电机与拖动-直流电机

1、LOGO 第第3章章 直流电机直流电机 直流电机是电机的主要类型之一。直流电机直流电机是电机的主要类型之一。直流电机 自身有着显著的自身有着显著的优点优点，但与交流电机相比自身又，但与交流电机相比自身又 有着有着缺点缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有。近年来，与电力电子装置结合而具有 直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被 取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理 论意义和实用价值论意义和实用价值! 本章的主要内容本章的主要内容 3.1 直流电机的基本工作原理及结构直流电机的基本工作原理及结构 3.2

2、 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 3.4 直流电机的电枢电动势及电磁转矩直流电机的电枢电动势及电磁转矩 3.5 直流发电机直流发电机 3.6 直流电动机直流电动机 3.1 直流电机的基本工作原理及结构直流电机的基本工作原理及结构 v 直流电机是一种通过直流电机是一种通过磁场耦合作用磁场耦合作用实现实现机械能机械能与与直流电能直流电能 相互转换的旋转式机械装置。相互转换的旋转式机械装置。 v 直流电动机：直流电动机：把直流电能转变为机械能把直流电能转变为机械能 v 直流发电机：直流发电机：把机械能转变为直流电能把机械能转变为直流电能 v 电机的

3、可逆工作原理：电机的可逆工作原理：理论上说，一台电机既可以用作发理论上说，一台电机既可以用作发 电机，也可以用作电动机。电机，也可以用作电动机。 一、直流电机的主要结构一、直流电机的主要结构 v 剖面结构图剖面结构图 v定子部分：定子部分：包括主磁极、换向极、电刷装置和机座等部件。包括主磁极、换向极、电刷装置和机座等部件。 v转子部分：转子部分：包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等。 v 定、定、转子照片转子照片 v视频：直流电机结构视频：直流电机结构（14分35秒） 二、直流发电机的工作原理二、直流发电机的工作原理 v 电机的绕组在直流磁场中旋转后感应产生交流电：

4、e=Blv（感应电势 方向：右手定则右手定则），再经过机械整流得到直流电。 v 直流发电机原理动画直流发电机原理动画 v 结论：结论： （1）线圈电势为交变电势交变电势； （2）处于N极下的导体的电势方向不变， 极性为“+”；处于S极下的导体的电势方 向亦不变，极性为“”； （3）由于电刷A只与处于N极下的导体 相接触，电刷B只与处于S极下的导体 相接触，故电刷AB间的电势是直流电势直流电势。 三、直流电动机的工作原理三、直流电动机的工作原理 v 直流电动机的工作原理，是建立在直流电动机的工作原理，是建立在电磁力定律电磁力定律的基础上的。的基础上的。 v 在直流电动机中，外加电压并非直接加于线

5、圈，而是通过在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过 电刷电刷A、B和换向器再加到线圈上的。和换向器再加到线圈上的。 所以，导体中的电流将随其所处所以，导体中的电流将随其所处 磁极极性的改变而同时改变其方磁极极性的改变而同时改变其方 向，从而使电磁转矩的方向始终向，从而使电磁转矩的方向始终 保持不变。保持不变。 v 直流电动机工作原理动画直流电动机工作原理动画 四、直流电机的额定值四、直流电机的额定值 v （1）额定容量）额定容量PN（功率）（功率） v （2）额定电压）额定电压UN v （3）额定电流）额定电流IN v （4）额定转速）额定转速nN v （5）励磁方式和额定励磁电流

6、）励磁方式和额定励磁电流IfN v （6）额定效率）额定效率N v （7）额定转矩）额定转矩TN v 对于直流电动机：对于直流电动机： v 直流电机的不同运行状态：直流电机的不同运行状态： 额定运行状态、欠载、满载额定运行状态、欠载、满载 五、直流电机的励磁方式五、直流电机的励磁方式 v 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。 v 按照励磁方式，直流电机分为他励他励和自励自励两大类。 自励直流电机又可分为并励并励、串励串励和复励复励等三种。 分别如下图中的（a）、（b）、（c）、（d）所示。 六、直流电机的用途六、直流电机的用途 v视频：直流电机的用途视频：直流电机的用途（3分21秒） 3.2 直流

