第一章_直流电机

2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,1,第 一 章 直流电机,1-1 直流电机的工作原理,1-2 直流电机的基本结构和额定值,1-3 直流电机的电枢绕组,1-5 直流电机的电磁转矩和电动势,1-7 直流电动机,1-8 直流电机的换向,1-6 直流发电机,第 一 章 直流电机,1-1 直流电机的工作原理,1-2 直流电机的基本结构和额定值,1-3 直流电机的电枢绕组,1-5 直流电机的电磁转矩和电动势,1-7 直流电动机,1-8 直流电机的换向,1-6 直流发电机,1-4 直流电机的磁场,1-4 直流电机的磁场,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,2,1. 了解直流电机的主要结构，尤其注意换向器和电刷的作用，电枢绕组排列的规律以及它们在实现机电能量转换中的功用。,本章基本要求,2. 熟悉直流发电机和直流电动机的基本工作原理，熟练掌握感应电势和电磁转矩这两个机电能量变换要素的物理意义和计算公式。,3. 掌握直流电机的运行原理，会通过基本方程式来综合分析电机内部的电磁过程，并能运用这些基本方程式去分析各种励磁方式的直流发电机和电动机。,4. 了解直流电机的电枢反应、换向过程、产生火花的电磁原因、改善直流电机换向的方法。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,3,一、直流发电机的工作原理, E , E ,1-1 直流电机的工作原理,电刷,换向片,外接负载，导条中有电流时会产生什么现象？,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,4,直流电机的工作原理,输出 直流电,换向,原动机,感应电动 势、电流,电磁转矩 （阻转矩）,做功,1. 电磁关系,2. 直流发电机的特点：, 电刷间的电势与导体电势的性质不同；, 电枢电势与电流同方向；, 电磁转矩的方向与电机的转向相反，为制动转矩。,电刷间电势为直流电势，导体电势为交变电势；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,5,直流电机的工作原理,根据法拉第电磁感应定律， 导体切割磁通产生的电势为,ei=Bxlv,式中， Bx为导体所处位置的气隙磁通密度； l为导体有效长度(即电枢铁心的长度)； v为导体切割磁场的线速度(即电枢圆周速度)。,3. 直流电势的波形,前面的讨论，只是得出了电刷电势极性不变的结论，但其大小和波形是否随时间变化，还需进一步分析。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,6,直流电机的工作原理,对已制成的电机，l为定值，若电枢转速n恒定，则v亦为常值，所以eiBx。,磁场分布,在整个磁极下，气隙磁通密度沿电枢圆周不是均匀分布，而是按图所示规律分布的。导体处于不同位置，产生的电势大小不同，其随时间变化的规律与Bx相同。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,7,直流电机的工作原理,为减小电势的脉动程度，实际电机中不是只有一个线圈(元件)，而是由很多元件组成电枢绕组。这些元件均匀分布在电枢表面，并按一定的规律连接。,经换向器换向后，电刷间电势虽然方向不变，但却有很大的脉动，如图所示。,这样的电势不是直流电势，称其为脉动电势。,电刷电势,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,8,直流电机的工作原理,若有两个元件，有四个元件边，元件边空间位置夹角90，则元件电势时间相位差90。,四个元件边时电刷输出电势的波形,比较可见，此时输出电势平均值变大，脉冲相对来说变小。,电刷电势是支路中两个元件电势曲线之合成， 即曲线 3。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,9,直流电机的工作原理,如果电枢表面槽数增多，元件数增多，则电刷间串联的元件数增多，输出电势的平均值将更大，脉动更小，就得到大小和方向都不变的直流电势。,若电机每极下的导体数大于8，电势脉动幅度已小于1%，可以认为是恒定直流分量。,直流发电机工作原理表明，直流电机电枢绕组所感应的电势为交变电势；,由换向器配合电刷的作用把交流电势“换向”成为直流电势；,上述这种电机称为换向器式直流电机。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,10,二、直流电动机的工作原理,直流电机的工作原理, U ,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,11,直流电动机的工作原理,电刷,线圈边切割磁感线会产生什么？,换向片,直流电机的工作原理,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,12,直流电流,交流电流,电磁转矩 (拖动转矩),换向,机械负载,旋转,反电动势,做功,电磁关系,直流电机的工作原理,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,13,直流电机的工作原理,作为发动机运行：用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。,直流电动机的特点：,通过电刷间的电流与导体电流的性质不同,电枢电势与电流反方向，称为反电势。,电磁转矩的方向与电机的转向相同，为驱动转矩。