电机学-第3章 直流电机

第三章 直流电机,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,3.5 直流电机的基本方程,3.6 直流电机的运行特性,北京理工大学,3.2 直流电枢绕组,直流电机用途：直流发电机把机械能转化为电能；直流电动机把电能转化为机械能。,直流电机的优点：电动机： 调速范围宽，且易于平滑调速； 过载、起动、制动转矩大； 易于控制，可靠性高； 调速时能量损耗小。发电机：供电质量较好，常常作为励磁电源。直流电机的缺点： 结构较复杂，成本较高，可靠性稍差。, 重点与难点,重点：1.直流电机的工作原理2.空载时的磁场3.单叠绕组分布规律4.电枢反应5.电枢电动势与电磁转矩6.直流电动机运行特性,难点: 1.电枢绕组的分布规律 2.电枢反应,3.1 直流电机的工作原理及结构,A,一、直流电机的初始模型,B,（1） 交流电动势的产生,电磁感应定律：,满足右手定则,为随时间正负交变的电动势,结论：,3.1 直流电机的工作原理及结构,(2) 直流发电机的工作原理,结论：导体和线圈中的电动势是交流电动势，由于静止电刷和旋转换向器的“换向”作用，使电刷A恒与N极下导体相连接，电刷B恒与S极下导体相连接，电刷输出的电动势为脉动的直流电动势（整流）。导体上所受电磁力为制动力。,E,A,B,3.1 直流电机的工作原理及结构,(2)直流发电机的工作原理,输出直流电,原动机,感应电动势、电流,电磁转矩（制动转矩）,做功,电磁 关系,3.1 直流电机的工作原理及结构,(3) 直流电动机的工作原理,结论：直流电机电刷和换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流（逆变作用，电流与发电机电流相反）。无论线圈边处在N极下，还是S极下，线圈电流均产生顺时针方向的电磁力矩，从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩，从而拖动负载转动。导体中产生的电动势与电源电压相平衡。,U,A,B,3.1 直流电机的工作原理及结构,(3) 直流电动机的工作原理,U,A,B,直流电流,交流电流,电磁转矩(拖动转矩),机械负载,反电动势,电磁关系,3.1 直流电机的工作原理及结构,（4）脉动的减小,电枢绕组由装置在电枢表面相隔一定角度的多个线圈串联而构成的。电刷上的电动势为几个线圈电动势瞬时值之和。,实现方法：,3.1 直流电机的工作原理及结构,2 直流电机的主要结构,3.1 直流电机的工作原理及结构,（产生励 磁磁场）,（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）,3.1 直流电机的工作原理及结构,主磁极,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,机座,构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。,作用：建立主磁场。,作用：1、主磁路的一部分；,2、电机的结构框架。,3.1 直流电机的工作原理及结构,电枢铁心,作用：1、主磁路的一部分；,2、电枢绕组的支撑部件。,构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的DR530,电枢绕组,作用：直流电机的电路部分。,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下,层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用,槽楔压紧。,或DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。,3.1 直流电机的工作原理及结构,换向器,作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。,构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间,用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧。,电刷装置,作用：电枢电路的引出（或引入）装置。,构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。,换向极,构成：由铁心和绕组组成。,作用：改善换向。,3.1 直流电机的工作原理及结构,3、 励磁方式,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机按励磁方式可分：,他励：其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。,自励：发电机利用自身发出的电流励磁；电动机 励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。,3.1 直流电机的工作原理及结构,2. 直流发电机按励磁方式分类,他励,串励,复励,并励,3.1 直流电机的工作原理及结构,4、直流电机的额定值,（1）额定功率 ：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，,（2）额定电压 ：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。,（3）额定电流 ：指电机运行在时电机的线电流，以A表示。,（4）额定转速 ：指额定状态运行时转子的转速，以r/min表示。,（5）额定励磁电压 ：额定状态运行时，他励电机励磁绕组所加的电压，以V表示。,对电动机， 输出的机械功率； 对发电机， 输出的电功率。,直流电机的额定值有：,电机的输出功率，以kW表示。,3.1 直流电机的工作原理及结构,第三章 直流电机,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,3.5 直流电机的基本方程,3.6 直流电机的运行特性,北京理工大学,3.2 直流电枢绕组,元件：组成绕组的基本单元称为绕组元件。,一个元件分单匝和多匝两种。,尾端,首端,3.2 电枢绕组,1 电枢绕组与换向片（器）,结论：元件依次嵌放在电枢槽内，一条有效边放在槽的上层，另一条放在另一个槽的下层，构成双层绕组，元件的首端和尾端按规定的次序连接到各个换向片上，整个电枢绕组连成一个闭合回路。