民航飞机电气系统 第二章航空电机

航空

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天若有情

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航空

第二章航空电机
电机：
应用电磁感应原理实现机电能量转
换的电磁机械。
§2.1 概述
一、分类
能量转化形式
发电机
电动机
变压器
电流性质
直流电机
交流电机
同步电机
异步电机
应用形式
主电源发电机
驱动电动机
变压器
变流机
控制电机
二、航空电机的工作条件
1、环境温度
2、湿度
3、大气成分和性质
4、机械过载
三、航空电机的主要特点
1、体积小、重量轻：
缩短使用期限；
选用优质材料；
良好的冷却方式。
2、特定的电压和频率：
DC：28V,14V；
AC：115V/200V、400Hz；
§2.2 直流电机的基本结构和工作原理
一、直流电机的基本结构
定子部分
机壳
转子部分
主磁极
电刷组件
换向极
电枢铁心
电枢绕组
换向器

主磁通
导磁和机械支撑
主磁极
电刷组件
与换向器配合，起整流的作用
换向极
起改善换向的作用
转子部分
电枢铁心
电枢绕组
换向器

电枢铁心
硅钢片冲压而成，减小磁滞损耗
和涡流损耗。
电枢绕组
产生感应电动势和电流，实现机－
电能量转换
换向器
与电刷配合，起整流的作用。

二、直流电机的工作原理
发电机
电
能
机
械
能电动机
1、直流发电机的工作原理
A、电枢线圈两端产生的是交变的感应电动势
e  Bx lv
B、由于整流子的作用，在电刷两端获得脉
动电动势

 

叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧
叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。
叠绕组示意图
波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元
件串联起来，象波浪式的前进。
波绕组示意图
C、增加线圈和换向片的数量，在电刷两端
就获得较大而平稳的直流电动势
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极
距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在
与起始的换向片相邻的位置。
t
a E
0
a e E  C  n
2、直流电动机的工作原理
f  Bx li em T a T  C  I
3、直流电机的可逆性
Tem  CT Ia
发电机
电
能
机
械
能电动机
a e E  C  n
2.3 直流电机的电枢反应
直流电机负载时的负载磁场
直流电机带上负载后，电枢绕组
中有电流，电枢电流产生的磁动势称
为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使
电机的磁场发生变化。
右图为一台电刷放在几何中性
线的两极直流电机的电枢磁场分布
情况。
由图可见电枢磁动势产
生的气隙磁场在空间的分布
情况，电枢磁动势为交轴磁
动势。
假设励磁电流为零，只有电枢电流。
电枢反应
• 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，
气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同
作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为
电枢反应。
• 电枢反应与电刷的位置有关。
(a) 空载磁场(b) 电枢磁场(c) 合成磁场
交轴电枢反应
当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布
和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁
场分布情况。
电刷在几何中性线时的交轴电枢反应的特点：
1)、使气隙磁场发生畸变

空载时电机的物理中性线与几何中性线重
合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极
下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线
偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不
同。
• 合成磁场不再对称于主极轴线。在发电机状态
下主极的前极尖去磁
• 气隙磁场的物理中线偏离几何中线。对于发电
机，物理中线顺旋转方向前移
• 每极下的有效磁通基本保持不变（磁路不饱和
时）
交轴电枢反应的影响
直轴电枢反应
电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明
电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移
发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁
电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁
2.4 直流电机的换向
一、换向概述
元件1
a v
1 2
2ia
2 1 a i  a i i
a 2i
a i i a i
i
a 2i
a i a i
2 i 1 i
为了分析方便假定换向片的
宽度等于电刷的宽度。
直流电机的某一个元件经过
电刷，从一条支路换到另一条支
路时,元件里的电流方向改变，
即换向。
元件1
a v
1 2
2ia
1 a i  i a i i
a 2i
a i a i
2 i 1 i
a i a i i
a 2i
a i a i
2 i 1 i
电枢移到电刷与换向片2接触时，
元件1的被短路，电流被分流。
如图所示。
电刷与换向片1接触时，元件1 中的
电流方向如图所示，大小为a 。i  i
电刷仅与换向片2接触时，元件1 中
的电流方向如图所示，大小为。a i  i
换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火
花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机
不能正常工作。
产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原
因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。
元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周
期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢
绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。
k T
改善换向的方法
除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势
不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流
足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的
因素也能引起换向不良产生火花。
改善换向一般采用以下方法：
选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的
接触电阻。
装设换向磁极，位于几何中性线处装换向磁极。
换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向
磁动势抵消电枢反应磁动势
大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，
补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢
反应磁动势。
§2.5 航空直流发电机
由飞机发动机驱动，将机械能转换成直
流电能，作为飞机直流电源系统的主要电源
向飞机用电设备提供电能。
他励
自励
并励
串励
复励
一、直流发电机的励磁方式
二、直流发电机的基本电磁关系
Ea  Ce n
em T a T  C  I
并励发电机：
U  Ea  IaRa
电压平衡方程式
三、直流发电机的自励原理及条件
51
1
2
If
U
If0
U0
Er
0
Ea
If Ia
Φ
rj
rf
+
−
U0
1、电机必须有剩磁；
2、励磁磁势与剩磁方向一致；
3、励磁电路电阻不能过大；
4、转速不能过低。
四、直流发电机的运行特性（U 、I、If 、n ）
1、空载特性
( f ) I 0 U f I 

