第2章直流電機

第二章直流電機目錄2.1直流電機的工作原理2.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)和額定值2.3直流電機的磁場和電樞反應(yīng)2.4電流電機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.5直流電動機的運行分析2.6直流發(fā)電機的運行分析第二章直流電機2/99i克服S2.1直流電機的工作原理第二章直流電機3/99+-UetoNBee1)直流電動機的工作原理永磁體磁場、導(dǎo)體繞組、旋轉(zhuǎn)軸換向器-電刷、換向片電能->機械能直流電流->換向->交流電流->電磁轉(zhuǎn)矩->機械負載交流電流電磁轉(zhuǎn)矩（拖動轉(zhuǎn)矩）換向機械負載Φ旋轉(zhuǎn)反電動勢做功電樞繞組直流電流itoirirS2.1直流電機的工作原理第二章直流電機4/99+-eetoNB2)直流發(fā)電機的工作原理機械能->電能機械轉(zhuǎn)矩->感應(yīng)電動勢->換向->直流電壓->換向->交流電流->電磁轉(zhuǎn)矩原動機做功感應(yīng)電動勢電流輸出直流電Φ換向電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）S2.1直流電機的工作原理第二章直流電機5/99+-eNetoB3)直流電機的工作原理換向器和電刷配合實現(xiàn)換向繞組中是交流電流電磁轉(zhuǎn)矩在電動機中是拖動轉(zhuǎn)矩，在發(fā)電機中是阻轉(zhuǎn)矩。etoeto2.2直流電機的結(jié)構(gòu)第二章直流電機6/99定子主磁極換向極機座、端蓋、電刷轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器2.2直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機結(jié)構(gòu)爆炸圖第二章直流電機7/992.2直流電機的結(jié)構(gòu)第二章直流電機8/99定子轉(zhuǎn)子2.2直流電機的結(jié)構(gòu)第二章直流電機9/99定子轉(zhuǎn)子2.2直流電機的結(jié)構(gòu)第二章直流電機10/99定子N和S成對、交替、均勻分布。極對數(shù)p極數(shù)2p2.2直流電機的結(jié)構(gòu)第二章直流電機11/99定子轉(zhuǎn)子2.2直流電機的結(jié)構(gòu)第二章直流電機12/99定子主磁極-疊片勵磁繞組轉(zhuǎn)子鐵心-疊片電樞繞組2.3直流電機的繞組

單疊繞組元件單波繞組元件極距：一個磁極在電樞表面跨過的距離。τ=Q/(2p)=槽數(shù)/極數(shù)節(jié)距第一節(jié)距y1=τ整距繞組；y1<τ短距繞組；y1>τ長距繞組。第二節(jié)距y2

合成節(jié)距y=y1±y2

第二章直流電機13/992.3直流電機的繞組繞組第二章直流電機14/992.3直流電機的繞組繞組

τ=4，2p=2，y=4※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。第二章直流電機15/992.3直流電機的繞組繞組電樞連接規(guī)律※整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合的回路。第二章直流電機16/992.3直流電機的繞組原理圖中，省去換向器，假定電刷直接與導(dǎo)體接觸，

電刷放置在磁極的幾何中性線位置。習(xí)慣稱“電刷放在幾何中性線位置”。

交軸，直軸，符號。第二章直流電機17/992.3直流電機的繞組3)分類-按照勵磁方式發(fā)電機他勵并勵串勵復(fù)勵第二章直流電機18/992.3直流電機的繞組3)分類-按照勵磁方式電動機他勵并勵串勵復(fù)勵第二章直流電機19/992.3直流電機的繞組4)額定值額定電壓UN額定電流IN額定功率PN額定轉(zhuǎn)矩TN額定轉(zhuǎn)速nN額定勵磁電壓UfN額定勵磁電流IfN額定狀態(tài)--UIPn均為額定值的狀態(tài)滿載狀態(tài)--I=IN的狀態(tài)第二章直流電機20/992.3磁場和電樞反應(yīng)1)空載磁場

