直流電機(jī)的工作原理和基本理論

1、直流電機(jī)的工作原理和基本理論NSU一、直流電動機(jī)的工作原理NSUNS7.1 直流電機(jī)的工作原理一、直流電動機(jī)的工作原理NSUU電刷線圈邊切割磁感線會產(chǎn)生什么？換向片直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)機(jī)械負(fù)載克 服反電動勢做功7.1 直流電機(jī)的工作原理 電磁關(guān)系換向旋轉(zhuǎn)NS二、直流發(fā)電機(jī)的工作原理NSE7.1 直流電機(jī)的工作原理E輸出直流電原動機(jī)感應(yīng)電動勢、電流電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功 電磁 關(guān)系換向7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、主要部件1. 定子(1) 主磁極(2) 換向磁極(3) 機(jī)座(4) 端蓋等 直流電機(jī)的定子 (a) 主磁極 (b) 機(jī)座 直流電機(jī)的定子7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 更多

2、的圖片 2. 轉(zhuǎn)子（電樞）(1) 電樞鐵心(2) 電樞繞組7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(3) 換向器(4) 轉(zhuǎn)軸與風(fēng)扇 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子 (a) 轉(zhuǎn)子主體 (b) 電樞鋼片 直流電樞繞組A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)A B12345678 直流電樞繞組電動機(jī)發(fā)電機(jī)兩匝元件7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)e e e ee e e eEA1 2 3 48 7 6 5BIae e e ee e e e1 2 3 48 7 6 5ABIaENSNS1234567891011121 2

3、 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 單疊繞組的展開圖 并聯(lián)支路對數(shù)：a = 2。 電刷的中心線對著磁極的中心線。A1A2B1B2n7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)3 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 單疊繞組的展開圖NSNS1234567891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 電刷的中心線對 著磁極的中心線： 電刷之間的電動 勢最大。 被電刷短接的元 件電動勢為零。 習(xí)慣稱 “電刷放在 幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

4、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)電樞7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 電機(jī)裝配圖 更多的圖片 7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī) 更多的圖片 二、勵磁方式+Ua+Uf他勵并勵串勵復(fù)勵1. 直流電動機(jī)按勵磁方式分類7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流發(fā)電機(jī)按勵磁方式分類自勵7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)他勵串勵復(fù)勵并勵GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI1. 額定電壓 UN 發(fā)電機(jī)的 UN ：指輸出電壓的額定值。 電動機(jī)的 UN ：指輸入電壓的額定值。2. 額定電流 IN 發(fā)電機(jī)的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動機(jī)的 IN ：指輸

5、入電流的額定值。3. 額定功率 PN 發(fā)電機(jī)的 PN ：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動機(jī)的 PN ：指輸出機(jī)械功率的額定值 (UN INN ) 。三、額定值7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)4. 額定轉(zhuǎn)速 nN5. 額定勵磁電壓 UfN6. 額定勵磁電流 IfN 額定狀態(tài) ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態(tài)。 滿載狀態(tài) ： 指 I = IN 的狀態(tài)。7.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)NS7.3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)幾何中心線 N S勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負(fù)載時的磁場）物理中心線 電樞反應(yīng)：電樞磁通勢對主極磁場的影響。 電樞反應(yīng)的影響 總磁場被扭歪了 幾何中心線與物

6、理中心線分開了, 電刷位置處的元件的 e0，增加換向困難。 一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少， 磁路不飽和時，每極磁通不變； 磁路飽和時，每極磁通減少，e 和T 相應(yīng)減少。7.3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)7.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢一、電磁轉(zhuǎn)矩1. 產(chǎn)生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： BlB = l極距7.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢一、電磁轉(zhuǎn)矩1. 產(chǎn)生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： 每根導(dǎo)線上電磁力所 形成的電磁轉(zhuǎn)矩： FRB = lBl極距RR 電樞繞組串聯(lián)總匝數(shù)： N 電

7、樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：2a 總導(dǎo)體數(shù)： 2N 2a = 4aN 電樞的周長： 2R = 2p 電磁轉(zhuǎn)矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i p l= 4aN i p = 2ai 2pN 電樞電流 Ia7.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢2. 大小 T = CT IaCT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)：3. 方向 由 和 Ia 共同決定。4. 性質(zhì) 發(fā)電機(jī)： 電動機(jī)：T 與 n 方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。T 與 n 方向相同，為拖動轉(zhuǎn)矩。7.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢CT =2pN單位：Wb單位：A(Nm) 1. 產(chǎn)生 電樞旋轉(zhuǎn) n 磁 場 2. 大小 每個導(dǎo)體：e = B l v 導(dǎo)體

8、切割磁場線的線速度： 電動勢： E = 2N e 二、電動勢 ee E 7.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢v = n2R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602= 9.55 CT = 9.55 CE7.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢CT =2pNCE =4pN60 E = CE n CE 電動勢常數(shù)：CE =4 pN60單位：Wb單位：r/min(V) 3. 方向：由 和 n 共同決定。4. 性質(zhì) 發(fā)電機(jī)為電源電動勢；電動機(jī)為反電動勢。7.5 直流電動機(jī)的運行分析一、他勵電動機(jī)勵磁電壓 Uf If 電樞電壓 Ua Ia Tn

