电气-直流电机.

1、重点内容：重点内容：（1）直流电机的工作原理）直流电机的工作原理（2）直流电机的基本概念）直流电机的基本概念（3）电枢感应电势和电磁转矩）电枢感应电势和电磁转矩（4）基本方程）基本方程难点：难点：（1）电枢绕组及电路图）电枢绕组及电路图（2）电刷位置放置）电刷位置放置（3）电枢反应）电枢反应一、直流电机特点一、直流电机特点 直流电机优点 易于控制，可靠性高 调速范围广，平滑。 过载、起动、制动转矩大。 调速时能量损耗小 直流电机缺点 换向困难 结构复杂 价格高第二章第二章 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构二、二、 直流电机的结构直流电机的结构主磁极主磁极换向磁极换向磁极机座机座

2、电刷电刷u 定子定子主磁极主磁极作用：建立主磁场。 构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。换向极换向极:作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有 害的火花。害的火花。构成：由铁心和绕组组成构成：由铁心和绕组组成主磁极主磁极换向磁极换向磁极机座作用：1)作为磁路的一部分； 2)固定主磁极、换向极和端盖。构成:通常由铸钢或厚钢板焊成机座机座电刷电刷构成：构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。作用：把直流电压、直流电流引入或引出u转子（电枢）转子（电枢） 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 转轴与风扇转轴与风扇电枢铁心硅钢片

3、电枢铁心硅钢片(0.5mm)电枢铁心电枢铁心作用：作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。 构成：构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。电枢绕组电枢绕组作用：作用：直流电机的电路部分。构成：构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。换向器换向器作用：作用：和电刷配合将直流电引入或引出的装置。构成：构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V形云母绝缘。直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 三、直流电机的工作原理三、直流电机的工作原理直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理NSU电刷

4、电刷换向片换向片abdcNSUadbc励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励自励四、四、 励磁方式励磁方式1 1、他励式、他励式（图图a a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。复励式复励式( (图图d d) ) ： 装有两个励磁绕组，一为与电2 2、自励式、自励式并励式并励式( (图图b b) ) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；串励式串励式( (图图c c) ) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。MIf+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类M+UIIfIaM+

5、UIIaMIaIf+UI(1) 额定电压额定电压 UN 发电机的发电机的 UN ：指输出电压的额定值。：指输出电压的额定值。 电动机的电动机的 UN ：指输入电压的额定值。：指输入电压的额定值。(2) 额定电流额定电流 IN 发电机的发电机的 IN ：指输出电流的额定值。：指输出电流的额定值。 电动机的电动机的 IN ：指输入电流的额定值。：指输入电流的额定值。(3) 额定功率额定功率 PN 发电机的发电机的 PN ：指输出电功率的额定值：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值：指输出机械功率的额定值 (UN INN ) 。五、五、 额定值额

6、定值(4) 额定转速额定转速 nN(5) 额定励磁电压额定励磁电压 UfN(6) 额定励磁电流额定励磁电流 IfN 额定状态额定状态 ： 指指 U、I、P、n 均为额定值的状态。均为额定值的状态。 满载状态满载状态 ： 指指 I = IN 的状态。的状态。 直流电机的电枢绕组直流电枢绕组的基本概念直流电枢绕组的基本概念直流电枢绕组的构成原则直流电枢绕组的构成原则：(1)产生足够的感生电势；产生足够的感生电势；(2)允许一定的电流；允许一定的电流；(3)节省有色金属和绝缘材料；节省有色金属和绝缘材料； (4)结构简单，运行可靠。结构简单，运行可靠。l极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，

7、用极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。pD2l节距节距上元件边下元件边后端接前端接l实槽与虚槽：实槽与虚槽：Qu=uQQu=uQ（1）第一节距）第一节距y1一个元件的两条有效边在电枢表一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称为第一节面上所跨的虚槽数，称为第一节距，用距，用y1表示。表示。y1y2121526（2）第二节距）第二节距y2相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为第二节距第二节距，用，用y2表示，表示，也用虚槽数计算

8、。也用虚槽数计算。56（3）合成节距）合成节距y相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为合成节合成节距距。不同类型绕组的差别，主要表现在合成节距和换向器节距上。不同类型绕组的差别，主要表现在合成节距和换向器节距上。叠绕组元件在电枢上的联接波绕组元件在电枢上的联接（4）换向片节距）换向片节距yk:元件的首末端在换向器上的距离元件的首末端在换向器上的距离叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上；波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件上；波绕组指把相隔约