,通过电刷电流为直流电流，导体电流为交变电流；,直流电机的可逆性原理：,作为电动机运行：在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,14,一、直流的电机基本结构,1-2 直流电机的基本结构和额定值,直流电机的基本结构示意图如图所示。,转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等组成。 一般小型电机的轴是通过轴承支撑在端盖上的。,定子由主磁极、换向极、机壳、端盖和电刷装置等组成。,静止部分(称为定子)和旋转部分(称为转子)。定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。,直流电机总体结构可以分成两大部分：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,15,直流电机的基本结构,直流电机剖面图,1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极 6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,16,直流电机的基本结构,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,17,电机装配图,直流电机的基本结构,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,18,直流电机的基本结构,直流电机模型,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,19,直流电机的基本结构,（一）直流电机的定子部分,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,20,直流电机的基本结构,1. 主磁极,2. 换向极,(1) 主磁极铁心 (2)励磁绕组 (3) 机座,(1) 换向极铁心 (2) 换向极绕组,3. 机座：用来固定主磁极、换向极和端盖；又作为磁路的一部分。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,21,直流电机的基本结构,（二）直流电机的转子部分,4.电刷装置,1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4铜丝辫,1. 电枢铁心,a)电枢铁心 冲片 b)电枢铁心,电刷放在电刷座中，用弹簧将它压在换向器上，使之和换向器有良好的滑动接触。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,22,直流电机的基本结构,直流电机的转子,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,23,直流电机的基本结构,2. 电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。,1槽楔 2线圈绝缘 3导体 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘,3. 换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。,1换向片 2连接片,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,24,直流电机的基本结构,在直流发电机中，电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。,在直流电动机中，电刷和换向器的作用是将直流电流变成电枢绕组中的交变电流。,二、直流电机的铭牌数据,5. 额定励磁电压UfN(V),发电机：,电动机：,直流电机的额定值有：,1. 额定功率PN(W或kW)：输出功率,2. 额定电压UN(V)：电刷间电压,3. 额定电流IN(A)：流过电刷的电流,4. 额定转速nN(r/min)：电机轴的转速,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,25,1-3 直流电机的电枢绕组,能量转换过程中，电枢起着重要作用。,一、直流电机电枢绕组介绍,电枢绕组是直流电机的核心部分；,无论是发电机还是电动机它们的电枢绕组在电机的磁场中旋转，都会感应出电势来；,当电枢绕组有电流时，就会产生电枢磁势，它与气隙磁势相互作用，又产生了电磁转矩；,电势和电流的乘积就是电磁功率，电磁转矩与电枢旋转机械角速度的乘积就是机械功率；,在直流电机里，可以吸收或发出电功率或机械功率，这要根据电机的工作状态来确定。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,26,元件与换向片的连接和节距 （a）单叠绕组 （b）单波绕组,直流电机的电枢绕组,1. 绕组的组成,电枢绕组是由结构形状相同的元件构成。,2. 元件及元件边,所谓元件是指两端分别与两个换向片连接的单匝或多匝线圈，如图所示，元件的个数用S表示。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,27,直流电机的电枢绕组,所以整个绕组的元件数S应等于换向片数K即 S=K。,两匝元件,3. 单匝与多匝元件,单匝元件：每个元件的元件边是只有一个导体；,多匝元件：一个元件边就有多个导体，用wC表元件匝数。,不管一个元件有多少匝，引出线只有两根，而每一换向片连接一个元件的始端和另一元件的末端。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,28,直流电机的电枢绕组,二、绕组节距,p极对数，Da电枢外径。,若极距用槽数表示，则,2. 