第2章-直流電機課件

第二章

直流電機直流電機的工作原理與結(jié)構(gòu)直流電機的磁場直流發(fā)電機的基本特性直流電動機的基本特性2.1概述直流電機的優(yōu)點：直流發(fā)電機的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小。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，熱動和制動轉(zhuǎn)矩較大。易于快速啟動、停車，易于控制。直流電機的缺點：與異步電動機相比，由于存在換向器，其制造復(fù)雜，且電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源，價格較高。2.1概述應(yīng)用：軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具。2.1.1直流電機的工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理2.1.1直流電機的工作原理1個線圈時電刷間電動勢波形圖4個線圈時電刷間電動勢波形圖2.1.1直流電機的工作原理直流發(fā)電機運行時的幾點結(jié)論：1.在相同極性磁極下的導(dǎo)體感應(yīng)電動勢e方向相同，固定不變；電刷間為直流電勢。線圈中感應(yīng)電勢與電流方向一致；

2.在不同極性磁極下的導(dǎo)體感應(yīng)電動勢e方向相反；電樞線圈內(nèi)電勢、電流方向是交流電；3.“外穩(wěn)內(nèi)變”電樞繞組電壓為交流，電刷上的電壓為恒定直流。從空間看，電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；4.產(chǎn)生的Tem與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，是制動性質(zhì)；2.1.1直流電機的工作原理二、直流電動機的工作原理2.1.1直流電機的工作原理直流電動機運行時的幾點結(jié)論：外施電壓、電流是直流，電樞線圈內(nèi)電流是交流；線圈中感應(yīng)電勢e與電流方向相反；線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的。電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上是恒定不變的。產(chǎn)生的Tem與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，是驅(qū)動性質(zhì)；說明：直流電機即可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，關(guān)鍵在輸入功率的性質(zhì)；發(fā)電機原理和電動機原理總是同時出現(xiàn)的。2.1.1直流電機的工作原理2.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)一、定子部分定子由主磁極、換向磁極、機座以及電刷裝置等組成。2.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)二、轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器等部件組成。2.1.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)2.1.3直流電機的額定值額定容量(功率)PN(kW)——指額定運行時的輸出功率。對直流發(fā)電機來說，是指電刷端輸出的電功率，對直流電動機來說，是指軸上輸出的機械功率。額定電壓UN(V)——指額定運行時電刷兩端的電壓。額定電流IN(A)——指額定運行時經(jīng)電刷輸出(或輸入)的電流。額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)——指額定運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。2.1.3直流電機的額定值

勵磁方式和額定勵磁電流IfN(A)——指勵磁電流的供給方式和額定運行時勵磁電流的大小。還有一些物理量的額定值，如額定效率ηN，額定轉(zhuǎn)矩TN，額定溫升等，不一定標在銘牌上。對直流發(fā)電機，額定容量為PN=UNIN而直流電動機的額定功率為PN=UNINηN2.2直流電機的電樞繞組對電樞繞組的要求：在通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電勢和電磁轉(zhuǎn)矩前提下，所消耗的有效材料最省，強度高（機械、電氣、熱），運轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡單等。

電樞繞組：直流電機的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一,是直流電機的電路部分，亦是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。繞組實物圖2.2直流電機的電樞繞組電樞繞組的形式1單疊繞組展開圖1.槽展開2.繞組放置3.安放磁極電刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展開繞組放置安放磁極、電刷NSNSττττ+－++－－2.2直流電機的電樞繞組單疊繞組電路圖結(jié)合電刷的放置，得到該瞬時的電路圖每個極下的元件組成一條支路，即單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機的極數(shù)。并聯(lián)支路對數(shù)a=p

2.2直流電機的電樞繞組2.3直流電機的磁場2.3.1直流電機按勵磁方式分類直流電機磁場由永久磁鐵或勵磁繞組通以直流電勵磁產(chǎn)生。勵磁繞組和電樞繞組不同的聯(lián)接，決定了不同的勵磁方式。不同的勵磁方式，電機的性能將不同。直流電機按勵磁方式分類

