直流電機(jī)的基本理論

直流電機(jī)的基本理論第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日§3-1直流電機(jī)的勵(lì)磁方式（以發(fā)電機(jī)為例）

供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類(lèi)，自勵(lì)方式又分并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種方式。1、他勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由其它直流電源單獨(dú)供給。

他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、并勵(lì)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足3、串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、復(fù)勵(lì)：

并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合。電機(jī)有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)。長(zhǎng)分接法短分接法第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3-2直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)1、空載：直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)是由流過(guò)勵(lì)磁繞組的電流If產(chǎn)生的，它是直流電機(jī)中的主要磁場(chǎng)。?íì?=等）何負(fù)載，克服摩擦阻力（電動(dòng)機(jī)：軸上不帶任（發(fā)電機(jī)）00aaII第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日電機(jī)磁路中的磁通分布極軸線：磁極平分線幾何中性線：相臨兩磁極極軸線的平分線。物理中性線：氣隙磁密由正到負(fù)過(guò)零的分界線。主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：走漏磁路的磁通第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.氣隙磁通密度分布波形當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)：平均磁通密度：極距：鐵心長(zhǎng)度每極磁通與平均磁密的關(guān)系：第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日線圈電勢(shì)與刷間電勢(shì)e，Bπ2πωtαeπ2πωt氣隙磁密與線圈電勢(shì)刷間電勢(shì)空載時(shí)的氣隙磁通密度為一平頂波第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)負(fù)載后，電樞繞組有電流通過(guò)，該電流建立的磁場(chǎng)簡(jiǎn)稱(chēng)電樞磁場(chǎng)，電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響就稱(chēng)為電樞反應(yīng)。當(dāng)電機(jī)帶上負(fù)載后，電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)兩個(gè)磁場(chǎng)共同決定。電樞磁場(chǎng)的出現(xiàn)，使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，即電樞反應(yīng)。各支路電流都是通過(guò)電刷引入或引出，因此電刷是電樞表面上電流分布的分界線。電樞磁勢(shì)的軸線總是與電刷軸線相重合。3-3直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、電樞磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁場(chǎng)右圖為一臺(tái)電刷放在幾何中性線的兩極直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布情況。假設(shè)勵(lì)磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見(jiàn)電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間的分布情況，電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸磁動(dòng)勢(shì)。電樞NS分界線磁勢(shì)為零第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、交軸磁動(dòng)勢(shì)在空間的分布引入電樞線負(fù)荷的概念：導(dǎo)體總數(shù)N；導(dǎo)體電流ia；電樞直徑為D，則線負(fù)荷在原點(diǎn)O左右x處取磁力線閉合回路，應(yīng)用全電流定律有整個(gè)回路的磁壓降近似為兩個(gè)氣隙上磁勢(shì)：電樞磁動(dòng)勢(shì)為零第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、電樞磁動(dòng)勢(shì)、磁通密度空間分布沿電樞徑向展開(kāi)第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)主極磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)合成磁場(chǎng)第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、當(dāng)電刷在幾何中性線上時(shí)將主磁場(chǎng)分布和電樞磁場(chǎng)分布疊加，得到的負(fù)載電機(jī)磁場(chǎng)分布情況如圖。第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日合成磁勢(shì)曲線主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線不飽和兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線物理中性線偏離幾何中性線飽和時(shí)磁阻不為常數(shù)不能簡(jiǎn)單疊加第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日這時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)垂直分量：交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。如圖(a)、(b)所示。2.當(dāng)電刷不在幾何中性線上時(shí)電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線也隨之移動(dòng)角，如圖(a)、(b)所示。第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日交軸磁勢(shì)和直軸磁勢(shì)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)β2β發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)2β電樞磁勢(shì)交軸分量Faq直軸分量Fad第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日分析直流電動(dòng)機(jī)電刷移位NN逆向移刷順向移刷第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日電刷偏移對(duì)主磁場(chǎng)的作用電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移發(fā)電機(jī)直軸去磁直軸助磁電動(dòng)機(jī)直軸助磁直軸去磁第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日以直流電機(jī)為例思考電樞反應(yīng)什么時(shí)候只有交軸電樞反應(yīng)？什么時(shí)候既有交軸又有直軸電樞反應(yīng)？什么情況下直軸電樞反應(yīng)是去（助）磁的？第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3-4電樞電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電勢(shì)）電樞電動(dòng)勢(shì)：電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)簡(jiǎn)稱(chēng)為電樞電動(dòng)勢(shì)。其值為直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢(shì)，即每個(gè)支路里的感應(yīng)電勢(shì)。計(jì)算：求出一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均感應(yīng)電勢(shì)，乘上一個(gè)支路里總的導(dǎo)體數(shù)。第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)平均感應(yīng)電勢(shì)：