空载特性本质上反映了发电机磁路的磁化特性
2、外特性( )
I f C U f I  
并励
a a a U  E  I R
3、调节特性( ) f U C I f I 

0 I
If
If 0
IfN
IN
§2.6 航空直流电动机
从直流电源系统获得电能，将电能转换
成机械能，向飞机设备提供机械力矩。
励磁方式：他励、并励、串励和复励
一、直流电动机的基本电磁关系
Ea  Ce n
em T a T  C  I
n
T2
T0
+
−
+ U −
Uf
If
Φ
Ea
Tem
U  Ea  IaRa
1 2 cu 0 P  P  P  P
2 em 0 T  T T
电压平衡方程式：
功率平衡方程式：
转矩平衡方程式：
n
T2
T0
+
−
+ U −
Uf
If
Φ
Ea
Tem
58
1、机械特性n  f Tem 
a e a a E  C  n  U  I R
a a
e
n U I R
C 


a
em
e e T
n U R T
C  C C  
 
二、直流电动机的运行特性（ U 、Ia、Tem 、n ）
对于并励电动机，U、Ra为常数，磁通Φ基本不变
a
em
e e T
n U R T
C  C C  
 
0 em  n  T
“硬”特性
60
对于串励电动机，Ia＝If
a
em
e e T
n U R T
C  C C  
  串励电动机的磁
通Φ随Ia变化而变化
“软”特性
61
  KIa
2
em T a T a T  C  I  KC I
当磁路不饱和时，可认为
T a f
e em e
C U R R n
C   C 

 
“软”特性
串励电动机不允许空载或在很轻负载下运行
2、转矩特性
Tem  f  Ia 
并励电动机
em T a a T  C  I  CI
串励电动机
2
Tem  CT Ia  KCT Ia
三、直流电动机的起动
1、起动要求
第一、起动转矩Tst要大；
第二、起动电流Ist要小；
第三、起动设备简单，便于操作控制。
2、起动方法
小功率电动机一般采用直接起动；
大功率电动机采用电枢电路串接电阻起动；
大型电动机采用降压起动。
四、直流电动机的调速
1、调速原理
( ) a a p
e
U I R R
n
C 
 

2、调速方法
A、改变电枢电路电阻调速；
B、改变电机磁通调速；
C、改变电枢端电压调速。
1、反转
2、制动方法能耗制动
反接制动
反馈制动
Tem  CT Ia
改变磁通或电枢电流的方向
五、直流电动机的反转与制动
69
能耗制动反接制动
反馈制动
电动机发电机
• 航空电机的分类
• 影响航空电机工作的因素
• 直流电机的基本结构
• 直流电机的工作原理
• 直流电机的励磁方式
• 直流发电机的自励原理和条件
本章要点
• 直流发电机的运行特性
• 直流电动机的工作特性及特点
• 直流电动机的起动、调速、反转及制动
方法
§2.7 三相同步发电机
三相交流电机内部定子电流产生的磁场
是一个旋转磁场
1
0
n 60 f
p

三相同步电机：
三相异步电机
电机的转子转速与旋转
磁场的同步转速相等
一、三相同步发电机的结构原理
eA  Em sint
sin( 1200 ) B m e  E t 
sin( 1200 ) C m e  E t 
eC eA eB C
e
o ωt
em
对称三相交流电
二、三相同步发电机结构分类

飞机无刷同步发电机结构
他励式
永磁式副励磁机交流励磁机交流发电机
自励式
旋转整流器
交流发电机
三、同步发电机的运行特性
1、空载特性
( f ) I 0 U f I 

2、外特性
( )
I f C U f I  
3、调节特性
( ) f U C I f I 

§2.8 三相异步发电机
一、结构
定子
转子
笼型转子
绕线型转子
笼型转子
绕线型转子
二、旋转磁场
1、旋转磁场的产生
 
 
m
m
m
sin
sin
sin
0
0
120
120
A
B
C
i I t
i I t
i I t




 
 
B i
A
X
B
Y
C
Z
A i
C i
A
X
Y
C
B
Z
N
S
 t  0
A
X
Y
C
B
Z
 t  60
60
S
N
A
X
Y
C
B
Z
 t  90
S N
90
当电流变化一个周期，磁场恰好旋转一圈
2、旋转磁场的极对数
B i
A
X
B
Y
C
Z
A i
C i
A
X
Y
C
B
Z
N
S
p  1
p  2
C' Y'
A
C B
X
Y
Z
A'
X'
B'
Z'
A i
B i
C i
A
X
X
N
S

Z  C
Z


B
Y
B
Y
A
C
S
N


 
X
N
S
A
X
A
B
Z
C
Y
Z
C
Y
B
S
N
 t  0 t  60
30
A
X
X

Z  C
Z


B
Y
B
Y
A
C N
S
N
S
当电流变化一个周期，p＝2时磁场恰好旋转半圈
p  3 ???
3、旋转磁场的转速
p  1 0 1 n  60 f
p  2 1
0
60
2
n  f
p  3 1
0
60
3
n  f
1
0
n 60 f
p