氣隙磁感應(yīng)強度第二章直流電機21/992.3磁場和電樞反應(yīng)2)電樞磁場第二章直流電機22/99xFa(x)2.3磁場和電樞反應(yīng)2)電樞磁場第二章直流電機23/99xFa(x)Ba(x)2.3磁場和電樞反應(yīng)3)電樞反應(yīng)第二章直流電機24/99B0(x)Ba(x)Bδ(x)2.3磁場和電樞反應(yīng)3)電樞反應(yīng)第二章直流電機25/99B0(x)Ba(x)Bδ(x)α2.3磁場和電樞反應(yīng)3)電樞反應(yīng)對主磁極磁場的影響?？偞艌霭l(fā)生畸變，零點偏移；物理中性線偏離幾何中心線；被電刷短路的元件的e≠0，增加了換向難度。一半磁極的磁通增加，另外一半磁極的磁通減少。不飽和時，每極磁通量不變；飽和時，每極磁通量會減少，感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少?？梢酝ㄟ^改變電刷位置改善換向問題。第二章直流電機26/99α物理中心線幾何中心線2.4電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1)感應(yīng)電動勢E：產(chǎn)生—電樞旋轉(zhuǎn)n，總磁場Φ，感應(yīng)電動勢。支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動勢的代數(shù)和。每極磁通Φ，電樞元件邊長度l，極距τ，可知氣隙平均磁密Bav=Φ/(lτ)。一根導(dǎo)體的平均電動勢eav=Bavlv；又有，元件邊導(dǎo)體的線速度v=2pτn/60；得到，導(dǎo)體平均電動勢eav=2pΦn/60。

已知導(dǎo)體數(shù)N，電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)a，則每條支路的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N/(2a)。這樣，電機總的感應(yīng)電動勢：第二章直流電機27/992.4電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2)電磁轉(zhuǎn)矩Tem：產(chǎn)生—導(dǎo)體中電流i，總磁場Φ，電磁力->電磁轉(zhuǎn)矩。所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。每極磁通Φ，電樞元件邊長度l，極距τ，可知氣隙平均磁密Bav=Φ/(lτ)。一根導(dǎo)體的fav=Bavial；假設(shè)電樞繞組直徑為Da

=2pτ

/

π；得到，一根導(dǎo)體的平均轉(zhuǎn)矩Tav=BavliaDa/2。

電樞繞組電流Ia，并聯(lián)支路數(shù)a，則每條支路電流ia=Ia/(2a)。這樣，電機總的電磁轉(zhuǎn)矩：第二章直流電機28/992.4電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩3)電磁功率Pe：在電樞中發(fā)生的轉(zhuǎn)換的功率。感應(yīng)電動勢E，電樞電流Ia；電磁轉(zhuǎn)矩Tem，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

Ω；電功率機械功率

Pe=EIa

=Te

Ω第二章直流電機29/99電功率機械功率轉(zhuǎn)換成的2.5電動機的運行分析1)基本方程式正方向--（電動機慣例）

U→Ia

E與Ia反向

Te與n同向

TL與n反向電壓平衡方程勵磁回路電樞回路第二章直流電機30/99ETenTL＋U

－Ia2.5電動機的運行分析1)基本方程式功率平衡方程輸入功率P1=UIa銅損Pcua=Ia2Ra電磁功率Pe=P1-Pcu輸出功率P2=T2Ω空載損耗P0=Pe–P2P0=PFe+Pfw+Pad第二章直流電機31/99轉(zhuǎn)換電功率機械功率EIa

Te

ΩP1PCuPeP0P22.5電動機的運行分析1)基本方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程空載Te=T0帶載

Te=T2+T0穩(wěn)態(tài)電樞電流IaTe=TL，

Ia

∝TL，

電樞電流大小取決于負載大小。Ia=IaN

滿載，Ia>IaN

過載。Ua↓，（n不變

E不變）

Ia↓

Te↓

<TL

n↓

E↓

Ia↑

Te↑

=TL第二章直流電機32/99TeTLn2.5電動機的運行分析2)他勵（并勵）直流電動機的特性轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)轉(zhuǎn)矩特性Te

=f(Ia)效率特性η

=f(Ia)機械特性n=f(Te)轉(zhuǎn)速特性n

=f(Ia)IaRa以及電樞反應(yīng)Φ影響轉(zhuǎn)矩特性Te

=f(Ia)電樞反應(yīng)Φ影響效率特性η

=f(Ia)不變損耗P0=可變損耗Pcu時取得極值。第二章直流電機33/99TeTLnOn,Te,ηIa2.5電動機的運行分析2)他勵（并勵）直流電動機的特性機械特性n