7、电机的电枢绕组和电枢反应直流电机的电枢绕组和电枢反应 v电动机电动机 绕组中通过绕组中通过I 磁场作用磁场作用 产生电磁产生电磁T 带动带动 线圈连续转线圈连续转 动动 切割磁场切割磁场 产生产生E 从电网从电网 吸收电功率吸收电功率 v发电机发电机 绕组连续旋转绕组连续旋转 切割磁场切割磁场 产生产生感应产生产生感应E 通过电刷、通过电刷、 换相器换相器 向外引出向外引出 带上负载带上负载 线圈中流过线圈中流过I 与磁场作用与磁场作用 产生制动电磁转矩产生制动电磁转矩 从原动机从原动机 吸收机械功率吸收机械功率 电枢为枢纽电枢为枢纽 称为电枢称为电枢 完成机完成机电能量转换电能量转换 3.2

8、 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 v电枢绕组是直流电机的电路部分，是实现机电能 量转换的枢纽。 v直流电枢直流电枢绕组的绕组的要求要求 v 应能产生足够的感应电动势应能产生足够的感应电动势 v 允许通过一定多的电枢电流允许通过一定多的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和从而产生所需的电磁转矩和 电磁功率电磁功率，无，无I无无T。 v 还要节省有色金属和绝缘材料还要节省有色金属和绝缘材料 v 结构简单，运行可靠。结构简单，运行可靠。 1-上元件边2-后端接线3-下元件边4-前端接线 一、电枢绕组的一些基本知识一、电枢绕组的一些基本知识 极数极数2p，极对数，极对数p，极距，实槽，虚槽，绕组元

9、件，元件边，极距，实槽，虚槽，绕组元件，元件边， 上层边，下层边，上层边，下层边，各种节距各种节距等 常见的绕组型式：常见的绕组型式：单（双）叠绕组、单（双）波绕组 二、绕组展开图二、绕组展开图 v 单叠绕组的展开图举例：单叠绕组的展开图举例： v 一台一台4极极16槽直流电机，已知换向片数槽直流电机，已知换向片数K=16；电枢绕组的线圈数；电枢绕组的线圈数S=16； 试画出整距右行单叠绕组展开图。试画出整距右行单叠绕组展开图。 12345678910 11 12 13 14 15 16 1 5678910 11 12 13 14 15 16 1234 上层元件边 下层元件边 单叠绕组元件连接

10、顺序表：单叠绕组元件连接顺序表： 二、绕组展开图二、绕组展开图 12345 6 78910111213141615 12156781112134591014163 v对应的绕组元件连接图元件连接图： v 此电枢绕组的并联支路数并联支路数： 2a=2p=4。 电刷把闭合的电枢回路分割成 2a条支路：对于单叠绕组，a=p， 对于单波绕组，a=1。 3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 v 磁场磁场是电机感应电动势和产生电磁转矩从而实现能量转换 所不可缺少的因素之一。 一、直流电机的空载磁场一、直流电机的空载磁场 直流电机空载时，气隙磁场仅由主极的励磁磁动势建立。 主磁通路径（主磁路）主磁通

11、路径（主磁路）为：N极出发气隙电枢齿分两路经过电枢 磁轭电枢齿气隙相邻的S极 定子磁轭两路磁通再回到 原来出发的N极， 形成闭合回路闭合回路。 直流电机的主磁路分为五段：直流电机的主磁路分为五段： （1）定转子之间的气隙； （2）电枢齿； （3）电枢磁轭； （4）主磁极； （5）定子磁轭。 v 1、空载磁场的分布、空载磁场的分布 （在极靴下，气隙较小且大小均匀，为匀强磁场；在极靴范围外，气隙（在极靴下，气隙较小且大小均匀，为匀强磁场；在极靴范围外，气隙 陡增，磁通密度迅速减小。）陡增，磁通密度迅速减小。） 气隙磁场分布图气隙磁场分布图 2、直流电机的空载特性曲线、直流电机的空载特性曲线 （直流

