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1、1,第2章 直流电机,2.1 直流电机的工作原理,2.3 直流电机的磁场和电枢反应,2.2 直流电机的基本结构和额定值,2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,2.5 直流电动机的运行分析,2.6 直流发电机的运行分析,2.1 直流电机的工作原理,一、直流电动机的工作原理,U,线圈边中电流不改变方向，则平均 Te = 0。,2.1 直流电机的工作原理,电刷,线圈边切割磁力线会产生什么？,换向片,一、直流电动机的工作原理,电磁关系,二、直流发电机的工作原理,E,E,电磁关系,气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形,每极下有 3 个串联线圈时的电动势波形,2.2 直流电机的基本结构和额定值,一、直流电
2、机的基本结构 1. 定子 (1) 主磁极(2) 换向极(3) 电刷(4) 机座(5) 端盖(6) 轴承等,直流电机的定子,直流电机结构图,电枢绕组,主磁极,电枢铁心,励磁绕组,磁轭,补偿磁极,附加极绕组,换向器,电刷装置,端盖,风扇,轴承,轴,端盖,直流电机横向剖面图,直流电机的定子,直流电机的换向极和电刷,2. 转子（电枢）,(1) 电枢铁心(2) 电枢绕组,(3) 换向器(4) 转轴与风扇,直流电机的转子,(a) 转子主体,(b) 电枢钢片,直流电机的换向器,直流电机,1. 绕组的基本概念 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
3、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。,二、直流电机的电枢绕组,电枢绕组的元件,(2) 叠绕组和波绕组,两匝元件,叠绕元件,波绕元件,(3) 极距 一对磁极在电枢表面所跨过的距离。,电枢总槽数,极对数,(4) 绕组的节距, y1 第一节距（用所跨过的槽数来表示 ）。 y1= 为整距绕组； y1 为长距绕组。 y2 第二节距（用所跨过的槽数来表示 ） 。 y 合成节距： y = y1y2,叠绕元件在电枢上的连接,波绕元件在电枢上的连接,2. 单叠绕组,2. 单叠绕组,电动机,发电机,结论： 整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,1 2 3 5 6 8 9 11 12
4、 1,单叠绕组的展开图,n,Z = p = = y1 = y2 = y =,12 2 3 3 2 1,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1,单叠绕组的展开图,结论： 每个主磁极下的元件串联成一条支路； 绕组的并联支路对数等于极对数，即 a = 2= p。,n,单叠绕组的展开图,1 2 3 5 6 8 9 11 12,n, 电刷的中心线对 着磁极的中心线： 电刷之间的电动 势最大。 被电刷短接的元 件电动势为零。 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。,磁极中心线,几何中心线,电机装配图,1. 额定电压 UN 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。2
5、. 额定电流 IN 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。3. 额定功率 PN 发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值(UN INN ) 。 4. 额定转速 nN,三、直流电机的额定值,5. 额定励磁电压 UfN6. 额定励磁电流 IfN 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。,四、直流电机的励磁方式,他励,并励,串励,复励,1. 直流电动机按励磁方式分类,2. 直流发电机按励磁方式分类,分为他励和自励。,他励,串励（自励）,并励（自励）
6、,复励（自励）,2.3 直流电机的磁场和电枢反应,空载时电枢电流可忽略不计。 空载磁场由主磁极的励磁磁 动势单独作用产生。 空载时磁场轴线与磁极轴线 相重合。 几何中性线： 相邻两主极之间的中心线。 该处的径向磁通密度为零。,磁场轴线 磁极轴线,几何 中性线,几何 中性线,一、直流电机的空载磁场,二、负载时的电枢磁动势,几何中性线,Fa,消耗在 x 点处每个气隙上的电枢磁动势为, ia 导体的电流； N 电枢总导体数； Da 电枢的直径。, 电枢表面单位长度上的安培导体数， 称为电枢的线负荷。,= Ax,在几何中性线处 (x = /2) 的电枢磁动势为,电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为, 等效气