(1)他勵電機；(2)并勵電機；

(3)串勵電機；(4)復(fù)勵電機2.3.1直流電機按勵磁方式分類2.3.2空載時磁場分布空載：指電樞電流等于或約等于零，此時磁場由勵磁繞組的磁動勢單獨激勵，即FfΦ0Φσ

If

氣隙磁場：在主極直軸附近的氣隙較小，并且氣隙均勻，磁阻小，即此位置的主磁場較強，在此位置以外，氣隙逐漸增大，主磁場也逐漸減弱，到兩極之間的幾何中線處時，磁密等于0。2.3.2空載時磁場分布負載時的電樞磁動勢FaIfFfFδ=Fa+FfIa2.3.3直流電機的電樞磁場直流電機負載后，電樞繞組有電流通過，該電流建立的磁場簡稱電樞磁場，則電機的氣隙磁場由主磁場和電樞兩個磁場共同決定。電樞磁場對主磁場的影響就稱為電樞反應(yīng)。各支路電流都是通過電刷引入或引出，因此電刷是電樞表面上電流分布的分界線。電樞磁勢的軸線總是與電刷軸線相重合。2.3.3直流電機的電樞磁場與主極軸線正交的軸線稱為交軸；

與主極軸線重合的軸線稱為直軸。電刷不在幾何中心線上，電樞磁勢分為交軸和直軸分量。2.3.3直流電機的電樞磁場Fa主極磁場電樞磁場合成磁場2.3.4電樞反應(yīng)1、交軸電樞反應(yīng)2.3.4電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)性質(zhì)

磁路不飽和時，氣隙磁場畸變，合成磁場不再對稱于磁極軸線，物理中性線（B=0）偏離幾何中心線；磁極一側(cè)磁場的削弱與另一側(cè)磁場的增強程度相同，故每極下有效磁通量不變，既不增磁，也不減磁，不影響電機總的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩。飽和時，磁極一側(cè)的磁場增加量總是小于另一側(cè)的磁場削弱量，故交軸電樞反應(yīng)具有一定的去磁作用。2.3.4電樞反應(yīng)2、直軸電樞反應(yīng)增磁與去磁與電刷的旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)。以發(fā)電機為例：★直流發(fā)電機的電刷是順轉(zhuǎn)向偏移β角度時，直軸電樞反應(yīng)對主極磁場的作用將是去磁的?！镏绷靼l(fā)電機的電刷是逆轉(zhuǎn)向偏移β角度時，直軸電樞反應(yīng)對主極磁場的作用將是增磁的。2.3.4電樞反應(yīng)2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機的電樞電勢電樞電勢：直流機正、負電刷之間的感應(yīng)電勢，即每個支路里的感應(yīng)電勢。計算：求出一根導(dǎo)體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密的平均感應(yīng)電勢，乘上一個支路里總的導(dǎo)體數(shù)。具體計算：一根導(dǎo)體：Bav—平均磁密；l

—導(dǎo)體長度；v—電樞旋轉(zhuǎn)線速度n—電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)Φ—每極磁通2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩支路電勢：Na——總導(dǎo)體數(shù)；CE——電動勢常數(shù)對電樞電勢的認識：一臺制造好的電機，它的電樞電勢E正比于每極磁通Φ

和轉(zhuǎn)速n,與磁密分布無關(guān)。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：電磁轉(zhuǎn)矩：2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.4直流發(fā)電機的基本特性并勵直流發(fā)電機是應(yīng)用最廣泛的直流發(fā)電機。2.4.1基本方程一、電動勢平衡方程式

E=U+IaRa

Ia=I+If直流發(fā)電機的E>U

，這是判斷直流電機運行在發(fā)電機狀態(tài)的依據(jù)。2.4.1基本方程他勵直流發(fā)電機Ia=IE=U+IaRa串勵直流發(fā)電機Ia

=If=IE

=U+Ia(Ra+Rf)2.4.1基本方程復(fù)勵直流發(fā)電機Ia=Ibf+I,Icf=IUcf=IcfRcf=E-IaRa-U,Ubf=E–IaRa=IbfRbf,E=U+IaRa+Ucf