第一节距y1,若用N代表电枢绕组的全部导体数则有,1.极距 沿电枢表面相邻两磁极间的距离,每一元件的两元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨的槽数来表示。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,29,直流电机的电枢绕组,为了使感应电势最大，y1所跨的距离应接近于一个极距，每极距内的槽数为,有时一个极距内的槽数并不一定为整数，而y1必须为整数，否则无法嵌线。因此,小于1的正分数。,，称为长距绕组；,短距绕组端部引线较短，故用的较广。,，称为短距绕组；,若y1等于极距，且为整数时，称为整距元件。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,30,直流电机的电枢绕组,对于单迭绕组取“-”号，单波绕组取“+”号。,3. 第二节距y2,利用同一换向片串联起来的两个元件中，第一元件的下元件边与第二元件的上元件边之间在电枢表面上的距离称为第二节距，用槽数表示。,合成节距与第一、第二节距之间的关系是：,4. 合成节距y,相串联的两个元件的对应边在电枢表面上的距离称为合成节距y，用槽数来表示。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,31,直流电机的电枢绕组,5. 换向器节距yk,每一元件的两端所接的两片换向片之间在换向器表面上所跨的距离称为换向器节距yk，用换向片数表示。,由于元件数等于换向片数，当元件边在电枢表面前进（或后退）多少个槽，其出线端在换向器上也必然前进（或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成节距即,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,32,直流电机的电枢绕组,单迭绕组每绕一个元件便在电枢表面移过一个槽。,三、电枢绕组的基本形式,直流电机的电枢绕组是均采用双层绕组，即线圈的两边处于不同极性下面，线圈的跨距约为一个极距，线圈电势为两元件边电势之和。,1. 单迭绕组,单迭绕组的联接特点,元件两出线端联接于相邻的两个换向片上，在绕制这种绕组时，任何两个串联元件都是后一个紧迭在前面一个的上面，故称为迭绕组。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,33,直流电机的电枢绕组,对于单迭绕组，,表示每联接一个元件，在电枢表面就要移过一个槽,，表示向右移过一个槽；称为右行绕组；,，则绕组左行。,左行绕组每一元件接到换向片的两根端线互相交叉，用铜较多，很少采用，故迭绕组常采用右行绕组。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,34,直流电机的电枢绕组,2. 单波绕组,单波绕组示意图 （a）左行绕组 （b）右行绕组,在每个元件两边所接的两个换向片相隔较远，两元件串后形成波浪形，故称为波绕组。,单波绕组的特点,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,35,直流电机的电枢绕组,在单波绕组中y=yk仍成立。,否则当绕完一周后，就会回到出发点而闭合，以致绕组无法绕下去；,根据换向器节距的定义，元件将会跨过pyk个换向片，但不能回到起始的换向片上；,若电机有p极，则连接了p个元件就沿电枢前进了一周；,单波绕组每串联一个元件相当于前进了约一对极距的距离。,但与迭绕组连接方式不同，计算公式也不同。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,36,直流电机的电枢绕组,或,若绕组从某一换向片出发，沿电枢圆周和换向器绕一周后，恰好回到原来出发的那个相邻的一片上，则可再绕第二、三周,最后把全部元件串联完毕并与最初的出发点相接而形成一闭合绕组。,右行绕组的端接线交叉，且比左行绕组的端线略长，故波绕组常用左行绕组。,要求yk满足以下关系,式中如取“-”号，绕一周后，比出发时的换向片后退一个槽，称为左行绕组。如取“+”号，则前进一片，称为右行绕组。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,37,单迭绕组的连接（设共有8个元件，两组电刷）,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,直流电机的电枢绕组,三、直流电枢绕组展开图的画法,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,38,直流电机的电枢绕组,（一）单迭绕组展开图的画法,1. 节距计算,下面通过一个实例说明单迭绕组的连接方式和特点。,例：已知电机极数2p=4，槽数和换向片均为12，绕制一个单迭右行绕组。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,39,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,2. 单叠绕组的展开图, 电刷的中心线对着磁极的中心线。, 并联支路对数：a = 2。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,40,单叠绕组的展开图, 习惯称 “电刷放在几何中心线位置”。,磁极中心线,几何中心线,直流电机的电枢绕组, 电刷的中心线对 着磁极的中心线：, 电刷之间的电动势最大。, 被电刷短接的元件电动势为零。,电刷应放在轴线与主极轴线重合的元件所接的换向片的分界线上。