第2章直流電機(jī)

第二章直流電機(jī)目錄2.1直流電機(jī)的工作原理2.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值2.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)2.4電流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩2.5直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析2.6直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析第二章直流電機(jī)2/99i克服S2.1直流電機(jī)的工作原理第二章直流電機(jī)3/99+-UetoNBee1)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理永磁體磁場(chǎng)、導(dǎo)體繞組、旋轉(zhuǎn)軸換向器-電刷、換向片電能->機(jī)械能直流電流->換向->交流電流->電磁轉(zhuǎn)矩->機(jī)械負(fù)載交流電流電磁轉(zhuǎn)矩（拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩）換向機(jī)械負(fù)載Φ旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢(shì)做功電樞繞組直流電流itoirirS2.1直流電機(jī)的工作原理第二章直流電機(jī)4/99+-eetoNB2)直流發(fā)電機(jī)的工作原理機(jī)械能->電能機(jī)械轉(zhuǎn)矩->感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)->換向->直流電壓->換向->交流電流->電磁轉(zhuǎn)矩原動(dòng)機(jī)做功感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電流輸出直流電Φ換向電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）S2.1直流電機(jī)的工作原理第二章直流電機(jī)5/99+-eNetoB3)直流電機(jī)的工作原理?yè)Q向器和電刷配合實(shí)現(xiàn)換向繞組中是交流電流電磁轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)中是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在發(fā)電機(jī)中是阻轉(zhuǎn)矩。etoeto2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二章直流電機(jī)6/99定子主磁極換向極機(jī)座、端蓋、電刷轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸圖第二章直流電機(jī)7/992.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二章直流電機(jī)8/99定子轉(zhuǎn)子2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二章直流電機(jī)9/99定子轉(zhuǎn)子2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二章直流電機(jī)10/99定子N和S成對(duì)、交替、均勻分布。極對(duì)數(shù)p極數(shù)2p2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二章直流電機(jī)11/99定子轉(zhuǎn)子2.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二章直流電機(jī)12/99定子主磁極-疊片勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子鐵心-疊片電樞繞組2.3直流電機(jī)的繞組

單疊繞組元件單波繞組元件極距：一個(gè)磁極在電樞表面跨過(guò)的距離。τ=Q/(2p)=槽數(shù)/極數(shù)節(jié)距第一節(jié)距y1=τ整距繞組；y1<τ短距繞組；y1>τ長(zhǎng)距繞組。第二節(jié)距y2

合成節(jié)距y=y1±y2

第二章直流電機(jī)13/992.3直流電機(jī)的繞組繞組第二章直流電機(jī)14/992.3直流電機(jī)的繞組繞組

τ=4，2p=2，y=4※電刷的中心線(xiàn)對(duì)著磁極的中心線(xiàn)。

※電刷之間的電動(dòng)勢(shì)最大；

※被電刷短接的元件電動(dòng)勢(shì)為零。第二章直流電機(jī)15/992.3直流電機(jī)的繞組繞組電樞連接規(guī)律※整個(gè)電樞繞組通過(guò)換向片連成一個(gè)閉合的回路。第二章直流電機(jī)16/992.3直流電機(jī)的繞組原理圖中，省去換向器，假定電刷直接與導(dǎo)體接觸，

電刷放置在磁極的幾何中性線(xiàn)位置。習(xí)慣稱(chēng)“電刷放在幾何中性線(xiàn)位置”。

交軸，直軸，符號(hào)。第二章直流電機(jī)17/992.3直流電機(jī)的繞組3)分類(lèi)-按照勵(lì)磁方式發(fā)電機(jī)他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)第二章直流電機(jī)18/992.3直流電機(jī)的繞組3)分類(lèi)-按照勵(lì)磁方式電動(dòng)機(jī)他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)第二章直流電機(jī)19/992.3直流電機(jī)的繞組4)額定值額定電壓UN額定電流IN額定功率PN額定轉(zhuǎn)矩TN額定轉(zhuǎn)速nN額定勵(lì)磁電壓UfN額定勵(lì)磁電流IfN額定狀態(tài)--UIPn均為額定值的狀態(tài)滿(mǎn)載狀態(tài)--I=IN的狀態(tài)第二章直流電機(jī)20/992.3磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)1)空載磁場(chǎng)

氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度第二章直流電機(jī)21/992.3磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)2)電樞磁場(chǎng)第二章直流電機(jī)22/99xFa(x)2.3磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)2)電樞磁場(chǎng)第二章直流電機(jī)23/99xFa(x)Ba(x)2.3磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)3)電樞反應(yīng)第二章直流電機(jī)24/99B0(x)Ba(x)Bδ(x)2.3磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)3)電樞反應(yīng)第二章直流電機(jī)25/99B0(x)Ba(x)Bδ(x)α2.3磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)3)電樞反應(yīng)對(duì)主磁極磁場(chǎng)的影響?？偞艌?chǎng)發(fā)生畸變，零點(diǎn)偏移；物理中性線(xiàn)偏離幾何中心線(xiàn)；被電刷短路的元件的e≠0，增加了換向難度。一半磁極的磁通增加，另外一半磁極的磁通減少。不飽和時(shí)，每極磁通量不變；飽和時(shí)，每極磁通量會(huì)減少，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少。可以通過(guò)改變電刷位置改善換向問(wèn)題。第二章直流電機(jī)26/99α物理中心線(xiàn)幾何中心線(xiàn)2.4電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E：產(chǎn)生—電樞旋轉(zhuǎn)n，總磁場(chǎng)Φ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。每極磁通Φ，電樞元件邊長(zhǎng)度l，極距τ，可知?dú)庀镀骄琶蹷av=Φ/(lτ)。一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)eav=Bavlv；又有，元件邊導(dǎo)體的線(xiàn)速度v=2pτn/60；得到，導(dǎo)體平均電動(dòng)勢(shì)eav=2pΦn/60。

已知導(dǎo)體數(shù)N，電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)a，則每條支路的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N/(2a)。這樣，電機(jī)總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：第二章直流電機(jī)27/992.4電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩2)電磁轉(zhuǎn)矩Tem：產(chǎn)生—導(dǎo)體中電流i，總磁場(chǎng)Φ，電磁力->電磁轉(zhuǎn)矩。所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。每極磁通Φ，電樞元件邊長(zhǎng)度l，極距τ，可知?dú)庀镀骄琶蹷av=Φ/(lτ)。一根導(dǎo)體的fav=Bavial；假設(shè)電樞繞組直徑為Da

=2pτ

/

π；得到，一根導(dǎo)體的平均轉(zhuǎn)矩Tav=BavliaDa/2。

電樞繞組電流Ia，并聯(lián)支路數(shù)a，則每條支路電流ia=Ia/(2a)。這樣，電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩：第二章直流電機(jī)28/992.4電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩3)電磁功率Pe：在電樞中發(fā)生的轉(zhuǎn)換的功率。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，電樞電流Ia；電磁轉(zhuǎn)矩Tem，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

Ω；電功率機(jī)械功率

Pe=EIa

=Te

Ω第二章直流電機(jī)29/99電功率機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析1)基本方程式正方向--（電動(dòng)機(jī)慣例）

U→Ia

E與Ia反向

Te與n同向

TL與n反向電壓平衡方程勵(lì)磁回路電樞回路第二章直流電機(jī)30/99ETenTL＋U

－Ia2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析1)基本方程式功率平衡方程輸入功率P1=UIa銅損Pcua=Ia2Ra電磁功率Pe=P1-Pcu輸出功率P2=T2Ω空載損耗P0=Pe–P2P0=PFe+Pfw+Pad第二章直流電機(jī)31/99轉(zhuǎn)換電功率機(jī)械功率EIa

Te

ΩP1PCuPeP0P22.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析1)基本方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程空載Te=T0帶載

Te=T2+T0穩(wěn)態(tài)電樞電流IaTe=TL，

Ia

∝TL，

電樞電流大小取決于負(fù)載大小。Ia=IaN

滿(mǎn)載，Ia>IaN

過(guò)載。Ua↓，（n不變

E不變）

Ia↓

Te↓

<TL

n↓

E↓

Ia↑

Te↑

=TL第二章直流電機(jī)32/99TeTLn2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的特性轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)轉(zhuǎn)矩特性Te

=f(Ia)效率特性η

=f(Ia)機(jī)械特性n=f(Te)轉(zhuǎn)速特性n

=f(Ia)IaRa以及電樞反應(yīng)Φ影響轉(zhuǎn)矩特性Te

=f(Ia)電樞反應(yīng)Φ影響效率特性η

=f(Ia)不變損耗P0=可變損耗Pcu時(shí)取得極值。第二章直流電機(jī)33/99TeTLnOn,Te,ηIa2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的特性機(jī)械特性n

