電機學-第5篇-直流電機課件

1、第五篇 直流電機 10/14/20221河海大學電氣工程學院第五篇 直流電機 10/11/20221河海大學電氣工程學直流電機 第一節(jié).直流電機的工作原理 第二節(jié).直流電機的銘牌數(shù)據(jù) 第三節(jié).直流電機的繞組* 第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場 第六節(jié).感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算 第七節(jié).直流電機的運行原理 第八節(jié).直流電機的換向 * 10/14/20222河海大學電氣工程學院直流電機 第一節(jié).直流電機的工作原理 第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/20223河海大學電氣工程學院第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/11/20223河海一、直流電動機的工作原理1. 皮薩電磁力定理 通電導

2、體在磁場中受力：設大?。?方向：左手定則 第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/20224河海大學電氣工程學院一、直流電動機的工作原理第一節(jié).直流電機的工作原理和結構102.電磁力形成轉(zhuǎn)矩當電流：a流入，x流出，逆時針受力 A邊轉(zhuǎn)過中性面后，若電流不變，順時針受力交變的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子擺動，而不轉(zhuǎn)第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/20225河海大學電氣工程學院2.電磁力形成轉(zhuǎn)矩第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/11關鍵：換向：將流過線圈中的電流方向及時的 加以變換。當線圈通過中性面時，改變線圈中電流方向則轉(zhuǎn)矩方向不變。換向由換向器配合電刷進行第一節(jié).直流電機的工作原理和結構1

3、0/14/20226河海大學電氣工程學院關鍵：換向：第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/11/20二、直流發(fā)電機的工作原理本質(zhì)：導體切割磁力線產(chǎn)生感應電勢圖中：導體ab在N極下產(chǎn)生電勢：ba 在S極下產(chǎn)生的電勢： ab 輸出電勢為交流 第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/20227河海大學電氣工程學院二、直流發(fā)電機的工作原理第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10關鍵：換向 線圈與外電路在適當位置交換連接。圖中： A始終“”； B始終“” 電刷輸出：大小變化，方向不變的脈振磁勢。 實質(zhì)：帶換向器的交流發(fā)電機。 可逆原理：第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/20228河海大學電氣工

4、程學院關鍵：換向第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/11/202第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/20229河海大學電氣工程學院第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/11/20229河海大第一節(jié).直流電機的工作原理和結構三、結構兩大部分（定子、轉(zhuǎn)子）1. 靜止部分定子作用：(產(chǎn)生磁場)組成：主磁極：鐵心線圈，線圈中通入勵磁電流(直流電) 主生磁場 換向極：位置：在兩主磁極之間；作用：改善換向機座： 固定主磁極、換向極等；磁路的一部分電刷裝置：換向10/14/202210河海大學電氣工程學院第一節(jié).直流電機的工作原理和結構三、結構10/11/2022第一節(jié).直流電機的工作原理和結構2

5、. 轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)子（電樞）作用：產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電勢 組成：電樞鐵心：作用：磁路，嵌放繞組材料：硅鋼片電樞繞組：主電路，機電能量轉(zhuǎn)換關鍵部件換向器：直流 交流發(fā)電機中：繞組中的交流電勢電刷上的直流電勢輸出電動機中：輸入直流電流繞組中的交流電流10/14/202211河海大學電氣工程學院第一節(jié).直流電機的工作原理和結構2. 轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)子（電樞第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/14/202212河海大學電氣工程學院第一節(jié).直流電機的工作原理和結構10/11/202212河海10/14/202213河海大學電氣工程學院10/11/202213河海大學電氣工程學院10/14/202214河海大學電

6、氣工程學院10/11/202214河海大學電氣工程學院第二節(jié).直流電機的銘牌數(shù)據(jù)10/14/202215河海大學電氣工程學院第二節(jié).直流電機的銘牌數(shù)據(jù)10/11/202215河海大學電第二節(jié).直流電機的銘牌數(shù)據(jù)額定功率：額定電壓：額定電流：額定轉(zhuǎn)速：額定勵磁電壓：額定勵磁電流：勵磁方式10/14/202216河海大學電氣工程學院第二節(jié).直流電機的銘牌數(shù)據(jù)額定功率：10/11/202216第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202217河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組10/11/202217河海大學電氣工序電動機：繞組中流過電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使線圈在磁場里轉(zhuǎn)動，在線圈中產(chǎn)生反電動勢，吸

