第3章直流電機

安徽新聞出版職業(yè)技術學院第3章直流電機的基本理論3.2直流電機的銘牌和額定值3.1直流電機的基本結構和工作原理3.3直流電機的電樞繞組3.4電流電機的電磁轉矩和電動勢電機與拖動技術基礎返回主頁第3章直流電機安徽新聞出版職業(yè)技術學院為了能建立一個感性認識，對電機進行簡單的分類如下：第3章直流電機的基本理論安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.1.1直流電機的基本結構

直流電機的結構電樞3.1.1直流電機的基本結構安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.1.1直流電機的基本結構

直流電機

更多的圖片安徽新聞出版職業(yè)技術學院一、主要部件1.定子(1)主磁極(2)換向極(3)機座(4)端蓋等3.1.1直流電機的基本結構

直流電機的定子(a)主磁極(b)機座安徽新聞出版職業(yè)技術學院

直流電機的定子3.1.1直流電機的基本結構

更多的圖片安徽新聞出版職業(yè)技術學院2.轉子（電樞）(1)電樞鐵心(2)電樞繞組3.1.1直流電機的基本結構(3)換向器(4)轉軸與風扇

直流電機的轉子(a)轉子主體(b)電樞鋼片安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.1.1直流電機的基本結構

電機裝配圖

更多的圖片安徽新聞出版職業(yè)技術學院NS3.1.2直流電機的工作原理一、直流電動機的工作原理3.1.2直流電機的工作原理NS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁感線會產生什么？換向片安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.1.2直流電機的工作原理直流電動機工作原理小結根據(jù)上述原理，可以看出直流電動機有如下特點：（1） 直流電動機將輸入電功率轉換成機械功率輸出；（2）電磁轉矩起驅動作用；（3）利用換向器和電刷，直流電動機將輸入的直流電流逆變成導體中的交變電流；（4） 直流電動機導體中的電流與運動電勢方向相反。安徽新聞出版職業(yè)技術學院直流電流交流電流電磁轉矩(拖動轉矩)機械負載克服反電動勢做功3.1.2直流電機的工作原理

電磁關系換向Φ旋轉安徽新聞出版職業(yè)技術學院NS二、直流發(fā)電機的工作原理NS－E＋3.1.2直流電機的工作原理－E＋輸出直流電原動機感應電動勢、電流電磁轉矩（阻轉矩）做功

電磁關系Φ換向安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.1.2直流電機的發(fā)電機直流發(fā)電機工作原理小結根據(jù)原理分析，可以看出直流發(fā)電機有如下特點：（1） 直流發(fā)電機將輸入機械功率轉換成電功率輸出；（2）利用換向器和電刷，直流發(fā)電機將導體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；（3） 直流電動機導體中的電流與運動電勢方向相同。（4）電磁轉矩起制動作用。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，取決于外界不同的條件。安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.2直流電機的銘牌和額定值3.2直流電機的銘牌和額定值3.2.1直流電機的銘牌型號為Z2-91的直流電機是一臺機座號為9、電樞鐵心為短鐵心的第2次改型設計的直流電機。機座號表示直流電機電樞鐵心外直徑的大小，共有1-9個機座號，機座號數(shù)越大，直徑越大。電樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種，1表示短鐵心，2表示長鐵心。安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.2.2直流電機的額定值3.2直流電機的銘牌和額定值1.額定電壓UN

發(fā)電機的UN

：指輸出電壓的額定值。電動機的UN

：指輸入電壓的額定值。2.額定電流IN

發(fā)電機的

IN

：指輸出電流的額定值。電動機的IN

：指輸入電流的額定值。3.額定功率PN

發(fā)電機的PN

：指輸出電功率的額定值(UNIN)

。電動機的PN

：指輸出機械功率的額定值

(UNINηN)

。安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.2.2直流電機的額定值1.額定轉速2.勵磁方式和額定勵磁電流

電動機軸上輸出的額定轉矩為安徽新聞出版職業(yè)技術學院

直流電樞繞組AB12345638A

B1

2

3

48

3

6

53

6

5

48

1

2

3AB結論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。3.3直流電機的電樞繞組AB12345638安徽新聞出版職業(yè)技術學院

直流電樞繞組電動機發(fā)電機兩匝元件3.3直流電機的電樞繞組eeeeeeee＋－＋E

－A1

2

3

48

3

6

5BIaeeeeeeee1

2

3

48

3

6

5AB＋－Ia＋E

－安徽新聞出版職業(yè)技術學院NSNS12345638910111212356891112A1B1A2B2

單疊繞組的展開圖※并聯(lián)支路對數(shù)：a=2?！娝⒌闹行木€對著磁極的中心線。A1A2B1B2n3.3直流電機的電樞繞組36'

4

3'

