《控制電機》課件

1、第1章 直流電機1.2 1.2 直流電機電樞繞組簡介直流電機電樞繞組簡介1.3 1.3 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 本章主要討論直流電機的基本結構和工作原理，討論直流電本章主要討論直流電機的基本結構和工作原理，討論直流電機的磁場分布、感應電動勢、電磁轉矩、電樞反應及影響、換向機的磁場分布、感應電動勢、電磁轉矩、電樞反應及影響、換向及改善換向方法，從應用角度分析直流發(fā)電機的運行特性和直流及改善換向方法，從應用角度分析直流發(fā)電機的運行特性和直流電動機的工作特性。電動機的工作特性。1.4 1.4 直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩1.5 1.5 直流電機的換向直流

2、電機的換向1.6 1.6 直流發(fā)電機直流發(fā)電機1.7 1.7 直流電動機直流電動機1.1 直流電機的基本工作原理與結構直流電機的基本工作原理與結構思考題與習題思考題與習題第1章 直流電機基本要求：基本要求：1.掌握直流電機的基本工作原理；2.了解直流電機的基本結構和各部件的主要作用；3.明確直流電機的銘牌中主要額定數(shù)據(jù)及其含義以及在使用電機時應當注意的事項；4.理解單疊繞組和單波繞組各節(jié)距的計算方法；4.能夠看懂并會繪制單疊繞組和單波繞組的展開圖。了解各繞組的主要特點；5.了解電樞反應對電機的影響；6.掌握電樞電動勢和電磁轉矩的計算公式；7.理解直流發(fā)電機和直流電動機中電樞電動勢和電磁轉矩的性

3、質；8.了解直流電機的換向過程和改善換向的方法；9.了解直流電機的各種勵磁方式；10.掌握電磁功率的關系式，并理解直流電機中機電能量是可以彼此互相轉換的；11.了解電機的可逆原理。了解如何判斷一臺電機是電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)；12.掌握根據(jù)發(fā)電機慣例和電動機慣例的穩(wěn)態(tài)運行基本方程式；13.掌握自勵直流發(fā)電機的自勵建壓過程和條件；14.掌握直流發(fā)電機的運行特性；15.掌握他勵直流電動機運行時電機內(nèi)的功率關系。第1章 直流電機1.1.1 直流電機的工作原理直流電機的工作原理1.1 直流電機的基本工作原理和結構一、直流發(fā)電機工作原理 右圖為直流發(fā)電機的物理模型，右圖為直流發(fā)電機的物理模型，N N、S

4、S為定子磁極，為定子磁極，abcdabcd是固定在可是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首末端樞。線圈的首末端a a、d d連接到兩個連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈與外電路的連接向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。電刷進行的。直流發(fā)電機直流發(fā)電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械。是將機械能轉變成電能的旋轉機械。第1章 直流電機 當原動機驅動當原動機驅動電機轉子逆時針旋電機轉

5、子逆時針旋轉時同，線圈轉時同，線圈abcdabcd將感應電動勢。如將感應電動勢。如右圖，導體右圖，導體abab在在N N極極下，下，a a點高電位，點高電位，b b點低電位；導體點低電位；導體cdcd在在S S極下，極下，c c點高電點高電位，位，d d點低電位；電點低電位；電刷刷A A極性為正，電刷極性為正，電刷B B極性為負。極性為負。第1章 直流電機 當原動機驅動電機轉子逆時針當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉旋轉 后，如右圖后，如右圖。0180 與電刷與電刷A A接觸的導體總是位于接觸的導體總是位于N N極下，與電刷極下，與電刷B B接觸的導體總是位接觸的導體總是位于于S S極下極下, ,

6、電刷電刷A A的極性總是正的，的極性總是正的，電刷電刷B B的極性總是負的，在電刷的極性總是負的，在電刷A A、B B兩端可獲得直流電動勢。兩端可獲得直流電動勢。 導體導體abab在在S S極下，極下，a a點低電位，點低電位，b b點高電位；導體點高電位；導體cdcd在在N N極下，極下，c c點點低電位，低電位，d d點高電位；電刷點高電位；電刷A A極性極性仍為正，電刷仍為正，電刷B B極性仍為負。極性仍為負。 實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構成布在電樞鐵心表面的