=f(Te)硬特性，Te增加，n下降較慢。動態(tài)方程*第二章直流電機34/99OnTen02.5電動機的運行分析2)他勵（并勵）直流電動機的特性轉(zhuǎn)動方向電樞電壓反向--改變電樞電流方向轉(zhuǎn)矩方向改變，轉(zhuǎn)向改變。磁場反向--改變勵磁電壓極性轉(zhuǎn)矩方向改變，轉(zhuǎn)向改變。同時改變電樞電壓方向和磁場方向–轉(zhuǎn)向不變。第二章直流電機35/99FFT,nFFT,nFFT,n2.5電動機的運行分析2)他勵（并勵）直流電動機的特性他例和并勵區(qū)別他勵并勵輸入電壓U=UaU=Ua=Uf輸入電流

I=IaI=Ia+If輸入功率P=UIaP=UI=UIa+UIf第二章直流電機36/992.5電動機的運行分析3)串勵直流電動機電壓電流轉(zhuǎn)矩Ia較小時，磁路未飽和，Φ∝Ia→Te∝Ia2

Ia較大時，磁路飽和，Φ

約為常數(shù)

→Te∝Ia

第二章直流電機37/99OTeIa2.5電動機的運行分析3)串勵直流電動機特點相同負載轉(zhuǎn)矩變化?T，電流變化?Ia較小。

最大電流Iamax，能夠產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩Te。起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。轉(zhuǎn)速電樞電流Ia增加時，轉(zhuǎn)速n下降很快。(1)電流增加時，IaRa壓降增大，IaRf壓降增大；(2)電流增加時，磁通Φ增加。第二章直流電機38/99OTeIaOTeIan2.5電動機的運行分析3)串勵直流電動機轉(zhuǎn)速當(dāng)Te=0時，Ia

=

If

=0，Φ=

Φr，n很大，n=(5~6)nN

！當(dāng)Te

較小時，Ia

很小，磁路未飽和，Te↑→Ia↑

→Φ↑→n

迅速下降！當(dāng)Te很大時，Ia

很大，磁路已飽和，Te↑→Ia↑

→Φ

基本不變→n下降較少！

第二章直流電機39/99OTeIanOnTe2.5電動機的運行分析3)串勵直流電動機轉(zhuǎn)速適用場合軟特性適用于負載的轉(zhuǎn)矩變化范圍較大情況；適用于起重機和電氣機車等運輸機械；

絕不允許在輕載或空載下運行；

需采用機械直接耦合，不能用皮帶輪傳動。第二章直流電機40/99OTeIanOnTe2.5電動機的運行分析4)復(fù)勵直流電動機積復(fù)勵–串勵繞組的磁動勢和并勵繞組的磁動勢方向相同；差復(fù)勵–串勵繞組的磁動勢和并勵繞組的磁動勢方向相反。機械特性介于并勵電動機和串勵電動機之間：(1)有較大的起動轉(zhuǎn)矩

；(2)可以空載運行。第二章直流電機41/99OnT并復(fù)串2.5電動機的運行分析例2-3并勵直流電動機，PN=96kW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A，nN=500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.078Ω。忽略電樞反應(yīng)影響，求額定輸出轉(zhuǎn)矩和額定電流時的電磁轉(zhuǎn)矩。解，額定轉(zhuǎn)矩：電樞電流：電動勢：電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：第二章直流電機42/992.5電動機的運行分析例2-4并勵直流電動機，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,電樞電阻Ra=0.18

，勵磁電阻Rf＝628。試求(1)CEΦN，CTΦN；(2)

電磁轉(zhuǎn)矩Te；(3)額定輸轉(zhuǎn)矩TN；(4)空載轉(zhuǎn)矩T0；(5)理想空載轉(zhuǎn)速n0與實際空載轉(zhuǎn)速n

0

。

解，(1)(2)電磁轉(zhuǎn)矩：(3)額定輸出轉(zhuǎn)矩：(4)空載轉(zhuǎn)矩：(5)空載轉(zhuǎn)速：第二章直流電機43/992.6發(fā)電機的運行分析1)基本方程式正方向--（發(fā)電機慣例）

