第1章直流电机原理_电机及拖动

1、直流电机的电枢绕组简介直流电机的电枢反应直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的换向直流发电机直流电动机第1章 直流电机1.1.1 1.1.1 直流电机的基本工作原理一、直流发电机N aAB换向片电刷UiaX SfTf UXABiaA SffTeNaiaeaeiaea1.1 直流电机的基本工作原理与结构lvBeX原动机拖动转子旋转，根据电磁感应定律，直流发电机电枢绕组产生感应电势，同时，根据电磁力定律，旋转的电枢绕组切割磁场，也产生电磁转矩与旋转方向相反。1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.1 1.1.1 直流电机的基本工作原理AUXNiaSiaffTXUANiaSiaffT二、直流电

2、动机1.1 直流电机的基本工作原理与结构lIBfX1.1.1 1.1.1 直流电机的基本工作原理有磁场，电源通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电。根据电磁力定律，直流电动机电枢绕组产生电磁力矩，驱动机械负载。同时，根据电磁感应定律，电枢绕组内部也产生感应电势反电动势。输入的直流电能克服反电动势，通过气隙磁场做功，电能转换成机械能。1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.1 1.1.1 直流电机的基本工作原理端盖磁轭主磁极励磁绕组电枢绕组 电枢铁心换向器电刷装置轴端盖轴承风扇换向极绕组换向磁极1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机结构图励磁绕组

3、定子磁轭换向极电枢齿电枢槽极靴换向极绕组电枢导体电枢铁心底脚1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构直流电机结构图主极铁心1.1 直流电机的基本工作原理与结构 直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构1.1 直流电机的基本工作原理与结构一、一、 定子部分产生磁场和作电机的机械支撑1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构1.1 直流电机的基本工作原理与结构主磁极机座励磁绕组绝缘框架电枢铁心换向极主磁极主磁极铁心1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构机座螺栓一、一、 定子部分1.1 直流电机的基本工作原理与结构换向极绕组铜丝辫

4、压紧弹簧电刷换向极铁心刷握1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构换向极和电刷一、一、 定子部分1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.2 1.1.2 直流电机的主要结构一、一、 转子部分换向器电枢铁心和绕组转轴和风扇1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电动机型号Z3Z39595产品编号70017001结构类型励磁方式他励功率30kW30kW励磁电压220V220V电压220V220V工作方式连续电流160.5A160.5A绝缘等级定子B B转子B B转速750r/min750r/min重量685kg685kg标准编号JB1104JB11046868出厂日期 年 月1. 铭牌1.1

5、直流电机的基本工作原理与结构1.1.3 1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列Z2系列是普通中小型直流电机。 ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。2.直流电机的型号和系列国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表示短铁心）。1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.3 1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列3.额定值额

6、定电压 UN(V)发电机的 UN ：指输出电压的额定值。电动机的 UN ：指输入电压的额定值。额定电流 IN(A)发电机的 IN ：指输出电流的额定值。电动机的 IN ：指输入电流的额定值。额定功率 PN (kW)发电机的 PN ：指输出电功率的额定值。电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值。额定转速 nN(r/min)PN U N I NPN U N I NN1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.3 1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列额定励磁电压 UfN(V)额定励磁电流 IfN(A) 额定状态 ：指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 满载状态 ：指 I = IN 的状态。例1

7、1一台Z2型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW， N90，求该发电机的额定电流和额定输入功率例12一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，N84，求该电动机的额定电流和额定输入功率1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.3 1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列3.额定值1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.3 1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列4.4.励磁方式指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。 （1 1）直流电动机按励磁方式分类1.1 直流电机的基本工作原理与结构1.1.3 1.1.3 直流电机铭牌数据

8、及主要系列4.4.励磁方式（2 2）直流发电机按励磁方式分类 1. 绕组的基本概念 电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件,按照一定规律连接起来组成的。 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。 (1) 元件 是构成电枢绕组的基本单元，其两端分别与两片换向片相连的单匝或多匝线圈。后端接上元件边1.2 直流电机的电枢绕组简介1.2.1 1.2.1 直流电枢绕组基本知识前端接下元件边匝数为1的是单匝元件，匝数大于1的是多匝元件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边。将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电