元件数等于换向片数。,3.2 直流电枢绕组,3.2 电枢绕组,2 电枢绕组与电刷连接,位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。,电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。,两个电刷位于换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。,3.2 电枢绕组,3 电枢绕组感应电动势和电流方向,根据主极磁场方向和电枢转向，可知：上半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向外；下半电枢表面元件边感应电动势和电流方向指向内。思考：N、P电刷放在换向器什么位置，可在两个电刷间获得最大的感应电动势？,3.2 电枢绕组,结论：只有把N、P电刷放在主磁极轴线对应的换向器表面（如图中时刻电刷和1、4换向器接触），这样通过电刷，1、2、3、4号换向片把1（红）、2（湖兰）、3（紫）号3个元件串联组成的一条并联支路感应电动势最大。对称的关系，4、5、6、1号换向片把剩余4、5、6号3个元件串联组成的另外一条并联支路电动势完全一样。,3 电枢绕组感应电动势方向和电流的方向,3.2 电枢绕组,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进，没连接一个元件，元件的对应边将前进约2个极距。,3.2 电枢绕组,叠绕组,波绕组,4 电枢绕组中的一些概念、术语,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离，等于或接近于一个极距（整距绕组、短距绕组）。,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，在数值上等于合成节距。,尾端,首端,3.2 电枢绕组,N,S,N,S,1 2 3 5 6 8 9 11 12,单叠绕组的展开图,n,3.2 电枢绕组,连接规律：所有的相邻元件依次串联（后一元件首端接前一元件尾端），每串联一个元件就像右移动一个（虚）槽，同时元件的出线端在换向器上向右移动一个换向片，最后形成一个闭合回路。,N,S,N,S,1 2 3 5 6 8 9 11 12,单叠绕组的展开图, 同一主极下的元件串联成一个支路，并联支路对数：a = p。 电刷的中心线对着磁极的中心线，电刷数等于磁极数。电枢电流等于各支路电流之和。,n,3.2 电枢绕组,几何中心线,单叠绕组的展开图,1 2 3 5 6 8 9 11 12,A1 B1 A2 B2,n, 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 件其元件边处于两个主极中间的几何中性线位置，电动势为零，不产生环流。 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。,磁极中心线,3.2 电枢绕组,5 直流电机电枢简化模型,右图的模型图中不再画出换向器和绕组端接线，直接将电刷移到几何中性线位置处的元件边相接触。 另外，在模型中，每个极下电枢导体的电流方向相同。 还有，电流通过电刷引入引出，电刷中心线也是电枢表面电流分布的分界线。,3.2 电枢绕组,几何中性线,第三章 直流电机,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,3.5 直流电机的基本方程,3.6 直流电机的运行特性,北京理工大学,3.2 直流电枢绕组,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,1 空载时直流电机的磁场（电枢电流等于0或很小）,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,空载时气隙磁场（也称主磁场） 极靴范围内：气隙小且均匀，主磁场强 极靴范围外：气隙较大，主磁场减弱，到两极之间的几何中性线处为零 不考虑电枢齿槽影响，在极弧范围内的气隙处处相等，那么整个主磁极下主极磁密的分布为一平顶波。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,（1）电枢反应,2 负载时电枢磁动势和电枢反应,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。气隙磁场由主极磁动势和电枢磁动势共同建立。电枢磁动势对主磁场的影响称为电枢反应。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,（2）交轴、直轴,主极的轴线称为直轴（d轴）。两主极之间的轴线与直轴相差90度电角度，称为交轴（q轴）。电刷位于几何中性线上时即处于交轴上。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,（3）交轴电枢磁动势,下图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。,假设励磁电流为零，只有电枢电流。电枢磁动势为交轴磁动势，由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,(4)交轴电枢反应,交轴电枢磁动势产生的磁场对主磁场的影响叫交轴电枢反应。发电机为例旋转方向逆时针电流方向判断,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,(4)交轴电枢反应,Bx 磁路合成气隙磁密波形,增磁,去磁,去磁,增磁,B0x 主磁极产生的气隙磁密波形,Bax 电枢电流产生的气隙磁密波形,每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线角 (发电机顺旋转方向，电动机逆旋转方向)。不计磁饱和，无增磁去磁作用。,计磁饱和，每极磁通减少，交轴电枢反应具有去磁作用。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,（5）直轴电枢反应（电刷偏离几何中性线）,电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 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。