，这就需要丰富 的经验和大量的知识来作为后盾。 发电机是将机械能转换成电能的转换装置。他是依靠电磁感应而运行，具有 能够作相对旋转的部件，具有良好的机动性能和调速性能著称，直流发电机供电 质量比较好，常常作为励磁电源，在些工业中还常见应用，但是它与交流电机 相比，结构复杂，成本高，维护不便，可靠性差。近年来，随着可控硅整流电源 的广泛应用和日益完善，支流发电机已逐步被可控硅整流电源所取代。但有些情 况，如在无交流电网宫殿而又需要直流电源以及在真空冶炼等特殊场合还使用直 流发电机。 流电机设计方面积极开展的工作是多方面的。如结合新技术新工艺新材料 的发展,不断改进电机的结构提高产品的系列化部件的通用化和零件标准程度 扩大电子计算机在上的应用进步对直流电机的电磁场换向通风散热和振 动噪声问题的研究等。通过这次对直流发电机的设计,我们可以从中学到很多知 识和经验,这有利于在这方面的发展。 直流发电机的工作原理 直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁直流继电器直流 接触器等外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机 的励磁机蓄电池的充电机等，都是直流发电机锅炉给粉机的原动机是直流电 动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备大型精密机床矿井卷扬机 市内电车电缆设备要求严格线速度致的地方等，通常都采用直流电动机作为 原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能 直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制 系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机伺服电机等。虽然直机的两电刷端上，加上直 流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换 成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电 压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转 换成电能而成为发电机。同台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理在 电机理论中称为可逆原理。 直流发电机的磁场 直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁 场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动 势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁 场的特性。 直流发电机的空载磁场 直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的种运 行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以 看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流， 各主磁极极性依次呈现为极和极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少， 每对极的磁路是相同的，因此只要分析对极的磁路情况就可以了。从直流发电 机的空载磁场分布图中看出，由极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部， 再经过电枢磁轭到另部分的电枢齿，过气隙又通进入极，再经过定子磁轭回 到原来出发的极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组， 电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称 为主磁通，用表示。此外还有小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁 极或者定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通， 用表示。由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁 导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通 要小得多，大约是主磁通的左右。由于主磁极极靴宽度总是比个极距要小， 在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不 尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小接近极尖处的磁回路中气隙较大。 如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通 势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大在极靴范围 外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。 在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有定数量的主 磁通，也就是需要有定的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数定时，需 要有定的励磁电流。把空载时主磁通与空载励磁磁通势或空载励磁电 流的关系，称为直流电机的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。电机的磁化 曲线可通过电机磁路计算来得到。直流电机磁路计算内容是已知气隙每极磁通 为，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁压降的总和便是励磁磁通 势。对于给定的不同大小的用同方法计算，得到与相应的不同值， 经多次计算，便得到了空载磁化曲线。 直流发电机负载时的磁场和电枢反应 当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成个 磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势 和电枢磁通势共同作用所建立。电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁 磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小。通常把 负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运 行性能影响很大。 电枢磁通势和电枢磁场势 电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型 式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在个极下元件边中电 流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。因此， 电刷是电枢表面电流分布的分界线。由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转 的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的 电枢磁场是不动的。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生 的主磁场轴线相互垂直。 负载时的合成磁场 根据左手定则，决定转动方向为由右向左。再按磁力线方向与磁通势方向 致的原则，分别画出主磁场分布曲线及电枢磁场分布曲线。若磁路不饱和，可用 迭加原理，将曲线沿电枢表面逐点相加，便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线。 将两条曲线进行比较，得出 使气隙磁场发生畸变。每磁极下，因为电枢磁场使主磁场半被 削弱，另半被加强，并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几 何中性线逆转向移动了个角度。称通过电枢表面磁密为零的这 条直线为物理中性线。故在空载时，物理中性线与几何中性线重合 负载时，由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变，物理中性线与 几何中性线不再重合，而且磁场的分布曲线也与空载时不同。 对主磁场起去磁作用。在磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好 等于被加强的数量，因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同。 但在实际电机中，磁路总是饱和的。因为在主磁极两边磁场变化情 况不同，边是增磁的，另边是去磁的。主极的增磁作用会使饱 和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线比不计 饱和时要低些，与不饱和时相比，增加的磁通要少些主极的去磁 作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，结果使实际的合成磁场曲 线图中用虚线表示比不计饱和时略高些，与不饱和时相比，减 少的磁通要少些。由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减 小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通，因此负载时合成磁场 每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。 直流发电机的结构 电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。首先是电磁方面的要求使电 机产生足够的磁场，感应出定的电动势，通过定的电流，产生定的电磁转 矩，要有定的绝缘强度。其次是机械方面的要求电机能传递定的转矩，保 持机械上的坚固稳定。此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高还要考虑便 于检修，运行可靠等。从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须 有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在 这两部分之间的间隙叫空气隙。 主磁极 主磁极的作用是产生主磁通，主磁极铁心包括极心和极掌两部分。极心上 套有励磁绕组，各主磁极上的绕组般都是串联的。极掌的作用是使空气隙中磁 感应强度分布最为合适。改变励磁电流的方向，就可改变主磁极极性，也就 改变了磁场方向。 二换向磁极 在两个相邻的主磁极之间中性面内有个小磁极，这就是换向磁极。它的构 造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。 换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间 的火花，不致使换向器烧坏。 主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕 组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。于是使转到 毕业设计论文 题目直流机组发电机的设计 院系电气与信息工程系 专业电气工程及其自动化班级学号 学生姓名彭毓聪 导师姓名陈强 完成日期 湖南工程学院 毕业设计论文任务书 设计论文题目直流机组发电机设计 姓名彭毓聪系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级学号 指导老师陈强教研室主任石安乐 基本任务及要求 机组作为电源使用,发出的电压作为负载额定电压,电源电流为负载额定电流。确定所设计电 机的形式,功率进行电磁计算,核对性能指标使其符合有关标准画出电机结构图,绕组展开图, 铁芯冲图 二进度安排及完成时间 第二周至第四周查阅资料撰写文献综述和开题报告 第五周至第六周毕业实习 第七周至第八周总体方案的确定 第九周至十二周电磁计算,核对性能 第十三周画出电机结构图,绕组展开图,铁芯冲图 第十四周至第十五周撰写设计说明书 第十六周毕业设计答辩 目录 摘要 第章概述 课题的目的和意义 直流发电机的工作原理 直流发电机的磁场 直流发电机的空载磁场 直流发电机负载时的磁场和电枢反应 电枢磁通势和电枢磁场势 负载时的合成磁场 直流发电机的结构 第章并励直流发电机的运行特性及电压变化率 建压过程及建压条件 并励发电机的特性 直流发电机的开路特性 外特性 并励直流发电机空载电压的建立 电压变化率 直流电机的绕组 第章负载时直流电机的磁场电枢反应 交轴电枢磁势 直轴电枢磁势 直流发电机的电枢反应 第章主要尺寸的选择 电枢外径的选择 线负荷和气隙磁密的选择 电枢计算长度的确定