第 3 章直流电机

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）电枢反应）电枢反应 3.1 3.1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构 3.2 3.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 3.3 3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 3.4 3.4 电流电机的电磁转矩和电动势电流电机的电磁转矩和电动势 3.5 3.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析 3.6 3.6 直流电

2、动机的功率和转矩直流电动机的功率和转矩 3.7 3.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析 3.8 3.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩 N S 3.1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构 1. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 N S U U 电刷电刷 换向片换向片 直流电机模型直流电机模型 电刷电刷 转轴转轴 换向片换向片 直流电机模型直流电机模型 转向转向 电流方向电流方向 换向片换向片 线圈线圈 磁极磁极 直流直流 电流电流 交流交流 电流电流 电磁转矩电磁转矩 (拖动转矩拖动转矩) 换向换向 机械机械 负载负载 旋转旋转 电磁关系电磁关系

3、N S 2. 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 N S E E 输出输出 直流电直流电 换向换向 原动机原动机感应电动感应电动 势、电流势、电流 电磁转矩电磁转矩 （阻转矩）（阻转矩） 做功做功 电磁电磁 关系关系 1.直流电机的工作原理 图3-1表示一台最简单的两极直流电机模型， 它的固定部分(定子)上，装有一对用直流励磁的 主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢。 定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装有由A 和X两根导体连接而成的电枢线圈，线圈的首端 和末端分别接到两个圆弧形的铜片K1和K2，此铜 片称为换向片，换向片之间互相绝缘。由换向片 构成的整体称为换向器，换向器固定在转

4、轴上。 换向器上放置着一对静止不动的电刷B1和B2，电 枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接 通。 1.直流电机的工作原理 1.直流电机的工作原理 图3-2气隙磁场的分布波形 1.直流电机的工作原理 1.直流电机的工作原理 图3-4电枢上装有6个 线圈(11到66)的情况 图3-5每条支路有3个串联线圈时， 电刷上的电动势波形 电动势脉动的减小电动势脉动的减小 *实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定 角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动 轴承 机座 转子电枢 主磁极 电刷 换向器 接线盒 转子轴 端盖 直流电机的结

5、构直流电机的结构 3. 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 主磁极主磁极 换向磁极换向磁极 机座机座 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。 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

6、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。 M 4. 励磁方式励磁方式 If + Ua Ia + Uf 他他 励励 并并 励励 串串 励励 复复 励励 (1) 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 + U IIf Ia M + U IIa M IaIf+ U I G (2) 直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类 自自 励励 G Ia + Ua 他他 励励 串串 励励 复复 励励 并并 励励 Ia+ U If I GG IfIa+ U I + U IfI Ia If + Uf 1 1）额定容量（额定功率）额定容量（额定功

7、率）P PN N 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率， 以 “W” 为量纲单位。 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据， 规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情额定运行情 况况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额 定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它 是正确合理使用电机的依据。 直流电机的额定值主要有下列四项： 2 2）额定电压）额定电压U UN N 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3 3）额定电流）额定电流I IN N 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 4 4）额定转速）

8、额定转速n nN N 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PNUNINN 对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电 压和额定电流的乘积。 PNUNIN 3.2 直流电机的电枢绕组 1、直流电枢绕组的构成 l 组成绕组的基本单元称为组成绕组的基本单元称为元件元件。 元件有单匝的，也有多匝的。一元件有单匝的，也有多匝的。一 个元件由两个元件边和端接线组个元件由两个元件边和端接线组 成。元件边置于槽内称为成。元件边置于槽内称为有效边有效边， 端接线端接线置于铁心外，不切割磁场，置于铁心外，不切割磁场， 仅起到连接作用。仅起到连接作用。

9、 上元件边 下元件边 后端接 前端接 电枢绕组是电机能量转换的枢纽。电枢绕组是电机能量转换的枢纽。 构成原则：产生足够的感生电势；允许一定的电流；构成原则：产生足够的感生电势；允许一定的电流； 结构简单，运行可靠。结构简单，运行可靠。 电枢绕组元件 两匝元件单匝元件 叠绕组元件波绕组元件 l元件的一条有效边放在槽的上部，另一条有效边放在另一槽元件的一条有效边放在槽的上部，另一条有效边放在另一槽 底部，每一槽内有上层和下层两个元件边构成底部，每一槽内有上层和下层两个元件边构成双层绕组双层绕组。元件元件 首尾首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕组通过按一定规律接到不同的换向器片上，最后