9、枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数Z等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：Z=uQ=Qu，Qu为虚槽数。1.2 直流电机的电枢绕组简介1.2.1 1.2.1 直流电枢绕组基本知识(2) 叠绕组和波绕组(3) 节距各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距表示1.2 直流电机的电枢绕组简介1.2.1 1.2.1 直流电枢绕组基本知识y1 整数第一节距y1指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其表达式为： Z2 p式中为把y1凑整的小于1的分数。当=0，y1=（极距）称为整距元件；当0称为长距元件；当0称为短距元件，实际电机中采用短距元件，可节省铜。第二节距

10、y2指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边所跨的距离，用槽数表示。(3) 节距1.2 直流电机的电枢绕组简介合成节距y指直接串联的两个元件的对应边所跨的距离。换相节距yk指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间所跨的距离，用换相片数表示。(4) 极距 相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，记作，一 般用槽数表示，即有：(3) 节距1.2 直流电机的电枢绕组简介pD22. 单叠绕组连接单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。例13 以总元件数为6的电机为例，说明单叠绕组的联接。设S（元件数）=K（换相片

11、数）=Z（槽数）=6，u=1，2p=2，则合成节距y =1，极距=第一节距y1=3，换相节距yk =1（右行绕），第二节距y2= y1 - y = 3-1= 2，上述数据所表示的实际电机绕组安放如图。1.2 直流电机的电枢绕组简介1.2. 2 1.2. 2 单叠绕组1.2 直流电机的电枢绕组简介1.2. 2 1.2. 2 单叠绕组 展开图虽然能反应电枢绕组联接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。无论电机有多少对磁极都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。1.2 直流电

12、机的电枢绕组简介1.2. 2 1.2. 2 单叠绕组1.2 直流电机的电枢绕组简介1.2. 2 1.2. 2 单叠绕组一对极(一对电刷)为两条并联支路a=1， 支路电流 ia I a / 2支路上串联的导体数N/2a=31.2 直流电机的电枢绕组简介e ee e发电机e eeeeeEA12348765BIa结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。12348765AIa e eeBeeeE电动机电枢电流 Ia支路电流 ia Ia / 2a并联支路对数a一个串联支路上的导体数 N / 2aN为电枢的全部导体数1.2 直流电机的电枢绕组简介 直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一

13、种状态。 直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。1.3 直流电机的电枢反应1.3. 1 1.3. 1 直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应一、主磁通和漏磁通二、磁感应强度B 的分布1.3 直流电机的电枢反应BBavBm0BF0 NI 0 0 A电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定 R m CI 0三、空载磁化特性I0较小时铁心不饱和，磁通势主要作用在气隙上。I0较大时铁心饱和，励磁电流与磁通是非线性关系。1.3 直流电机的电枢反应ac 磁化曲线 气隙线bI00几何中性线直轴d交轴qFa22OxxF

14、a(x)Ba(x)直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中由电枢电流Ia产生电枢磁动势Fa。1.3 直流电机的电枢反应1.3. 2 1.3. 2 直流电机负载时的磁场当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁动势。电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。把电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为电枢反应。当电刷位于几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移, 当磁路饱和时有祛磁作用。直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。1.3 直

15、流电机的电枢反应1.3. 3 1.3. 3 直流电机的电枢反应22OxNSB0B 将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为零的点连接成的直线物理中性线。NBaS几何中性线物理中性线1.3 直流电机的电枢反应1.4.1 直流电机的感应电动势 1. 感应电动势的产生B电枢旋转 n磁 场 eaveav Ea2. 感应电动势的大小(1) 每根导体的感应电动势eav = Bavlv Bx 导体所在处的气隙磁密。l 导体的有效长度。v 导体切割磁场线的线速度。1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩(2) 电枢电动势的大小设电枢总导体数为 N，N则每条支路的导体为 2a ，故Bav平均气隙磁密度 Bv= n = n

16、2R602P60nCenapNeaNEaav6021.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩E = Ce n Ce 电动势常数。单位：Wb(V)单位：r/min3. 感应电动势的方向和性质方向：由 和 n 共同决定。性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩电枢电流 ia磁 场 f Tem2. 电磁转矩的大小设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1) 同一极下每根导体受到的平均电磁力为 ia 导体中的电流 。每根导体受到的平均电磁转矩为1.4.2 直流电机的电磁转矩1. 电磁转矩的产生1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩2DfTavcaavavliBf电枢直