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,41,直流电机的电枢绕组,（二）单波绕组展开图的画法,例：已知电机极数2p=4，槽数和换向片均为15，绕制一个单波左行绕组。,1. 节距计算,单波绕组不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。,下面通过一个实例说明单波绕组的连接及特点。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,42,直流电机的电枢绕组,2. 连接表,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,43,直流电机的电枢绕组,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,44,直流电机的电枢绕组,直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。, 电刷的中心线对着磁极的中心线。, 并联支路对数：a = 1。理论上只需放置两组电刷即可。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,45,直流电机的电枢绕组,（三）单迭与单波绕组的特点,若增加电机的极对数，不改变每极导体数和磁场：,单波绕组是把同一种极性下（N、S极）的元件都串联起来，各形成一条支路，再由这两部分串联成为闭合回路，因此整个绕组只有一对支路。,对单波绕组可使电刷间电势增加，提高电枢电压。,对单迭绕组可增加支路数，从而可使电枢通过较大的电流。,单迭绕组是将处在同一主极底下的元件串联起来就形成一条支路，因此，一个主极对应着一条支路;,单迭绕组的并联支路数恒等于电机的主极数。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,46,1-4 直流电机的磁场,磁场是电机中感应电势和产生电磁转矩而实现能量转换不可缺少的基本因素之一；,电机中的磁场是怎样产生的呢？其大小和分布情况又是如何？这些问题是学习电机运行原理所必备的基础知识。,一、直流电机的空载磁场,电机空载时气隙磁场是有主极绕组通一直流励磁电流建立的。当励磁绕组通一励磁电流，各主极的极性交替分布N、S、N、S，电机磁场的分布是对称的，如下图所示。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,47,直流电机的磁场,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,48,直流电机的磁场,直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,49,直流电机的磁场,靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。,空载时励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。,磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数;,空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图所示。,为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通;,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,50,直流电机的磁场,空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如图所示。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,51,直流电机的磁场,二、直流电机负载时的磁场,（c）是主磁场和电枢磁场的合成磁场。,（b）是电枢电流产生的电枢磁场；,（a）是定子励磁电流产生的主磁场，即空载磁场；,负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成，如下图。,电机负载时，电枢绕组中流过电流也要产生磁场，称为电枢磁场。,电机空载时，只有励磁绕组产生的主磁场。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,52,直流电机的磁场,几何 中心线,励磁磁场 （空载磁场）,物理 中心线,电枢磁场,合成磁场 （负载时的磁场）,物理 中性线,电枢反应：,电枢磁通势对主极磁场的影响。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,53,直流电机的磁场,电枢电流产生的电枢磁场的特点：,电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，即电刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反。,不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在线圈中的分布情况始终不变。,电枢电流所产生的磁场在空间的分布情况也不变，即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。,磁力线的分布可由右手螺旋定则作出，上图(b)。,电枢磁场和电枢反应取决于电刷的位置，电刷轴线就是电枢磁场的轴线。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,54,直流电机的磁场,（一）电刷位于几何中性线上时的电枢反应,电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中Fax 所示。