10、使整个绕组通过 换向片连接成一个闭合回路。换向片连接成一个闭合回路。 因为每一个元件有两个元件边， 而每一换向片连接一个元件的 始端和另一个元件的末端；又 因为每一个虚槽包含着两个元 件边，所以绕组的元件数绕组的元件数S S、换、换 向片数向片数K K和虚槽数和虚槽数Z Zi i三者应相等，三者应相等， 即即S=K=ZS=K=Zi i=uZ =uZ 为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽” 的概念。 设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽看作包含有u个 “虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表 示u=3时，元件边的布置情况。 若实槽数为Z，虚槽数为Zi， 则Zi=uZ 2

11、、直流电枢绕组的节距 电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。 （1）第一节距）第一节距y1 一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称 为第一节距，用为第一节距，用y1表示。表示。 为得到较大的感应电动势和电磁转矩，第一节距应等于为得到较大的感应电动势和电磁转矩，第一节距应等于 或接近一个极距。或接近一个极距。 上元件边 下元件边 后端接 前端接 y1 y2 12 1 5 2 6 2 a D p 2 i Z p 极距极距 NSNS 1234 5 （2）第二节距）第二节距y2 相串联的两个元件

12、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。也用虚槽数计算。 56 y1 y2 12 1 5 2 6 相串联的两个元件的对应边之间的距离称为合成节距，用 虚槽数表示。 合成节距表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或 后退了多少个虚槽，它是反映不同形式绕组的一个重要标 志。 单叠绕组单叠绕组 y=y1-y2 单波绕组单波绕组 y=y1+y2 y1 y2 12 1 5 2 6 一个元件的两个出线端所联接的换向片之间的

13、距离称为换换 向器节距向器节距，以换向片数表示。 由于元件数等于换向片数，因此元件边在电枢表面前进 （或后退）多少个虚槽，其出线端在换向器上也必然前进 （或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成换向器节距必然等于合成 节距节距，即： y yk k = y = y 叠绕组：叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在 前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：波绕组：指把相隔约为一对极距的指把相隔约为一对极距的同极性同极性磁场下的相应元件串磁场下的相应元件串 联起来，象波浪式的前进

14、。联起来，象波浪式的前进。 波绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图叠绕组示意图 电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向 节距均为1，即：y=yc=1。 单叠绕组的展开图 是把放在铁心槽里、 构成绕组的所有元 件取出来画在一张 图里，展示元件相 互间的电气连接关 系及主磁极、换向 片、电刷间的相对 位置关系。 3、直流电枢绕组展开图 123 1516 12345678910111213141615 45678910121314 15161514 电枢转向 SNNSS 下下层层元元件件边边 上上层层元元件件边边 y1 y y y2 1

15、2345678910111213141615 67891011121314161512345 1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。 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

16、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 23 4 76 1011 12 1415 A1A2B1 B2 1 15 8 9 5 4 13 9 12 8 1 5 1a 下层元件边下层元件边 上层元件边上层元件边 y1 y y y2 1234568910111213 6 78 9101112131415 1 2345 1闭合闭合 15714 单波绕组单波绕组 单波绕组的特点：单波绕组的特点： 1 1）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支 路，并联支路路，并联支路对数对数恒等于恒等于1 1，与磁极，与磁

17、极对数对数无关；无关； 2 2）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对 准主磁极中心线时，支路电动势最大；准主磁极中心线时，支路电动势最大； 3 3）电刷数等于磁极数（）电刷数等于磁极数（全额电刷全额电刷）。）。 4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势； 5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少并联支路对数的多少。 单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低单叠绕组可以通过

18、增加极对数来增加并联支路对数。适用于低 电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数a=1a=1，但每条支路，但每条支路 串联的元件数较多，适用于小电流较高电压的电机。串联的元件数较多，适用于小电流较高电压的电机。 单波绕组单波绕组 1、直流电机的空载磁场 空载时的气隙磁密为一平顶波 空载时主磁极磁通的分布情况 x B （b b）气隙磁密分布）气隙磁密分布 3.3 直流电机的磁场及电枢反应直流电机的磁场及电枢反应 （a a）主磁通与漏磁通）主磁通与漏磁通 直轴直轴 交轴交轴 2、直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组中直流电机带上负载后，电枢

19、绕组中 有电流，电枢电流产生的磁动势称为有电流，电枢电流产生的磁动势称为 电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电 机的磁场发生变化。机的磁场发生变化。 假设励磁电流为零，只有电枢电流。假设励磁电流为零，只有电枢电流。 由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场 在空间的分布情况，电枢磁动势为交在空间的分布情况，电枢磁动势为交 轴磁动势。轴磁动势。 3、直流电机的合成磁场及电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，当励磁绕组中有励磁电流， 电机带上负载后，气隙中的电机带上负载后，气隙中的 磁场是励磁磁动势与电枢磁磁场是励磁磁动势与电枢磁 动势共同作用的结果