9、为一对极下的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪一样延伸。件串联起来，像波浪一样延伸。（5）绕组的型式）绕组的型式单叠绕组单叠绕组的特点:合成节距与换向节距均为1，即y=yk=1。直流电机的直流电机的 ，试将其绕，试将其绕成单叠绕组。成单叠绕组。24,p 16QSK1kyy213yyy 下下层层元元件件边边上上层层元元件件边边y1yyy212345678910111213141615678910111213141615123451闭闭合合116(/2 )44yQp12315161234567891011121314161545678910121314 15161514电枢转向SNNSS123

10、15161234567891011121314161545678910121314 15161514电枢转向SNSSN12315161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514电枢转向SSNSN12315161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514电枢转向SSNSNA1A2B1B2B223478610111214161551391A1A2B1B212109561314下下层层元元件件边边上上层层元元件件边边y1yyy2123456789101112131416156789101112

11、13141615123451闭闭合合ap单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：同一主磁极下的元件串联成一条支路，主同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。磁极数与支路数相同。电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。电动势。电枢电流等于各支路电流之和。电枢电流等于各支路电流之和。 讲述单波绕组联结规律的节距、绕组展开图、讲述单波绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图、并联支路图。为什么叫单波绕组？元件联结图、并联支路图。为什么叫单波绕组？以一台以一台 的直流电机为例。

12、的直流电机为例。24,p 15QSK7kyy21743yyy1151(/2 )444yQp115 172kKyp121213141512345678910111312345678910 1112 131514电枢转向NSSN14121213141512345678910111312345678910 1112 131514电枢转向NSSN141212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN141212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN1412121314151234

13、56789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN14A2B1B2234761011121415A1A2B1B21158954139128151a 下层元件边下层元件边上层元件边上层元件边y1yyy212345689101112136789101112131415123451闭合闭合15714单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组单波绕组的电路图单波绕组的特点单波绕组的特点: :同极下各元件串联组成一条支路，支路对数为1，与极对

14、数无关；当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；电枢电动势等于支路感应电动势.电刷数等于磁极数；GIa+UaEM+UaIaIf+Uf直流电机的磁场及电枢反应直流电机的磁场及电枢反应一、直流电机的空载磁场IaIa=0,P=0,P2 2=0=0IaIa=0,P=0,P2 2=0=0N NS S励磁绕组定子磁轭极靴极身气隙电枢齿电枢磁轭四极直流电机空载时磁场示意图漏磁通主主磁磁通通主磁感应线：N极N极下气隙电枢铁心相邻S极下气隙相邻S极定子磁轭ffyryrPpysysttIN2lHlH2lHlH2H2定子磁轭 Lys齿t气隙主磁极Lp转子磁轭Lyrfffys

15、yrtpysysyryrttppiN2F2FFF2F2F2lHlHlH2lH2H2HldlH当主磁通很小时，磁路中铁磁部分没有饱和，铁磁部分当主磁通很小时，磁路中铁磁部分没有饱和，铁磁部分所需磁势远比气隙所需磁势小，可忽略不计所需磁势远比气隙所需磁势小，可忽略不计ffffINHIN2H2ff00INHB主磁场的气隙磁密的空间分布NS应用积分中值定理lB adxblldxb000 Bl极距极距R二、直流电机负载时的负载磁场二、直流电机负载时的负载磁场直流电机带上负载后，电直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为流产生的磁动势称为电枢电枢磁动势磁动势。电

16、枢磁动势的出。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。现使电机的磁场发生变化。其中电枢磁势对主极磁场其中电枢磁势对主极磁场的影响称为的影响称为电枢反应电枢反应。xAHdl2NS +SNNS + + + + + + + +NSSXAXFAXFaxax22d轴轴1.电刷在几何中性线时的电枢反应电刷在几何中性线时的电枢反应B(x) + + + + + + + +NSNSS物理中性线交轴电枢反应交轴电枢反应电枢表面磁通密度的实际过零点的连线。B0(x)Ba(x) 2) 2)对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用1)1)使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于

17、空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线角，磁通密度的曲线与空载时不同。与空载时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部此每极量的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些

18、，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。电枢反应为交轴去磁性质。由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：NSNSNS2.2.当电刷不在几何中性线上的电枢反当电刷不在几何中性线上的电枢反应应电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线角，电枢磁动势轴线也随之移动也随之移动角。角。这时电枢磁动势可以分这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量解为两个垂直分量: :交交轴电枢磁动势轴电枢磁动势Faq和直和直轴电枢磁动势轴电枢磁动势Fad。顺电枢转向移刷

