《电机与电力拖动》课件-任务1 直流电机基础

电机与电力拖动

主讲教师1.直流电机的励磁方式

主讲教师直流电机的励磁方式励磁方式的分类图一

励磁分类图二

各种励磁方式的电路图直流电机的励磁方式直流电机他励式定义：励磁绕组与电枢绕组由两个独立电源供电核心特性：机械特性硬（转速随转矩变化小）、调速范围广典型应用：机床主轴、电梯曳引机机床主轴电梯曳引机直流电机的励磁方式直流电机他励式定义：励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个电源核心特性：机械特性较硬、励磁电流受电枢电压影响典型应用：风机、水泵、小型发电机风机水泵直流电机的励磁方式直流电机自励式-串励式定义：励磁绕组与电枢绕组串联，共用一个电源U核心特性：机械特性软（转速随转矩急剧变化）、启动转矩大典型应用：起重机、电动列车牵引电机起重机电动列车牵引电机直流电机的励磁方式直流电机自励式-复励式定义：同时具备并励绕组（W_f并）和串励绕组（W_f串），共用一个电源U核心特性：兼具硬特性（并励主导）与大启动转矩（串励主导）典型应用：大型空压机、船舶推进电机空压机船舶推进电机内容小结供电方式决定绕组连接，连接方式决定运行特性，特性匹配应用场景3点关键结论：他励式靠“独立电源”获硬特性与宽调速，适合精准控制串励式靠“串联连接”获大启动转矩，适合重载场景复励式靠“绕组组合”兼顾稳速与重载，适合复杂工况2.直流电机的磁场

主讲教师直流电机的磁场直流电机磁场的核心概念与作用核心概念：直流电机的磁场由“励磁绕组”产生，是电机能量转换的核心媒介（电能→机械能/机械能→电能）磁场的两大作用：为电枢导体提供受力环境（安培力产生电磁转矩）决定电机的运行特性（转速、转矩、效率）关键组件：励磁绕组（产生主磁场）、电枢铁芯（导磁，增强磁场）直流电机的磁场直流电机的空载磁场空载定义：电机不带负载（电枢电流Iₐ≈0），仅励磁绕组通电电机空载磁场分布图磁场产生：仅由“励磁绕组”通励磁电流If产生，称为“主磁场”（或空载磁场）磁场分布：主磁场线从定子N极出发，穿过气隙→电枢铁芯→气隙→定子S极，形成闭合回路气隙磁场分布：在磁极中心区域均匀，靠近磁极边缘（极靴）逐渐减弱特点：磁场仅由励磁电流决定，分布相对均匀，无电枢磁场干扰直流电机的磁场直流电机的负载磁场负载定义：电机带负载运行（电枢电流Iₐ≠0），励磁绕组与电枢绕组均通电磁场产生：由“励磁绕组的主磁场”与“电枢绕组的电枢磁场”叠加而成，称为“合成磁场”磁场分布：电枢磁场：电枢绕组通电流后，产生围绕电枢的磁场合成磁场：主磁场与电枢磁场叠加，导致气隙磁场“畸变”——磁极下磁场增强，极间磁场减弱（标注“畸变区域”）特点：磁场由主磁场与电枢磁场共同决定，分布不均匀，存在“电枢反应”（电枢磁场对主磁场的影响）电机负载载磁场分布图直流电机的磁场空载与负载磁场的核心差异对比对比维度空载磁场负载磁场产生来源仅励磁绕组电流励磁绕组电流+电枢绕组电流磁场组成主磁场（单一）主磁场+电枢磁场（合成）气隙磁场分布相对均匀（极中心均匀，边缘衰减）畸变（磁极下增强，极间减弱）能量转换角色无实际能量转换（仅建立磁场）核心媒介（参与电能与机械能转换）直流电机的磁场磁场畸变的影响与抑制措施磁场畸变（电枢反应）的负面影响：电机转速不稳定（合成磁场变化导致反电动势Eₐ波动）电枢导体受力不均，增加电机振动与噪声严重时导致“换向火花”（电枢线圈换向时电流突变），损坏电刷与换向器抑制措施：加装“补偿绕组”：在定子极靴上绕制补偿绕组，通与电枢电流反向的电流，抵消电枢磁场采用“换向极”：在定子极间加装换向极，产生反向磁场，改善换向，减少火花内容小结空载磁场由励磁绕组单独产生，分布均匀；负载磁场由主磁场与电枢磁场叠加产生，存在畸变。核心结论电枢反应是负载磁场的关键特征，会影响电机运行稳定性，需通过补偿绕组或换向极抑制。磁场是电机能量转换的核心，其分布与强度直接决定电机的转矩、转速特性。