9、 E 1. 電壓平衡方程式勵磁電路： Uf = Rf If電樞電路： Ua = E + Ra IaEMIf+Uf+UaIa 穩(wěn)態(tài)電樞電流 Ia 由誰確定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：負(fù)載不變 ( T 不變)，Ua (Ra) 變化時， Ia 變化否（設(shè) 不變）？Ua (或Ra) 瞬間 n 不變 E 不變Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不變 結(jié)論：Ia 的大小取決于負(fù)載的大小。 當(dāng) Ia= IaN 時為滿載，當(dāng) IaIaN 時為過載。 規(guī)定短時過載的最大電樞電流： Iamax =(1.5 2)IaN =MC IaN7.5 直流電動機(jī)的運行分析機(jī)械特

10、性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T 2. 轉(zhuǎn)速O nTn0當(dāng)T 時， n 下降不多 硬特性。 勵磁電路斷電的后果 當(dāng) If = 0， =r 很小，n 不能突變，E 很小T = CTr Ia 仍有一定數(shù)值。Ia (1) 若 T TL n 飛車！ (2) T TL n n = 0 悶車！ 7.5 直流電動機(jī)的運行分析7.5 直流電動機(jī)的運行分析3. 轉(zhuǎn)向取決于電磁轉(zhuǎn)矩 T 的方向。 T 的方向取決于 和 Ia 的方向。磁場反向電樞反向+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM二、并勵電動機(jī) 并勵與他勵的區(qū)別:1. 輸入電壓 U = Ua =

11、Uf2. 輸入電流 I = Ia + If3. 輸入功率 P1 = UI = UIa + UIf7.5 直流電動機(jī)的運行分析Ia+UIIfM 【例】 某并勵直流電動機(jī)，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求該電機(jī)在額定狀態(tài)下運行時的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 勵磁電流 If 7.5 直流電動機(jī)的運行分析UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 電樞電流 Ia Ia = IN If = 0.35) A = 12.15 A (2) 電動勢

12、E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE =T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 電磁轉(zhuǎn)矩7.5 直流電動機(jī)的運行分析CE =EnN2153 000= = 0.071 7 三、串勵電動機(jī)7.5 直流電動機(jī)的運行分析1. 電壓 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 電流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=3. 轉(zhuǎn)矩 T = CT Ia(1)當(dāng) Ia 較小、磁路未飽和時， Ia，T Ia2 。 (2)當(dāng) Ia 較大、磁路已飽和時，常數(shù)， T Ia 。

13、EM Uf Ua+UIIfIa 即 T Iam (1m2) 與并勵電動機(jī)比較，有如下特點：(1) 對應(yīng)于相同的T ， Ia 小。(2) 對應(yīng)于允許的 Iamax ，能夠產(chǎn)生的 T 大， Tst 和 Tmax 較大。4. 轉(zhuǎn)速7.5 直流電動機(jī)的運行分析ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra + RfCECT2T(1) 當(dāng)T = 0 時，Ia = If = 0， =r，n0 = (5 6) nN。(2) 當(dāng)T 很小時，Ia 很小，磁路未飽和，T Ia n 迅速下降。 (3) 當(dāng)T 很大時，Ia 很大，磁路已飽和，T Ia 基本不變 n下降較少。 7.5 直流電動機(jī)的運行分析5

14、. 應(yīng)用(1) 特別適用于起重機(jī) 和電氣機(jī)車等運輸機(jī)械。(2) 不能在輕載或空載下運行。(3) 不能用皮帶輪傳動。串勵電動機(jī)的機(jī)械特性軟特性O(shè) nT四、復(fù)勵電動機(jī)1. 積復(fù)勵、差復(fù)勵。2. 機(jī)械特性(1) 有較大的Tst 。(2) 可以空載運行。并勵復(fù)勵7.5 直流電動機(jī)的運行分析MIaIf+UI串勵O nT7.6 直流電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩1. 功率平衡方程式(1) 輸入功率 P1 P1 = U I(2) 銅損耗 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 電磁功率 Pe Pe = P1 PCu 推導(dǎo)： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) I

15、aRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 Pe = E Ia 一、直流電動機(jī)的功率7.6 直流電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩Pe = E Ia = CE n Ia = T 260= CT n Ia 功率流程圖P1PCuPeP0P22. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 空載： T = T0 負(fù)載: T = T0 + T2 260T2n =(4) 空載損耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 輸出功率P2 P2 = Pe P0 = T27.6 直流電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩(6) 總損耗 Pal = PCu PFePmePad (7) 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal(8) 效率P2P1 = 100%二、直

16、流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T = T0 TL 【例】 一并勵電動機(jī)，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求該電機(jī)的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。 解：P2P1 = 100%6.2860= 6.81 500 W = 1 067.6 W Pe = P2P0 = 143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 375 WPal = P1P2 = (1 3751 067.6) W = 307.4 W7.6 直流電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩260P2= TLn 6.2860=