19、逆电枢转向移刷发电机交轴和直轴去磁交轴去磁和直轴助磁电动机交轴去磁和直轴助磁交轴和直轴去磁电枢磁轭四极直流电机空载时磁场示意图主磁感应线：N极N极下气隙电枢铁心相邻S极下气隙相邻S极定子磁轭两极直流电机空载时的磁场两极直流电机空载时的磁场励磁磁场励磁磁场电枢磁场电枢磁场励磁磁场励磁磁场合成磁场合成磁场 电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩一、电枢的感应电动势一、电枢的感应电动势23478610111214161551391A1A2B1B212109561314空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场Bl极距极距R平均磁密：平均磁密：Bav = l（1）大小）大小l 每个导体

20、：每个导体：e av= B l vl 导体切割磁场的线速度：导体切割磁场的线速度： v = n2 R60= n2p 60l 电动势：电动势：n60P2p260nllevanCna60NPea2NEeava E = Ce n Ce 电动势常数：电动势常数： Ce = pN60a单位：单位：Wb单位：单位：r/min(V) (2) 方向：方向： 由由 和和 n 共同决定。共同决定。(3) 性质：性质： 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。发电机为电源电动势；电动机为反电动势。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 电枢电流电枢电流 i 磁磁 场场 T (2) 大小大小总电磁

21、力矩总电磁力矩Tem=总导体数总导体数 TavaliavRBRavfavTlBavaIiaa222PR aaavavIa2Pa2Ill2P2RfT(2) 大小大小 Tem = CT IaCT 转矩常数：转矩常数：CT =pN2a 单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm) CTCE=602 = 9.55 CT = 9.55 CECT =pN2a Ce =pN60a(3) (3) 方向：方向： 由由 和和 I Ia a 共同决定。共同决定。一、一、他励他励直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式直流发电机直流发电机NST1n+iaTT0UfIfEa+-URLRfGraIabaaaU2rIUE1.

22、1.电压平衡方程式电压平衡方程式URIRIRIEaaLaaaafffRUIUfIfGEa+-URLIaa2NpCICTTaT01TT 空载：2.转矩平衡方程式转矩平衡方程式iaTemT001TTemT负载：T1n+NS3.稳态运行时功率平衡关系稳态运行时功率平衡关系01TTemT01TTemT01pPPemaaaaemIEIna60Np60n2Ia2NpTemPURIEaaa2Cuaa2aaaPpUIRIIECu2empPPpPpPppPP202Cu0em1sFempppp0NSP)%15 . 0(p SpFemCupppp他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图P1=Tp0=pm+p

23、Fe+psPem=Tem=EaIapCu=Ia2RaUIa=P2 小型发电机：小型发电机： N = 75% 85% 中大型发电机：中大型发电机： N = 85% 93%直流发电机基本方程小结直流发电机基本方程小结NSRLT1TemT0nEaIa+-UPcuP2Pem电压：电压：Ea=IaRa+U转矩：转矩：T1=T0+Tem功率：功率：P1=p0+pcu+ P2P1P0Nnn 0Ia )I (fUf定义：当定义：当 、 时，时， 空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfI 空载特性空载特性ARrUf-+IfGA+-VKRLn二、直流发电机的运行特性二、直流发电机的运行特性O

24、IfU0Er剩磁感应剩磁感应电动势电动势空载特性空载特性 空载时，空载时， 。由于。由于 ，因此空载特性实质上就是因此空载特性实质上就是 。由。由于于 正比于正比于 ，所以空载特性曲线的形，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。状与空载磁化特性曲线相同。aEUnCEea)(faIfE aE空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfINnn fNfII )(IfU 定义：当定义：当 、 时，时， 外特性外特性 ARrUf-+IfGA+-VKRLnOIUn = nNIf = IfNINUNU0外特性外特性 电压平衡方程式电压平衡方程式 U = Ua = ERa Ia当当

25、Ia Ra Ia E (电枢反应电枢反应)Ua 电压调整率电压调整率VR =U0UNUN100% ( 5% 10% ) 调整特性调整特性 当当 n = nN，U = UN 时：时： If = f ( Ia )OI If IfNIN调整特性调整特性三、并励发电机的自励条件和特性三、并励发电机的自励条件和特性EUaGIfIaI E ? E ? (1) 自励条件自励条件 主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r ：rErIfrEEr与与r 方向相同方向相同EEr与与r 方向相反方向相反 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 与与 I