=f(Te)硬特性，Te增加，n下降較慢。動(dòng)態(tài)方程*第二章直流電機(jī)34/99OnTen02.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的特性轉(zhuǎn)動(dòng)方向電樞電壓反向--改變電樞電流方向轉(zhuǎn)矩方向改變，轉(zhuǎn)向改變。磁場(chǎng)反向--改變勵(lì)磁電壓極性轉(zhuǎn)矩方向改變，轉(zhuǎn)向改變。同時(shí)改變電樞電壓方向和磁場(chǎng)方向–轉(zhuǎn)向不變。第二章直流電機(jī)35/99FFT,nFFT,nFFT,n2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的特性他例和并勵(lì)區(qū)別他勵(lì)并勵(lì)輸入電壓U=UaU=Ua=Uf輸入電流

I=IaI=Ia+If輸入功率P=UIaP=UI=UIa+UIf第二章直流電機(jī)36/992.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析3)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電壓電流轉(zhuǎn)矩Ia較小時(shí)，磁路未飽和，Φ∝Ia→Te∝Ia2

Ia較大時(shí)，磁路飽和，Φ

約為常數(shù)

→Te∝Ia

第二章直流電機(jī)37/99OTeIa2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析3)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)相同負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化?T，電流變化?Ia較小。

最大電流Iamax，能夠產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩Te。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。轉(zhuǎn)速電樞電流Ia增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降很快。(1)電流增加時(shí)，IaRa壓降增大，IaRf壓降增大；(2)電流增加時(shí)，磁通Φ增加。第二章直流電機(jī)38/99OTeIaOTeIan2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析3)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)Te=0時(shí)，Ia

=

If

=0，Φ=

Φr，n很大，n=(5~6)nN

！當(dāng)Te

較小時(shí)，Ia

很小，磁路未飽和，Te↑→Ia↑

→Φ↑→n

迅速下降！當(dāng)Te很大時(shí)，Ia

很大，磁路已飽和，Te↑→Ia↑

→Φ

基本不變→n下降較少！

第二章直流電機(jī)39/99OTeIanOnTe2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析3)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速適用場(chǎng)合軟特性適用于負(fù)載的轉(zhuǎn)矩變化范圍較大情況；適用于起重機(jī)和電氣機(jī)車(chē)等運(yùn)輸機(jī)械；

絕不允許在輕載或空載下運(yùn)行；

需采用機(jī)械直接耦合，不能用皮帶輪傳動(dòng)。第二章直流電機(jī)40/99OTeIanOnTe2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析4)復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)積復(fù)勵(lì)–串勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢(shì)和并勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢(shì)方向相同；差復(fù)勵(lì)–串勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢(shì)和并勵(lì)繞組的磁動(dòng)勢(shì)方向相反。機(jī)械特性介于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)之間：(1)有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

；(2)可以空載運(yùn)行。第二章直流電機(jī)41/99OnT并復(fù)串2.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析例2-3并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=96kW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A，nN=500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.078Ω。忽略電樞反應(yīng)影響，求額定輸出轉(zhuǎn)矩和額定電流時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。解，額定轉(zhuǎn)矩：電樞電流：電動(dòng)勢(shì)：電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：第二章直流電機(jī)42/992.5電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析例2-4并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,電樞電阻Ra=0.18

，勵(lì)磁電阻Rf＝628。試求(1)CEΦN，CTΦN；(2)

電磁轉(zhuǎn)矩Te；(3)額定輸轉(zhuǎn)矩TN；(4)空載轉(zhuǎn)矩T0；(5)理想空載轉(zhuǎn)速n0與實(shí)際空載轉(zhuǎn)速n

0

。

解，(1)(2)電磁轉(zhuǎn)矩：(3)額定輸出轉(zhuǎn)矩：(4)空載轉(zhuǎn)矩：(5)空載轉(zhuǎn)速：第二章直流電機(jī)43/992.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析1)基本方程式正方向--（發(fā)電機(jī)慣例）

E→U→Ia

T1與n同向

T0與n反向

Te與n反向電壓平衡方程勵(lì)磁回路電樞回路第二章直流電機(jī)44/99ETenT1＋U

－IaT02.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷（1）電樞電壓電動(dòng)機(jī)U=E+IaRaU>E發(fā)電機(jī)U=E