主讲教师3.直流电机的基本方程核心意义理论核心：基本方程是描述直流电机“电-磁-力-功”转换关系的数学表达式，是分析电机性能的基础​。实际应用：​计算电机关键参数（如转速n、电磁转矩Te）​分析电机运行特性（如负载变化对转速的影响）​指导电机控制设计（如调速时的电压/电流调节）​学习目标：掌握3个核心方程的推导逻辑、物理意义及应用场景，能解决简单工程问题​为何要学基本方程转速计算转矩分析基本方程前提假设励磁绕组与电枢绕组独立供电，励磁电流If

恒定，磁场Φ稳定，方程推导更简洁（无电枢反应干扰）​是分析并励、串励直流电机的基础模型​他励直流电机模型他励电路忽略电枢反应（暂不考虑电枢电流对主磁场的影响）​忽略换向器接触电阻（电枢回路电阻仅考虑电枢绕组电阻Ra）​电机运行于稳态（转速n、电流Ia

恒定）​选择他励直流电机的原因模型简化假设第一个基本方程电枢电路电压平衡方程推导逻辑（基尔霍夫电压定律KCL）电枢回路总电压：电源电压Ua=电枢反电动势Ea+电枢回路电压降IaRa​方程形式：Ua=Ea+IaRa（核心公式，标注“直流电机最基础的电路方程”）​Ua：电枢端电压（V，由直流电源提供）​Ea：电枢反电动势（V，电机转动时电枢绕组切割磁场产生，阻碍电流流入，故称“反电动势”）​Ia：电枢电流（A，由Ua

与Ea

的差值决定）​Ra：电枢绕组电阻（Ω，含绕组导线电阻与接触电阻）​反电动势补充：Ea=CeΦn（Ce

为电动势常数，Φ为主磁通，n为转速r/min）​各物理量含义第二个基本方程推导逻辑（电磁力定律F=BIL）电枢电流Ia

在磁场Φ中受安培力，合成产生驱动电机转动的电磁转矩Te​方程形式：Te=CTΦIa（核心公式，标注“描述电与力的转换关系”）​Te：电磁转矩（N・m，电机输出转矩的来源）​CT：转矩常数（与电机结构相关，CT=9.55Ce，因P=TΩ=EaIa

推导得出）​Φ：主磁通（Wb，由励磁绕组产生）​Ia：电枢电流（A，与Te

成正比，Ia

越大，Te

越大）​转矩平衡补充：Te=T2+T0（T2

为电机输出转矩，T0

为空载损耗转矩，如机械损耗、铁损耗）​各物理量含义电磁转矩方程第三个基本方程推导逻辑（能量守恒定律）输入功率P1=电枢输入功率UaIa​输出功率P2=机械功率T2

Ω（Ω=2πn/60为角速度rad/s）​功率平衡：P1=Pe+PCu（Pe

为电磁功率=EaIa=Te

Ω，PCu为电枢铜损耗=Ia²Ra）​进一步：Pe=P2+P0（P0

为空载损耗=铁损耗+机械损耗）​方程形式：UaIa=EaIa+Ia²Ra=Te

Ω+Ia²Ra​物理意义：描述电机输入电能→电磁能→机械能的转换过程，明确各环节功率损耗​功率平衡方程他励直流电机功率流程图内容小结课堂小结：​3个基本方程分别描述“电路”“电磁力”“能量”，相互关联（如Ea

与n、Te

与Ia）​核心逻辑：Ua

与Φ决定n，Ia

决定Te，是分析直流电机运行的“三把钥匙”​课后作业：​某他励直流电机Ua=110V，Ra=0.2Ω，Ia=20A，Ea=106V，验证电压平衡方程；若Φ=0.01Wb，CT=1.3N・m/(A・Wb)，计算Te​为何电机启动时需降压启动？结合Ua=Ea+IaRa