7、不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要電機的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N N、S S極交替旋轉多對。極交替旋轉多對。第1章 直流電機二、直流電動機工作原理 把電刷把電刷A A、B B接到直流電源上，接到直流電源上，電刷電刷A A接正極，電刷接正極，電刷B B接負極。此接負極。此時電樞線圈中將電流流過。時電樞線圈中將電流流過。 直流電動機直流電動機是將電能轉變是將電能轉變成機械能的旋轉機械。成機械能的旋轉機械。 在磁場作用下，在磁場作用下，N N極性下導體極性下導體abab受力方向從右向左，受力方向從右向左，S S 極下導極下導體體cdcd受力方向從左向右。該電磁

8、受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。轉子逆時針方向旋轉。第1章 直流電機 原原N N極性下導體極性下導體abab轉到轉到S S極極下，受力方向從左向右，原下，受力方向從左向右，原S S 極下導體極下導體cdcd轉到轉到N N極下，受力方極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉。下繼續(xù)逆時針方向旋轉。 與直流發(fā)電機相同，實際的與直流

9、發(fā)電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。磁極也并非一對。 當電樞旋轉到右圖所示位置時當電樞旋轉到右圖所示位置時第1章 直流電機直流電直流電動機的動機的工作原工作原理示意理示意圖圖:第1章 直流電機1.1 直流電機的基本工作原理和結構1.1.2 直流電機的主要結構主磁極主磁極：產(chǎn)生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構成：產(chǎn)生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構成換向磁極換向磁極：改善換向。：改善換向。電刷裝置電刷裝置：與換向片配合：與換向片配合, ,完成直流與交流的互換完成直流與交流的互換機座和端蓋機座和端蓋：起支撐和固定作用。：起支撐和固定作用

10、。定子定子轉子轉子換向器換向器：與電刷裝置配合：與電刷裝置配合, ,完成直流與交流的互換。完成直流與交流的互換。電樞鐵心電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組電樞繞組：由帶絕緣的導線繞制而成，是電路部分。：由帶絕緣的導線繞制而成，是電路部分。轉轉 軸：軸：由鋼鐵做成。由鋼鐵做成。軸軸 承：承：第1章 直流電機第1章 直流電機第1章 直流電機第1章 直流電機第1章 直流電機1.1.3 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列額定條件下電機額定條件下電機所能提供的功率所能提供的功率NP額定功率額定功率指電刷間輸出的指電刷間輸出的額定電功率額定電功率發(fā)電機發(fā)電機指軸上輸

11、出指軸上輸出的機械功率的機械功率電動機電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓；發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機在額定工況下，電機出線端的平均電壓出線端的平均電壓NU額定電壓額定電壓在額定電壓下，運行于在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流額定功率時對應的電流NI額額定定電電流流在額定電壓、額定電流下，運在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速行于額定功率時對應的轉速.Nn額額定定轉轉速速fNI額額定定勵勵磁磁電電流流對應于額定電壓、額定電流、額對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流定轉速及額定功率時的勵磁電流

12、電機銘牌上還標有其它數(shù)電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。期、出廠編號等。第1章 直流電機 此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、此外，電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。出廠編號等。 電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于電機運行于額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電流欠載運行；運欠載運行；運行電流大于額定電流行電流大于額定電流過載運行。長期欠載運行將造成電過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機

13、最好機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。作性能等比較好。第1章 直流電機1.2.1 直流樞繞組基本知識直流樞繞組基本知識1.2 直流電機的電樞繞組簡介元件元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。元件的首末端元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。一根稱為首端，另一根稱為末端。極距極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距