17、径为：则电枢电流与支路电流的关系为： CT = 为转矩常数。1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩pD2aIiaa2aaavemIapNDNaIlBT222aTICapN2)(mN 3. 电磁转矩的方向和性质方向：由 和 Ia 共同决定。性质：发电机为制动转矩，Tem 与 n 方向相反。电动机为拖动转矩，Tem 与 n 方向相同。4. 电动势常数和转矩常数的关系因为1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩eeTTeCCCapNCapNC55. 92602,60则1.5.1 换向概述（假设电刷宽度等于换向片宽度）电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束，从一条支路转换到另一条支路， 电流改

18、变了方向。1.5 直流电机的换向有关换向的一些名词 进行换向的元件，称为换向元件； 换向元件中的电流，称为换向电流； 换向元件中电流的变化过程，称为换向过程； 从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期；1.5 直流电机的换向rb1 + rb 2 假定点刷与换向片间是面接触，电流均匀分布在它们的接触面。 接触电阻的大小与接触面积成反比。TkTk tTkTk tSS1SS2rb1rbrb 2rbi1 ia + ii2 ia ii1 rb1 i2 rb 2 e e i + iL k) +2tTki ia (1 直线换向1.5 直流电机的换向直流电机的励磁方式分为他励和自励两大类。1.6 直流发电机

19、1.6.1 直流发电机的励磁方式励 磁 Uf If 原动机 电枢 nEaU1. 电压平衡方程Uf = Rf IfU = EaRaIa调节Rf If 可调 可调 Ea 可调 U可调。2. 转矩平衡方程T1 = TemT0(以他励电机为例)1.6 直流发电机1.6.2 直流发电机的基本方程式 当发电机P2增加时，输出电流Ia增大、Tem增大，必须加大外力矩T1才能维持正常运转。当发电机空载运行时，其转子的阻转矩只有T0。转矩平衡方程：T1 =T0。当发电机负载运行时，其转子的阻（制动）转矩有T0和电磁转矩Tem。转矩平衡方程为：发电机必须有外力矩T1，才能维持正常运转。T1 Tem + T0 其中

20、： Tem C T I a1.6 直流发电机1.6.2 直流发电机的基本方程式3. 功率平衡方程T1 = Tem T0P1 = PemP0Pem = P2pCuap0 = pFepmpad输入功率 P1：电磁功率 Pem ： Pem = EaIa = UaIaRaIa2空载损耗 P0 :1 2P p0 + Pem p0 + pcu + P外力矩为了克服制动转矩（Tem和T0）提供机械力矩（功率）；并部分转换成了电磁功率传给了电枢。1.6 直流发电机直流发电机中，物理量U（端电压）、Ia（电枢电流）、If（励磁电流）两两间的关系称为发电机运行特性。1. 他励发电机(1)空载特性U0 = f (I

21、f)OIf当n = nN且Ia = 0时，U0与If关系也等于E0与If 关系，即 E0 = f (If)当励磁电流为零时的电压是什么电压？U0Er剩磁感应电动势1.6 直流发电机他励发电机的运行特性1.6.3U 0 U N(2)外特性U = f (Ia) 当If = IfN ，n = nN时，U与Ia的关系曲线下降原因： U = Ea-IaRa 电枢反应去磁，使Ea减小内阻Ra有压降 (主要)电压变化的程度用U表示，称为电压变化率U 100%U N他励电机U = (510)%OIaUU0UNIN1.6 直流发电机他励发电机的运行特性1.6.3OIIfIfNIaN（3）调节特性当 n = nN

22、，U = UN 时：If = f (Ia)（4）效率特性 小型发电机： N = 70% 90%中大型发电机： N = 91% 96%当 n = nN，U = UN 时： = f (P2)P2 =100%P11.6 直流发电机他励发电机的运行特性1.6.3问题：Ea ？ Ea ？(1)并励直流发电机的自励主磁极必须有剩磁rr Er Ifr 与r 方向相同 EaEr 与r 方向相反 EaErIfEIf =ERaRfO Ifr If1If2 IfQ励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向r Er Ifr EaEr IfIfr Ea Er发电机何时建立起稳定的直流电压？该电压为多大？1.6 直流发电机1.6

