1-1直流电机工作原理结构

1、第一章第 1页第一章 教案周次第1周，章节绪言名称1-1 直流电机工作原理结构；1-2 直流电机的结构1-3 电机磁场 1-4 直流电机感应电势和转矩授课理论课（）；实验课教学4方式（ ）；实习（）时数学时教学目的及要求掌握：要求1 直流电机工作的核心物理现象：电磁感应规律；2 直流电机的工作原理、直流电机感应电势和转矩的计算；3 直流电机的不同励磁绕组结构及励磁方式。教学内容提要1 电机及电力拖动技术的应用、发展以及在本专业学科领域的地位和作用2 直流电机的工作原理；3 直流电机的结构；4 直流电机的铭牌参数；5 电机的四种励磁方式；6 直流电机感应电势和转矩的计算。1. 如何分析直流电机中

2、的电磁感应规律。教学重2. 直流电机的换向器如何实现直流交流，交流直流的变点与难换。点通过数学推导正确解释直流电机的特征量（感应电动势和电磁转矩）的物理含义。讨论练习和作业教学手多媒体与其它方式结合段学时分第一次课： 1，2， 3；第二次课：4 ，5，6配参考资1电机与拖动基础刘启新中国电力出版社料2电机与拖动基础宋银宾机械出版社3电机与电力拖动顾绳谷合肥工业出版社4电机原理及拖动彭鸿才机械工业出版社电信学院控制系1第一章第 2页绪论一、电机及电机学概念1. 电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。2. 电机分类：（按运动方式分类）静止电机 -变压器电机直流电机旋转电

3、机交流电机异步电机同步电机二、本课程的任务1. 电机学及性质：专业基础课2. 基本要求：了解电机、变压器的基本结构掌握正常稳态运行时的分析方法了解空载运行和负载运行时电机内部的物理情况掌握电机的运行特性掌握电机的基本实验方法和操作技能3. 本门课学习方法：抓住主要矛盾；理论联系实际；善于运用对比的方法。三、电机在国民经济中的作用1. 电能是现代常用的一种能源2. 电机是一种进行机电能量转换的电磁机械装置3. 电机在工农业生产、航空航天等起重要作用。 磁 路1.1 磁路基本定律一、磁路的概念1. 两种常见的磁路电信学院控制系2第一章第 3页2. 主磁通和漏磁通二、磁路基本电磁定律1. 全电流定律

4、安培环路定律H dl NIHlNIl电流方向的判断：凡导体电流的方向与积分路径的方向符合右手螺旋关系，则电流为正，反之为负。2. 磁路欧姆定律：FlFlRmSRmS铁磁材料的Rm 不为常数。3. 电磁感应定律：edNddtdt变压器电动势：同上；运动电动势：eBlv判断方向：右手定则。4. 电磁力定律： f Bil判断方向：左手定则（主要用于分析旋转电机的电磁转矩）1.2 常用铁磁性材料及其特性一、 铁磁物质的磁化铁磁材料：铁、镍、钴及其合金二、 磁化曲线1. 磁化曲线： B f ( H )特性：具有高的导磁性能；磁化曲线呈非线性（饱和特性）2. 磁滞回线磁滞现象：B 的变化总是滞后H 的变化

5、；H0 时B 的值，称为剩磁Br ；三、 铁磁材料软磁材料：高，Br小，磁滞回线窄而长，如：铸钢、硅钢片、制作电机铁心；电信学院控制系3第一章第 4页硬磁材料： 不高， Br 大，磁滞回线宽，如：铁氧体、钕铁硼等制造永久磁铁；四、磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的，phfBm2涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生的损耗， pFe f 2 Bm2 d 2 / Re 铁损：磁滞损耗 +涡流损耗， p fe f 1 .3 Bm2 。第一节直流电机的基本工作原理一、基本工作原理直流电机的构成（ 1） . 定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（ 2） . 转子：电枢铁心、电枢绕

6、组、换向装置、风扇、转轴（ 3）. 气隙* 注意：同步电机旋转磁极式；直流电机旋转电枢式。1. 直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（ 1） 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（ 2） 特点： f Bila、 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、 电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。c、 电枢电动势反电势（与I 反向）； eBlvd、 电磁转矩驱动转矩（与n 同向）* 说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。2、脉动的减小电枢绕组由许多线圈串联组成第二节直流

7、电机的 基本结构一、主磁极建立主磁场（N、 S 交替排列）a、 主极铁心磁路，由1.01.5mm 厚钢板构成b、 励磁绕组电路、由电磁线绕制二、机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚三、电枢铁心磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）电信学院控制系4第一章第 5页四、电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）五、换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料）六、电刷装置a、 电刷石墨或金属石墨b、 刷握、刷杆、连线（铜丝辨）七、换向极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）三、励磁方式1. 定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2. 分类：以直流发