,1. 磁密的波形,设直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，根据全电流定律,交轴电枢磁势：电枢磁场的轴线位于交轴上，称为交轴电枢磁势。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,55,直流电机的磁场,由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快； 致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中Bax所示。,气隙总磁密的波形如下：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,56,直流电机的磁场,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,气隙总磁密的波形,交轴电枢反应：由交轴电枢磁势对气隙磁场的影响。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,57,直流电机的磁场,2. 交轴电枢反应的特点,(3)对主磁场起去磁作用,(1)使气隙磁场发生畸变,负载后由于电枢反应，使磁密的波形发生了畸变，一半被增强，一半被削弱，磁通密度的曲线与空载时不同。发电机前极尖被削弱，后极尖被加强；,电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。,磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极下的磁通量与空载时相同。,磁路饱和时，主极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，使增加的磁通少些，即负载时每极磁通略为减少。,(2)物理中性线偏离几何中性线一个角度，对发电机顺转向偏离角，电动机逆转向偏离角；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,58,直流电机的磁场,（二）电刷不在几何中性线上时的电枢反应,电刷从几何中性线偏移b角，电枢磁动势轴线也随之移动b角，如图（a）（b）所示。,这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：,交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。如图（a）（b）所示。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,59,直流电机的磁场,电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,60,直流电机的电磁转矩和电动势,1-5 直流电机的电枢电势和电磁转矩,电刷A、B间的电动势，电刷间的电势应该等于正负电刷所连接的导体的电势之和， 即一条支路的电势,直流电机无论作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势和电磁转矩，所以这两个物理量在电机中是非常重要的。,一、电枢电势的计算,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,61,直流电机的电磁转矩和电动势,对于已制成的电机，l为常数，当速度v一定时，导体的感应电势ex便正比于该导体所在处的磁通密度Bx，即exBx。,电枢表面不同位置上的导体瞬时感应电势ex不同，取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bav，求出一个导体在一个磁极下的平均电势为eav：,eav=Bavlv,电刷间的电势Ea便等于一个磁极下导体的平均电势乘上一条支路所串联的导体数N, 即,Ea=Neav =NBavlv,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,62,直流电机的电磁转矩和电动势,直流电机每极下的磁密,极距,平均磁密：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,63,直流电机的电磁转矩和电动势,D为电枢直径，单位为(m)；n为电枢转速，单位为 (r/min)。,电枢表面圆周速度,为每极总磁通，单位(Wb)；,为极距，极距=电枢圆周长/极数，单位为(m)；,l为电枢铁心长度，单位为 (m)。,在电机中，通常用转速n和每极总磁通表示电枢表面圆周速度v和平均磁通密度Bav,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,64,直流电机的电磁转矩和电动势,所以,而D/=2p(p为电机的极对数)， 所以上式变成,电刷间的总电势,N=N/(2a),一对电刷所串联的导体数N应等于电刷间每条并联支路中的导体数， 所以N值等于电枢绕组总导体数N除以电刷间的并联支路数2a,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,65,直流电机的电磁转矩和电动势,所以,电枢电势和电磁转矩是直流电机中非常重要的关系式，希望同学们牢记，并能熟练应用。,或写成,Ea=Cen,单位：的单位为Wb; n的单位为r/min，则Ea的单位为V ；,Ce=pN/(60a)，称为电势常数，由电机本身的结构参数决定。,当每极磁通一定时， Ea=Ken,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,66,1. 