,发电机，顺旋转方向移动，直轴电枢反应去磁（发顺去）。发电机，逆旋转方向移动，直轴电枢反应增磁（发逆增）。电动机反之（电顺增，电逆去）。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,第三章 直流电机,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,3.5 直流电机的基本方程,3.6 直流电机的运行特性,北京理工大学,3.2 直流电枢绕组,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,气隙磁场的分布如图所示，则每根导体的感应电动势为,1、电枢绕组的感应电动势,式中，,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电动势的代数和，则,将 代入上式得出,引入平均气隙磁密,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,电动势公式 ：,式中，, 每极的总磁通量；, 电动机常数；, 电动势公式()。,与每极磁通和转速成正比。,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,2.直流电机的电磁转矩 电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为 式中， 为该点处的气隙磁密，ia为导体中电流。 一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为 式中， 气隙平均磁密。,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,整个电枢上的电磁转矩 则 为,可得直流电机的转矩公式为,再考虑到,由于,则,电磁转矩与气隙磁通和电枢电流成正比 。,（）,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,电磁转矩 T = CT IaCT 转矩常数：电磁转矩方向 由 和 Ia 共同决定。电磁转矩性质 发电机： 电动机：,T 与 n 方向相反，为制动转矩。T 与 n 方向相同，为拖动转矩。,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,第三章 直流电机,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,3.5 直流电机的基本方程,3.6 直流电机的运行特性,北京理工大学,3.2 直流电枢绕组,一、电压方程 ；基本方程 二、转矩方程 。,3.4 直流电机的基本方程,3.4直流电机的基本方程,1.电压方程（1）直流发电机电压方程,3.4直流电机的基本方程,（2）直流电动机电压方程,以上两个方程对各种励磁方式都成立。,并励直流电机,其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁电压为电枢端电压，即,发电机：,电动机：,（3） 与励磁方式有关的约束,（3） 与励磁方式有关的约束,他励直流电机,激磁电压与电枢端电压无关。电枢电流与线路电流关系为,他励直流电机,激磁电压与电枢端电压无关。电枢电流与线路电流关系为,3.4直流电机的基本方程,磁绕组与电枢绕组相串联，有 。,串励直流电机,其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励,另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。,3.4直流电机的基本方程,二、转矩方程, 为电磁转矩。,1、发电机情况下, 原动机驱动转矩；, 空载转矩；,电磁转矩为制动转矩，有,3.4直流电机的基本方程, 电动机轴上的负载转矩。,式中，,2、电动机情况下,电磁转矩为驱动转矩，有,3.4直流电机的基本方程,将电动势公式 代入上式，并考虑转子机械角速度,电磁功率用 表示，则,三、电磁功率,发电机： 机械能 转化为电能 ； 电动机： 电能 转化为机械能 。,得：,3.4直流电机的基本方程,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。,举例：把一台并励直流发电机并联于直流电网上运行， 保持不变。,保持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当 下降到一定程度时，使得 ，此时 ，发电机输出的电功率 ，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的空载损耗。继续降低原动机的 ，将有 ， 反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。,四、直流电机的可逆性,电机由原动机驱动， ，电枢输出电流，电机为发电机状态。,电机的可逆性适用于各种电机。,电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电动机运行。,3.4直流电机的基本方程,第三章 直流电机,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,3.5 直流电机的基本方程,3.6 直流电机的运行特性,北京理工大学,3.2 直流电枢绕组,3.6 直流发电机,一、空载特性,定义：当 、 时，,直流发电机的空载特性是非线性的的，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。,空载时， 。由于 ，因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,3.6.1他励直流发电机,空载特性,3.6 直流发电机,二、负载运行,机械方面：转矩、转速,电磁方面：励磁电压、电流发电机输出功率、电压、电流,3.6.1他励直流发电机,三、 他励发电机的运行特性,3.6 直流发电机,发电机端电压、负载电流、励磁电流三个主要变量之间的关系。 包括外特性、调整特性、负载特性（不研究负载特性）。,3.6.1他励直流发电机,三、 他励发电机的运行特性,3.6 直流发电机,（1）外特性,由曲线可见，负载电流增大时，端电压为一从空载电压逐步下降的斜线。