20、。电枢动势共同作用的结果。电枢 反应与电刷的位置有关。反应与电刷的位置有关。 (1)当电刷在几何中性线上当电刷在几何中性线上 时，将主磁场分布和电枢磁时，将主磁场分布和电枢磁 场分布叠加，可得到负载后场分布叠加，可得到负载后 电机的磁场分布情况，如图电机的磁场分布情况，如图 （a）所示。）所示。 电枢反应：电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。电枢磁通势对主极磁场的影响。 x B 0 ax B x B 主磁场的主磁场的 磁通密度磁通密度 分布曲线分布曲线 电枢磁场磁通电枢磁场磁通 密度分布曲线密度分布曲线 两条曲线逐点叠加后两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场得到负载时气隙磁场 的磁通密度分

21、布曲线的磁通密度分布曲线 N S 几何几何 中心线中心线 N S 励磁磁场励磁磁场 （空载磁场）（空载磁场） 物理物理 中心线中心线 电枢磁场电枢磁场合成磁场合成磁场 （负载时的磁场）（负载时的磁场） 物理物理 中性线中性线 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

22、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，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

23、在几何中性线时的电枢反应的特点： (2)(2)当电刷不在几何中性线上时当电刷不在几何中性线上时 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。 顺电枢转向移刷逆电枢转向移刷 发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁 电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁 N S U 3.4 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 N S U 一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动

24、势 1.电枢绕组的感应电动势 图3-27气隙磁场分布和导体感应 电动势和电磁力的计算 空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场 B l 极距极距 R 平均磁密：平均磁密： B = l (1) 产生产生 电枢旋转电枢旋转 n 磁磁 场场 (2) 大小大小 l 每个导体：每个导体：e = B l v l 导体切割磁场的线速度：导体切割磁场的线速度： l 电动势：电动势： E = N1e ee E v = n 2 R 60 =N1B l v = N1 l n 2p 60 l = n 2p 60 = n 2pN 60*2a 注意注意：N N1 1为串联支路的总导体数，而电枢总导体数为串联支路的总导

25、体数，而电枢总导体数 N=NN=N1 1* *2a2a E = CE n CE 电动势常数：电动势常数： CE = pN 60a 单位：单位：Wb 单位：单位：r/min (V) (3) 方向：方向： 由由 和和 n 共同决定。共同决定。 (4) 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 F T (2) 大小大小 l 电磁力：电磁力： F = B l i l 平均磁密：平均磁密： l 每根导线上电磁力所每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩：形成的电磁

26、转矩： FR B = l B l 极距极距 R R l电枢绕组总导体数电枢绕组总导体数: N l电枢绕组串联支路总导体数：电枢绕组串联支路总导体数： N1=N/ 2a l 电枢绕组并联支路数：电枢绕组并联支路数：2a l电枢的周长：电枢的周长： 2 R = 2p l 电磁转矩：电磁转矩： T = NFR = N B l i p =N l i p l =N i p = 2ai pN 2a 电枢电流电枢电流 Ia (2) 大小大小 T = CT Ia CT 转矩常数：转矩常数： (3) 方向方向 由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。 (4) 性质性质 CT = pN 2a 单位：单位：Wb 单位

27、：单位：A (Nm) CT CE = 60 2 = 9.55 CT = 9.55 CE CT = pN 2a CE = pN 60a 3.5 直流电机基本方程直流电机基本方程 基本方程：电压方程，转矩方程，功率方程 1、他励直流电机 2 aabaaa UEI RUEI R UE a 他励电动机 电枢电流与线路电流相等： a II 电压方程： 电枢绕组内阻电枢绕组内阻 电枢回路电枢回路 总电阻总电阻 U a E M a I em Tn f I f U I *电动机惯例：以输入电流 作为电枢电流正方向，Ia与 Ea方向相反 2 aabaa EUI RUUI R a EU 他励发电机 电枢电流与线路