说明（提示：启动时n=0→Ea=0→Ia=Ua/Ra，电流过大烧毁绕组）4.电磁转矩和电枢电动势

主讲教师直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势直流电机电枢电动势的定义定义：电枢绕组在磁场中旋转时，由电磁感应产生的感应电动势，称为电枢电动势产生背景：直流电机运行时，电枢旋转切割磁场磁感线，必然产生感应电动势原理讲解：定子磁极产生恒定磁场，电枢在原动机（发电状态）或电磁转矩（电动状态）作用下旋转，电枢绕组导体切割磁感线右手定则应用：根据右手定则判断电枢绕组中感应电动势方向直流电机结构示意图右手定则直流电机的电枢电动势电枢电动势的计算公式推导前提假设：不考虑电枢反应影响，磁场在气隙中均匀分布单根导体感应电动势计算：根据法拉第电磁感应定律，推导单根导体感应电动势公式e=Blv电枢绕组总导体数与支路数关系：电枢绕组总导体数N、并联支路2a（对单叠绕组a=p，单波绕组a=1，p为极对数）总电枢电动势公式推导：结合单根导体电动势、总导体数及支路数，推导得出其中为电动势常数，p、N为电枢绕组总导体根数。直流电机的电枢电动势定义：电枢绕组通入电流后，载流导体在定子磁场中受到安培力作用，所有导体的安培力对电枢轴产生的总力矩，称为电磁转矩Te。左手定则应用：结合示意图讲解用左手定则判断安培力方向（伸开左手，磁感线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指指向安培力方向）电磁转矩的定义单根导体安培力单根导体转矩总电磁转矩：结合总导体数N、支路数2a，推导得出直流电机的电枢电动势关联原理：电枢电动势是“磁生电”的产物（电磁感应），电磁转矩是“电生磁”的产物（安培力定律），二者共享同一套电机结构参数（p、N、a）和磁场条件，共同实现电机的能量转换。定量关联：电动势常数Ce与转矩常数CT的关系推导提示：结合功率平衡电枢电动势与电磁转矩的关系电能电磁转矩机械能直流电机能量转化示意图例题有一台4极直流电动机，电枢绕组为单叠绕组，每极磁通为2×10-2Wb，电枢总导线数N=432，转速n=2850r/min，求:（1）电动机的电枢电动势。（2）若电枢电流为400A时，能产生多大的电磁转矩

主讲教师5.直流电机的运行特性直流电机的运行特性核心定义与研究对象运行特性是指在特定条件下，直流电动机关键参数（转速n、电磁转矩Te、电枢电流Ia、效率η）与输出功率P2

之间的变化关系，反映电机带负载能力与调速性能​。核心定义他励直流电机原理图直流电机的运行特性核心定义与研究对象优先研究他励直流电动机：励磁电流If

独立可控（与电枢电压Ua

无关），特性规律清晰，是分析串励、并励电机的基础​。忽略次要因素：暂不考虑电枢反应、磁饱和（后续补充影响），假设电机运行于稳态​。关键公式回顾（推导特性的基础）：​电枢电压平衡：Ua=Ea+IaRa→Ea=Ua-IaRa​反电动势：Ea=CeΦn→n=(Ua-IaRa)/(CeΦ)​电磁转矩：Te=CTΦIa​研究对象选择他励直流电机原理图直流电机的运行特性机械特性（n=f(Te)，Ua、If

恒定）电枢电压Ua

维持额定值UN（直流电源稳压）​励磁电流If

维持额定值IfN（励磁电源稳压，Φ恒定）​改变负载转矩T2，使电磁转矩Te（Te=T2+T0）变化，测量对应的转速n​实验条件他励直流电机机械特性曲线直流电机的运行特性机械特性（n=f(Te)，Ua、If

恒定）推导：Φ恒定→Ia=Te/(CT

Φ)，代入n=(Ua-IaRa)/(Ce

Φ)→n=n0-(RaTe)/(CeCT

Φ²)​曲线形状：斜向下的直线（理想情况），含两个关键点位：​理想空载点（Te=0）：n0=Ua/(Ce

Φ)（理论转速，实际因T0

存在，n略低）​额定工作点（Te=TN）：n=nN（额定转速，对应Ia=IN）​特性硬度：曲线斜率绝对值越小，特性越硬（他励电机特性硬，转速随Te

变化小）​特性曲线推导与特点他励直流电机机械特性曲线判断电机带负载能力（特性硬→负载变化时转速稳定，如机床主轴电机）​确定调速范围（n0

与nN

的差值决定调速潜力）​实用意义直流电机的运行特性串励/并励与他励特性对比电机类型​机械特性（n=f(Te)）特点​关键原因​应用场景​他励直流电动机​特性硬（n随Te

