第三章直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析

第三章直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析直流電機(jī)是電機(jī)的主要類型之一，與交流電機(jī)相比，較復(fù)雜，成本較高，維修不便，特別是換向問題使其應(yīng)用受到了限制，近年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，有被取代的趨勢(shì)；但在過載要求較高，調(diào)速范圍大，調(diào)速性能較好的場(chǎng)合仍在使用，同時(shí)在目前無刷電機(jī)的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.1直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的工作原理1、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力方向：左手定則B

—磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)i

—導(dǎo)體中的電流(A)l

—導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(m)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院

當(dāng)安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時(shí)，總是從電刷B流出的方向，就使電動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)線圈ab和cd中通入電流時(shí)，線圈邊ab和cd上均受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞的一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院2、直流發(fā)電機(jī)工作原理

用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞逆時(shí)針方向恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場(chǎng)，線圈中產(chǎn)生了交變的電動(dòng)勢(shì)。由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，在電刷A、B端的電動(dòng)勢(shì)卻是直流電動(dòng)勢(shì)。

一臺(tái)直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行——在直流電機(jī)的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)

，輸出機(jī)械能；作為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行——用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，電刷端引出直流電動(dòng)勢(shì)，作為直流電源，輸出電能。直流發(fā)電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院直流電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院直流電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院直流電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院小型直流電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院ZQ-76直流牽引電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院ZQ-76直流牽引電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院直流牽引電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院（一）直流電機(jī)的靜止部分河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—?jiǎng)?lì)磁繞組3—機(jī)座1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機(jī)座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。

河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院4、電刷裝置

1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮直流

電機(jī)

的定

子裝

配圖河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院直流電機(jī)的定子鐵心和繞組河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院（二）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分1、電樞鐵芯直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院小型直流

電機(jī)

的定轉(zhuǎn)子河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院2、電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導(dǎo)體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院換向器河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院三、勵(lì)磁方式●他勵(lì)●自勵(lì)（并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)）河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院四、直流電機(jī)的額定值

在電機(jī)的銘牌上標(biāo)著以下數(shù)據(jù)：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、額定勵(lì)磁電壓UfN(V)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院在額定工況下，電機(jī)出線端的平均電壓發(fā)電機(jī)：是指輸出額定壓；電動(dòng)機(jī)：是指輸入額定電壓。在額定電壓下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流在額定電壓、額定電流下，運(yùn)行于額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速指軸上輸出的機(jī)械功率指電刷間輸出的額定電功率電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)額定條件下電機(jī)所能提供的功率額定功率河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流指直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞線圈的連接方式勵(lì)磁方式

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有物理量與額定值相同——電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)。電機(jī)最好運(yùn)行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行效率、工作性能等比較好。若運(yùn)行電流小于額定電流——欠載運(yùn)行；長(zhǎng)期欠載運(yùn)行將造成電機(jī)浪費(fèi)，若運(yùn)行電流大于額定電流——過載運(yùn)行。長(zhǎng)期過載運(yùn)行會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.2直流電樞繞組

電樞繞組是直流電機(jī)的電路部分，其作用是產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電磁轉(zhuǎn)矩，并能通過一定的電樞電流。類型：疊繞組（包括單疊、復(fù)疊繞組）波繞組（包括單波、復(fù)波繞組）混合繞組–是疊繞組和波繞組的組合形式一、直流電樞繞組的構(gòu)成

河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院介紹：元件，上層邊，下層邊，端接部分，單層繞組，雙層繞組考慮到開槽不可能太多，因此設(shè)置虛槽數(shù)，這樣：元件數(shù)S=換向片數(shù)K=虛槽數(shù)Qu(=uQ)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、直流電樞繞組的節(jié)距第一節(jié)距y1

：元件中兩個(gè)有效邊之間的距離當(dāng)y＜τ時(shí)，稱為短距繞組當(dāng)y＝τ時(shí)，稱為整距繞組當(dāng)y＞τ時(shí)，稱為長(zhǎng)距繞組第二節(jié)距y2

：第一個(gè)元件下層邊與第二個(gè)元件上層邊之間的距離合成節(jié)距y：兩個(gè)元件對(duì)應(yīng)邊之間的距離

河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院極距τ：三、單疊繞組以2p=4,s=k=Qu=16,u=1,右行為例：步驟：1、首先計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)：因是疊繞組：

y=yc=1

設(shè)為整距繞組：y1=τ=Qu/2p=16/4=4y2=y1-y=4-1=32、畫16條線設(shè)為16個(gè)槽河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院對(duì)單疊繞組：y=y1–y2