58'11'8

10'3

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12安徽新聞出版職業(yè)技術學院

單疊繞組的展開圖NSNS12345638910111212356891112A1B1A2B2n※

電刷的中心線對著磁極的中心線：①電刷之間的電動勢最大。②被電刷短接的元件電動勢為零?！晳T稱“電刷放在幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線3.3直流電機的電樞繞組安徽新聞出版職業(yè)技術學院二、勵磁方式+Ua－+Uf－他勵并勵串勵復勵1.直流電動機按勵磁方式分類3.3直流電機的電樞繞組MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I安徽新聞出版職業(yè)技術學院2.直流發(fā)電機按勵磁方式分類自勵3.2直流電機的基本結構他勵串勵復勵并勵GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I安徽新聞出版職業(yè)技術學院4.額定轉速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)?！鶟M載狀態(tài)：

指I=IN的狀態(tài)。3.2直流電機的基本結構安徽新聞出版職業(yè)技術學院NS3.3直流電機的電樞反應幾何中心線NS勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負載時的磁場）物理中心線

電樞反應：電樞磁通勢對主極磁場的影響。第3章直流電機的基本理論安徽新聞出版職業(yè)技術學院

電樞反應的影響①總磁場被扭歪了幾何中心線與物理中心線分開了,

電刷位置處的元件的e≠0，增加換向困難。②一半磁極的磁通增加，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相應減少。3.3直流電機的電樞反應安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.4直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1.產生電樞電流i

磁場ΦF→T2.大小

電磁力：F=B

li

平均磁密：

第3章直流電機的基本理論BlB=Φl極距安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.4直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1.產生電樞電流i

磁場ΦF→T2.大小電磁力：F=B

li

平均磁密：每根導線上電磁力所形成的電磁轉矩：FR第3章直流電機的基本理論B=ΦlBl極距R安徽新聞出版職業(yè)技術學院R

電樞繞組串聯(lián)總匝數(shù)：N

電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：2a

總導體數(shù)：2N·2a=4aN

電樞的周長：2R=2p

電磁轉矩：

T=4aN

·FR=4aN··B

lip

=4aN··

lip

Φl=4aN··Φi

p

=·Φ·2ai

2pN

電樞電流Ia3.4直流電機的電磁轉矩和電動勢安徽新聞出版職業(yè)技術學院2.大小

T=CTΦIaCT轉矩常數(shù)：3.方向由Φ和Ia

共同決定。4.性質發(fā)電機：電動機：T與n方向相反，為制動轉矩。T與n方向相同，為拖動轉矩。3.4直流電機的電磁轉矩和電動勢CT=2pN單位：Wb單位：A(N·m)安徽新聞出版職業(yè)技術學院1.產生電樞旋轉n

磁場Φ2.大小每個導體：e=Blv

導體切割磁場線的線速度：電動勢：

E=2N

e

二、電動勢e→∑e→E3.4直流電機的電磁轉矩和電動勢v=n2R60=2NBlv=2N··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn4pN60安徽新聞出版職業(yè)技術學院CTCE=602=9.55CT

=

9.55CE3.4直流電機的電磁轉矩和電動勢CT

=2pNCE

=4pN60

E=CEΦn

CE

電動勢常數(shù)：CE=4pN60單位：Wb單位：r/min(V)3.方向：由Φ和n共同決定。4.性質發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.5直流電動機的運行分析一、他勵電動機勵磁電壓Uf→If→Φ電樞電壓Ua→Ia↓→T→n→E1.電壓平衡方程式勵磁電路：

Uf=Rf

If電樞電路：

Ua

=E+Ra

Ia第3章直流電機的基本理論EMIf+Uf－+Ua－Ia安徽新聞出版職業(yè)技術學院

穩(wěn)態(tài)電樞電流Ia

由誰確定？T

=CTΦ

Ia

，

Ua

=E+Ra

Ia例如：負載不變(T不變)，Ua

(Ra)

變化時，

Ia

變化否（設Φ

不變）？Ua(或Ra)

瞬間n不變

E不變Ia

→T

→T＜TLE

←n↓Ia

←T

←T

=TL←Ia不變←

結論：Ia

的大小取決于負載的大小。當Ia=IaN時為滿載，當Ia＞IaN時為過載?！?/p>

規(guī)定短時過載的最大電樞電流：

Iamax=(1.5~2)IaN=αMCIaN3.5直流電動機的運行分析安徽新聞出版職業(yè)技術學院機械特性ECEΦn=Ua－Ra

IaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T2.轉速OnTn0當T

時，n下降不多

——硬特性。勵磁電路斷電的后果當If=0，Φ=Φr

很小，n不能突變，E很小→T=

CTΦrIa仍有一定數(shù)值?！鶬a

(1)若T＞TL→n

→飛車！(2)T＜TL→n

→n=0→悶車！3.5直流電動機的運行分析安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.5直流電動機的運行分析3.轉向取決于電磁轉矩T

的方向。

T的方向取決于Φ

和Ia的方向。磁場反向電樞反向+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－M安徽新聞出版職業(yè)技術學院二、并勵電動機

并勵與他勵的區(qū)別:1.輸入電壓

U

=Ua

=

Uf2.輸入電流

I

=Ia+If3.輸入功率

P1

=UI=UIa+UIf3.5直流電動機的運行分析Ia+U－IIfM安徽新聞出版職業(yè)技術學院【例3.5.1】

某并勵直流電動機，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求該電機在額定狀態(tài)下運行時的：

