直流电机_课件_2013

1、1电气工程学院：李电气工程学院：李 辉辉23.1直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构3.2直流电枢绕组直流电枢绕组3.3空载和负载时直流电机的磁场（空载和负载时直流电机的磁场（难点难点重点重点）3.4直流电机的感应电动势和电磁转矩（直流电机的感应电动势和电磁转矩（重点重点）3.5直流电机的基本方程（直流电机的基本方程（重点重点）3.6直流发电机的运行特性（直流发电机的运行特性（重点重点）3.7直流电动机的运行特性（直流电动机的运行特性（重点重点）3.8直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动33.1 工作原理和基本结构l直流电机的工作原理直流电机的工作原理l

2、直流电机的基本结构直流电机的基本结构l直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式l直流电机的额定值直流电机的额定值4直流发电机的工作原理5要点小结l单个线圈中，电动势是单个线圈中，电动势是交变交变的；的；l通过换向器与电刷的配合，可以将交流电通过换向器与电刷的配合，可以将交流电通过机械通过机械“整流整流”的作用，转换成脉动的的作用，转换成脉动的直流电直流电。l为了为了减小脉动减小脉动影响，实际的电枢绕组由多影响，实际的电枢绕组由多个线圈串联构成。个线圈串联构成。6直流电机的基本结构7励磁方式ifueaiiauea,iaiufififeaiiauiaeai=ifu并励并励串励串励复励复励他励他励自励自

3、励ia=iia=i+ifia=i=ifia=i+if电枢：电枢：armature磁场：磁场：fieldu=uf8额定值l额定功率额定功率pn（w，kw）l额定电压额定电压un（v，kv）l额定电流额定电流in （a，ka）l额定转速额定转速nn （r/min）l额定励磁电压额定励磁电压ufn（v，kv）额定效率额定效率n额定转矩额定转矩tn9电枢绕组l作用作用l旋转电机实现机电能量转换的枢纽。旋转电机实现机电能量转换的枢纽。l构成原则构成原则l在一定的导体数下，能够产生尽可能大的感在一定的导体数下，能够产生尽可能大的感应电动势，承担足够大的电流、电磁转矩和应电动势，承担足够大的电流、电磁转矩和

4、电磁功率；电磁功率；l在承担一定的电流、电磁转矩和电磁功率情在承担一定的电流、电磁转矩和电磁功率情况下，导体数尽可能少；况下，导体数尽可能少；l结构简单，运行可靠，便于维护、检修。结构简单，运行可靠，便于维护、检修。10电枢绕组的基本概念pqyu21第一节距：y1pqu2极距：nsy1111yyy；长距：；短距：整距：nsns二上，一下第二节距：2yy2y2y合成节距：21yyy叠：y21yyy波：y换向器节距： ycyc = yycyc11l空载时直流电机的气隙磁场空载时直流电机的气隙磁场l负载时的电枢磁动势和电枢反应负载时的电枢磁动势和电枢反应l分析思路分析思路l基本概念基本概念l交轴电枢

5、磁动势交轴电枢磁动势l交轴电枢反应（交轴电枢反应（重点重点难点难点）l直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势l直轴电枢反应直轴电枢反应12空载时直流电机的气隙磁场l空载磁场空载磁场：当电枢电流为零或：当电枢电流为零或很小时，由励磁电流单独建立很小时，由励磁电流单独建立的磁场，空载磁通用的磁场，空载磁通用m表示。表示。m0fl主磁通主磁通：经过气隙，同时交链励磁绕：经过气隙，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通，用组和电枢绕组的磁通，用0表示，它表示，它是机电能量转换的桥梁是机电能量转换的桥梁 。l漏磁通漏磁通：不经过气隙，仅与励磁绕组：不经过气隙，仅与励磁绕组交链的磁通，用交链的磁通，用f表示。它不参与机表

6、示。它不参与机电能量转换。电能量转换。l主磁场分布主磁场分布：气隙磁密在一个极下按：气隙磁密在一个极下按平顶波平顶波规律分布。规律分布。m13直流电机的磁化曲线of00磁化曲线磁化曲线气隙线气隙线fffiinf035. 11 . 110饱和系数：kffaback14分析思路电枢电流电枢电流ia电枢磁动势电枢磁动势fa电枢磁场电枢磁场ba空载磁场空载磁场b0气隙合成磁场气隙合成磁场b电枢反应电枢反应15负载时电枢磁动势和电枢反应励磁电流形成的磁场励磁电流形成的磁场电枢电流形成的磁场电枢电流形成的磁场负载时的磁场负载时的磁场16负载时电枢磁动势和电枢反应电枢磁动势：电枢电流产生的磁动势。电枢磁动势