23、.4并励发电机的自励条件和外特性EaIf =tan = = RaRfIfERf =Rk励磁电路的电阻必须小于临界电阻（磁场电阻线）RaRf磁场电阻线的斜率：当n不变时，Rf增加，磁场电阻线斜率会增加。当电阻线与空载曲线直线段重合时，无固定交点，U0不稳定，此状态叫临界状态。此时Rf叫临界电阻Rk。EaIf当 Rf Rk 时，Ea Er ， 能够自励。当 Rf = Rk 时，Ea 不确定，不能自励。当 Rf Rk 时，EaEr，不能自励。 总结自励的三个条件ErORfRkRfRk1.6 直流发电机I = IaIf，U = UfI IaRaIa Ea (电枢反应)U UU0O当 n = nN、If

24、 = IfN 时：U = f (Ia) = EaRaIa 与他励相比他励并励IUf 特点 负载增加时， U 下降较快。U (2030)%1.6 直流发电机1.6.4并励发电机的自励条件和外特性并励直流发电机的外特性1.6 直流发电机 RL = 0，U = 0， If = 0 =r ，Ea = Er ISC 较小。RL I (Ia) U If 下降不多 RL I (Ia) U If （下降较快） Ea (较大幅度) U 的下降比 RL的减少得更快I = U/RLRL U I 稳态短路电流 ISC 不大。Ea = Ce nU = EaRaIaU = RLI并励直流发电机的外特性外特性有拐弯现象。I

25、NOIUUN他励并励U01.6 直流发电机I f U N 220【例16】 一台并励直流发电机 UN = 220 V，IN = 76 A,nN =1500 r/min, 电枢电阻 Ra = 0.1，励磁电阻 Rf 100，效率 = 86%。试求额定状态下的输入功率、电磁功率和电磁转矩。解：励磁电流为电枢电流为A 2.2ARf 100I aN I N + I fN (76 + 2.2)A 78.2A电枢电动势为Ea U N + Ia Ra (220 + 78.2 0.1)V 227.8VP2U N I N220 760.86W 19442W输入功率为P1 Tem 电磁功率为Pem Ea IaN

26、227.8 78.2W 17814W电磁转矩为Pem Ea I a 2nN60N m 113.5 N m178142 1500601.6 直流发电机UEa 电机的可逆性：电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；电动机运行。UEa发电机、亦可作为电动机运行。1.7.1 直流电机的可逆原理1.7 直流电动机(以他励电机为例) 1. 电压方程电枢回路电压U=Ea+IaRa励磁回路电压U f I f R f2. 转矩方程 电磁转矩Tem CT I a转矩平衡方程T em=T2+T0稳定运行时T2+T0=TL1.7 直流电动机输出转矩空载转矩+TL=T0+ T21.7.2 直流电机的基本方

27、程3. 功率(1)输入功率电压平衡方程U = Ea+ IaRa等式两边同时乘以电源电流I(他励电机的IIa)(2)电磁功率+aaaaaxIaaaRIIEUIRIEUa2cuaemPPP+1aNPTnaNPCTnaNPnICIEPemTemaeaaem26060emememTnTP6021.7 直流电动机1.7.2 直流电机的基本方程Tem 9.55T2 9.55T0 9.55 100%(3)输出功率根据转矩平衡方程Tem T2 + T0T2 Tem T0等式两边同时乘以P2 Pem p0空载损耗PemnPem2 2p0 p0 nP P np0 pFe + pm铁损耗机械损耗(4)总损耗1 2P P p pFe + pC u + pm + pad附加损耗(5)效率P2P11.7 直流电动机I a (6)功率流程图P1pCuPemp0P2当忽略空载损耗不计，Tem=TL，电动机的电枢电流由负载转矩TL和磁通决定电枢电流U EaRaI a Tem TLCT CT 1.7 直流电动机n0n0 nN当Ia 时，n 下降不多(硬特性)。研究条