14、離，用相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。表示。P2D疊繞組疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。波繞組波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。聯(lián)起來，象波浪式的前進。第一節(jié)距第一節(jié)距 ：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。1y第1章 直流電機第1章 直流電機第1章 直流電機合成節(jié)距合成節(jié)距 ：連接同一換向

15、片上的兩個元件對應邊之間的距離。連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。y第二節(jié)距第二節(jié)距 ：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。層邊與第二個元件的上層邊間的距離。2y21yyy單疊繞組單疊繞組21yyy單波繞組單波繞組換向節(jié)距換向節(jié)距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。同一元件首末端連接的換向片之間的距離。ky1.2.2. 1.2.2. 單疊繞組單疊繞組 單疊繞組的特點是相鄰元件單疊繞組的特點是相鄰元件( (線圈線圈) )相互疊壓相互疊壓, ,合成節(jié)距與換向合成節(jié)距與換向節(jié)距均為節(jié)距均為1,1,即：即

16、：1kyy 單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組的所有元件取出單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、來畫在一張圖里，展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關系。電刷間的相對位置關系。第1章 直流電機單疊繞組的展開圖單疊繞組的展開圖第1章 直流電機根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖:單疊繞組的的特點單疊繞組的的特點：1 1）同一主磁極下的元件）同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。數(shù)與支

17、路數(shù)相同。2 2）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，）電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電動勢電刷位置應使感應電動勢最大，電刷間電動勢等于最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。并聯(lián)支路電動勢。3 3）電樞電流等于各支路）電樞電流等于各支路電流之和。電流之和。第1章 直流電機. . . 單波繞組單波繞組 單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等，展開圖如下圖所示。圖所示。 兩個串聯(lián)元件放在兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落其末尾所邊的換

18、向片落在與起始的換向片相鄰在與起始的換向片相鄰的位置。的位置。第1章 直流電機單波繞組的并聯(lián)支路圖單波繞組的并聯(lián)支路圖:單波繞組的特點單波繞組的特點1 1）同極下各元件串聯(lián)）同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支起來組成一條支路，支路對數(shù)為路對數(shù)為1 1，與磁極對，與磁極對數(shù)無關；數(shù)無關；2 2）當元件的幾何形）當元件的幾何形狀對稱時，電刷在狀對稱時，電刷在換向器表面上的位換向器表面上的位置對準主磁極中心置對準主磁極中心線，支路電動勢最線，支路電動勢最大大；3 3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；）電刷數(shù)等于磁極數(shù)；4 4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；）電樞電動勢等于支路感應電動勢；5 5）電樞電流等于兩條

19、支路電流之和。）電樞電流等于兩條支路電流之和。第1章 直流電機1.3.1直流電機的空載磁場直流電機的空載磁場1.3 直流電機的電樞反應 直流電機工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動勢，電樞電流產(chǎn)生直流電機工作中，主磁極產(chǎn)生主磁極磁動勢，電樞電流產(chǎn)生電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為 電樞反應電樞反應。 右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖右圖為一臺四極直流電機空載時的磁場示意圖。當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為為 ，流過電流，流過電流 ，每，每極的勵磁磁動勢為：極的勵磁磁動勢為：fNfIfffNIF 第1章 直流電機 直流電機中，直流

20、電機中，主磁通主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉矩，而電動勢或產(chǎn)生電磁轉矩，而漏磁通漏磁通沒有這個作用，它只是增沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，加主磁極磁路的飽和程度。在數(shù)量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大約是主磁通的多，大約是主磁通的20%20%。磁力線由磁力線由N N極出來，經(jīng)氣隙、極出來，經(jīng)氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入電樞齒部、氣隙進入S S極，再極，再經(jīng)定子鐵軛回到經(jīng)定子鐵軛回到N N極極主磁通主磁通主磁路主磁路磁力線不進入電樞鐵心，磁力線不進入電樞鐵

21、心，直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極直接經(jīng)過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路第1章 直流電機 空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。大小和形狀。幾何中性線幾何中性線極靴極靴極身極身（a）氣隙形狀氣隙形狀 磁極中心及附近的氣磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近極大且基本為常數(shù)，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；極