12、电机的磁化曲线）（直流电机的磁化曲线） v (1) 在磁通较小时，铁磁部分未饱和，整个磁路的磁动势几乎全部消 耗在气隙上，空载磁化特性曲线近似为一直线(气隙线)； v (2) 当磁通较大时，铁磁部分开始饱和，该部分磁路的磁压降逐渐增 加，空载磁化特性曲线呈饱和特点； v (3) 为了经济地利用材料，直流电机 额定运行的磁通额定值的大小选取在空 载磁化特性曲线开始拐弯处A点(膝点) ， 这样既可获得较大的励磁磁通，又不需 太大的励磁电流。 二、直流电机负载时的磁场二、直流电机负载时的磁场 v 当电机带上负载时，电枢绕组中就有电流流过，电枢电流将产生电枢 磁动势；负载时的气隙磁场由主极磁动势和电枢

13、磁动势合成建立。 v 电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变畸变，并产生电磁转矩，实现机 电能量转换。 v 电枢磁动势的特点：电枢磁动势的特点： 根据电枢电流的方向，由右手定则判断电枢磁动势的方向，电枢磁动势 的轴线总是与电刷轴线重合。 v 直轴与主极轴线重合的轴线 v 交轴与主极轴线垂直的轴线 v 当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势是交轴电枢磁动势。 v （ 电刷放在几何中性线上时）电刷放在几何中性线上时）空载时电枢磁动势和磁场分布图空载时电枢磁动势和磁场分布图 三、直流电机的电枢反应三、直流电机的电枢反应 v 电机负载时电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应电枢反应。 1.电刷在几何中性线

14、时的电枢反应 性质：交轴电枢反应 作用：是气隙磁场畸变：气隙磁场削弱 气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置 （即物理中性即物理中性 线线）偏离几何中性线。 2.电枢不在几何中性线时的电枢反应 双反应理论：分直轴和交轴分别分析 交轴：同上 直轴：方向同助磁 方向反去磁 aqada FFF 主极磁场和电枢磁场沿电枢表面的分布曲线逐 点相加，即可得到不计磁饱和时气隙内的合成 磁场分布曲线。 负载时电枢磁动势和磁场分布图负载时电枢磁动势和磁场分布图 小结 v直流电机气隙磁场由主磁势、电枢磁势共同建立直流电机气隙磁场由主磁势、电枢磁势共同建立 v电枢反应使气隙磁场发生畸变电枢反应使气隙磁场发生畸

15、变 v电枢反应直接影响气隙磁场，即影响感应电势、电枢反应直接影响气隙磁场，即影响感应电势、 电磁转矩的大小电磁转矩的大小 3.4 直流电机的电枢电动势及电磁转矩直流电机的电枢电动势及电磁转矩 v 一、直流电机的电枢电动势一、直流电机的电枢电动势 1、产生：产生：指电枢旋转时，主磁场0在电枢绕组中感应的电动势。 电枢电动势是电机正负电刷之间的电势，也就是支路电动势。支路电动势。 （即一个支路中所有串联导体感应电动势之和）（即一个支路中所有串联导体感应电动势之和） 2、大小、大小 （1）单根导体感应电动势的平均值： （2）电枢绕组的感应电动势 设绕组导体数为N，支路数为2a，则电枢绕组的感应电动势

16、为： n p lvBe av 60 2 n a pN n p a N En p e 6060 2 260 2 nCn a pN n p a N En p e e 6060 2 260 2 一、直流电机的电枢电动势一、直流电机的电枢电动势 v即： v 式中， 为电动势常数，与电机结构有关。 3、性质、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)。 nCE e a pN C 60 e n 60a pN E 二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩 1、产生：、产生：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。 v 直

17、流电机的电磁转矩等于电枢绕组中每个导体所受电磁转矩之和。直流电机的电磁转矩等于电枢绕组中每个导体所受电磁转矩之和。 2、大小、大小 （1）单个导体所受的电磁力： （式中，式中，ia=Ia/2a为导体电流；为导体电流；Ia 为电枢总电流。）为电枢总电流。） （2）单个导体所受电磁转矩 v （3）电枢绕组的总电磁转矩 v a liBf xx 22 a a a xx D liB D fT x p N x a p N x B D pliTpT 2 1 xa 2 1 x 2 22 二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩 以上各式代入，得： 式中， 为转矩常数，与电机本身的结构有关。 3、性质、性质