7、收功率。電能 機械能發(fā)電機：線圈在磁場里轉(zhuǎn)動產(chǎn)生感應電勢，換向引出后接負載，電流流過線圈產(chǎn)生制動的電磁轉(zhuǎn)矩，吸收機械功率。機械能 電能關鍵：電樞電樞表面開槽，槽內(nèi)放繞組：電樞繞組第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202218河海大學電氣工程學院序第三節(jié).直流電機的繞組10/11/202218河海大學電氣第三節(jié).直流電機的繞組二.繞組的基本形式元件：即一個繞組直流電機繞組為雙層繞組一個元件的兩個邊：一個邊放一個槽的上層，另一個邊放另一槽的下層。兩端子接在兩換向片上兩種基本形式：單疊繞組、單波繞組10/14/202219河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組二.繞組的基本形式10/11/202

8、2第三節(jié).直流電機的繞組 10/14/202220河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組 10/11/202220河海大學電氣第三節(jié).直流電機的繞組1.單疊繞組特點：單：元件兩個端子聯(lián)接于相鄰兩個換向片上。 疊：后一繞組疊加在前一繞組上（向后移一個槽） 第一節(jié)距：元件跨距 （槽數(shù)） 換向節(jié)距：上層元件邊與下層元件邊所聯(lián)接 的兩個換向片間的距離。 10/14/202221河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組1.單疊繞組10/11/202221河第三節(jié).直流電機的繞組單疊繞組：yk=1第k+1元件的首端與第k元件末端連于一點，并連到第k個換向片上 雙層繞組：元件數(shù)S換向片數(shù)K 槽數(shù)Q繞組

9、展開圖：上層元件邊（首端） 實線 下層元件邊（末端） 虛線 相鄰元件依次串聯(lián)，形成閉合回路。10/14/202222河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組單疊繞組：yk=110/11/2022第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202223河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組10/11/202223河海大學電氣工例：直流電動機，N極：磁力線進入紙面S極：磁力線穿出紙面 ：電磁轉(zhuǎn)矩方向編號：元件號元件上層邊所放槽號上層邊所邊換向片號；所有元件，從某一號換向片出發(fā)，繞過電樞一周，形成一閉合回路。第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202224河海大學電氣工程學院例：直流電動機，第三節(jié).直流電

10、機的繞組10/11/20222第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202225河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組10/11/202225河海大學電氣工瞬間繞組連接電路圖要點：繞組順次連接四個支路：a=p四個元件被電刷短路：1,5,9,13不同極面下電流方向相反電刷A1、A2 并聯(lián)， B1、B2并聯(lián)10/14/202226河海大學電氣工程學院瞬間繞組連接電路圖要點：10/11/202226河海大學電氣單波繞組(了解)特點：繞組“一路向前走” 一元件的兩端子所連兩換向片相距很遠（即： ） 繞電樞一周后總的所跨過換向片數(shù)為 即：聯(lián)接到起始換向片的后（或前）一個換向片，即比較：單疊繞組：一步一回

11、頭，戀戀不舍 單波繞組：大膽向前走，義無反顧第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202227河海大學電氣工程學院單波繞組(了解)第三節(jié).直流電機的繞組10/11/20222第三節(jié).直流電機的繞組10/14/202228河海大學電氣工程學院第三節(jié).直流電機的繞組10/11/202228河海大學電氣工第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場10/14/202229河海大學電氣工程學院第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場10/11/202229河海第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場一.直流電機的勵磁方式主磁場（磁場磁場）：定子繞組通直流電產(chǎn)生磁場方式：建立磁場的方式勵磁方式分類： 他勵：其他直流電源對勵磁繞組供電

12、并勵：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián) 串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián) 復勵：兩個勵磁繞組10/14/202230河海大學電氣工程學院第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場一.直流電機的勵磁方式10/ 圖1-21 直流電機按勵磁方式分類 a)他勵 b)并勵 c)串勵 d)復勵第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場10/14/202231河海大學電氣工程學院第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場10/11/202231河海第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場二.直流電機的空載磁場空載 電動機：無機械功率輸出 發(fā)電機：無電功率輸出總之：電樞電流為零或者很小磁場分布 主磁通 ：穿過氣隙進入定子繞組。 回路氣隙小，總磁導率較大 漏磁通

13、 ：不穿過氣隙，僅與轉(zhuǎn)子繞組交鏈。 回路空間大，總磁導率較小 10/14/202232河海大學電氣工程學院第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場二.直流電機的空載磁場10/第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場10/14/202233河海大學電氣工程學院第四節(jié).直流電機的勵磁方式及磁場10/11/202233河海第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應*10/14/202234河海大學電氣工程學院第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應*10/11/2022第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應一、電樞磁通勢空載時：氣隙磁場僅由勵磁磁通勢產(chǎn)生帶負載后：電樞繞組流過的電流在電機形成的磁通勢。氣隙磁場勵磁磁通勢電