對(duì)波繞組：y=y1+y2

換向器節(jié)距yc：yc=y

3、按以上計(jì)算出的規(guī)律放置繞組4、放置磁極5、放置電刷6、求并聯(lián)支路對(duì)數(shù)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院結(jié)論：1、單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，即：2a=2p2、當(dāng)繞組左右對(duì)稱時(shí)，電刷應(yīng)放置在磁極的中心線上3、端電壓即為支路電壓，端電流為支路電流的2a倍。4、在繞組元件數(shù)一定的情況下，并聯(lián)支路數(shù)越多，端電壓越低，端電流越大。反之亦然。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.3空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)一、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)

直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)是指電樞電流等于零或者很小時(shí)，由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立的磁場(chǎng)。主磁路路徑：漏磁路路徑：河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院氣隙中主磁場(chǎng)磁通密度的分布磁化曲線河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)

當(dāng)直流電機(jī)帶上負(fù)載以后，電樞繞組中的電流在電機(jī)磁路中又形成一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)，這個(gè)磁動(dòng)勢(shì)稱為電樞磁動(dòng)勢(shì)。

若電刷放在幾何中心上，則電樞磁動(dòng)勢(shì)的方向（即磁動(dòng)勢(shì)的軸線）總是與電樞軸線重合。通常把主磁極的軸線稱為直軸。與之正交的軸線稱為交軸。

河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院1、交軸磁動(dòng)勢(shì)

當(dāng)不考慮其他因素，且電刷放在幾何中心線上時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)所在的位置即為交軸磁動(dòng)勢(shì)。

此時(shí)的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)是由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生的。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)后磁動(dòng)勢(shì)波形河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院2、直軸磁動(dòng)勢(shì)

電刷從幾何中心線轉(zhuǎn)過β角，磁動(dòng)勢(shì)也隨之轉(zhuǎn)過β角，如圖a）此時(shí)可將磁動(dòng)勢(shì)分成兩個(gè)分量，交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)（交軸電樞反應(yīng)）如圖b)和直軸磁動(dòng)勢(shì)（直軸電樞反應(yīng)）如圖c)。交軸電樞反應(yīng)使主磁場(chǎng)變形和減小。直軸電樞反應(yīng)使主磁場(chǎng)減弱或加強(qiáng)?！ぁそY(jié)論：1、有負(fù)載時(shí)必發(fā)生電樞反應(yīng)2、電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了畸變2、電樞反應(yīng)呈現(xiàn)去磁作用§3.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩一、電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

直流電機(jī)無論作電動(dòng)機(jī)，還是發(fā)電機(jī)運(yùn)行，導(dǎo)體都要“切割”磁場(chǎng)，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。設(shè)電樞導(dǎo)體總數(shù)為Za，并聯(lián)支路數(shù)為2a，則電樞電動(dòng)勢(shì)為：Bδ(x)互不相同，為簡(jiǎn)單計(jì)算求其平均值河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院對(duì)制成的電機(jī)，Ce=pZa/60a為一個(gè)常數(shù)，稱為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)若不計(jì)飽和影響，有其中Kf

為比例常數(shù)，則代入上式得：因?yàn)槠渲蠫af=CTKf

；

Ω為機(jī)械角速度。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院其中為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，不計(jì)飽和時(shí)其中Gaf=CTKf

二、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩的推導(dǎo)方法類似，省略，其結(jié)果為：河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.5直流電機(jī)的基本方程對(duì)于電動(dòng)機(jī):對(duì)于發(fā)電機(jī)一、電壓方程1、他勵(lì)電機(jī)電樞回路：I=Ia

勵(lì)磁回路：河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院2、并勵(lì)直流電機(jī)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)對(duì)直流發(fā)電機(jī)3、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院·河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的工作狀況可知：在發(fā)電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。而在電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩是一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)三、電磁功率和功率方程1、電磁功率2、功率方程（以并勵(lì)電機(jī)為例）對(duì)電動(dòng)機(jī)：它是能量轉(zhuǎn)換過程中將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或進(jìn)行相反轉(zhuǎn)換的的轉(zhuǎn)換功率，發(fā)生在電樞電路和機(jī)械系統(tǒng)之間。即：由轉(zhuǎn)矩方程得即：河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院則：對(duì)并勵(lì)發(fā)電機(jī)考慮到可得：河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院四、直流電機(jī)的可逆性從原理上講，一臺(tái)直流電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)使用，也可以作為發(fā)電機(jī)使用，這就是它的可逆性。但考慮到效率問題，一般情況下，直流電機(jī)只運(yùn)行在某一種情況下。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1、他勵(lì)發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行按規(guī)定的轉(zhuǎn)向，用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，給勵(lì)磁并調(diào)整到額定勵(lì)磁。