电磁转矩的产生,F,T,2. 电磁转矩的定义,电枢电流 i 磁 场 ,二、电磁转矩的计算,直流电机的电磁转矩和电动势,载流导体在磁场中将受到力的作用；,此力作用在电枢外圆的切线方向，将产生电磁转矩；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,67,直流电机的电磁转矩和电动势, 一根导体的电磁力产生的转矩为,设空气隙中平均磁通密度为Bav，电枢绕组总的导体数为N，若电刷位于几何中性线上，各导体电流产生的沿切线方向的电磁力方向相同，则电机转子所受到的总转矩为,式中， ia为导体的电流； D为电枢直径。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,68,直流电机的电磁转矩和电动势,将Bav用每极总磁通表示，Bav=/(l)，导体电流ia用电枢总电流Ia表示， ia=Ia/(2a)，a为并联支路对数。则,或者写成,其中,称为转矩常数，由电机本身的结构参数决定。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,69,直流电机的电磁转矩和电动势,若每极磁通的单位为Wb， 电枢电流Ia的单位为A时， 则电磁转矩T的单位为Nm。,对发电机：T 与 n 方向相反，为制动转矩。,对电动机：T 与 n 方向相同，为驱动转矩。,当不变时， 电磁转矩可写成,T=KTIa,KT=CT, 称为转矩系数。,感应电势常数与转矩常数Ce与CT有如下关系：,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,70,一、直流发电机的励磁方式,他 励,串 励,复 励,并 励,1-6 直流发电机,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,71,直流发电机,4)复励:发电机有并励和串励绕组，它们套在同一主极铁心上。串励绕组磁动势可以与并励绕组磁动势方向相同（称为积复励），也可以相反（称为差复励）。,1)他励：他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同,3)串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足 。,2)并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。满足,通常If 仅为电视额定电流IN的1%-5%。,不同的励磁方式，将使发电机的运行性能发生很大的差异。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,72,直流发电机,二、直流发电机的基本方程式,直流发电机的基本方程式包括电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式。,（一）电势平衡方程式,发电机空载时，电枢电流Ia很小（对他励发电机Ia =0），电枢电动势Ea等于端电压U。,负载时，在Ea作用下，电枢有电流Ia流过，若以Ea、U、Ia的实际方向为正方向，则电动势平衡方程式:,Ea=U+IaRa+2Ub,式中Ra为电枢绕组的总电阻； 2Ub为一对电刷的接触压降。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,73,直流发电机,Ea=U+IaRa,对直流发电机来说，EaU。,（二）转矩平衡方程式,机械摩擦及铁损引起的空载转矩T0 。,在一般分析讨论中，也把电刷接触压降归并到电枢回路的压降中去，电动势平衡方程式可写成,此时Ra中应包括电刷接触电阻。,直流发电机轴上有三个转矩：,原动机输入给发电机的驱动转矩 T,电磁转矩 TM,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,74,直流发电机,发电机空载时，为了使发电机能维持恒速运转，则原动机的输出机械转矩T（即驱动转矩）必须克服由于机械摩擦等引起的制动转矩T0，T0也称为空载转矩。,在发电机中，电磁转矩TM是制动转矩，所以为了使电机恒速旋转，驱动的机械转矩T除了克服空载转矩T0外，还必须克服电磁转矩TM 的制动作用。,发电机中 TTM,当发电机有负载时，电枢电流Ia与气隙磁场相互作用产生电磁转矩TM。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,75,直流发电机,（三）功率平衡方程式,P1= PM+ p0,下对电磁功率PM和空载功率p0作进一步分析。,1. 电磁功率PM,负载时电枢有电动势Ea，在Ea作用下产生电流Ia，显然发电机中的电磁功率 PM = EaIa,发电机工作时，原动机向发电机输入机械功率P1。,P1中因机械摩擦等消耗的一部分称为空载功率p0，其余部分便转化为电功率PM；,PM称为电磁功率，功率平衡方程式:,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,76,直流发电机,电磁功率就是机械功率转换为电功率的部分，它是从机械量计算电磁量的一个桥梁。,式中 电枢旋转的机械角速度,电磁功率PM除去电枢回路电阻上的损耗pcua和电刷接触损耗pcub外，其余的便是对负载输出的功率P2和励磁回路的损耗pcuf（他励， pcuf 不包括在电磁功率中）。,电磁功率的物理意义:,TM是原动机为克服电磁转矩所需输入的机械功率; EaIa则为电枢发出的电磁功率，两者相等；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,77,直流发电机,EaIa=UIa+ I2aRa+2 UbIa =U（I+If）+Ia2Ra+2Ia Ub,2. 