第3章 直流電機原理

第3章直流電機原理直流電機基本結(jié)構(gòu)直流電機基本原理直流電機主要工作特性1/31/20231直流電機3.1.1概述直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用。

用作發(fā)電機可以獲得直流電源，用作電動機，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。

1/31/20232直流電機直流電機的優(yōu)、缺點

本章分析直流電機工作原理、結(jié)構(gòu)及換向等問題，為電力拖動自動控制系統(tǒng)提供元件的基本知識。直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。由于存在換向器，其制造復雜，價格較高；由于存在換向器，其應(yīng)用場合受到限制。1/31/20233直流電機3.1.2直流電機基本工作原理一、交流發(fā)電機基本工作原理物理模型:①e=BXlv;②磁極都是成對出現(xiàn);③整流;電子式機械式aBe1/31/20234直流電機二、直流發(fā)電機基本工作原理①換向器;②內(nèi)部(ab,cd):交流;

外部(AB):直流;③實質(zhì):帶有換向器的交流電機;④實際電機:多根導體有規(guī)律連接te1/31/20235直流電機三、直流電動機基本工作原理①f=Bxli;②DMDG的可逆性;③直流電機僅是能量轉(zhuǎn)換工具;直流電機的可逆性：一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是外界條件不同而已。這種同一臺電機能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。1/31/20236直流電機3.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)1/31/20237直流電機直流電機由靜止的部分定子和旋轉(zhuǎn)的部分轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成：1、定子：機座、主磁極、換向極和電刷裝置等。主極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場,使電樞繞祖在此磁場的作用下感應(yīng)電動勢(E)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩(T).1）主磁極：在大多數(shù)直流電機中，主磁極是電磁鐵，為了盡可能的減小渦流和磁滯損耗，主磁極鐵心用1～1.2mm厚的低碳鋼板疊壓而成。整個磁極用螺釘固定在機座上。1/31/20238直流電機2）換向極：換向極又稱附加極或間極,其作用是用以改善換向。換向極裝在相鄰兩主極之間，它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。4）電刷裝置：電刷的作用是把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。3）機座：一是作為電機磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機械支承的作用。因此要求機座有好的導磁性能及足夠的機械強度與剛度。機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。1/31/20239直流電機2、轉(zhuǎn)子：電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風扇、軸和軸承等。

1）電樞鐵心：電機主磁路的一部分，用來嵌放電樞繞組的，為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。2）電樞繞組：電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵性部件。參P31圖1/31/202310直流電機3.2.2直流電機的銘牌數(shù)據(jù)(額定值)

為了使電機安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運行性能，電機廠家根據(jù)國家標準及電機的設(shè)計數(shù)據(jù)，對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值稱為電機的額定值。

1．額定功率PN

（kW）:輸出的最大功率；

2．額定電壓UN（V）:3．額定電流IN

（A）:4．額定轉(zhuǎn)速nN

（r／min）:5．勵磁方式和額定勵磁電流IfN（A）ML+-IaU1/31/202311直流電機額定功率，對直流發(fā)電機來說，是指輸出的電功率，對直流電動機來說，是指軸上輸出的機械功率。直流發(fā)電機的額定功率為：直流電動機的額定功率為：直流電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩：額定過載欠載運行狀態(tài)

eg3.1,3.2(p32)1/31/202312直流電機3.4直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機的核心部分，在電機的機電能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。

a.據(jù)原理:兩個有效邊組成一個元件;b.許多元件互聯(lián)組成一個繞組;c.元件組成的原則:兩個相鄰異性極相對應(yīng)的位置.1/31/202313直流電機S(元件數(shù))=K(換向片數(shù))=Z(槽數(shù))NS1/31/202314直流電機幾何中性線：磁極之間的平分線，

極對數(shù)p：2p:極數(shù);極距

:在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。可表示為:NS元件節(jié)距（第一節(jié)距）：元件兩條邊的距離，以槽數(shù)計，總是整數(shù)(整距、長距、短距),整數(shù)1/31/202315直流電機

eg:單疊繞組展開圖已知某直流電機的極對數(shù)P=2,Z=K=S=16,試畫出單疊繞組展開圖。1．計算繞組數(shù)據(jù)1/31/202316直流電機2．畫繞組展開圖（1）先畫16根等長、等距的實線;（2）放磁極:N.S(0.7);（3）換向片;（4）聯(lián)繞組;（5）確定感應(yīng)電勢方向;（6）放電刷.畫圖3.151/31/202317直流電機12161/31/202318直流電機單疊繞組并聯(lián)支路圖:1/31/202319直流電機單疊繞組的特點元件的兩個出線端聯(lián)接于相鄰兩個換向片上；并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)，2a=2p；整個電樞繞組的閉合回路中，感應(yīng)電動勢的總和為零，繞組內(nèi)部無“環(huán)流”；每條支路由不相同的電刷引出，所以電刷不能少，電刷數(shù)等于磁極數(shù)；正負電刷之間引出的電動勢即為每一支路的電動勢，電樞電壓等于支路電壓；由正負電刷引出的電樞電流Ia