22、尖以外，通密度減?。粯O尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。密度為零。第1章 直流電機 空載時的氣隙磁通密度為空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖一平頂波，如下圖(b) (b) 所示。所示。 空載時主磁極磁通的分空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖布情況，如右圖(c) (c) 所示。所示。第1章 直流電機 為了感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉為了感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通的每極磁通 ，空載時，氣隙磁，空載時，氣隙磁通通 與空載磁

23、動勢與空載磁動勢 或空載勵磁或空載勵磁電流電流 的關系，稱為直流電機的空的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。載磁化特性。如右圖所示。000fF0fI 為了經(jīng)濟、合理地利用材料，為了經(jīng)濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁一般直流電機額定運行時，額定磁通通 設定在圖中設定在圖中 A A點點，即在磁化特，即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。性曲線開始進入飽和區(qū)的位置。NfNI0fF0fIINfIA0N0第1章 直流電機1.3.2 直流電機負載時的負載磁場直流電機負載時的負載磁場 直流電機帶上負載后，電樞繞直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動組中有電流，

24、電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為勢稱為電樞磁動勢電樞磁動勢。電樞磁動勢的。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。 右圖為一臺電刷放在幾何中性右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。情況。 假設勵磁電流為零，只有電樞電假設勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為為交軸磁動勢交軸磁動勢。第1章 直流電機 如果認為直流電機電樞上如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則有無窮多整距元件分布，則電電樞磁動勢樞磁動勢在

25、氣隙圓周方向空間在氣隙圓周方向空間分布呈分布呈三角波三角波，如圖中，如圖中 所所示。示。axF 由于主磁極下氣隙長度基由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的為對稱的馬鞍型馬鞍型，如圖中，如圖中 所示。所示。axBaxBaxF第1章 直流電機1.3.31.3.3 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 當勵磁繞組中有勵磁電流，電當勵磁繞組中有勵磁電流，電機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵機帶上負載后，氣隙中的磁場是勵磁磁動勢與電樞磁動勢共同作用的磁磁動勢與

26、電樞磁動勢共同作用的結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響結果。電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為稱為電樞反應電樞反應。電樞反應與電刷的。電樞反應與電刷的位置有關。位置有關。1 1、當電刷在幾何中性線上時當電刷在幾何中性線上時，將，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（如圖（a a）所示。）所示。第1章 直流電機xB0axBxB主磁場的主磁場的磁通密度磁通密度分布曲線分布曲線電樞磁場磁通電樞磁場磁通密度分布曲線密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線的磁

27、通密度分布曲線第1章 直流電機由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點： 2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發(fā)生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載角，磁通密度的曲線與空載時不同。時不同。 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的

28、數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，每極量的磁通量與空載時相同。電機正常運行于磁化曲線的膝部，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應為性線時的電樞反應為交軸去磁性質交軸去磁性質。第1章 直流電機2 2、當電刷不在幾何中性線上時、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線也隨角，電樞磁動勢軸線也隨之移動之移動 角，如圖角，如

29、圖(a)(b)(a)(b)所示。所示。 電樞磁動勢可以分電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢軸電樞磁動勢 和直軸和直軸電樞磁動勢電樞磁動勢 。adFaqF電刷順轉向偏移電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移電刷逆轉向偏移發(fā)電機發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁電動機電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁第1章 直流電機1.4.1 直流電機的電樞電動勢1.4 直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞旋轉時電樞旋轉時, ,主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢。樞電動勢。性質

30、性質: : 發(fā)電機發(fā)電機電源電勢電源電勢( (與電樞電流同方向與電樞電流同方向);); 電動機電動機反電勢反電勢( (與電樞電流反方向與電樞電流反方向).).)(電動勢常數(shù)電動勢常數(shù)為電機的結構常數(shù)為電機的結構常數(shù)其中其中a60pNCE可見可見,直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關。直流電機的感應電動勢與電機結構、氣隙磁通及轉速有關。大小大小: :nCnapNEEa60第1章 直流電機1.4.2 直流電機的電磁轉矩產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時電樞繞組中有電樞電流流過時, ,在磁場內(nèi)受電磁力的作用在磁場內(nèi)受電磁力的作用, ,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩。該力與電樞鐵心