,根据 可知，端电压下降有两个原因：一是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降；另一个原因是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少。 额定电压调整率5-10%。,3.6.1他励直流发电机,他励发电机可否在额定励磁下发生短路？,3.6 直流发电机,3.6.1他励直流发电机,定义：当 、 时，,三、他励发电机的运行特性,3.6 直流发电机,（2）、调节特性,调整特性曲线如图所示，为一条上升曲线。,由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。,3.6.1他励直流发电机,并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。,并励发电机接线图,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,一、自励条件,曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称励磁电阻线,原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，达到稳定的平衡工作点A（空载运行点）。,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,一、自励条件,增大 ，励磁电阻线变为曲线3时，与空载特性相切， 称为临界电阻 。如图所示。,若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励，即励磁回路的电阻必须小于临界电阻，才能建压 。,曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称励磁电阻线,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,大连理工大学电气工程系,Ua,一. 自励条件(1) 主磁极必须有剩磁r ：,r,Er,Ifr,EEr,与r 方向相同,EEr,与r 方向相反,(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EEr, IfIfr, ,E , E 与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。,7.7 直流发电机的运行分析,E,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,当 Rf Rk 时， E Er ， 能够自励。当 Rf = Rk 时， E不确定，不能自励。当 Rf Rk 时， EEr，不能自励。(3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,7.7 直流发电机的运行分析,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,一、自励条件,可见，并励直流发电机的自励条件有：,二、空载特性,并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,三、外特性,对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。,并励,3.6 直流发电机,3.6.2并励直流发电机,（1）负载增加时， U 下降较快。 u 20%,(2) 稳态短路电流不大。,3.6 直流发电机,3.6.2 并励发电机的自励条件和外特性,四、调节特性,并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。,3.7 直流电动机的运行特性,1、负载运行,合上励磁开关-励磁电流-建主磁场接通电枢电压-电枢电流-电磁转矩-电机空载转动带上负载-转速下降-反电势下降-电枢电流增大-电磁转矩增大，克服负载。,一、并励电动机,指 时， 。,3.7 直流电动机的运行特性,直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作特性，另一条是机械特性。,工作特性,2、运行特性,据转速公式 得出转速特性曲线,（1）、转速特性,转速调整率 ：,注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。,（2）、转矩特性,转矩方程,得出转矩特性曲线（转速常值&略下降）。,（3）、效率特性,并励电动机的效率特性和其他电机相类似。,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。,2、机械特性,指 ，励磁回路电阻 常值时， 。,转速与转矩的关系表达式为,得特性曲线,结论：硬特性,220628,= A = 0.35A,【例】 某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) Te 。 解： (1) 励磁电流 If,(2) 电枢电流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 V,2153 000,= = 0.071 7,CT = 9.55 CE = 0.685T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm,(4) 电磁转矩,CE =,EnN,【例】 一并励电动机，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求该电机的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。,【例】 一并励电动机，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求该电机的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。 解：,是指 时， 或,二 、串励电动机的运行特性,1、工作特性,特点：,（1）转速公式,式中 为串励绕组的电阻。,上式表明 曲线大致为一双曲线。,轻载时