28、电流相等： a II 电压方程： 电枢绕组内阻电枢绕组内阻 电枢回路电枢回路 总电阻总电阻 a E M U a I em Tn f I f U I 电机向负载供电，电枢感应电势Ea作为 电源电势必定大于端电压U，采用发电机 惯例。 *发电机惯例：以输出电流 作为电枢电流正方向，Ia与 Ea方向相同 2、并励直流电机 a E M a I em Tn f I f U I U 2 aabaaa UEI RUEI R UE a 并励电动机 电枢电流与线路电流： af III 电压方程： 2 aabaa EUI RUUI R a EU 并励发电机 励磁电流由电枢供给： af II I 电压方程： M 1

29、 T 0 T e T n 电动机电动机 发电机发电机 N S n e T N S n e T M e T 0 T 2 T n 20e TTT 1、电动机转矩平衡方程 10e TTT 2、发电机转矩平衡方程 Te为电磁转矩，T2为输出的负 载机械转矩，T0为空载转矩。 T1为原动机动力转矩，Te为电 磁转矩，T0为空载转矩。 M e T 0 T 2 T n 电动机电动机 电磁功率： eaa PE I 60 aaa pN E In I a 2 60 n 转子机械角速度： 则有： ea ae PE IT 9.55 ee e PP T n 22 2 9.55 PP T n 9.55 NN N N PP

30、 T n 2 60 2 a n pN I a Ta CI e T 1.他励电动机功率平衡方程 输入功率：P1=UI 1eCua PPp电枢回路功率平衡方程: 2 () emecFead PPppp 0mecFead pppp 20e PPp 输出功率平衡方程: 空载损耗 12 PPp功率平衡方程: CuamecFead ppppp 他励电动机总损耗 2. 直流发电机的功率（并励）直流发电机的功率（并励） (1) 输入功率输入功率 P1 : (2) 空载损耗空载损耗 p0 : (3) 电磁功率电磁功率 Pe : (4) 铜损耗铜损耗 pCu : (5) 输出功率输出功率 P2 : P1 = T1

31、 p0 = pFepmecpad Pe= P1 p0 = T = Ea Ia pCu = Ra Ia2Rf If2 P2 = U I = Pe pCu 2 60 = T1n (6) 效率效率 = 100% P2 P1 P1 pmec+ pad pFe Pe pCu P2 功率流程图功率流程图 小型发电机：小型发电机： N = 70% 85% 中大型发电机：中大型发电机： N = 91% 96% 发电机功率平衡方程式：发电机功率平衡方程式： P1= P2+ p p= pCua + pCufpmec + pFe pad 一一. 并励直流发电机并励直流发电机 3.6 直流发电机及运行直流发电机及运行

32、 并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在 励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电 机建立电压的过程称为机建立电压的过程称为自励过程自励过程，满足建压的条件称为，满足建压的条件称为自励条自励条 件件。 M Ia + U0 If E + - rf rj A I V A RL n 定子铁心 RL B 定子铁心 转子电枢 u定子采用 永磁体励磁 N S Ia Ia Ia n 定子铁心 RL 0r 定子铁心 转子电枢 u定子采用电 流励磁绕组 N SEa Ea u定子铁

33、心有 剩磁, 向上 u空载 u转子顺转 a u剩磁通和励磁 电流磁通方向相 同，正反馈 n 定子铁心 RL 0r 定子铁心 转子电枢 u定子采用电 流励磁绕组 N SEa Ea u定子铁心有 剩磁, 向上 u空载 u转子逆转 a u剩磁通和励磁 电流磁通方向相 反，负反馈 并励发电机自励条件并励发电机自励条件 E Ua G If Ia I E ? E ? 主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r ： rErIfr EEr 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

34、If 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 = E RaRf O If E Er Q IfrIf1If2If 场阻线：场阻线： 场阻线的斜率：场阻线的斜率： = RaRftan = E If O If E Er Rf =Rk Rf Rk RfRk G Ia+ Ua If+ Uf 二、直流发电机的运行

35、分析二、直流发电机的运行分析 1. 他励发电机他励发电机 外电源外电源Uf If E n原动机原动机电枢电枢 Ua (1) 空载运行空载运行 励磁电路：励磁电路：If = Uf Rf 励磁电路励磁电路 总电阻总电阻 电枢电路：电枢电路： Ia = 0， Ua = U0 = E 调节调节Rf If 可变可变 可变可变 E 可变可变 Ua可变。可变。 E U0 = E = f (If ) 空载特性空载特性 O If U0 Er 剩磁感应剩磁感应 电动势电动势 (2) 负载运行负载运行 输出电压输出电压: U = Ua 输出电流输出电流: I = Ia 电压平衡方程式电压平衡方程式 U = Ua =

