直流电机的基本理论

第三章直流电机的基本理论,3-1直流电机的励磁方式3-2直流电机的空载磁场3-3直流电机负载时的磁场3-4电枢电动势（感应电势）3-5电磁转矩和电磁功率3-6直流电机的损耗和基本方程,3-1直流电机的励磁方式（以发电机为例）,供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。,1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。,他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：,2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足,3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足,4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。,长分接法,短分接法,3-2直流电机的空载磁场,1、空载：,直流电机的空载磁场是由流过励磁绕组的电流If产生的，它是直流电机中的主要磁场。,=,等）,何负载，克服摩擦阻力,（电动机：轴上不带任,（发电机）,0,0,a,a,I,I,电机磁路中的磁通分布,极轴线：磁极平分线几何中性线：相临两磁极极轴线的平分线。物理中性线：气隙磁密由正到负过零的分界线。,主磁通：走主磁路的磁通漏磁通：走漏磁路的磁通,2.气隙磁通密度分布波形,当励磁电流不变时,：平均磁通密度,：极距,：铁心长度,每极磁通与平均磁密的关系：,线圈电势与刷间电势,空载时的气隙磁通密度为一平顶波,一、直流电机的电枢反应,直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁场和电枢磁场两个磁场共同决定。电枢磁场的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。,3-3直流电机负载时的磁场,1、电枢磁动势与电枢磁场,右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。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。,电枢NS分界线磁势为零,2、交轴磁动势在空间的分布,引入电枢线负荷的概念：导体总数N；导体电流ia；电枢直径为D，则线负荷,在原点O左右x处取磁力线闭合回路，应用全电流定律有,整个回路的磁压降近似为两个气隙上磁势：,电枢磁动势为零,4、电枢磁动势、磁通密度空间分布,沿电枢径向展开,二、直流电机负载时的磁场,主极磁场,电枢磁场,合成磁场,1、当电刷在几何中性线上时,将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，得到的负载电机磁场分布情况如图。,合成磁势曲线,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,不饱和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,物理中性线偏离几何中性线,饱和时磁阻不为常数不能简单叠加,这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。如图(a)、(b)所示。,2.当电刷不在几何中性线上时,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。,交轴磁势和直轴磁势,分析直流电动机电刷移位,N,N,逆向移刷,顺向移刷,电刷偏移对主磁场的作用,以直流电机为例思考电枢反应,什么时候只有交轴电枢反应？什么时候既有交轴又有直轴电枢反应？什么情况下直轴电枢反应是去（助）磁的？,3-4电枢电动势（感应电势）,电枢电动势：电枢旋转时，主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、负电刷之间的感应电势，即每个支路里的感应电势。计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。,一根导体在一个极距范围内平均感应电势：,Bav：平均磁密；l：电枢导体有效长度；v：电枢旋转线速度,n：电枢旋转速度（r/min),：每极磁通,电枢电势,每条支路导体数（每极下导体数），总导体数N,常数,电枢电势,性质：发电机电源电势(与电枢电流同方向)；电动机反电势(与电枢电流反方向)。,3-5电磁转矩和电磁功率,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,一根导体的平均电磁力：,作用在电枢上的总电磁力：,一、电磁转矩,大小：,电势常数Ce和转矩常数CT取决于电机结构，它们的关系为：,电磁转矩性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。,二、电磁功率,直流电机中机械能转换为电能或电能转换为机械能的那部分功率，是由于电和磁的相互作用产生的。,直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；,从发电机的角度看：电磁功率是转换成电功率的那部分输入机械功率。,从电动机的角度看：电磁功率是转换成机械功率的那部分输入电功率。,3-6直流电机的损耗和基本方程,杂散损耗:齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等,一、直流电机中的损耗,机械损耗:轴vs轴承摩擦/电刷vs换向器摩擦/通风损耗等。这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。,铁心损耗:电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的1.21.5次方成正比。,励磁损耗:,统称为空载损耗(不变损耗)。,负载损耗:电枢回路电阻损耗;电刷接触压降损耗（负载损耗又称可变损耗）,二、直流发电机的基本方程,规定各物理量的参考方向如图,1、电压平衡方程式,为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：,电枢电动势：,从方程式可见，直流发电机,2、电磁转矩和转矩平衡方程,电磁转矩：,原动机输入的驱动转矩,机械摩擦、铁损及附加损耗引起的空载转矩,转矩平衡方程为：,直流发电机轴上有三个转矩：,原动机输入给发电机的机械功率,电磁功率是转换成电功率的那部分机械功率,输入直流发电机后扣除空载损耗，其余为电磁功率,将式两边同乘旋转角速度：,3、功率平衡方程式,将式两边同乘电枢电流：,电磁功率是转换出的总功率，他与输出功率之间还差电枢回路的电阻铜损耗。,三、直流电动机的基本方程,按电动机惯例规定各物理量的参考方向如图。,电压平衡方程式：,1、电压平衡方程,在外加电压作用下，电枢顺电压U的方向流过电流，电流在磁场中受力产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下旋转，旋转的导体切割主磁场产生一个与电流方向相反的电动势,2、电动机转矩平衡方程式,直流电机通电后，电枢电流磁场中受力产生电磁转矩在克服了空载转矩T0后，转换为输出的机械转矩T2拖动生产机械作功。当生产机械负载转矩与输出转矩T2相等时，电机达到稳定平衡有,3、功率平衡方程式,将式两边同乘角速度：,输入机械功率P1,铁心损耗PFe,机械损耗Pm,电枢铜耗PCu,电磁功率PM,电刷接触损耗Pb,励磁损耗PCuf,电功率P2,发电机情形：,四、功率平衡关系,直流发电机电磁功率,输入电功率P1,励磁损耗PCuf,电枢铜耗PCua,电刷接触损耗Pb,电磁功率PM,机械损耗Pm,铁心损耗PFe,机械功率P2,电动机情形：,直流电动机电磁功率,计算要求,分三步（三个等式）：公式、代入数据（单位换算）和结果结果保留5位有效数字(必须有单位、单位要合理。如表示电压时，15.984V)工程的计算结果用整数或小数表示（不用指数、分数或根号等其他形式）不需写答,例3-1一台他励直流电动机的额定数据为：,设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求:,（1）在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743,求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？,（2）减少电动机的励磁电流，使磁通减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？,解：,（1）电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间，电机转速不发生变化，但电流