8、电机为例分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。* 说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。7 直流电机的型号和额定值(type and rated values)1. 型号：Z 2-9 2铁心长度代号机座号第二次改型设计直流2. 额定值额定功率 : 输出电功率PN电信学院控制系5第一章第 6页额定电压： U N ；额定电流： I N ；额定值之间的关系：电动机： PNUNIN N。第三节空载和负载时直流电机的直流

9、电机的磁动势和磁场一、空载时直流电机的气隙磁场1、 主磁通和漏磁通2、 气隙磁场波形图3、 特点：（ 1）I 单独产生，即F 单独产生；（ 2）平顶波（ 3）几何中性线B 为零二、负载时的电枢磁动势电枢电流I（一）交轴电枢磁动势1、 电刷放在几何中性线2、 电刷是电枢电流的分界线3、 磁动势分布波形为三角形4、 磁场波形马鞍形5、 电刷位于几何中心线上，F 为交轴电枢磁动势6、 磁动势的计算（ 1） 电负荷（线负荷） A电枢表面单位长度上的安培导体数A=Z*I/ *D式中： Z电枢绕组总导体数I 导体内的电流（即支路电流）D电枢直径（外径）（ 2） 距原点为 +x 及 -x 的闭合回路的磁动势

10、（两个磁极即一对磁极）（ 3） 距原点 x 处每个气隙的磁动势（即每极磁动势）（ 4） 交轴电枢磁动势的最大值（距原点/2 处，即几何中型线处）（二）直轴电枢磁动势若电刷从几何中性线移过 角，则可把电枢磁动势Fa 分解成直轴磁动势Fad 和交轴磁动势Faq三、电枢反应电信学院控制系6第一章第 7页1. 概述空载：气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（F f N f I f ）负载： Ff +电枢磁动势电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。2. 主磁场：以主磁极的轴线对称分布I fF f0：只增加磁路饱和作用几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0；物理中性

11、线： B=0 处的直线位置3. 电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直4. 电枢反应性质电刷在几何中性线时的电枢反应性质：交轴电枢反应；作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱；电刷不在几何中性线时的电枢反应双反应理论：FaFadFaq ，分直轴和交轴分别分析；交轴：同；直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。四、换向概述（一）、换向过程1. 换向定义：从 + i a 到 - i a 的过程；2. 换向周期： Tk，几毫秒；3. 换向原因：电磁、机械、电化学和电热（二）、换向元件中的电动势主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。1. 电抗电动势

12、eL：从 + i a 到 - i a e LL didt电信学院控制系7第一章第 8页方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；2. 旋转电动势 ek物理中性线偏移几何中性线B 0 由于电枢反应影响 e 0方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。（三）、改善换向的方法1. 换向的不良后果：产生火花；火花等级：2. 改善换向的方法装设换向磁极；增加换向回路的电阻；电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。第四节直流电机的感应电动势和电磁转距一、电枢绕组的感应电动势1 电枢绕组的感应电动势Ea 一条支路的感应电动势 （即N根导体）2 a2 Ea的计算：（ 1）一根导体产生的

13、平均电动势e： e= Ba lvavav式中： Ba =lD.a. n60llDa n=D aD an60602pDa=2pn60 60（ 2）一条支路的电动势，即电枢电动势EaE aN eav N 2 p n C e n2a60式中：每极磁通量；电信学院控制系8第一章第 9页n转速（rmin ）；Ea电枢电动势（V ）；Ce电动势常数。二、直流电机的电磁转距1 直流电机的电磁转距全部电枢导体产生的电磁转矩2 Tem的计算(1) 一根导体所受点电磁力fav： favBliaav(2) 全部电枢导体产生的电磁转矩，即直流电机的电磁转矩Bav=D a=2pD a lll2 pDa=NDaBavli

14、aTem=N fav22ND a2 pIapN2D a llaIa22a= CTI a即： TemCT I a式中 :每极磁通量（ Wb） ；I a电枢总电流（ A ） ；Tem 电磁转矩（ N * m）；CT 转矩常数三、 Ce 与 CT 的关系CT9.55Ce电信学院控制系9第一章第 10页周次第 2 周章节 1-5 他励直流电动机运行特性名称习题课授课理论课（）；实验课（ ）；实习（ ）教学4方式时数学时教学目的及要求掌握： 1直流电机的基本运行方程式；要求2电动机的工作特性分析；3电动机运行时的损耗分析。教学内容提要时间分配1 直流电机的换向。第一次课： 1 22 直流电机的电势平衡方