為各支路電流之和，即

Ia=2ia

（式中ia

為每一條支路的電流，即繞組元件中流過的電流）。1/31/202320直流電機3.3直流電機的磁場、電樞反應(yīng)一、直流電機的磁路和勵磁方式：1.磁路換向極1/31/202321直流電機2.直流電機的磁勢主極磁勢:Ff=IfNf電樞磁勢:Fa=IaNa換向極磁勢:FK=IKNK(

IK=Ia)3.直流電機的勵磁方式(NaNf的供電方式)ML+-IaUUf1/31/202322直流電機(不同勵磁方式電機的特性不同)1/31/202323直流電機二、空載時直流電機的磁場分布：空載：發(fā)電機出線端沒有電流輸出，電動機軸上不帶機械負載，即電樞電流為零的狀態(tài)。那么，這時的氣隙磁場，只由主極的勵磁電流所建立，又稱勵磁磁場。漏磁通：僅交鏈勵磁繞組本身，不進入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。主磁通：經(jīng)過主磁極、氣隙、電樞鐵心及機座構(gòu)成磁回路。它同時與勵磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。1/31/202324直流電機極靴下氣隙遠遠小于極靴之外的氣隙，顯然，極靴下沿電樞圓周各點的主磁場將明顯大于極靴范圍以外，在兩極之間的幾何中心線處，磁場等于零。磁管寬為任主磁路磁勢相同1/31/202325直流電機應(yīng)用磁路歐姆定律求出如上圖示:磁管寬為1/31/202326直流電機磁極中心及附近處:靠近極見尖處:極靴以外:兩極之間的幾何中心線處:1/31/202327直流電機三、直流電機的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng):電樞磁場對主極磁場的影響.1/31/202328直流電機電刷位置、交軸磁場幾何中性線物理中性線交軸(q)磁動勢直軸(d)磁動勢1/31/202329直流電機電樞反應(yīng)對主極磁場的影響A:電樞磁場在半個極內(nèi)對主極磁場起去磁作用，在另半個極內(nèi)則起增磁作用，引起氣隙磁場畸變;B:使電樞表面磁通密度等于零的位置偏移幾何中性線，新的等于零的我們稱之為物理中性線,物理中性線偏移;C:考慮飽和時，起到去磁作用。問題:1.如何抑制電樞反應(yīng)?2.電樞磁場是靜止的嗎?1/31/202330直流電機3.5直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩一、電樞電動勢E(每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動勢)一個磁極極距范圍內(nèi)，平均磁密用表示，極距為，電樞的軸向有效長度為，每極磁通為Ф，則電樞電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動勢。1/31/202331直流電機一根導體的平均電動勢為：所以：又因為：1/31/202332直流電機因為一條支路里的串聯(lián)總導體數(shù)（z為電樞總導體數(shù)），于是，電樞電動勢為：式中，

是一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)

1/31/202333直流電機二、電磁轉(zhuǎn)矩(所有導體)2）平均電磁力乘以電樞的半徑，即得到一根導體所受的平均轉(zhuǎn)矩：1）先求一個導體的平均電磁力：SN1/31/202334直流電機3）電機總的電磁轉(zhuǎn)矩則為：式中：是一個常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是電樞總電流，1/31/202335直流電機

，對于一個具體的電機而言，是一個常數(shù)，并且通過換算，兩者之間有一固定的關(guān)系，三、直流電機的電磁功率（物理意義）1/31/202336直流電機四、幾點說明1.大小及物理意義2.方向Ea:右手定則

T:左手定則3.T,Ea同時存在（舉例）4.穩(wěn)態(tài):問題:如何改變電磁轉(zhuǎn)矩及感應(yīng)電勢的方向?TNSnE1/31/202337直流電機3.6直流發(fā)電機一、運行原理(他勵、并勵)發(fā)電機規(guī)定正方向:Ea

Ia同向TNSn并勵直流發(fā)電機：1/31/202338直流電機二、基本關(guān)系電動勢平衡方程式:他勵直流發(fā)電機UIaEa+-nTT1T0IfRa1/31/202339直流電機

轉(zhuǎn)矩平衡方程式：直流發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，電機的轉(zhuǎn)速為n,作用在電樞上的轉(zhuǎn)矩共有三個：一個是原動機輸入給發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1

；一個是電磁轉(zhuǎn)矩T；還有一個是電機的機械摩擦、風阻以及鐵損耗引起的轉(zhuǎn)矩，叫空載轉(zhuǎn)矩，用T0表示,.空載轉(zhuǎn)矩是一個制動性轉(zhuǎn)矩,永遠與轉(zhuǎn)速n的方向相反