2.4.1基本方程二、功率平衡方程并勵發(fā)電機功率流程圖并勵發(fā)電機功率平衡方程式為：2.4.1基本方程三、轉(zhuǎn)矩平衡方程T1——原動機輸入機械轉(zhuǎn)矩（驅(qū)動性質(zhì)）；Tem——發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩（制動性質(zhì)）；T0——發(fā)電機空載轉(zhuǎn)矩（制動性質(zhì)）。2.4.1基本方程1、空載特性當n=nN，I=0時，U0=f(If)的關(guān)系曲線。2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性2、外特性當n=nN，If=IfN時，U=f(I)的關(guān)系曲線。U=UN，I=IN時的勵磁電流即為額定勵磁電流IfN。由于電樞反應(yīng)的去磁作用和內(nèi)部的電壓降，所以，隨著負載電流I

的增加，外特性曲線將會下降。曲線上C點為額定運行點。2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性電壓變化率：3、調(diào)整特性當n=nN，U=UN

時，If=f(I)的關(guān)系曲線。當負載電流增大時，必須增加勵磁電流去補償電樞反應(yīng)的去磁作用和內(nèi)部的電壓降，才能保持端電壓不變。

2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件臨界電阻線并勵發(fā)電機自勵建立穩(wěn)定電壓的條件：(1)電機應(yīng)有剩磁。若無剩磁，可用外加直流電源向勵磁繞組通電，即“充磁”，使電機剩磁得到恢復(fù)。(2)勵磁繞組與電樞的聯(lián)接要與電樞轉(zhuǎn)向正確配合，使勵磁電流產(chǎn)生的磁場與剩磁方向一致。若發(fā)現(xiàn)接法不對，只要將勵磁繞組并聯(lián)到電樞的兩端點對調(diào)一下即可。(3)勵磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。電機轉(zhuǎn)速越高，其臨界電阻值越大。一般發(fā)電機都在額定轉(zhuǎn)速下運行，故調(diào)節(jié)Rf小于此時的臨界電阻即可。2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性2、外特性當n=nN，Rf=C時，U=f(I)的關(guān)系曲線。2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性特點：Nbf

較多、Ibf

較小，Ncf

較少，Icf=I

積復(fù)勵：Fcf

與Fbf

同方向（常用）；差復(fù)勵：Fcf

與Fbf

反向。

2.4.4復(fù)勵發(fā)電機的特點作用：并勵起主要作用，使發(fā)電機空載時達到額定電壓；串勵用來補償負載時電樞反應(yīng)的去磁作用和電樞回路中的電阻壓降。2.5直流電動機的基本特性以并勵直流電動機為例。2.5.1基本方程1、電動勢平衡方程式

U=E+IaRa

Ia=I-If

直流電動機的U>E，這是判斷直流電機運行在電動機狀態(tài)的依據(jù)。2.5.1基本方程2、功率平衡方程式并勵電動機功率流程圖2.5.1基本方程功率平衡方程式為：3.轉(zhuǎn)矩平衡方程式Tem——電動機電磁轉(zhuǎn)矩（驅(qū)動性質(zhì)）；

T2——轉(zhuǎn)軸上機械負載轉(zhuǎn)矩（制動性質(zhì)）；T0——電動機空載轉(zhuǎn)矩（制動性質(zhì)）。2.5.1基本方程2.5.2工作特性一、并勵電動機條件：U=UN

，If=IfN

；特性：n.Tem.η=f(P2)

由于P1=Pem

+Pcu

、Pem=EIa=P2+P0,且P0值基本不變，所以Ia

將隨P2

的增大而增大，且實際運行中Ia

較易測得，故工作特性也可以表示為:n.Te.η=f(Ia

)