(1)If；

(2)Ia；

(3)E

；

(4)T

。解：(1)勵磁電流If3.5直流電動機的運行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)電樞電流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(2)電動勢EE=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215V安徽新聞出版職業(yè)技術學院CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)電磁轉矩3.5直流電動機的運行分析CEΦ=EnN2153000==0.0313安徽新聞出版職業(yè)技術學院三、串勵電動機3.5直流電動機的運行分析1.電壓

U

=Ua

+

Uf=E

+(Ra+Rf

)I2.電流

I

=Ia

=IfRa+RfU－E=CTΦT=3.轉矩

T=CTΦIa(1)當Ia

較小、磁路未飽和時，

Φ∝Ia，T∝Ia2

。

(2)當Ia

較大、磁路已飽和時，Φ≈常數(shù)，

T∝Ia

。EM＋

Uf

－＋

Ua－+U－IIfIa安徽新聞出版職業(yè)技術學院

即

T∝Iam

(1＜m＜2)

與并勵電動機比較，有如下特點：(1)

對應于相同的T，

Ia小。(2)

對應于允許的Iamax

，能夠產生的T大，

Tst和Tmax較大。4.轉速3.5直流電動機的運行分析ECEΦn=U－(Ra

+Rf

)

IaCEΦ=UCEΦ=－Ra

+RfCECTΦ2T(1)當T=0時，Ia=If

=0，Φ=Φr，n0=(5~6)nN。安徽新聞出版職業(yè)技術學院(2)當T很小時，Ia

很小，磁路未飽和，T→Ia

→Φ→n迅速下降。

(3)當T很大時，Ia

很大，磁路已飽和，T

→Ia→Φ基本不變→n下降較少。

3.5直流電動機的運行分析5.應用(1)特別適用于起重機和電氣機車等運輸機械。(2)不能在輕載或空載下運行。(3)不能用皮帶輪傳動。串勵電動機的機械特性軟特性OnT安徽新聞出版職業(yè)技術學院四、復勵電動機1.積復勵、差復勵。2.機械特性(1)

有較大的Tst。(2)

可以空載運行。并勵復勵3.5直流電動機的運行分析MIaIf+U－I串勵OnT安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.6直流電動機的功率和轉矩1.功率平衡方程式(1)輸入功率P1

P1

=

U

I(2)銅損耗PCuPCu=

RaIa2＋RfIf2(3)電磁功率PePe

=P1－PCu

推導：U

I

=

U(

Ia＋If

)=

UaIa＋UfIf

=(E＋RaIa

)Ia＋RfIf2

=E

Ia＋RaIa2＋RfIf2

第3章直流電機的基本理論Pe=

E

Ia

一、直流電動機的功率安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.6直流電動機的功率和轉矩Pe

=

E

Ia=

CEΦnIa

=TΩ260=

CTΦnIa

功率流程圖P1PCuPeP0P22.轉矩平衡方程式空載：T

=

T0

負載:T

=

T0+T2260T2n=(4)空載損耗P0

P0

=PFe＋Pme＋Pad(5)輸出功率P2

P2

=Pe－P0

=

T2Ω安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.6直流電動機的功率和轉矩(6)總損耗Pal

=PCu＋PFe＋Pme＋Pad(3)功率平衡方程式

P1－P2

=Pal(8)效率P2P1

=×100%二、直流電動機的轉矩T

=T0＋TL安徽新聞出版職業(yè)技術學院【例3.6.1】

一并勵電動機，UN=110V，IN=12.5A，

nN=1500r/min，TL=6.8N·m，T0=0.9N·m。求該電機的P2、Pe、P1、Pal和。解：P2P1

=×100%6.2860=×6.8×1500W=1063.6WPe=P2＋P0=(1063.6＋143.3)W=1208.9WP1=UNIN=110×12.5W=1335WPal=

P1－P2=(1335－1063.6)W=303.4W3.6直流電動機的功率和轉矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1063.61335=×100%=33.64%安徽新聞出版職業(yè)技術學院3.8直流發(fā)電機的功率和轉矩一、直流發(fā)電機的功率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=T1ΩP0=PFe＋Pme＋PadPe=P1－

P0

=TΩ=EIaPCu=RaIa2＋RfIf2P2=UI=Pe－

PCu260=

T1n第3章直流電機的基本理論安徽新聞出版職業(yè)技術學院P1Pme+PadPFePePCuP2功率流程圖3.8直流發(fā)電機的功率和轉矩6.總損耗Pal

=PCu＋PFe＋Pme＋Pad3.效率=×100%P2P1安徽新聞出版職業(yè)技術學院二、直流發(fā)電機的轉矩T1=T0+

T轉矩平衡方程：輸入轉矩T1

：空載轉矩T0：電磁轉矩T

：P1T1

=

3.8直流發(fā)電機的功率和轉矩602

P1n=P