31、半徑之積稱為電磁轉矩。大小大小: :2emaTapNT IC Ia性質性質: : 發(fā)電機發(fā)電機制動制動( (與轉速方向相反與轉速方向相反) )； 電動機電動機驅動驅動( (與轉速方向相同與轉速方向相同) )。 可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電可見，制造好的直流電機其電磁轉矩與氣隙磁通及電樞電流成正比流成正比為電機的轉矩常數(shù)，有為電機的轉矩常數(shù)，有其中其中apNCT2ETC9.55C第1章 直流電機1.5.1 1.5.1 換向概述換向概述1.5 直流電機的換向 為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。 直流電機的某一個元件經(jīng)過電刷

32、，從一條支路換到另一條直流電機的某一個元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時支路時, ,元件里的電流方向改變，即元件里的電流方向改變，即換向換向。 電樞移到電刷與換向片電樞移到電刷與換向片2 2接觸時，元件接觸時，元件1 1的被短路，電流的被短路，電流被分流。被分流。 電刷與換向片電刷與換向片1 1接觸時，元件接觸時，元件1 1 中的中的電流方向如圖所示，大小為電流方向如圖所示，大小為 。aii 電刷僅與換向片電刷僅與換向片2 2接觸時，元件接觸時，元件1 1 中中的電流方向如圖所示，大小為的電流方向如圖所示，大小為aii第1章 直流電機第1章 直流電機 換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換

33、向片之間產(chǎn)生換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。使電機不能正常工作。 產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現(xiàn)象。因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現(xiàn)象。 元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為換向周換向周期期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞

34、組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程。樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程。第1章 直流電機1.5.2 1.5.2 換向的電磁理論換向的電磁理論換向元件中的電動勢：換向元件中的電動勢：自感電動勢自感電動勢 和互感電動勢和互感電動勢 ：換向元件（線圈）在換向過：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的。程中電流改變而產(chǎn)生的。LeMe切割電動勢切割電動勢 ：在幾何中性線處，由于電樞反應在存在，電：在幾何中性線處，由于電樞反應在存在，電樞反應磁密不為零，在換向元件中感應切割電動勢。樞反應磁密不為零，在換向元件中感應切割電動勢。ae換向元件中的合成電動勢為：換向元件中的合成電動勢為：kaM

35、Leeeee 根據(jù)楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總根據(jù)楞次定律，自感電動勢、互感電動勢和切割電動勢總是阻礙換向的。是阻礙換向的。換向電動勢換向電動勢 ：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應：在幾何中性線處，換向元件在換向磁場中感應的電動勢。的電動勢。換向電動勢是幫助換向的換向電動勢是幫助換向的。ke第1章 直流電機換向元件中的電流：換向元件中的電流：11kbkbRi(RR)i(RR)ie 設兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是設兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是 和和 ，元件，元件自身的電阻為自身的電阻為 , ,流過的電流為流過的電流為 , ,元件與換向片間的連線電阻元件與

36、換向片間的連線電阻為為 , ,元件在換向時的回路方程：元件在換向時的回路方程：1bR2bRRikR 忽略元件電阻和元件與換向片間的連線電阻，并設電刷與忽略元件電阻和元件與換向片間的連線電阻，并設電刷與換向片的接觸總電阻為換向片的接觸總電阻為 ，則可推導出換向元件中的電流變，則可推導出換向元件中的電流變化規(guī)律為化規(guī)律為bR2kalkkkkbkeTtiiiiTTTR ()tTt第1章 直流電機一、直線換向0e當當 時換向元件電流隨時間時換向元件電流隨時間線性變化。線性變化。0e當當 時換向元件電流隨時間不時換向元件電流隨時間不是線性變化，出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象。是線性變化，出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象。二、延遲換向