UIaEa+-nTT1T01/31/202340直流電機功率平衡方程式：電磁功率PM:轉(zhuǎn)換成電樞回路的電功率：他勵并勵銅損耗1/31/202341直流電機附加損耗為：發(fā)電機的效率為：P50,eg3.51/31/202342直流電機UIaEa+-nTT1T0IfRa1/31/202343直流電機三、直流發(fā)電機的運行特性（1）負載特性(n=常數(shù),Ia=常數(shù))U=f(If)

當Ia=0時的特性U0=f(If)稱為發(fā)電機的空載特性。主要物理量:U,Ia,If,n;n≡c(在發(fā)電機中)（2）

外特性(n=常數(shù),If=常數(shù))U=f(Ia)（3）調(diào)節(jié)特性(n=常數(shù),U=常數(shù))If=f(Ia)（4）效率曲線運行特性:研究兩者之間的關(guān)系UIaEa+-nTT1T01/31/202344直流電機他勵直流發(fā)電機的空載特性(n≡cIa=0)與相似1/31/202345直流電機1/31/202346直流電機他勵直流發(fā)電機外特性

(n≡cIf=IfN)理想空載電壓：Ia=0U=Ea=

U0電流增大時，端電壓下降UIaEa+-nTT1T0IfRa1/31/202347直流電機(1)電樞回路電阻上的壓降隨電流增大而增大，從而使端電壓下降。

(2)負載增大時，電樞反映的去磁作用增強，使每極磁通量減小，從而使電樞電動勢減小并勵方式下，端電壓下降的更快一些：負載增大時，電樞反應(yīng)的去磁作用增強，使每極磁通量減小，這樣不僅影響了電樞電動勢，使端電壓下降，同時端電壓的下降進一步也影響了勵磁電流使之減小，這樣一來，又使得的電樞電動勢雙重減小，所以，并勵下降的更快一些。1/31/202348直流電機他勵直流發(fā)電機的效率曲線：不變損耗：電機的鐵損耗和機械損耗等與負載的大小無關(guān)，稱為不變損耗。可變損耗：負載運行時電樞繞組的銅損耗與電流平方成正比，稱為可變損耗。1/31/202349直流電機并勵直流發(fā)電機在自勵過程中，發(fā)電機的電壓是否會無限制地增長下去呢？1/31/202350直流電機并勵發(fā)電機的自勵條件：1）電機必須有剩磁。

2）勵磁繞組的接線與電樞旋轉(zhuǎn)方向必須正確配合，以使勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向與剩磁方向一致。3）勵磁回路的電阻應(yīng)小于與電機運行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不同時，空載特性也不同。因此，對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速便有不同的臨界電阻。

1/31/202351直流電機3.7直流電動機運行原理一、直流電機的可逆原理UaEaIaIfT1Tn直流電動機工作簡介1/31/202352直流電機二、他勵直流電動機穩(wěn)態(tài)運行的基本方程UaEaIaIfUaTTLnTNSnEa原理圖電動機慣例定正方向Ra1/31/202353直流電機基本方程：負載電流（穩(wěn)態(tài)時）UaEaIaIfUaTTLn1/31/202354直流電機功率平衡方程式：他勵(并勵)直流電動機從電源輸入的電功率為：1/31/202355直流電機三、直流電動機的工作特性：轉(zhuǎn)速特性：IfN的定義考慮電樞反應(yīng)的轉(zhuǎn)速特性1/31/202356直流電機2）轉(zhuǎn)矩特性：3）效率特性：1/31/202357直流電機3.8他勵直流電動機的機械特性一、機械特性：n=f（T）TLUaEaRaIaIfTRR:電樞回路附加電阻（可變）1/31/202358直流電機二、固有機械特性與特性曲線分析決定于電機本身性能，唯一的Tnn00TNnN1/31/202359直流電機固有機械特性特點：理想空載轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速降：起動電流：直接起動電流很大，不能直接起動（eg3.9）1/31/202360直流電機三、人為機械特性（調(diào)速的需要）1.電樞回路串電阻2.降低電樞電壓3.減少氣隙磁通量Tn01/31/202361直流電機四、機械特性的繪制據(jù)產(chǎn)品目錄的數(shù)據(jù)可繪出固有特性

n=f(T)為一直線，只要兩個點即可理想空載點：T=0,n=n0額定運行點：T=TN,n=nNTnn00TNnN1/31/202362直流電機計算n0TN估算EaN=(0.93~0.97)UN伏安法實測Ra精確：近似：1/31/202363直流電機3.10直流電機的換向(簡)一、什么是換向1/31/202364直流電機二、換向元件中的感應(yīng)電動勢1