15、程式，转矩平衡方程式。第二次课： 3 43 他励直流电动机工作特性。4 他励直流电动机的有关计算。教学重点与难点换向的电磁过程。直流电机的电势平衡方程式，转矩平衡方程式的稳态和动态表达的异同。讨论练习和作业讨论：1 如何分析直流电动机的电枢回路的电动势平衡问题？2 直流电动机当速度n=0 时，电磁转矩是否为零？当电枢电流为零时，电动势是否为零？3 换向机的如何正确安装？教学手段多媒体与其它方式结合参考资料1电机与拖动基础刘启新中国电力出版社2电机与拖动基础宋银宾机械出版社3电机与电力拖动顾绳谷合肥工业出版社4电机原理及拖动彭鸿才机械工业出版社电信学院控制系10第一章第 11页第五节直流电机的基

16、本方程一、电动势平衡方程Ea U I a Ra2 U b式中： Ra ：电枢回路总电阻；2 U b ：正、负电刷电压降，一般为0.6 2 伏；发电机：取“ +”；电动机：取“ - ”；忽略电刷压降，则EaUI a Ra* 结论：发电机：EaU ；电动机： EaU ；即根据 Ea 与 U 的大小判断直流电机的运行状态。二、直流电机的功率平衡方程以并激直流电动机为例：pCua pCufpP1PemP( 电能)定子p电动机： PemP1pCuapCufpbPPp0Pp2em1电机效率：P2100%P1三、转矩平衡方程1. 发电机： Tem T1 T02. 电动机： Tem T2 T0 四、直流电机的

17、可逆性改变电机的外界条件，可以改变其运行状态。例：直流发电机由原动机拖动并入电网运行时，时 ,Ia 反向 , 电动运行 .。四、直流电动机的运行特性ad2转子0=pmec+pFe电能机械能若去掉原动机， n Ea当 EaU电信学院控制系11第一章第 12页1 转矩转速特性 （机械特性） 电磁转矩 Tem与转速 n 之间的关系曲线： n=f（ Tem）（ 1） n=f（ Tem）与励磁方式有关（ 2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性固有机械特性：UU N；Rfj0；N人工机械特性： UUN ；N； Rfj0（ 3）硬特性与软特性2 工作特性指= 常数时,，与的关系曲线U U NRfjT

18、emP20n(1) 转速特性 n f（P2）(2) 转矩特性 Tem f（P2）(3) 效率特性f（P2）(4) 并励直流电动机的运行特性（一）转矩转速特性指U=U N=常数， Rfj常数， nf（T ）em1 接线图2 表达式E aC e n U - I a RaC enT emR aUC TnURs2TemC eC Ce T=n0-RaTe/ C TCe 23 n曲线* 特点：硬特性f（T ）em4 引起 n下降的原因T2 Te Ia IaRa n n0Ra/ C TCe 2 n（二）工作特性电信学院控制系12第一章第 13页1 转速特性 n或f（P）f（I ） na2（ 1） 表达式（

19、2） 分析： P2 T 2 Te Ia n（ 3） 并励直流电动机的转速调整率n n=(n 0-nN )/nN2 转矩特性（ 1）表达式（ 2）分析3 效率特性同其它电机：可变损耗等于不变损耗时，max习题例1-1 有一台他励直流电动机，Pe40 千瓦， U e 220 伏， I e210 安，ne1000 转分， Re 0.078 欧， p fj1% Pe ，试求额定状态下的：(1) 输入功率 P1 和总损耗p；(2)铜耗 pcu 、电磁功率 Pdc 和铁耗与机械损耗之和 pFep j ；(3)额定电磁转矩 M dc ，输出转矩 M 2 和空载损耗转矩M 0 。解：通过本例帮助读者熟练地掌握

20、他励直流电动机的能量平衡关系和转矩平衡关系。因此我们可结合功率流程图得出下列关系式：P1pcuPdc ;PdcP2p jp Fepfj ;P1U e I ePEIsTdc;pIs2 R;TdcT2T0dcscusTdcPdcC T I s ;T2P2 ;T0p0TdcT2应用题中所给出的数据，可计算出：输入功率：PeU e I e22021046200瓦462千瓦电信学院控制系13第一章第 14页总损耗：pP1Pe462 40 62千瓦铜耗：pcu I s2 Rs21020.0783440瓦3.44千瓦电磁功率：PdcP1pcu46.23.4442.76千瓦或PdcEs I s(U eI e Rs )I e42.76千瓦pFep fjPdcPep fj42.76400.42.36千瓦电磁转矩：。TdcPdc42.76103408牛 米2ne60或U eI e Rs牛 米TdcCTI e9.55CEn