17、 0.91 500 W = 143.3 W 260P0= T0n 1 067.61 375= 100% = 77.64% 7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析一、他勵發(fā)電機(jī)外電源Uf If E n原動機(jī)電樞Ua 1. 空載運行勵磁電路：If =UfRf勵磁電路總電阻電樞電路： Ia = 0， Ua = U0 = E調(diào)節(jié)RfIf 可變 可變E 可變 Ua可變。 +UaGIf+UfEIa U0 = E = f (If ) 空載特性O(shè)IfU0Er剩磁感應(yīng)電動勢2. 負(fù)載運行 輸出電壓: U = Ua 輸出電流: I = Ia 電壓平衡方程式 U = Ua = ERa Ia當(dāng) IaRa IaE (電樞反應(yīng))U

18、a 外特性 U = f (I )n = nNIa = 0OIUn = nNIf = IfNINUNU0n = nNIf = 常數(shù)7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析空載特性外特性 電壓調(diào)整率VR =U0UNUN100%( 5% 10% ) 調(diào)整特性 當(dāng) n = nN，U = UN 時： If = f ( I )OI If IfNIN7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析調(diào)整特性 【例】 一他勵直流發(fā)電機(jī)， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra 。如果磁通 保持不變，求 1 000 r/min 時的空載電壓 U0 和 900 r/min 時的滿載電壓 U 。 解：在

19、 nN 和 UN 時的電樞電流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在 保持不變時， E n10103230= A = 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V 7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V二、并勵發(fā)電機(jī)Ua E ? E ? 1. 自勵條件(1) 主磁極必須有剩磁r ：rErIfrEEr與r 方向相同EEr與r 方向相反(2) 勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 與

20、If 既應(yīng)滿足空載特性又應(yīng)滿足歐姆定律。7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析GEIfIaI當(dāng) Rf Rk 時， E Er ， 能夠自勵。當(dāng) Rf = Rk 時， E不確定，不能自勵。當(dāng) Rf Rk 時， EEr，不能自勵。(3) 勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If場阻線：場阻線的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析2. 運行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI Ia RaIa E (電樞反應(yīng))Uf Ua 外特性 U = f ( I )n = nNRf

21、= 常數(shù)OIUU0他勵并勵(1) 負(fù)載增加時， U 下降較快。 VR 20%7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析EUaIfIaIG(2) 外特性有拐彎現(xiàn)象。OI UU0他勵并勵I(lǐng)NUNRL I (Ia) U 低飽和磁路RL U If E (較大幅度) U 的下降比 RL的減少得更快 I = U / RLRL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 較小。(3) 穩(wěn)態(tài)短路電流不大。7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析 【例】 例7.7.1 中的他勵發(fā)電機(jī)，勵磁繞組的電阻為 100。轉(zhuǎn)速為 1 000 r/min 時的空載特性如圖所示。今將它改作并勵發(fā)電機(jī)運行。問勵磁電路

22、內(nèi)應(yīng)串聯(lián)多大的電阻才能獲得 230 V 的空載電壓和滿載電壓？ 解：空載運行時EIfRf = U0 = ERa If E 查空載特性得： If = 1.5 A 時 E = 230 V 根據(jù) E = ( RaRf ) If可得2301.5= = 153.3 7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析01 2 3 4 If /AE/V300200100應(yīng)串聯(lián)的電阻為： R = Rf100 100) = 53.3 若要滿載電壓為230 V，則需 E = 247 V。再查空載特性得： If = 2 A 時 E = 247 V 根據(jù) UN = Rf If可得2302= ( 100 ) = 15 01 2 3 4 If

23、 /AE/V300200100UNIfR = 100 7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析*三、串勵發(fā)電機(jī)1. 基本關(guān)系 I = Ia = If U = Ua Uf = E ( RaRf ) I2. 外特性空載時，I = Ia = If = 0 = r ，E = Er 負(fù)載時，I (If) U I (If) 7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析OIUEr外特性 磁路飽和E不再增加電阻壓降 U 。 G+UIfIIa四、復(fù)勵發(fā)電機(jī)1. 分為積復(fù)勵和差復(fù)勵2. 對于積復(fù)勵發(fā)電機(jī)(1) 平復(fù)勵發(fā)電機(jī) 當(dāng) I = IN 時的 UN = U0 。(2) 過復(fù)勵發(fā)電機(jī) 當(dāng) I = IN 時的 UNU0 。(3) 欠復(fù)勵發(fā)電機(jī) 當(dāng) I = IN 時的 UN U0 。他勵并勵過復(fù)勵I(lǐng)N平復(fù)勵欠復(fù)勵差復(fù)勵7.7 直流發(fā)電機(jī)的運行分析OIUUNGIIaIf+U7.8 直流發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩一、直流發(fā)電機(jī)的功率1. 輸入功率 P1 :2. 空載損耗 P0 :3. 電磁功率 Pe :4. 銅損耗 PCu :5. 輸出功率 P2 :P1 = T1P0 = PFePmePadPe = P1 P0= T = E Ia PC