空载功率p0,p0主要包括机械损耗功率p、铁耗功率pFe和附加损耗 ps ，空载功率也称作空载损耗。,机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定子与转子和空气的摩擦损耗（也称为通风损耗）等部分。,铁耗pFe是由于电枢转动时，主磁通在电枢铁心内交变而引起的。,将电势方程式两边乘以电枢电流Ia，得,PM=P2+ pcuf + pcua+pcub,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,78,直流发电机,换向电流所产生的损耗。,机械损耗和铁耗与负载大小无关，电机空载时即存在，而且在运行过程中数值几乎不变，所以空载损耗也称作不变损耗。,附加损耗 ps 又称做杂散损耗包括：,结构部件在磁场内旋转而产生的损耗；,因电枢齿槽影响，当电枢旋转时，气隙磁通发生脉动而在主极铁心和电枢铁心中产生的脉动损耗;,因电枢反应使磁场畸变而在电枢铁心中产生的损耗；,由于电流分布不均匀而增加的电刷接触损耗；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,79,直流发电机,附加损耗产生的原因很复杂，也很难精确计算，通常采用估算的办法确定。国家标准规定直流电机的附加损耗ps为额定功率的0.5%-1%。,综合上述分析，可写出功率平衡方程式，即,P1=PM+p0 =P2+pcua+pcub+pcuf+p+pFe+ps,若是他励电机，则励磁回路功率由外电源供给，而不包括在输入的机械功率之中。,并励直流发电机的功率图如下图所示。,空载功率也可表示p0=T0 ，T0为空载转矩。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,80,直流发电机,并励直流发电机的功率图,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,81,直流发电机,三、他励发电机的特性,直流发电机运行时，可以测得的物理量有发电机的端电压U、负载电流I、励磁电流If和转速n。,调节特性：U为常数的条件下，If=f(I)。一般只讨论U=UN的一条特性曲线。,一般发电机都应在额定转速nN下运行，则其它三个物理量之间的关系就用来表征发电机的特性。,负载特性：I为常数的条件下，U=f(If)。其中I=0时称为空载特性，这一条很重要的特性。,外特性：If为常数的条件下，U=f(I)。一般只讨论If= IfN时的一条特性曲线，此时当U=UN时，I=IN。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,82,直流发电机,下面对他励发电机的各种特性进行分析。,效率特性，即=f(P2),定义：当n=nN、I=0 时，U=f(If)的关系曲线,特性曲线可用试验方法求得,（一）空载特性,试验方法及接线图如下,发电机由原动机拖动，保持转速n=nN，开关S1打开，励磁回路外加电压Uf，合上开关S2并调节励磁回路中的磁场调节电阻Rpf；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,83,直流发电机,逐步减小If，则U0也随之减小，当If=0时，U0不等于零，称为剩磁电压，其值约为UN的（2-5）%；,再将If减小到零。这样就可以测得一系列If值和对应的U0值，绘出U0=f(If)的曲线。曲线成一磁滞回线。,改变励磁电流的方向，并逐渐增大，则空载电压由剩磁电压减小到零后，又逐渐升高，但极性其反，直到负的U0为额定电压的（1.1-1.3）倍为止。,励磁电流If从零开始逐渐增大，直到 U0=（1.1-1.3）UN为止；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,84,直流发电机,直流发电机的空载特性上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载特性曲线的形状与电机的磁化曲线形状相似。 根据电动势公式，对于已制成的电机，Ce为一常数，当转速一定时，Ea。,而励磁磁动势Ff If，所以改变磁化曲线的坐标，就可以得到空载特性。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,85,直流发电机,电机的磁化曲线是表示电机磁路的一条特性曲线，每一台电机只有一条磁化曲线;,（二）外特性,1. 定义：当n=nN、If=IfN时U=f(I)的关系曲线 。,特性曲线可用试验方法求得,试验方法及接线图如图所示。,而空载特性曲线是对应于某一转速的升降而成正比的上升或下移。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,86,直流发电机,按右图接线，并将开关S1合上，保持n=nN，调节负载电阻R和磁场调节电阻Rpf，使U=UN时I=IN，此时的励磁电流即为额定励磁电流IfN。,逐步增大负载电阻R，负载电流I就逐步减小，电枢电压则逐步增加，直到I=0，测得一系列I和对应的U值，即得到发电机的外特性曲线。,在实验过程中，保持If=IfN值不变；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,87,直流发电机,2. 外特性曲线,他励发电机的外特性是条略微下垂的曲线，即随着负载的增加，电机的端电压将有所下降。,1）电枢回路的电阻压降IaRa；,n = nN If = IfN,外特性,3. 电压下降的因素,这两个因素都随负载的增加而增大，由电势方程U=Ea-IaRa可知，端电压随负载的增大而减小。,2）电机有负载后，电枢反应的去磁作用，使电枢电动势Ea比空载时小。