14、樞磁通勢10/14/202235河海大學電氣工程學院第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應一、電樞磁通勢10/1第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應二、電樞反應：電樞磁勢對勵磁磁勢產(chǎn)生的氣隙磁場的影響。電樞磁場磁力線分布圖（簡化）電刷是電樞表面電流分布的分界線 電樞磁通勢軸線總是與電刷軸線重合，與磁極軸線垂直。10/14/202236河海大學電氣工程學院第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應二、電樞反應：10/1三、電樞反應作用（兩磁場合成）主磁極磁場分布曲線：電樞磁場分布曲線：沿電樞表面逐點相加，合成磁場分布曲線第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應10/14/202237河海大學電氣工程

15、學院三、電樞反應作用（兩磁場合成）第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及四、電樞反應的影響（結果）比較：可見：1.負載時氣隙磁場發(fā)生了畸變 物理中性線不再與幾何中性線重合2.呈去磁作用 由于磁阻變化的非線性，負載時每極磁通比空載時略有減少。第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞反應10/14/202238河海大學電氣工程學院四、電樞反應的影響（結果）第五節(jié)、直流電機負載時的磁場及電樞第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算10/14/202239河海大學電氣工程學院第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算10/11/2022第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算一. 感應電動勢的計算指一條支路的電勢，即電刷間電勢 推導過

16、程從略，僅給出推導思路每極磁通一個元件經(jīng)過一個極面的時間T對瞬時電勢在時間T內(nèi)積分得：感應電勢平均值乘每支路的元件數(shù)得：支路電動勢其中：電勢常數(shù) 氣隙磁密與導線中 的感應電動勢10/14/202240河海大學電氣工程學院第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算一. 感應電動勢的計算1不計飽和影響， 式中Kf為比例常數(shù)式中 為機械角度 即感應電動勢Ea的大小與每極磁通（合成磁通）和電樞轉(zhuǎn)速乘積成正比；如不計飽和影響，它與勵磁電流If和電樞機械角速度乘積成正比。第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算10/14/202241河海大學電氣工程學院不計飽和影響， 式中Kf為比例常第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算

17、二 .電磁轉(zhuǎn)矩的計算設氣隙中某處徑向磁密為 ，元件中電流為ia,則此處元件所受電磁力為 一個極距內(nèi)積分得電機的電磁轉(zhuǎn)矩：其中：轉(zhuǎn)矩常數(shù)10/14/202242河海大學電氣工程學院第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算二 .電磁轉(zhuǎn)矩的計算10不計飽和的影響，式中即：電磁轉(zhuǎn)矩Tem的大小與每極磁通 （合成磁通）和電樞電流Ia的乘積成正比，如不計飽和影響。它與勵磁電流If乘積成正比第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算10/14/202243河海大學電氣工程學院不計飽和的影響，第六節(jié) 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算10/1第七節(jié) 直流電機的運行原理10/14/202244河海大學電氣工程學院第七節(jié) 直流電機的運

18、行原理10/11/202244河海大學一 直流電機的基本方程式電動勢平衡方程式（并勵電動機） 式中： 分別表示電源電壓、電樞繞組端電壓與勵磁繞組端電壓 分別表示電樞電流、勵磁繞組電流 分別表示電樞回路電阻（含電刷、換向器接觸電阻）、勵磁回路電阻 分別表示電樞回路電感、勵磁回路電感 機械角速度10/14/202245河海大學電氣工程學院一 直流電機的基本方程式電動勢平衡方程式（并勵電動機）1 直流電機的電磁系統(tǒng)一 直流電機的基本方程式10/14/202246河海大學電氣工程學院一 直流電機的基本方程式10/11/202246河海大學穩(wěn)態(tài)：則電路中的電磁量與機械量不是時間的函數(shù)，有：發(fā)電機運行電磁

19、功率、電樞電流方向與感應電動勢方向相同。穩(wěn)態(tài)一 直流電機的基本方程式10/14/202247河海大學電氣工程學院穩(wěn)態(tài)：則電路中的電磁量與機械量不是時間的函數(shù)，有：一 直2 .轉(zhuǎn)矩平衡方程式任一瞬間轉(zhuǎn)矩必須平衡：電動機：電磁轉(zhuǎn)矩Tem輸出機械轉(zhuǎn)矩T2空載轉(zhuǎn)矩T0慣性轉(zhuǎn)矩即：穩(wěn)定后（轉(zhuǎn)速恒定）則：電動機穩(wěn)態(tài)運行的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為一 直流電機的基本方程式10/14/202248河海大學電氣工程學院2 .轉(zhuǎn)矩平衡方程式一 直流電機的基本方程式10/11/發(fā)電機在發(fā)電機中，原動機的拖動轉(zhuǎn)矩為T1，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：穩(wěn)定時一 直流電機的基本方程式10/14/202249河海大學電氣工程學院發(fā)電機一 直流電