7、隙长度。,Ba(x) = 0Ha(x),三、直流电机的电枢反应,负载时电机中磁场： 由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。 电枢反应： 电枢磁动势对主极磁场的影响。,电枢反应,Ba,B, 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。,几何中性线,物理 中性线,电枢反应的结果, 气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用： 电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。 磁路不饱和时，每极下的磁通量不变； 磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。 物理中性线偏离了几何中性线： 对发电机：顺着电枢旋转方向偏移； 对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。,四、电枢反应对换向的影响及改善措施,1. 电枢反
8、应对换向的影响 处在几何中性线处的换向元件的 e0，使换 向发生困难。 气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀； 当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限 度，将产生电位差火花； 而且随着电弧的拉长可能出现环火。, 电刷是与处在几何中性线处的元件所连接 的换向片接触的。,2. 换向的基本概念,2ia,2ia,2ia,换向元件中电流的变化,直线换向,延迟换向和超前换向, 直线换向 延迟换向 如果换向元件中的感应电动势大于零，产生延迟换向。 超前换向 如果换向元件中的感应电动势小于零，产生超前换向。,换向不良的影响, 会在换向器和电刷间产生火花； 火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器； 火花会产生
9、电磁波，对无线通信造成干扰。,3. 改善换向的方法,(1) 加装换向磁极 (2) 移动电刷,换向极,2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩,1. 感应电动势的产生 电枢旋转 n 磁 场 2. 感应电动势的大小(1) 每根导体的感应电动势 ex = Bxlv 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。,一、直流电机的感应电动势,ex,ex,E,B,(2) 电枢电动势的大小 设电枢总导体数为 N，则每条支路的导体为 ，故,平均气隙磁密,= CE n,每极下的磁通,E = CE n CE 电动势常数。,(V),3. 感应电动势的方向和性质 方向：由 和 n 共同
10、决定。 性质：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,1. 电磁转矩的产生 电枢电流 ia 磁 场 ,F Te,2. 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 fav = Bavlia ia 导体中的电流 。 每根导体受到的平均电磁转矩为,电枢直径为： 电枢电流与支路电流的关系为： 则,(Nm),Te = CT Ia, CT 转矩常数。,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，Te 与 n 方向相反。 电动机为拖动转矩，Te 与 n 方向相同。 4. 电动势常数和转矩常数
11、的关系,因为,则,2.5 直流电动机的运行分析,一、直流电动机的基本方程,1. 电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If电枢电路： Ua = ERaIa, Ra 电枢绕组总电阻，包括电刷的接触电阻。,Te = TL = T0T2,2. 转矩平衡方程, T0 空载转矩，是由电动机的机械摩擦损耗及铁损 引起的总转矩； T2 输出转矩，即生产机械的制动转矩； TL负载转矩，它是电动机的空载转矩 T0 与生产 机械的转矩 T2 的总称。,(1) 输入功率 P1 P1 = U I = UaIa (2) 电枢铜损耗 PCua PCua = Ra Ia2 (3) 电磁功率 Pe Pe = P1 PC
12、ua 推导： U I = UaIa = ( ERa Ia ) Ia,Pe = EIa,3. 电磁功率与功率平衡方程,Pe = EIa = CE n Ia,= Te,= E IaRa Ia2,(4) 空载损耗 P0 P0 = PFePfwPad,结论： 电动机将电枢吸收的电功率 EIa 转换成了机械 功率 Te ，故称 EIa 和 Te 为电磁功率。,机械损耗,附加损耗,铁损耗,(5) 输出功率 P2 Te = T0 T2 P2 = T2 = Pe P0,(6) 效率 ,功率流程图,二、直流电动机的工作特性,1. 他励和并励直流电动机的工作特性 工作特性是指当U = UN、If = IfN 时，