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,88,直流发电机,当负载电阻R=0，即发电机短路时，短路电流Ik很大，其值可达额定电流的数十倍，这样大的电流将使电机损坏。,短路电流Ik,他励发电机的额定电压变化率是指在n=nN，If=IfN时发电机从额定负载过渡到空载时，端电压升高的数值与额定电压的百分比。即,一般他励发电机的U约为（5-10）%，变化较小。,4. 电压变化率U,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,89,直流发电机,（三）调节特性,定义：调节特性是在n=nN、U=UN时If= f(I)的关系曲线。,从外特性可知，当负载增大时，端电压下降，若要维持U=UN不变，则随着负载的增大，必须增大励磁电流，所以他励发电机的调节特性是一条上升的曲线。,调整特性,（四）效率特性,定义：在n=nN、U=UN时发电机的效率与负载的关系曲线（实际上电压U将随负载变化而变化，因变化不大，可近似认为U=UN）。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,90,直流发电机,式中p为全部损耗，其中有一部分是不随负载变化的，称为不变损耗，如pFe、p；,效率是指输出功率与输入功率之比:,根据他励发电机的功率关系，可得,ps中有一部分是不变损耗；一部分是可变损耗。,有一部分是随负载变化而变化的，称为可变损耗，如pcua、pcub，一般与负载电流的二次方成正比；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,91,直流发电机,当发电机空载时，P2=0，所以=0。,当负载较小时，由于可变损耗小，总损耗中以不变损耗为主，此时增加负载，总损耗增加不多，输出P2=UI则与电流成正比增加，所以效率随负载增加而上升很快。,若再继续增加负载，则因可变损耗在总损耗中占主要地位，且与I的二次方成正比，而输出功率仅与I成正比，因此效率反而下降。,继续增加负载，效率继续增加达到最大值。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,92,直流发电机,要求最大效率，只需将功率表达式对I求导，即可,在设计电机时，需要将各种损耗作适当的分配，使最大效率出现在(0.75-1)PN范围内，这样电机在实际使用时，能够处在较高的效率下运行，比较经济。,效率曲线如图所示。,可求出当不变损耗等于可变损耗时，效率达到最大值。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,93,直流发电机,四、并励发电机,并励发电机是一种自励电机，它的励磁电流不需要由外电源供给，而是取自发电机本身，所以称“自励”。,并励发电机的励磁绕组是与电枢并联的，要产生励磁电流If，电枢两端必须要有电压；, Ua ,分析并励发电机的运行特性前，先讨论一下它的电压建立过程，也称为“自励过程”。,在电压建立起来之前，If=0，没有励磁电流，电枢两端又不可能建立起电压，那么电压如何建立？,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,94,直流发电机,设发电机已由原动机拖动至额定转速，由于电机磁路中有一定的剩磁，在发电机的电刷间将会有一个不大的剩磁电压。,（一）自励过程,在这一较高电压的作用下，励磁电流又进一步升高，如此反复作用，发电机的端电压便“自励”起来。,若励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向，使电机内的磁场得到加强，从而使电机的端电压升高。,这时把并励绕组并接到电枢上去，便有电流流过励磁绕组，产生一个励磁磁动势。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,95,直流发电机,并励发电机的励磁电流以If很小，仅为额定电流IN的(1-5)%，因此发电机空载时的电压U0可近似看作等于Ea，所以空载特性与他励发电机的相同。,式中 Rf 励磁回路总电阻,发电机的电压能否稳定在某一数值，可通过空载特性和磁场电阻线作进一步的分析。,当Rf一定时，If与U0成线性关系，该直线的斜率为 Rf，故称为磁场电阻线，简称场阻线。,从励磁回路来看，If与U0的关系又必须满足欧姆定律，即,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,96,直流发电机,从物理过程来看，在自励过程中励磁电流是变化的，这时励磁回路的电势方程式：,式中 Lf为励磁绕组的电感。,可见，If与U0的关系既要满足空载特性，又要满足场阻线，最后稳定点必然是场阻线与空载特性的交点A，A点所对应的电压即是空载时建立的稳定电压。,建立电压的过程,1. 自励过程,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,97,直流发电机,如果逐步增大电阻Rf（即增大磁场调节电阻Rpf），场阻线斜率增大，空载电压稳定点就沿空载特性向原点移动，空载电压减小。,综上所述：并励发电机的空载稳定电压U0的大小决定于空载特性与场阻线的交点。,RfRk,调节励磁回路中的电阻，也就是改变场阻线的斜率，即可调节空载电压的稳定点。,当场阻线与空载特性的直线部分相切时，两线无固定的交点或交点很低，空载电压为不稳定，这时对应的励磁回路的总电阻Rk称为临界电阻。,RfRk时，交点电压接近剩磁电压，无法建立电压。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,98,直流发电机,并励发电机的自励过程可以看出，要使发电机能够自励，必须满足下述三个条件，称为自励条件