18、 v 发电机制动性质转矩(与转速方向相反)； v 电动机驱动性质转矩(与转速方向相同)。 a pN C 2 T aTa 2 ICI a pN T p N BB p N x 2 av 2 1 x l B av a I i 2 a a p D 2 a lD ND a I plT a aa 22 2 3.5 直流发电机直流发电机 一、直流发电机的基本方程一、直流发电机的基本方程 （以他励直流发电机为例，以他励直流发电机为例，如图如图） 1、电动势平衡方程、电动势平衡方程 电枢电动势：Ea=Cen 电动势平衡方程为： Ea=U+IaRa+2UbU+IaRa (从方程式可见，直流发电机：EaU) 2、电

19、磁转矩和转矩平衡方程、电磁转矩和转矩平衡方程 电磁转矩：Tem=CTIa 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T1， 电磁转矩Tem和机械摩擦及铁损引起的空载转矩T0 转矩平衡方程为：T1=Tem+T0 3 3、功率平衡方程、功率平衡方程 v 原动机输入给发电机的机械功率为P1， v 空载损耗P0包括：机械摩擦损耗Pmec 、铁损耗PFe、附加损耗Pad。 v 电磁功率：电磁功率：Pem=P1P0= Tem= Ea Ia ，是电机内部进行机电能量，是电机内部进行机电能量 转换的这部分功率。转换的这部分功率。 （电磁功率一方面代表Ea电源输出电流Ia时发出的电功率，另一方面又代

20、 表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率，两者等效。） v 电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗Pcua。 v 输出的电功率：P2=PemPcua （自励发电机中还要减去励磁损耗 Pcuf ） 功率平衡方程为：功率平衡方程为：P2=P1(Pmec +PFe+Pad)Pcu=P1P 直流发电机的功率流程图直流发电机的功率流程图 二、他励发电机的运行特性二、他励发电机的运行特性 v 他励直流发电机的接线图他励直流发电机的接线图 1、空载特性、空载特性 定义：定义：当n=C1 , I=0时，U=f(If) 空载时，U= Ea，由于Ea=Cen，Ea正比于， 空载特性曲线空载特性曲线

21、的形状与空载磁化特性曲线相同。的形状与空载磁化特性曲线相同。 2、外特性、外特性 定义：定义：当n=nN，If=IfN时，U=f(I) 由曲线可见，负载电流增加时，端电压有所下降。由曲线可见，负载电流增加时，端电压有所下降。 他励直流发电机的外特性他励直流发电机的外特性 v 电压调整率：电压调整率：发电机的端电压随负载电流增加而减小的程 度，表示为： 根据U= CenIa Ra 可知，端电压下降有两个原因端电压下降有两个原因： 电枢反应的去磁作用； 电枢回路上的电阻压降。 3、调节特性、调节特性 v 当n=C1，U=C2时，If=f（I） v 调节特性曲线如图所示。 %10%5%100 0 N

22、 N U UU U 三、并励发电机的自励条件和外特性三、并励发电机的自励条件和外特性 v 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。 1、自励条件、自励条件： （1）电机的主磁路有剩磁；）电机的主磁路有剩磁； （2）并联在电枢绕组两端的励磁）并联在电枢绕组两端的励磁 绕组极性要正确；绕组极性要正确； （3）励磁回路的总电阻小于该转速）励磁回路的总电阻小于该转速 下的临界电阻下的临界电阻 Rcr。 三、并励发电机的自励条件和外特性三、并励发电机的自励条件和外特性 2、空载特性、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

23、只在第一象限。 3、外特性、外特性 与他励发电机相似，也是一条下降曲线。 其电压调整率比他励发电机的大。 4、调节特性、调节特性 调节特性与他励发电机的相差不大。调节特性与他励发电机的相差不大。 3.6 直流电动机直流电动机 一、直流电机的可逆工作原理一、直流电机的可逆工作原理 （原理图原理图） 从原理上讲，一台电机不论是交流电机，还是直流电机，都 可以在一定的条件下，作为发电机运行，将机械能转换为 电能；而在另一种特定的条件下，又作为电动机运行，将 电能转变为机械能。 对于直流电机来说，可根据下列关系来判断电机的运行状态。对于直流电机来说，可根据下列关系来判断电机的运行状态。 v 当 ，与转速反方向时为发电机运行状