7、：电枢电流产生的磁动势。电枢反应：电枢磁动势对主磁场的影响。电枢反应：电枢磁动势对主磁场的影响。直轴（直轴（d轴）：轴）：主极轴线。主极轴线。dq交轴（交轴（q轴）：轴）：与直轴正交的轴线。与直轴正交的轴线。几何中性线：相邻两主极之间的中心几何中性线：相邻两主极之间的中心线，也就是交轴。线，也就是交轴。物理中性线：电枢圆周上通过圆心和物理中性线：电枢圆周上通过圆心和磁通密度为磁通密度为0点的直线。点的直线。几何几何中性线中性线物理物理中性线中性线17线负荷设：电刷位于几何中性线，设：电刷位于几何中性线，电枢绕组流过电流电枢绕组流过电流ia，则：电枢磁动势只有交轴分量。则：电枢磁动势只有交轴分量

8、。线负荷线负荷：电枢圆周表面单位长度上：电枢圆周表面单位长度上的安培导体数。的安培导体数。：电枢直径：导体电流，：电枢绕组总导体数）（dizmadizaaaaa/182223oo交轴电枢磁动势 22/,xaaxxfa极），（xx2afaqfa(x)ba(x) xfxaa22 xxfxbaa019交轴电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应交轴电枢磁动势对主磁场的影响交轴电枢磁动势对主磁场的影响20负载时电枢磁动势和电枢反应励磁电流形成的磁场励磁电流形成的磁场电枢电流形成的磁场电枢电流形成的磁场负载时的磁场负载时的磁场21b0ba(x)b(x)o交轴电枢反应22+ + + + + + + + + + +

9、 + + + +直轴电枢磁动势+ + + + + + + + + +bb+ + + + + +bbfaqfafad极）（安极）（安/2abfbafadaql最大值：最大值：23直轴电枢反应l当电枢不在几何中性线上时，电枢反应不仅有交轴分当电枢不在几何中性线上时，电枢反应不仅有交轴分量，还有直轴分量。量，还有直轴分量。l直轴电枢反应：直轴电枢磁动势对主磁场的影响。直轴电枢反应：直轴电枢磁动势对主磁场的影响。l直轴电枢反应的作用为：直轴电枢反应的作用为：运行状态运行状态电刷顺旋转方向电刷顺旋转方向移动一个角度移动一个角度电刷逆旋转方向电刷逆旋转方向移动一个角度移动一个角度发电机发电机去磁效应去磁效

10、应助磁效应助磁效应电动机电动机助磁效应助磁效应去磁效应去磁效应24电枢反应性质l电刷在几何中性线上时电刷在几何中性线上时l性质：性质：交轴电枢反应交轴电枢反应l作用：作用：使得气隙磁场畸变，物理中心线偏移，使使得气隙磁场畸变，物理中心线偏移，使气隙磁场削弱（磁路饱和）气隙磁场削弱（磁路饱和）l电刷不在几何中性线上时电刷不在几何中性线上时l电枢反应不仅有电枢反应不仅有交轴分量，还有直轴分量交轴分量，还有直轴分量。l交轴分量的作用和上面类似交轴分量的作用和上面类似；l直轴分量：根据电机性质不同，有去和助磁作用。直轴分量：根据电机性质不同，有去和助磁作用。25直流电机的感应电动势apzcae60其中

11、，电动势常数：其中，电动势常数：n：r/mim当当nc1时：时：ea当当c2时：时：ean26直流电机的电磁转矩apzcat2其中，转矩常数：其中，转矩常数：te：n.m当当iac1时：时：te当当c2时：时：teiaapzcae6030/ctce27电压方程式发电机：发电机：ea=u+iar+2us=u+iaraia=i+if （并励），并励），ia=i（他励、串励他励、串励）电动机：电动机：u=ea+iar+2us=ea+iaraia=i-if（并励），并励），ia=i（他励、串励他励、串励）运行状态判别准则：运行状态判别准则：发电机状态：发电机状态：eau；电动机状态：电动机状态：eau