变化小）​Φ恒定，n与Te

线性负相关​机床主轴、精密设备（需稳速）​并励直流电动机​特性较硬（略软于他励）​Φ随Ua

变化（Ua

下降→Φ减小）​风机、水泵（负载变化小）​串励直流电动机​特性软（n随Te

急剧变化）​特性软（n随Te

急剧变化）​起重机、电车（需大启动转矩）​内容小结他励直流电动机三类特性：机械特性反映转速与转矩的关系（硬特性），调节特性反映转速与励磁的关系（弱磁升速），工作特性反映参数与输出功率的关系（η有最大值）​。小结核心逻辑：基于Ua=Ea+IaRa、Ea=Ce

Φn、Te=CT

ΦIa

三个公式推导特性，Φ和Ia

是关联变量​。应用核心：机械特性指导负载匹配，调节特性指导调速，工作特性指导经济运行。

主讲教师6.串励、复励直流电机结构差异励磁方式决定特性差异励磁绕组与电枢绕组并联（励磁电压Uf=电枢电压Ua）​关键参数：励磁电流If=Ua/Rf（Rf

为励磁绕组电阻，恒定），主磁通Φ≈恒定（忽略电枢反应，If

不变→Φ不变）​电路模型：独立励磁回路，电枢回路与励磁回路电压相等​并励直流电动机结构并励直流电机他励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联（励磁电流If=电枢电流I_a）​关键参数：Φ与Ia

成正比（未饱和时Φ=kIa，k为比例常数），Ia

随负载变化→Φ随负载同步变化​电路模型：励磁与电枢共用同一电流，无独立励磁回路​串励直流电动机结构串励、复励直流电机并励直流电动机的机械特性电枢电压Ua

恒定、励磁回路电阻Rf恒定（→If

恒定→Φ恒定）​忽略电枢反应与磁饱和（基础分析阶段）​研究前提串励直流电机机械特性曲线串励、复励直流电机并励直流电动机的机械特性电枢电压平衡：Ua=Ea+IaRa→Ia=(Ua-Ea)/Ra​反电动势：Ea=Ce

Φn→Ia=(Ua-Ce

Φn)/Ra​电磁转矩：Te=CT

ΦIa→代入Ia

得：n=(Ua/(Ce

Φ))-(RaTe)/(CeCT

Φ²)​机械特性推导（基于核心公式）串励直流电机机械特性曲线曲线形状：斜向下的直线（硬特性），含两个关键点位：​理想空载点（Te=0）：n₀=Ua/(CeΦ)（转速稳定，无飞车风险）​额定工作点（Te=TN）：n=NN，转速降Δn=n₀-nN

较小（Δn/n₀≈5%-10%）​核心特点：Φ恒定→转速随Te增大平缓下降，静差率小（特性硬，负载变化时转速稳定）特性曲线特点（n=f(Te)）串励、复励直流电机串励直流电动机的机械特性电枢电压Ua

恒定、未饱和（Φ=kIa，k为常数）​忽略电枢反应与励磁绕组电阻（Rf

很小，可近似合并入Ra）​研究前提串励直流电机机械特性曲线串励、复励直流电机串励直流电动机的机械特性励磁电流If=Ia→Φ=kIa→Ia=Φ/k​反电动势：Ea=Ce

Φn=Ua-IaRa→Ce

Φn=Ua-(Φ/k)Ra​电磁转矩：Te=CT

ΦIa=CT

Φ(Φ/k)=CT

Φ²/k机械特性推导曲线形状：曲线（软特性），含两个关键特性：​空载风险：Te→0时，n→∞（飞车），故串励电机严禁空载运行​重载特性：Te

增大时，n急剧下降​核心特点：Φ随Ia（Te）变化→转速与转矩呈非线性关系，低速时转矩大（启动转矩Tst≈2-3TN），高速时转矩小​特性曲线特点（n=f(Te)）串励直流电机机械特性曲线两种电机机械特性的核心差异对比

对比项并励直流电动机串励直流电动机磁通Φ特性恒定（If独立，与Te

无关）随Te

增大而增大（Φ∝Ia∝Te

）机械特性曲线直线（硬特性）曲线（软特性）空载转速稳定（n₀=Ua