E→U→Ia

T1與n同向

T0與n反向

Te與n反向電壓平衡方程勵磁回路電樞回路第二章直流電機44/99ETenT1＋U

－IaT02.6發(fā)電機的運行分析直流電機運行狀態(tài)的判斷（1）電樞電壓電動機U=E+IaRaU>E發(fā)電機U=E

-

IaRaE>U（2）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系電動機Te

n同向發(fā)電機n

Te反向第二章直流電機45/992.6發(fā)電機的運行分析1)基本方程式功率平衡方程輸入功率空載損耗P0=PFe+Pfw+Pad電磁功率Pe=P1–P0=TeΩ

=EIa銅損Pcu=Ia2Ra輸出功率P2=UI第二章直流電機46/99轉(zhuǎn)換電功率機械功率EIa

Te

ΩP1P0PePCuP22.6發(fā)電機的運行分析1)基本方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程輸入轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩第二章直流電機47/99ETenT1＋U

－IaT02.6發(fā)電機的運行分析2)他勵發(fā)電機的工作特性工作過程外電源Uf

If

Φ

原動機T1

n

…

E

Ua

U空載運行勵磁電路If=Uf/Rf電樞電路Ia=0，U=U0=E調(diào)節(jié)Rf

If

Φ

E

Ua

空載特性

U0=E=f(If)（n=nN,Ia=0）(1)本質(zhì)上就是通過實驗方法測定發(fā)電機實際的磁化曲線；(2)測定均按他勵發(fā)電機接線方式，與電機的勵磁方式無關(guān)。第二章直流電機48/99OIfU0Er剩磁感應(yīng)電動勢2.6發(fā)電機的運行分析2)他勵發(fā)電機的工作特性負載運行勵磁電路If=Uf/Rf電樞電路I=Ia，U=Ua電壓平衡方程調(diào)節(jié)Rf

If

Φ

E

Ua

負載特性

U=f(If)（n=nN,Ia=const）(1)I=0空載特性曲線；(2)相同勵磁電流，不同端電壓；AU電樞電阻壓降，EA產(chǎn)生相同感應(yīng)電動勢E的不同勵磁電流；I=const

AU長度不變，且EA長度不變；?EAU特征三角形。第二章直流電機49/99UO

I'f1

If1

IfEI=0

I=constAU2.6發(fā)電機的運行分析2)他勵發(fā)電機的工作特性負載運行負載增加，Ia↑

RaIa↑

E↓

Ua↓

Φ↓

E↓

Ua↓

外特性U=f(I)（n=nN,If=IfN）電壓調(diào)整率外特性隨負載電流增大呈下降趨勢；是由電樞回路電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)引起的；機端電壓隨負載變化的程度用電壓調(diào)整率衡量。第二章直流電機50/99OIUn=nNIf

=IfNINUNU02.6發(fā)電機的運行分析2)他勵發(fā)電機的工作特性負載運行調(diào)整特性If=f(I)

（n=nN,U=UN）表明負載變化，如何調(diào)節(jié)勵磁電流才能維持發(fā)電機端電壓維持不變。勵磁電流必須隨負載電流增加而增加，以補償電樞反應(yīng)的去磁作用。鐵磁材料的飽和影響，勵磁電流增加的速率必須更快，要高于負載電流。第二章直流電機51/99OI

If

IfNIN2.6發(fā)電機的運行分析3)并勵發(fā)電機的工作特性工作過程原動機T1

n

Φ

E

Ua

UE

Φ

？

Φ

E自勵條件(1)主磁極必須有剩磁Φr……

Er

Ifr

ΦΦr

與Φr

方向相同

E>Er

Φr

與Φr

方向相反

E<Er

(2)勵磁產(chǎn)生的磁通必須與剩磁方向相同。Φr

Er

Ifr

E>Er

If>Ifr

Φ>Φr→E↑…E

與If

之間滿足空載特性;If

與E

之間滿足歐姆定律。第二章直流電機52/992.6發(fā)電機的運行分析3)并勵發(fā)電機的工作特性自勵條件(1)主磁極必須有剩磁(2)勵磁產(chǎn)生的磁通必須與剩磁方向相同。(3)勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。場阻線斜率tanα=Ra+Rf當(dāng)Rf<Rfcr

時，E>Er

能夠自勵；

當(dāng)Rf=Rfcr

時，E不確定，不能自勵；

當(dāng)Rf<Rfcr

時，E>Er

不能自勵。第二章直流電機