12、（发电机）发电机）eau （电动机）电动机）38输入机械能输入机械能输出直流电能输出直流电能直流发电机运行特性是指额定转速下，发直流发电机运行特性是指额定转速下，发电机端电压、负载电流和励磁电流之间的电机端电压、负载电流和励磁电流之间的关系。关系。39直流发电机的运行特性1.空载特性空载特性l当当n=nn，i=0时：时：u0=f(if)2.外特性（外特性（重点重点）l当当n=nn，if =c或或rf =c时：时：u=f(i)3.调整特性调整特性l当当n=nn，u=un时：时：if =f(i)4.效率特性效率特性l当当n=nn，u=un时：时： =f(p2)40他励发电机的运行特性当当n=nn，

13、i=0时：时：u0=f(if)ea=cenn=u+iara=u0u0，=f(if)空载特性实质上就是电机空载特性实质上就是电机的磁化曲线。的磁化曲线。剩磁电压剩磁电压u0r(24)%un41他励发电机的运行特性当当n=nn， if =c时：时：u=f(i)u=ea-iara=cenn-iara随着随着i的增加，有两个因的增加，有两个因素使端电压素使端电压u下降：下降：（1）i iara u （2）i ia fa 交轴电枢反应交轴电枢反应 去去磁效应使磁效应使 u iuo42他励发电机的运行特性iuou0unin%1000nuuuu%1000nnnuuuu%10%5nu43if0他励发电机的运行

14、特性当当n=nn，u=un时：时：if =f(i)u=ea-iara=cenn-iara随着电枢电流随着电枢电流ia的增加，的增加，端电压端电压u有下降的趋势。有下降的趋势。为了维持为了维持u=un，必须使必须使：if ea iifoifnin44他励发电机的运行特性不变损耗不变损耗p0机械损耗机械损耗p基本铁耗基本铁耗pfe杂散损耗杂散损耗p可变损耗可变损耗pcu基本铜耗基本铜耗pcua电刷损耗电刷损耗ps(励磁铜耗励磁铜耗pcuf )p2opnppppf221n)%9691()%9070(中大型：小型：nn45aif0u0o励磁电阻线励磁电阻线并励发电机的自励磁过程u=ea-iara=ce

15、nn-iarauf =u=rf if=f(if)ifu0eaiiarfu0r磁化曲线磁化曲线46aif0u0o励磁电阻线励磁电阻线并励发电机的自励条件（1）电机必须有电机必须有剩磁剩磁；u0r磁化曲线磁化曲线临界电阻线临界电阻线（2）励磁磁动势的方向必须与励磁磁动势的方向必须与剩磁的方向剩磁的方向一致一致；（3）励磁回路的总电阻必须励磁回路的总电阻必须小小于于临界电阻。临界电阻。rf47并励发电机的运行特性当当n=nn， rf =c时：时：u=f(i)u=ea-iara=cenn-iara与他励发电机比较，随着与他励发电机比较，随着i的增加，还有第三个因的增加，还有第三个因素使端电压素使端电压

16、u下降：下降：u if ea u 并励直流发电机：并励直流发电机：un20ifueaiiarfrluninikiuou0他励他励并励并励48直流电动机的运行特性1.工作特性工作特性l速率特性：速率特性：nf(p2)l转矩特性：转矩特性：tef(p2)l效率特性：效率特性：f(p2)2.机械特性（机械特性（重点重点）ln=f(te)运行特性与运行特性与电动机的励电动机的励磁方式有很磁方式有很大的关系。大的关系。以下分以下分并励并励、串励、他励串励、他励分别介绍分别介绍3.电力拖动系统的稳定运行条件电力拖动系统的稳定运行条件49并励电动机的工作特性前提：前提：u=un，if =ifn (rf =c

17、)；分析：分析：n,te,=f(p2)aeaeeaicrcucen%1000nnnnnn)%83( 2020ptttten0n=f(p2)t0te=f(p2)t2=f(p2)p2o=f(p2)50ten并励电动机的机械特性前提：前提：u=un，rf =c；分析：分析：nf(te)aeaeicrcunateicteetaetccrcun2ektnn0teonn0rarar”ararar”a硬硬特性特性软特性软特性51if并励电动机的机械特性eeetaektntccrcun02tenteonn0rarar”aif =craraif i”fteonten52串励电动机的工作特性前提：前提：u=un，

18、ia=is=i；分析：分析：n,te,=f(ia)asssikik：假设：磁路不饱和，则%1004/1nnnnnnn=f(ia)aesaeicrrcunsesaasekcrrikcuniaoaateaastateiictiikcict高饱和时：不饱和时：22te=f(ia)ain153串励电动机的机械特性前提：前提：u=un，ia=is=i；分析：分析：n=f(te)经推导，可得：假设：磁路不饱和，则asssikikn=f(te)saestserrutkckcn1etn1teon54串励电动机的机械特性rsteonrsr”srsrsunu2u3untenu1u2u3一组平行线一组平行线56直流