13、n、Te 和 与 Ia 的关系。 (1) 转速特性,转速特性,当Ia 时，n 下降不多(硬特性)。,当 If = 0， = r 很小，n 不能突变 E 很小 Te = CTr Ia 仍有一定数值。, Ia , 若 Te TL,n ,(飞车), 若TeTL,n ,n = 0,( 闷车),励磁电路断电的后果,(2) 转矩特性,转矩特性,Te = CT Ia, 若不计磁路饱和，则 TeIa ； 若计及磁路饱和，则 Te 随着 Ia 的增加略有下降。, = f (Ia),(3) 效率特性,效率特性,2. 串励直流电动机的工作特性 工作特性是指当 U = UN 时， n、Te 和 与 Ia 的关系。,I
14、 = Ia = IfU = UaUf = E(RaRf ) Ia,(2) 当 Ia 较大、磁路已饱和时， 常数，,(1) 当 Ia 较小、磁路未饱和时， = kIa,软特性,当Te = 0 时，Ia = If = 0， = r， n0 = (5 6) nN ； 当Te 较小时，Ia 较小，磁路未饱和， Te Ia n 迅速下降； 当Te 较大时，Ia 较大，磁路已饱和， Te Ia 基本不变 n 下降较少。,串励直流电动机的优点, 相同的 Te ， Ia 较小。 对应允许的 Iamax ， Tst 较大，过载能力较强。,串励直流电动机的应用, 特别适用于起重机和电力机车等运输机械。 不能在轻载
15、或空载下运行。 不能用皮带轮传动。,3. 复励电动机,(1) 分为积复励、差复励。(2) 特性介于他励和串励之间。 (3) 特点 有较大的 Tst 。 可以空载和轻载运行。,【例21】 已知某并励直流电动机，PN = 22 kW, UN = 220 V, IN = 115 A, nN = 1500 r/min, 电枢电阻Ra = 0.18 ，励磁电阻 Rf628 。试求：(1) CEN、CTN ； (2) 电磁转矩 Te；(3) 额定输出转矩 T2；(4) 空载转矩T0 ； (5) 理想空载转速 n0 与实际空载转速 n0 。 解：(1),2.6 直流发电机的运行分析,一、直流发电机的基本方程
16、,励 磁 Uf If ,n,原动机,电枢,Ua,1. 电压平衡方程,Uf = Rf If Ua = ERaIa,调节Rf,If 可调, 可调,E 可调, Ua可调。,2. 转矩平衡方程 T1 = TeT0,3. 功率平衡方程,T1 = Te T0 P1 = PeP0 Pe = EIa Pe = P2PCua P0 = PFePfwPad,功率流程图,输入功率 P1： 电磁功率 Pe ： 空载损耗 P0 :,P1 = P2PCuaP0,【例22】 一台并励直流发电机 PN = 46 kW，UN = 115 V, nN =1500 r/min, 电枢电阻 Ra= 0.01 ，励磁电阻 Rf20 ，
17、把此发电机当电动机运行，所加电源电压UN = 110 V，保持电动机电枢电流和发电机时一样，不考虑磁路的饱和影响，求电动机的转速和电磁转矩。 解：(1) 发电机的电枢电流为,发电机的常数为,电动机励磁电流为 (用下标M表示电动机),当不考虑磁路的饱和时，电动机的常数为,电动机的转速为,电动机的电磁转矩为,二、他励直流发电机的工作特性,1. 空载特性,当 n = nN、Ia = 0 时： U0 = E = f (If ),Er,剩磁感应 电动势,空载特性,2. 外特性,当 n = nN、If = IfN 时： Ua = f (Ia) = ERa Ia,外特性,当 Ia,RaIaE (电枢反应),
18、电压调整率,( 5% 10% ),当 n = nN，Ua = UaN 时： If = f (Ia),调整特性,3. 调节特性,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，Ua = UaN 时： = f (P2),三、并励直流发电机的自励与外特性,E ？ E ？ 1. 并励直流发电机的自励 (1) 主磁极必须有剩磁r,r,Er,Ifr,EEr, 与r 方向相同,EEr, 与r 方向相反,(2) 励磁电流产生的磁通 必须与剩磁同方向,r,Er,Ifr,EEr, IfIfr, ,E ,当 Rf Rk 时， E Er ， 能够自励。
19、当 Rf = Rk 时， E 不确定，不能自励。 当 Rf Rk 时， EEr，不能自励。,（场阻线）,场阻线的斜率：,RfRk,(3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻,2. 并励直流发电机的外特性,I = IaIfU = Ua = Uf,I Ia,RaIa E (电枢反应),Uf ,Ua ,并励,当 n = nN、If = IfN 时： U = f (Ia) = ERaIa,特点 负载增加时， U 下降较快。 VR 20% 外特性有拐弯现象。,RL I (Ia) U If 下降不多, RL I (Ia) U If （下降较快）, E (较大幅度) U 的下降比 RL的减少得更快,RL U I , RL = 0，U = 0， If = 0, 稳态短路电流 ISC 不大。, =r ，E = Er ISC 较小。,E = CE n U = ERaIa U = RLI,【例23】 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,电枢电动势为,输入功率为,电磁功率为,电磁转矩为,直流电机,直流电容电机,直流电机,更多图片,76,第 2 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,