Q打開時(shí)，為空載運(yùn)行，原動(dòng)機(jī)只需克服自身的空載轉(zhuǎn)矩T0即可。

Q閉合后，由于產(chǎn)生電流，電樞將受到制動(dòng)性的電磁轉(zhuǎn)矩Te的作用，是原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)原動(dòng)機(jī)必須輸入更大的轉(zhuǎn)矩T1，使T1與T0+Te平衡，使機(jī)組重新恢復(fù)額定轉(zhuǎn)速。電磁方面，當(dāng)電樞有電流后，便產(chǎn)生了電磁功率EaIa，它是由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換而來，欲保持電功率的輸出，就應(yīng)不斷地向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院是指發(fā)電機(jī)的端電壓U、負(fù)載電流I、和勵(lì)磁電流If這三個(gè)主要量之間的關(guān)系.1、外特性當(dāng)n=nN=常數(shù)，If=常數(shù)時(shí)，接線圖如右圖可見為一條向下傾斜的直線河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院為衡量下降的大小，引入電壓調(diào)整率.他勵(lì)：△u=5～10%，并勵(lì)：△u=30%左右

他勵(lì)發(fā)電機(jī)短路電流可達(dá)額定電流的二三十倍，故不允許短路2、調(diào)整特性當(dāng)n=nN=常數(shù)，U=UN=常數(shù)時(shí)，河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院這是因?yàn)楫?dāng)If增大時(shí)，使Ea增大，以抵消IaRa的下降，才能保持U不變。3、效率特性當(dāng)n=nN=常數(shù)，U=UN=常數(shù)時(shí)，小型：η=70～90%中、大型：η=90～96%河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)和外特性1、并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)自勵(lì)過程河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院.自勵(lì)電壓的建立有三個(gè)條件：1）電機(jī)必須有剩磁；2）勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確；3）勵(lì)磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。2、外特性△u比他勵(lì)發(fā)電機(jī)大的原因由可知：1)Ia增大時(shí)，IaRa增大，使U下降，2）Ia增大時(shí)，電樞反應(yīng)加強(qiáng)，φ減小，使Ea下降，U下降3）U下降時(shí)，If減小，φ減小，使Ea下降，U進(jìn)一步下降河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院外特性出現(xiàn)“拐彎”可從來解釋，當(dāng)RL減小時(shí)，I增大；Ia也增大，由上面分析可知U減小，當(dāng)U減小到一定程度時(shí)，磁路將退出飽和，此時(shí)若RL再減小，端電壓的下降程度要大于Ra的減小程度，從而造成I不但不增大，反而減小。拐點(diǎn)的電樞電流約為（2～3）IN由于并勵(lì)發(fā)電機(jī)的短路電流較小，因此允許短路。河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性根據(jù)勵(lì)磁方式可分為過復(fù)勵(lì)、平復(fù)勵(lì)、欠復(fù)勵(lì)，其接線圖和外特性如下圖河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性一、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行見課本P100二、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

1、工作特性1）轉(zhuǎn)速特性當(dāng)U=UN

,If=IfN時(shí)，n=f(Ia)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院..2）轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)U=UN

,If=IfN時(shí)，Te=f(Ia)的關(guān)系曲線3）效率特性當(dāng)U=UN

,If=IfN時(shí)，η=f(Ia)的關(guān)系曲線河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院·2、機(jī)械特性二、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性特性從電壓方程當(dāng)時(shí)結(jié)合得：1、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速方程這種特性稱為軟特性，不允許空載運(yùn)行，因會(huì)“飛車”，特別適合于電鉆、挖掘機(jī)類重負(fù)載河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院2、工作特性1、轉(zhuǎn)速特性U=UN時(shí)，n=f(Ia)或n=f(P2)的曲線上式表明：轉(zhuǎn)速和電流之間的關(guān)系近似成雙曲線的關(guān)系3、轉(zhuǎn)矩特性U=UN時(shí)，Te=f(Ia)或Te=f(P2)的曲線河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院三、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1、以并勵(lì)為主2、以串勵(lì)為主3、串勵(lì)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院§3.8直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)

起動(dòng)要求

①盡可能曉得起動(dòng)電流IST

②盡可能大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TST1、直接起動(dòng)起動(dòng)瞬間：n=0，E=0，

IST=UaRa=(10~20)IN——換向決不允許!T

=

TST=CTΦIST=(10~20)TN2、降低電樞電壓起動(dòng)需要可調(diào)直流電源。一、直流電機(jī)的起動(dòng)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院3、電樞回路串電阻起動(dòng)Ra

的估算公式Rａ

=UaN－

IaN

PNIaN可通過起動(dòng)變阻器來完成，如圖RST=Ua

IST－Ra

最大起動(dòng)電阻為河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院二、直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)由可知：1）電樞回路串電阻調(diào)速由上式可知：Ra越大，n越低。2）改變電源電壓調(diào)速可見，U變化時(shí)，n發(fā)生變化。特性見右圖對(duì)并勵(lì)或他勵(lì)電動(dòng)機(jī)河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院3）改變磁場(chǎng)調(diào)速

因勵(lì)磁電流變化時(shí)，磁場(chǎng)也要發(fā)生變化，故可將機(jī)械特性變形為可見改變勵(lì)磁電流，即可調(diào)速河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院對(duì)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)對(duì)公式（3-45