-

IaRaE>U（2）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系電動(dòng)機(jī)Te

n同向發(fā)電機(jī)n

Te反向第二章直流電機(jī)45/992.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析1)基本方程式功率平衡方程輸入功率空載損耗P0=PFe+Pfw+Pad電磁功率Pe=P1–P0=TeΩ

=EIa銅損Pcu=Ia2Ra輸出功率P2=UI第二章直流電機(jī)46/99轉(zhuǎn)換電功率機(jī)械功率EIa

Te

ΩP1P0PePCuP22.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析1)基本方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程輸入轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩第二章直流電機(jī)47/99ETenT1＋U

－IaT02.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作特性工作過(guò)程外電源Uf

If

Φ

原動(dòng)機(jī)T1

n

…

E

Ua

U空載運(yùn)行勵(lì)磁電路If=Uf/Rf電樞電路Ia=0，U=U0=E調(diào)節(jié)Rf

If

Φ

E

Ua

空載特性

U0=E=f(If)（n=nN,Ia=0）(1)本質(zhì)上就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定發(fā)電機(jī)實(shí)際的磁化曲線(xiàn)；(2)測(cè)定均按他勵(lì)發(fā)電機(jī)接線(xiàn)方式，與電機(jī)的勵(lì)磁方式無(wú)關(guān)。第二章直流電機(jī)48/99OIfU0Er剩磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作特性負(fù)載運(yùn)行勵(lì)磁電路If=Uf/Rf電樞電路I=Ia，U=Ua電壓平衡方程調(diào)節(jié)Rf

If

Φ

E

Ua

負(fù)載特性

U=f(If)（n=nN,Ia=const）(1)I=0空載特性曲線(xiàn)；(2)相同勵(lì)磁電流，不同端電壓；AU電樞電阻壓降，EA產(chǎn)生相同感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的不同勵(lì)磁電流；I=const

AU長(zhǎng)度不變，且EA長(zhǎng)度不變；?EAU特征三角形。第二章直流電機(jī)49/99UO

I'f1

If1

IfEI=0

I=constAU2.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作特性負(fù)載運(yùn)行負(fù)載增加，Ia↑

RaIa↑

E↓

Ua↓

Φ↓

E↓

Ua↓

外特性U=f(I)（n=nN,If=IfN）電壓調(diào)整率外特性隨負(fù)載電流增大呈下降趨勢(shì)；是由電樞回路電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)引起的；機(jī)端電壓隨負(fù)載變化的程度用電壓調(diào)整率衡量。第二章直流電機(jī)50/99OIUn=nNIf

=IfNINUNU02.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析2)他勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作特性負(fù)載運(yùn)行調(diào)整特性If=f(I)

（n=nN,U=UN）表明負(fù)載變化，如何調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流才能維持發(fā)電機(jī)端電壓維持不變。勵(lì)磁電流必須隨負(fù)載電流增加而增加，以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用。鐵磁材料的飽和影響，勵(lì)磁電流增加的速率必須更快，要高于負(fù)載電流。第二章直流電機(jī)51/99OI

If

IfNIN2.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析3)并勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作特性工作過(guò)程原動(dòng)機(jī)T1

n

Φ

E

Ua

UE

Φ

？

Φ

E自勵(lì)條件(1)主磁極必須有剩磁Φr……

Er

Ifr

ΦΦr

與Φr

方向相同

E>Er

Φr

與Φr

方向相反

E<Er

(2)勵(lì)磁產(chǎn)生的磁通必須與剩磁方向相同。Φr

Er

Ifr

E>Er

If>Ifr

Φ>Φr→E↑…E

與If

之間滿(mǎn)足空載特性;If

與E

之間滿(mǎn)足歐姆定律。第二章直流電機(jī)52/992.6發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析3)并勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作特性自勵(lì)條件(1)主磁極必須有剩磁(2)勵(lì)磁產(chǎn)生的磁通必須與剩磁方向相同。(3)勵(lì)磁電路的電阻必須小于臨界電阻。場(chǎng)阻線(xiàn)斜率tanα=Ra+Rf當(dāng)Rf<Rfcr

時(shí)，E>Er

能夠自勵(lì)；

當(dāng)Rf=Rfcr

時(shí)，E不確定，不能自勵(lì)；

當(dāng)Rf<Rfcr

時(shí)，E>Er

不能自勵(lì)。第二章直流電機(jī)