4、旋转磁场的转向
B i
A
X
B
Y
C
Z
A i
C i
60
A
X
Y
C
B
Z
N
S
A
X
Y
C
B
Z
N S
A
X
Y
C
B
Z
90
S N
改变通入三相定子绕组的三相电流的相序
（任意调换两相的连接线），即可改变旋转磁
场的转向。
三、异步电机的工作原理及工作状态
1、工作原理
A
X
Y C B
Z
定子三相绕组通入三相交流电
60 (转/分） 1
0 p
n  f
方向:相序
旋转磁场
F
v F
N
S
n
切割转子导体Blv
右手定则
感应电动势E2
感应电流I2
旋转磁场
Bli
左手定则
电磁力F
电磁转矩T n
异步电动机正常工作时，n略小于n0
转差率
0
0
s n n
n


2、工作状态
（a） （b） （c）
n1 0
0 1
n
S
n>n1
N
S
n1
N
S
n1 n<n1
N
S
n1 n
n  f (Tem )
四、三相异步电动机的机械特性
五、三相异步电动机的起动及调速
1、起动
直接起动
降压起动
笼型电动机自耦变压器降压起动
Y－ 换接起动
定子电路串接电阻
（电抗）起动
绕线型电动机转子电路外接电阻起动
自耦变压器降压起动
Y－ 换接起动
定子电路串接电阻（电抗）起动
转子电路外接电阻起动（绕线型）
2、调速
( )
( )
0
1
1
1 60
n s n
s f
p
 
 
变极调速变频调速变转差率调速
变极调速（笼型）
有级调速
变频调速（笼型）
无级调速
f=400Hz
逆变器
M
整流器3 ~
+ f1、U1可调
–
~
变转差率调速（绕线型）
无级调速
单相异步电动机
单相异步电动机具有结构简单、成本低廉、噪
声小的优点。
由于只需要单相电源供电，因而使用方便，被广
泛应用于家用电器、电动工具以及自动化仪表等设备
中。其功率一般在1KW 以下。
各式各样的单相电动机与电动工具
U1
U2
定子为单相绕组，转子为鼠笼式。
单相异步电动机的结构特点
U1 U2
U1
U2
i
脉动磁场的产生
单相正弦电流在单相绕组中产生的磁场是在
空间固定方位、随时间作正弦变化的脉动磁场。
设：B=Bm sin t
可以分解为两个幅值相等，旋转角速度相
同，但旋转方向相反的两个磁场B1 和B2 。
B = B1 + B2
脉动磁场分析
转矩特性曲线
脉动磁场可以分解为两
个相反方向旋转的磁场。
当转子静止，即
T' =T'' , T=0
T'
T
T
T''
s'
s''
1
0
0
1
2
2
S' = S'' = 1 时，
单相异步电动机起动转矩为零，不能自行起动旋转。
T'
0
T
T
T''
s'
s''
1 2 单相异步电动机在这
一转矩作用下转动，一直
达到稳定状态。
单相异步电动机关键要解决产生起动转矩的问题。
合成电磁场转矩不等于零。
2 1 0
i1
S
C
W
S
+

u
W： 工组绕组S：起动绕组
起动措施—1.电容分相法
i2
t= 0。
W1
W2
S1
S2
t= 45。
W1
W2
S1
S2
t= 90。
S1
S2
W1
W2
两相
电流
和旋
转的
磁场
0 t
i
45
。
2 i 1 i
90
。
2.罩极电动机
~
短路铜环
定子绕组
当定子绕组通入
交流电流而产生脉动
磁场时，由于短路环
中感生电流的作用，
使通过磁极的磁通分
成Ф1和Ф2两部分。
Ф1
Ф2
凸极磁极
笼型
转子
2.罩极电动机
~
短路铜环
定子绕组
Ф1
Ф2
Ф1滞后于Ф2，同
时在空间上也相差
一个角度，两者合
成以后也会产生一
个旋转磁场。
凸极磁极
笼型
转子
§2.9 电机的发热与冷却
自然冷却
自通风冷却
强迫通风冷却
循油冷却
喷油冷却
功率较小的发电机和连续工作的电动机
自通风冷却
大功率的直流发电机
强迫通风冷却
大功率的无刷同步发电机
循油冷却
大功率的无刷同步发电机
喷油冷却
• 航空电机的分类
• 影响航空电机工作的因素
• 直流电机的基本结构
• 直流电机的工作原理
• 直流电机的励磁方式
• 直流发电机的自励原理和条件
• 直流发电机的运行特性
• 直流电动机的工作特性及特点
本章要点
• 直流电动机的起动、调速、反转及制动方法
• 同步发电机的基本工作原理
• 航空无刷同步发电机的基本结构组成
• 同步发电机的运行特性
• 旋转磁场及同步转速
• 异步电动机的结构分类
• 异步电动机的机械特性
• 异步电动机的起动、调速方法
• 航空电机的冷却方式