19、电动机机械特性对比励磁励磁方式方式他励他励并励并励串励串励主主要要特特点点优点优点1：机械特性：机械特性硬度不变。硬度不变。优点优点2：转速可调：转速可调高、也可调低。高、也可调低。缺点：需专用调缺点：需专用调压直流电源。压直流电源。优点：调速简单、优点：调速简单、方便。方便。缺点缺点1：能耗大。：能耗大。缺点缺点2：增加：增加ra只只能调低转速，增加能调低转速，增加rf只能调高转速。只能调高转速。且机械特性会变软。且机械特性会变软。优点：起动转优点：起动转矩大，过载能矩大，过载能力强。力强。缺点缺点1：软机：软机械特性。械特性。缺点缺点2：轻载：轻载时容易飞速。时容易飞速。57电力拖动系统电

20、力拖动系统电力拖动系统电动机电动机机械负载机械负载电源电源控制设备控制设备58电力拖动系统稳定运行条件dndtdndte202dndtcte时：当下降的机械特性曲线下降的机械特性曲线591.直流电动机的直流电动机的起动起动2.直流电动机的直流电动机的调速调速3.直流电动机的直流电动机的制动制动60直流电动机的起动l起动的概念起动的概念l直接直接起动起动l电枢回路电枢回路串电阻器串电阻器起动起动l降压降压起动起动三种起动方法三种起动方法61直流电动机起动的特点起动时：起动时：n0ea=cen0，u=ea+iaraiaraiau/ra，起动电流大，必须加以限制。起动电流大，必须加以限制。te=ct

21、iaia te 起动转矩大起动转矩大起动电流小起动电流小矛盾矛盾62直接起动方法：先合方法：先合q1建立建立再合再合q2 起动起动特点：特点：q操作简单操作简单q无需任何附加起动设备无需任何附加起动设备q冲击电流大，冲击电流大，ist=(1020)inq只适用于小型直流电动机的起动。只适用于小型直流电动机的起动。63三点起动器三点起动器电枢回路串电阻器起动方法：在电枢回路串联一个起动器。方法：在电枢回路串联一个起动器。特点：特点：q可以有效抑制起动电流可以有效抑制起动电流 ist=u/(ra+rst)q需要附加起动设备需要附加起动设备q产生额外的电阻损耗产生额外的电阻损耗q适应于小容量并励电动

22、机适应于小容量并励电动机teonn0r=0r1r2tl64直流电动机的调速l调速的概念调速的概念l调速的方法调速的方法调压调压调速调速调调电枢电阻调速电枢电阻调速调调励磁电流调速励磁电流调速电枢控制电枢控制磁场控制磁场控制65l电动机调速的基本要求电动机调速的基本要求调速范围：调速范围：d=nmax/nmin平滑性平滑性经济性经济性调速设备简单、可靠、操作方便调速设备简单、可靠、操作方便调速l调速：调节转速、转速控制调速：调节转速、转速控制tonn1t1nn66ian他励和并励电动机调速l优点：调速设备简单、操作方便，转速可连续调节。优点：调速设备简单、操作方便，转速可连续调节。l缺点：耗能，

23、只能调低转速，轻载时调速范围不大。缺点：耗能，只能调低转速，轻载时调速范围不大。ton1nnt1teonn0r=0r1r2tlte=ctia67他励和并励电动机调速l优点优点操作方便，操作方便，转速可上、下连续调节，转速可上、下连续调节，节能，节能，机械特性硬度不变。机械特性硬度不变。l缺点缺点调速设备复杂，价格高。调速设备复杂，价格高。teonu1unu2u3untenu1u2u368他励和并励电动机调速l优点：调速设备简单，操作方便、控制灵活，转速可连续调优点：调速设备简单，操作方便、控制灵活，转速可连续调节，节能，效率高。节，节能，效率高。l缺点：机械特性变软，只能调高转速，有缺点：机械特性变软，只能调高转速，有“飞车飞车”的危险。的危险。if2n0if1if3if1if2if3teontennnnn1iania1iatote=ctia69串励电动机的调速rs1teonrs2rs3rs1rs2u2u3tl调速方式调速方式主要优点主要优点主要缺点主要缺点改变改变rs简单简单