Bav：平均磁密；

l：電樞導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；

v：電樞旋轉(zhuǎn)線速度n：電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)：每極磁通第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日電樞電勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)常數(shù)）為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中每條支路導(dǎo)體數(shù)（每極下導(dǎo)體數(shù)），總導(dǎo)體數(shù)N常數(shù)第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日電樞電勢(shì)性質(zhì)：發(fā)電機(jī)——電源電勢(shì)(與電樞電流同方向)；電動(dòng)機(jī)——反電勢(shì)(與電樞電流反方向)。NN第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3-5電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率電樞繞組中有電樞電流流過(guò)時(shí),在磁場(chǎng)內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩。一根導(dǎo)體的平均電磁力：作用在電樞上的總電磁力：一、電磁轉(zhuǎn)矩第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日大小：其中：為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日電勢(shì)常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)，它們的關(guān)系為：電磁轉(zhuǎn)矩性質(zhì):發(fā)電機(jī)—制動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相反)；電動(dòng)機(jī)—驅(qū)動(dòng)(與轉(zhuǎn)速方向相同)。第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、電磁功率直流電機(jī)中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那部分功率，是由于電和磁的相互作用產(chǎn)生的。第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日直流發(fā)電機(jī)：原動(dòng)機(jī)克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用所做的機(jī)械功率等于通過(guò)電磁感應(yīng)作用在電樞回路所得到的電功率。直流電動(dòng)機(jī)：從電源吸收的電功率，通過(guò)電磁感應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成軸上的機(jī)械功率；從發(fā)電機(jī)的角度看：電磁功率是轉(zhuǎn)換成電功率的那部分輸入機(jī)械功率。從電動(dòng)機(jī)的角度看：電磁功率是轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率的那部分輸入電功率。第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3-6直流電機(jī)的損耗和基本方程

雜散損耗:齒槽引起磁場(chǎng)脈動(dòng)引起的鐵耗，一些機(jī)械部件切割磁通產(chǎn)生的鐵耗等一、直流電機(jī)中的損耗機(jī)械損耗:軸vs軸承摩擦/電刷vs換向器摩擦/通風(fēng)損耗等。這些損耗主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速變化不大時(shí)，基本為常量。鐵心損耗:電樞鐵心中磁場(chǎng)交變，會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。鐵耗近似與磁密的平方及轉(zhuǎn)速的1.2~1.5次方成正比。勵(lì)磁損耗:統(tǒng)稱(chēng)為空載損耗(不變損耗)。負(fù)載損耗:電樞回路電阻損耗;電刷接觸壓降損耗

（負(fù)載損耗又稱(chēng)可變損耗）第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、直流發(fā)電機(jī)的基本方程規(guī)定各物理量的參考方向如圖1、電壓平衡方程式為電樞回路總電阻，為正負(fù)電刷與換向器表面的接觸壓降。則電動(dòng)勢(shì)平衡方程為：電樞電動(dòng)勢(shì)：從方程式可見(jiàn)，直流發(fā)電機(jī)＋－第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程電磁轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩SN機(jī)械摩擦、鐵損及附加損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡方程為：直流發(fā)電機(jī)軸上有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率電磁功率是轉(zhuǎn)換成電功率的那部分機(jī)械功率機(jī)械摩擦損耗、鐵損耗、附加損耗?？蛰d損耗p0包括：輸入直流發(fā)電機(jī)后扣除空載損耗，其余為電磁功率將式兩邊同乘旋轉(zhuǎn)角速度：3、功率平衡方程式第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日將式兩邊同乘電樞電流：電磁功率是轉(zhuǎn)換出的總功率，他與輸出功率之間還差電樞回路的電阻銅損耗。第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程按電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定各物理量的參考方向如圖。電壓平衡方程式：T21、電壓平衡方程在外加電壓作用下，電樞順電壓U的方向流過(guò)電流，電流在磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體切割主磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)與電流方向相反的電動(dòng)勢(shì)第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流電機(jī)通電后，電樞電流磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在克服了空載轉(zhuǎn)矩T0后，轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T2拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械作功。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩T2相等時(shí)，電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定平衡有第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、功率平衡方程式將式兩邊同乘Ia：將式兩邊同乘角速度：第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日輸入機(jī)械功率P1鐵心損耗PFe機(jī)械損耗Pm電樞銅耗PCu電磁功率PM電刷接觸損耗Pb勵(lì)磁損耗PCuf電功率P2發(fā)電機(jī)情形：四、功率平衡關(guān)系直流發(fā)電機(jī)電磁功率第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日輸入電功率P1勵(lì)磁損耗PCuf電樞銅耗PCua電刷接觸損耗Pb電磁功率PM機(jī)械損耗Pm鐵心損耗PFe機(jī)械功率P2電動(dòng)機(jī)情形：直流電動(dòng)機(jī)電磁功率第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日計(jì)算要求分三步（三個(gè)等式）：公式、代入數(shù)據(jù)（單位換算）和結(jié)果結(jié)果保留5位有效數(shù)字(必須有單位、單位要合理。如表示電壓時(shí)，15.984V)工程的計(jì)算結(jié)果用整數(shù)或小數(shù)表示（不用指數(shù)、分?jǐn)?shù)或根號(hào)等其他形式）不需寫(xiě)答……第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日例3-1一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：電刷接觸壓降電樞繞組的電阻設(shè)電動(dòng)機(jī)原來(lái)在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載下運(yùn)行，在負(fù)載的總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（包括損耗轉(zhuǎn)矩）保持不變的情況下，試求:（1）在電樞回路中突然串入電阻RΩ=0.0743Ω,求串入電阻最初瞬間和達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？（2）減少電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使磁通Φ減少10%，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速分別是多少？aI負(fù)載電動(dòng)機(jī)＋－aR勵(lì)磁電源UaEfUfI第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日解：（1）電樞回路中突然串入電阻RΩ最初瞬間，電機(jī)轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化，但電流發(fā)生變化。進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未發(fā)生變化，認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩不發(fā)生變化額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為：第四十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）磁通Φ減少為原來(lái)的0.9由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變