20、機的基本方程式10/11/202249河3 .功率平衡方程式并勵電動機輸入電功率：P1=UI勵磁損耗pCuf(勵磁回路的電功率Uif,消耗于電阻Rf中)電樞銅耗pCua,電刷接觸損耗pc輸入電動機的電功率P1上述損耗轉(zhuǎn)換為機械功率的電磁功率：Pem=Eia從輸出看：一 直流電機的基本方程式10/14/202250河海大學電氣工程學院3 .功率平衡方程式一 直流電機的基本方程式10/11/ 圖1-40 功率圖10/14/202251河海大學電氣工程學院10/11/202251河海大學電氣工程學院并勵發(fā)電機功率平衡關系為： 一 直流電機的基本方程式10/14/202252河海大學電氣工程學院并勵發(fā)

21、電機一 直流電機的基本方程式10/11/20225定義：由于Ia測量方便，且Ia隨P2的增大而增大，也可表示為直流電動機工作特性與勵磁方式有關二、直流電動機的工作特性10/14/202253河海大學電氣工程學院定義：二、直流電動機的工作特性10/11/202253河海大二、直流電動機的工作特性直流電動機有關公式（方程）如下：10/14/202254河海大學電氣工程學院二、直流電動機的工作特性直流電動機有關公式（方程）如下：10 并勵直流電動機的工作特性轉(zhuǎn)速特性 ： 不計電樞反應的去磁作用， 為一個與Ia無關的常數(shù)。則轉(zhuǎn)速特性為：式中 為理想空載轉(zhuǎn)速實際，Ia增加時，總有一定的去磁作。10/14

22、/202255河海大學電氣工程學院 并勵直流電動機的工作特性轉(zhuǎn)速特性 ： 10/11/2022圖1-41 并勵電動機的接線圖 圖1-42 并勵電動機的工作特性 并勵直流電動機的工作特性10/14/202256河海大學電氣工程學院 并勵直流電動機的工作特性10/11/202256河海大學電轉(zhuǎn)矩特性 ：轉(zhuǎn)矩特性接近一條直線。效率特性：電機的效率為輸出功率P2與輸入功率之比(用百分值表示)，即：并勵直流電動機的工作特性10/14/202257河海大學電氣工程學院轉(zhuǎn)矩特性 ：并勵直流電動機的工作特性10/11/202257各種損耗銅耗：消耗在電阻內(nèi)的損耗電樞回路中的銅耗勵磁回路的銅耗電刷接觸損耗 正負

23、電刷接觸電阻壓降（0.62V）可變損耗（隨Ia而變）并勵直流電動機的工作特性10/14/202258河海大學電氣工程學院各種損耗并勵直流電動機的工作特性10/11/202258河海鐵耗：包括渦流鐵耗和磁滯損耗。不變損耗。機械損耗：包括摩擦損耗、通風損耗。在轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，也可認為機械損耗是不變的。附加損耗： 又稱雜散損耗。估算無補償繞組的直流電機，約額定容量的1%；有補償繞組的直流電機，約額定容量的0.5%。并勵直流電動機的工作特性10/14/202259河海大學電氣工程學院鐵耗：包括渦流鐵耗和磁滯損耗。不變損耗。并勵直流電動機的工作對于并勵電動機由于U=UN,If=IfN，所以氣隙磁通

24、基本保持不變轉(zhuǎn)速變化很小，所以pCuf,pFe,pmec都可認為是不變的如果不計附加損耗 ,則并勵直流電動機的工作特性10/14/202260河海大學電氣工程學院對于并勵電動機并勵直流電動機的工作特性10/11/20226（一）空載運行 1.空載特性：定義：等價于磁化曲線：三、直流發(fā)電機的特性10/14/202261河海大學電氣工程學院（一）空載運行三、直流發(fā)電機的特性10/11/202261河 常用發(fā)電機的接線圖 a) 他勵直流發(fā)電機b) 并勵發(fā)電機 c) 復勵直流發(fā)電機10/14/202262河海大學電氣工程學院10/11/202262河海大學電氣工程學院2. 并勵和復勵直流發(fā)電機空載電壓的建立并勵和復勵直流發(fā)電機都是自勵發(fā)電機，它們不需要外部直流電源供給勵磁電流首先是在空載時建立電壓即所謂自勵，然后才能加以負載。10/14/20