1、轉(zhuǎn)速特性n=f(P2)2.5.2工作特性注：運行時勵磁繞組決不能開路，因為：If=0Φ=Φr

E很小Ia

=((U-E)/Ra)很大Tem

上升，若輕載則轉(zhuǎn)速高；若重載則轉(zhuǎn)速約等于零，Ia=U/Ra

,易燒毀電機。

2、轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(P2)Tem=T2+T0=P2/Ω+T0

2.5.2工作特性3、效率特性η=f(P2)

與其他電機類似。

二、串勵電動機特點：Ia=If=I,U=UN1、速率特性n=f(P2)Φ=KfIf

，

n=[U-Ia(Ra+Rf

)]/CEKfIf

由以上表達式可知：TLP2IaEnΦ2.5.2工作特性顯然適宜輕載場合。注意：絕不允許空載運行。因為空載時TL約為0，Ia=If≈0

，“飛車”。2、轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(P2)Tem=CT

ΦIa=CTKf

IfIa=CTKf

Ia2(輕載時）；重載時，Φ為常值，Tem=CTΦIa

故特性圖如圖所示：2.5.2工作特性

三、復(fù)勵電動機通常接成積復(fù)勵，其速率特性曲線介于并勵與串勵之間。注意：若以并勵為主，則其特性接近于并勵電動機；但由于有串勵磁動勢的存在，當TL（Tem）上升時，電樞反應(yīng)的去磁作用可以受到抑制，抑制轉(zhuǎn)速上升；若以串勵為主，則其特性接近于串勵電動機；但由于有并勵磁動勢的存在，不會使電動機空載時出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象。2.5.2工作特性2.5.3機械特性機械特性：指U=常數(shù)，If=IfN

=常數(shù)，電樞回路電阻

Ra+Rj

=常數(shù)（Rj

為電樞回路所串電阻）時，n=f(Tem)的關(guān)系。

當U=UN，If=IfN

，Rj

=0時的機械特性稱為自然機械特性。任意改變上述３個變量中的一個所得的機械特性，均稱為人工機械特性。

2.5.3機械特性由公式和可得：又可表示為

n0——理想空載轉(zhuǎn)速

kj

——機械特性斜率2.5.3機械特性1、自然機械特性

自然機械特性是一條略向下傾斜的直線，又稱為硬特性。2.5.3機械特性2.5.3機械特性2、人工機械特性①U=UN，If=IfN

，Rj

≠0②U=UN，If≠IfN

，Rj

=0③U≠UN，If=IfN

，Rj

=02.5.4直流電動機的啟動1、直接啟動直接啟動是指把電動機直接接到額定電壓的電源啟動。直接啟動不需起動設(shè)備，操作簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，但啟動電流太大，不僅對電機本身換向、溫升不利，對繞組和轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生電磁力沖擊，而且還使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動，影響電網(wǎng)上其他機組的正常工作。故該方法只適合很小容量的直流電動機。2、電樞電路串變阻器啟動該方法就是啟動時在電樞電路中串入可變電阻Rst（又稱為啟動電阻）以限制啟動電流。但為了在整個啟動過程中保持一定的啟動轉(zhuǎn)矩，加速啟動過程，應(yīng)隨轉(zhuǎn)速增加，逐漸減小Rst直到全部切除。串變阻器啟動所需設(shè)備不多，在中、小型直流電動機啟動中廣泛應(yīng)用。但缺點是啟動設(shè)備笨重，能耗大。2.5.4直流電動機的啟動3、降壓啟動由Ist=U/Ra

可知，降壓啟動可有效地降低啟動電流。在啟動過程中，可逐漸升高電源電壓，使電動機轉(zhuǎn)速按需要的加速度上升，滿足啟動時間的要求。降壓啟動的優(yōu)點是啟動電流小，能耗小，缺點是專用設(shè)備投資較大。容量較大的電動機宜采用降壓啟動。2.5.4直流電動機的啟動由于Tem=CTΦIst

，所以在同一Ist