37、0e當當 時換向元件電流隨時間再時換向元件電流隨時間再是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。三、超越換向ai直線換向直線換向aikTt0延遲換向延遲換向超越換向超越換向第1章 直流電機1.5.3 改善換向的方法改善換向的方法 除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，除了直線換向外，延遲和超越換向時的合成電動勢不為零，換向元件中產(chǎn)生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電換向元件中產(chǎn)生附加換向電流，附加換向電流足夠大時會在電刷下產(chǎn)生火花。還有機械和化學方面的因素也能引起換向不良刷下產(chǎn)生火花。還有機械和化學方面的因素也能引起換向不良產(chǎn)生火花。產(chǎn)生火花。 改善換向一

38、般采用以下方法：改善換向一般采用以下方法：選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻裝設換向磁極裝設換向磁極位于幾何中性線處裝換向磁位于幾何中性線處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串極。換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，在換向元件處產(chǎn)生換向聯(lián)，在換向元件處產(chǎn)生換向磁動勢抵消電樞反應磁動勢磁動勢抵消電樞反應磁動勢大型直流電機在主磁極大型直流電機在主磁極極靴內(nèi)安裝補償繞組極靴內(nèi)安裝補償繞組補償繞組與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生補償繞組與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁動勢抵消電樞反應磁動勢的磁動勢抵消電樞反應磁動勢第1章 直流電機1.6.1 1.6.1 直流發(fā)電機的勵磁方式直流發(fā)

39、電機的勵磁方式1.6 直流發(fā)電機 供給勵磁繞組電流的方式稱為供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式勵磁方式。分為。分為他勵他勵和和自勵自勵兩大類，自勵方式又分兩大類，自勵方式又分并勵并勵、串勵串勵和和復勵復勵三種方式。三種方式。1 1、他勵、他勵：直流電機的勵磁電流：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。由其它直流電源單獨供給。aIIGUfUfIaII 他勵直流發(fā)電機的電樞電流他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：和負載電流相同，即：第1章 直流電機2 2、并勵、并勵：發(fā)電機的勵磁繞組與電發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足樞繞組并聯(lián)。且滿足afI =I+IfIUIaEaI3 3、串勵

40、、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足滿足afI = I= IUIaIfIaE第1章 直流電機4 4、復勵：、復勵： 并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。2fIUaEIaI1fIIaEUaI1fI2fI第1章 直流電機1.6.2 1.6.2 直流發(fā)電機的基本方程直流發(fā)電機的基本方程如圖規(guī)定各物理量的參考方向如圖規(guī)定各物理量的參考方向一一. .電動勢平衡方程電動勢平衡方程2aaabaaEUI RUUI R從方程式可見，直流發(fā)電機滿足

41、從方程式可見，直流發(fā)電機滿足aEU二二. . 轉矩平衡方程轉矩平衡方程10emTTTfIfU UaI1T0TemTnaEemT發(fā)電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給的驅動轉矩發(fā)電機軸上有三個轉矩：原動機輸入給的驅動轉矩 、電磁轉、電磁轉矩矩 和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩 。轉矩平衡方程為：。轉矩平衡方程為：1T0T第1章 直流電機直流發(fā)電機的勵磁電流直流發(fā)電機的勵磁電流ffUIR三、勵磁特性公式三、勵磁特性公式每極氣隙磁通每極氣隙磁通aff(I ,I )四四. .功率平衡方程功率平衡方程原動機輸入給發(fā)電機的機械功率原動機輸入給發(fā)電機的機械功率 1P電磁功率電磁功率a