36、 ERa Ia 当当 Ia Ra Ia E (电枢反应电枢反应) Ua n = nN Ia = 0 空载特性空载特性 当当n、I为常值，发电机端电压为常值，发电机端电压 U与励磁电流的关系，称为发与励磁电流的关系，称为发 电机的负载特性。电机的负载特性。 O If U n =C I= C If1 U0 负载特性负载特性 U=f(If) 电压调整率电压调整率 VR = U0UN UN 100% ( 5% 10% ) 调节特性调节特性 当当 n = nN，U = UN 时：时： If = f ( I ) O I If IfN IN 调节特性调节特性 外特性外特性 U = f (I ) n = nN

37、 If = 常数常数 O I U n = nN If = IfN IN UN U0 外特性外特性 【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 900 1 000 E = E U0 = E = UaRa IaN = (230 0.443.5) V = 247 V 在在 保持不

38、变时，保持不变时， E n 10103 230 = A = 43.5 A PN Ua IaN = 900 1 000 = 247 V = 222 V U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V 2、并励发电机运行分析、并励发电机运行分析 I = Ia If U = Ua = Uf Ua = E RaIa I Ia RaIa E ( (电枢反应电枢反应) ) Uf Ua 外特性外特性 U = f ( I ) E Ua G If Ia I n = nN Rf = 常数常数 O I U U0 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

39、 20% 外特性有拐弯现象。外特性有拐弯现象。 O I U U0 他励他励 并励并励 IN UN RL 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 / RL RL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。较小。 稳态短路电流不大。稳态短路电流不大。 P2 = UI = 230100 W = 23 000 W Ia = IIf = (1002) A =102 A PCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2 102211522 ) W =

40、 2 540.8 W Pe = P2PCu = 25 540.8 W 【例例】 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 = 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： 230 115 = A = 2 A U Rf If = P0 = T0n 2 60 = 17.321 500 W 2 60 = 2 719.24 W P1 = PeP0 = (2

41、5 540.8 2 719.24) W = 28 260 W = 100% P2 P1 = 100% = 81.39% 23 000 28 260 M 3.7 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析 1. 他励电动机他励电动机 励磁电压励磁电压 Uf If 电枢电压电枢电压 Ua Ia T n 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 + Ua IaIf + Uf 稳态电枢电流稳态电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia 例如：例如：负载不变负载

42、不变 ( T 不变不变)，Ua (Ra) 变化时，变化时， Ia 变化否（设变化否（设 不变）？不变）？ Ua (或或Ra ) 瞬间瞬间 n 不变不变 E 不变不变 Ia T TTL E n Ia T T = TLIa不变不变 结论：结论：Ia 的大小取决于负载的大小。的大小取决于负载的大小。 当当 Ia= = IaN 时为满载，当时为满载，当 IaIaN 时为过载。时为过载。 规定短时过载的最大电枢电流：规定短时过载的最大电枢电流： Iamax =( (1.5 2) )IaN =MC IaN 机械特性机械特性 E CE n = UaRa Ia CE = Ua CE = Ra CECT2 T

43、(2) 转速转速 O n T n0 当当T 时，时， n 下降不多下降不多 硬特性硬特性。 励磁电路断电的后果励磁电路断电的后果 当当 If = 0， =r 很小，很小， n 不能突变，不能突变，E 很小很小 T = CTr Ia 仍有一定数值。仍有一定数值。 Ia 若若 T TL n 飞车！飞车！ T TL n n = 0 闷车！闷车！ (3) 转向转向 取决于电磁转矩取决于电磁转矩 T 的方向。的方向。 T 的方向取决于的方向取决于 和和 Ia 的方向。的方向。 M + Ua IaIf + Uf M + Ua Ia If Uf + M Ua +Ia If+ Uf 磁磁 场场 反反 向向 电

44、电 枢枢 反反 向向 2. 并励电动机并励电动机 并励与他励的区别并励与他励的区别: (1) 输入电压输入电压 U = Ua = Uf (2) 输入电流输入电流 I = Ia + If (3) 输入功率输入功率 P1 = UI = UIa + UIf M Ia + U IIf 【例例】 某并励直流电动机，某并励直流电动机，UN = 220 V，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) T 。 解：解： (1) 励

45、磁电流励磁电流 If Uf Rf If = 220 628 = 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 = (220 0.4112.15) V = 215 V CT = 9.55 CE = 0.685 T = CT Ia = 0.685 12.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩电磁转矩 CE = E nN 215 3 000 = = 0.071 7 E 3. 串励电动机串励电动机 Ua Uf M + U I If Ia (1) 电压电压 U = Ua + U