26、f 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。既应满足空载特性又应满足欧姆定律。当当 Rf Rk 时，时， E Er ， 能够自励。能够自励。当当 Rf = Rk 时，时， E不确定，不能自励。不确定，不能自励。当当 Rf Rk 时，时， EEr，不能自励。，不能自励。 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线：场阻线的斜率：场阻线的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk(2) 并励发电机的外特性并励发电机的外特性I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaI

27、aI Ia RaIa E ( (电枢反应电枢反应) )Uf Ua 外特性外特性 U = f ( I )EUaGIfIaIn = nNRf = 常数常数OIUU0他励他励并励并励 负载增加时，负载增加时， U 下降较快。下降较快。 VR 20% 外特性有拐弯现象。外特性有拐弯现象。OI UU0他励他励并励并励INUNRL I (Ia) U 低饱和磁路低饱和磁路RL U If E (较大幅度较大幅度) U 的下降比的下降比 RL的减少得更快的减少得更快 I = U / RLRL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。较小。 稳态短路电流不大。稳态短

28、路电流不大。（4 4）复励直流发电机）复励直流发电机0IUINU0差复励复励差复励外特性急剧下降，可作恒流源外特性急剧下降，可作恒流源积复励平复励过复励欠复励 【例例】 一他励直流发电机，一他励直流发电机， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通如果磁通 保保持不变，求持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压时的空载电压 U0 和和 900 r/min 时时的满载电压的满载电压 U 。 解：解：在在 nN 和和 UN 时的电枢电流时的电枢电流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300

29、.443.5) V = 247 V 在在 保持不变时，保持不变时， E n10103230= A = 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V P2 = UI = 230100 W = 23 000 WIa = IIf = (1002) A =102 APCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W Pem = P2PCu = 25 540.8 W 【例题例题】 一并励直流发电机，输出电压一并励直流发电机，输出电压 U =

30、 230 V，输出电流，输出电流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115，n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求发电机的输出功率求发电机的输出功率P2 、电磁转矩、电磁转矩 T、输入功率、输入功率 P1 和效率和效率 。 解：解：230115= A = 2 A URfIf = P0 = T0n2 60= 17.321 500 W 2 60 = 2 719.24 W P1 = PeP0 = (25 540.82 719.24) W = 28 260 W = 100%P2P1= 100% = 81.39% 23 00028 260MIf+UaIa+Uf

31、他他励励并并励励串串励励复复励励 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI直流电动机直流电动机M 直流电动机直流电动机1.直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程励磁电压励磁电压 Uf If 电枢电压电枢电压 Ua Ia Temn E E(1) 电压平衡方程式电压平衡方程式励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： Ua = E + Ra Ia+UaIaIf+Uf02emTTT(2) (2) 转矩平衡方程式转矩平衡方程式电动机电动机NSneTMeT0T2Tn02TTTem02TTTem02empPP(3) (3) 功率平衡

32、方程式功率平衡方程式cu1a2aaaaaaaemPPRIUII )RIU(IETemP0Cu2Cuem1ppPPPPsFemCuppppp他励直流电动他励直流电动机功率流程图机功率流程图P1PCuPeP0P2 并励电动机并励电动机(1)输入电压输入电压 U = Ua = Uf = E + R= E + Ra aI Ia a(2) 输入电流输入电流 I = Ia + If(3) 输入功率输入功率 MIa+UIIfCuMCufCuaMfr2fa2aaafaaaafa1pPppP)RR(IRIIEUII )RIE()II (UUIP 【例例】 某并励直流电动机，某并励直流电动机，UN = 220 V

33、，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定状态下运行时的：。求该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) Tem 。 解：解： (1) 励磁电流励磁电流 If UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 电枢电流电枢电流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE = 0.685Tem = CT Ia

34、 = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩电磁转矩Ce =EnN2153 000= = 0.071 7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 fNfNIIUU,)(,2PfTne 直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并(他)励电动机的运行特性 1 1、工作特性工作特性指 时， 。特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。)(2Pfn aeaeeaICRCUCEnn%1000NNnnnn（1 1）、）、转速特性转速特性 据转速公式 转速调整率 ： 注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。2Pn（2 2）转矩转矩特性特性 转矩方程)(2PfTe2020PTTTTe)(2Pf（3 3）效率特性效率特性0T2PneTNUU fR)(eTfneeTaeTCCRCUn22 2、机械特性、机械特性 指 ，励磁回路电阻 常值时， 。转速与转矩的关系表达式为)(eTfnOneT二二 、串励电动机的运行特性、串励电动机的运行特性 1 1、工作特性、工作特性IIIfaNUU )(,2PfTne)(,aeIfTnfefaafeafefaaefaaKCRRI1KCUIKC)RR(IUC)RR(IUn特