42、aememIETPPP01mecp機械摩擦損耗機械摩擦損耗、鐵損耗鐵損耗Fep、附加損耗附加損耗 adp空載損耗空載損耗 包括：包括：0paE 電磁功率電磁功率一方面代表電動勢為一方面代表電動勢為 的電源輸出電流的電源輸出電流 時發(fā)出時發(fā)出的電功率，一方面又代表轉子旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機的電功率，一方面又代表轉子旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機械功率。械功率。aICuaP電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗輸出的電功率輸出的電功率CuaemPPP2cufp自勵發(fā)電機中還應減去勵磁損耗自勵發(fā)電機中還應減去勵磁損耗第1章 直流電機1.6

43、.3 他勵發(fā)電機的運行特性他勵發(fā)電機的運行特性一、空載特性1Cn0I)f(IUf定義定義: :當當 、 時，時， 直流發(fā)電機的空載特性是非線直流發(fā)電機的空載特性是非線性的，上升與下降的過程是不相同性的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。為空載特性曲線?？蛰d時空載時aEU空載特性曲線上升分支空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線平均空載特性曲線UfI)(faIfE 空載特性實質上就是空載特性實質上就是 。所以空載特性曲線的形狀與空載磁所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同?；匦郧€相同

44、。第1章 直流電機二、外特性NnnfNfII f(I)U 定義：當定義：當 、 時，時， 由曲線可見，負載電流增大時，端由曲線可見，負載電流增大時，端電壓有所下降。電壓有所下降。他勵他勵并勵U0U0IaaeRInCU 根據(jù)根據(jù) 可知可知端電壓下降端電壓下降有兩個原因：有兩個原因：(一一)在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應的去磁在勵磁電流一定情況下，負載電流增大，電樞反應的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；(二二)電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加，使端電壓下降。下降。為什為什么低么低?

45、?第1章 直流電機三、調(diào)節(jié)特性1Cn2CU f(I)If定義：當定義：當 、 時，時， 由曲線可見，在負載電流變化由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應及電樞回勵磁電流，補償電樞反應及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響路電阻壓降對對輸出端電壓的影響. .fI0I1.6.41.6.4 并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性 并勵發(fā)電機的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而并勵發(fā)電機的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點

46、與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的同。并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。條件稱為自勵條件。第1章 直流電機一、自勵條件fI0U10fIA20U3 曲線曲線1 1為空載特性曲線為空載特性曲線, ,曲線曲線2 2為勵磁回路總電阻為勵磁回路總電阻 特性曲線，特性曲線，也稱場阻線也稱場阻線 。 fffRIUfR 原動機帶動發(fā)電機旋轉時，如果主磁原動機帶動發(fā)電機旋轉時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生 。fI增大增大 , ,場阻線

47、變?yōu)榍€場阻線變?yōu)榍€3 3時，時， 稱為臨界電阻稱為臨界電阻 。fRfRcrR若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵。若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵。fIffRI 如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確，如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確， 勵磁電流產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使勵磁電流產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大，主磁路磁通增加，電動勢增大， 增加。增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端的電壓如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端的電壓與與 相等，達到穩(wěn)定的平衡工作點相等，達到穩(wěn)定的平衡工作點A A。4fffRIU第1章 直流電機可見，并勵直流發(fā)電機的自勵條件有：可見，并勵直流發(fā)

48、電機的自勵條件有：二、空載特性 并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。在第一象限。（1）電機的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉速下的臨界電阻（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確思考題思考題電機正轉能自電機正轉能自勵勵, ,反轉能自勵反轉能自勵嗎嗎? ?第1章 直流電機三、外特性三、外特性四、調(diào)節(jié)特性四、調(diào)節(jié)特性 并勵發(fā)電機的電樞電流，比起他勵發(fā)電機僅僅多了一個勵并勵發(fā)電機的電樞電流，比起他勵發(fā)電機

49、僅僅多了一個勵磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵發(fā)電機的相差不大。磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵發(fā)電機的相差不大。 對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的電樞反應去磁作對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的電樞反應去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓進一步下降。進一步下降。并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似，也是一條下降曲線。并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似，也是一條下降曲線。第1章 直流電機1.7 直流電動機1.7.1 1.7.