电机及拖动第1章 直流电机

1、第一章第一章 直直 流流 电电 机机直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构直流电机的磁场直流电机的磁场直流电机的运行分析直流电机的运行分析直流电机的用途直流电机的用途直流发电机：将机械能转变为直流电能直流发电机：将机械能转变为直流电能 主要用于直流电动机和交流发电机的励磁直流源主要用于直流电动机和交流发电机的励磁直流源 直流电动机：将直流电能转变为机械能直流电动机：将直流电能转变为机械能 主要优点：调速范围广，易于平滑调速；主要优点：调速范围广，易于平滑调速； 启动、制动和过载转矩大；启动、制动和过载转矩大； 易于控制，可靠性高。易于控制，可靠性高。 主要用于对调速要求较高的

2、生产机械上，如电车、主要用于对调速要求较高的生产机械上，如电车、轧钢机、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。轧钢机、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。第一节第一节 直流电机基本工作原理和结构直流电机基本工作原理和结构v基本工作原理基本工作原理v主要结构主要结构v电枢绕组电枢绕组一、直流电机的基本工作原理一、直流电机的基本工作原理在直流电动机和直流发电机运行在直流电动机和直流发电机运行时，都会产生电磁转矩，但二者时，都会产生电磁转矩，但二者性质有何不同？性质有何不同？在直流电机的绕组线圈中流动的在直流电机的绕组线圈中流动的是直流电还是交流电是直流电还是交流电?直流电动机绕组线圈中是否有感直流电

3、动机绕组线圈中是否有感应电势，方向如何？应电势，方向如何？ 建立建立磁场磁场 产生电磁力的条件产生电磁力的条件 载流载流导体导体 产生电磁力产生电磁力 线圈线圈运动运动 对外输出机械功对外输出机械功 换向器和电刷换向器和电刷 换流，产生持续电磁力换流，产生持续电磁力l直流发电机直流发电机 建立建立磁场磁场 产生感应电势的条件产生感应电势的条件 导体运动导体运动 产生感应电势产生感应电势 负载负载 对外输出电能对外输出电能 换向器和电刷换向器和电刷 整流，产生直流电势整流，产生直流电势l直流电动机直流电动机二二 直流电机结构组成直流电机结构组成直流电机的主要结构直流电机的主要结构定子部分定子部分

4、: : 主磁极主磁极 换向极换向极 电刷装置电刷装置 机座机座转子部分转子部分: : 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢绕组的缠绕要求：电枢绕组的缠绕要求： 产生足够大的感应电动势及电磁转矩；产生足够大的感应电动势及电磁转矩； 所需有效材料（导线、绝缘材料）最少；所需有效材料（导线、绝缘材料）最少； 结构简单，下线方便结构简单，下线方便电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合电机电枢绕组是一个通过换向片连接起来的闭合绕组绕组 直流电机电枢绕组构成原则直流电机电枢绕组构成原则电刷的中心线位置与主磁极轴线相重合，且相同磁极所对应电刷的中心线

5、位置与主磁极轴线相重合，且相同磁极所对应的电刷极性相同。的电刷极性相同。1 1 极距：极距：pz2z：电枢总槽数电枢总槽数p：极对数极对数2 2 第一节距第一节距（线圈的跨距）：线圈的跨距）：整数pzy213 3 换向器节距换向器节距 yk：4 4 合成节距合成节距y ：电枢绕组的几个基本概念电枢绕组的几个基本概念单迭绕组元件单迭绕组元件电枢绕组的基本形式电枢绕组的基本形式单迭绕组单迭绕组某直流电机的单迭绕组，极对数某直流电机的单迭绕组，极对数p2 2，槽数槽数z、元件数元件数s及及换向片数换向片数k为为zsk1616。电刷数等于主磁数电刷数等于主磁数单迭绕组的电路图单迭绕组的电路图并联支路对

6、数并联支路对数ap电枢电流电枢电流IaaaaiI2直流电机的铭牌数据（额定值）直流电机的铭牌数据（额定值）额定容量（功率）额定容量（功率）P PN N(kW)(kW) 发电机：电刷端的输出电功率发电机：电刷端的输出电功率P PN N=U=UN NI IN N 电动机：电机转轴上输出的机械功率电动机：电机转轴上输出的机械功率P PN N=U=UN NI IN NN N额定电压额定电压U UN N（V V）额定电流额定电流I IN N（A A）额定转速额定转速n nN N（r/minr/min）励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流I IfNfN （A A ）额定转矩额定转矩NNNNNnkW

7、PPT)(95502额定，过载（电机实际电流大于额定）、欠载额定，过载（电机实际电流大于额定）、欠载第二节第二节 直流电机的磁场直流电机的磁场v直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式v直流电机空载时磁场直流电机空载时磁场v直流电机负载时磁场直流电机负载时磁场直流电机直流电机空载空载：电枢电流等于零或很小，可不计其：电枢电流等于零或很小，可不计其影响的一种运行状态。影响的一种运行状态。直流电动机直流电动机 无机械功率输出无机械功率输出直流发电机直流发电机 无电功率输出无电功率输出（a a）他励）他励（b b）并励）并励（c c）串励）串励（d d）复励）复励励磁方式励磁方式二二 直流电机的空载磁场

8、直流电机的空载磁场1 1 空载磁场：指电枢电流等于零或者很小时，由主磁极的励空载磁场：指电枢电流等于零或者很小时，由主磁极的励磁电流单独建立的磁场，又称励磁磁场。磁电流单独建立的磁场，又称励磁磁场。 0：每极每极主磁通主磁通 ：漏磁通漏磁通00m四极直流电机空载磁场分布四极直流电机空载磁场分布直流电机的磁场直流电机的磁场2 2 气隙磁密分布气隙磁密分布fFB00气隙中主磁场磁通密度的分布气隙中主磁场磁通密度的分布电机的磁化曲线电机的磁化曲线fffNIF )(0fIf每极磁通与电机励磁方式无关，仅与电机尺寸及材料有关！每极磁通与电机励磁方式无关，仅与电机尺寸及材料有关！电枢反应：电枢磁动势对气隙

9、磁场的影响。电枢反应：电枢磁动势对气隙磁场的影响。电枢磁场电枢磁场三三 直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场fFB00 xB0axBxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线电枢反应电枢反应直流电机的磁场直流电机的磁场电枢反应的去磁作用使每极磁通电枢反应的去磁作用使每极磁通 减少减少. .第三节第三节 直流电机的运行分析直流电机的运行分析直流电机的三个基本物理量直流电机的三个基本物理量直流电机的运行原理直流电机的运行原理一一 直流电机的三个基本物理量直流电机的三个基本物理量1 1 电枢电动势电枢电动势Ea定义：从一对正负电刷之

10、间引出的直流电动势，记为定义：从一对正负电刷之间引出的直流电动势，记为Ea。结论：结论：1 1 Ea与与 、n成正比。成正比。若若 不变，不变，n n 则则Ea ；若若n n不变，不变， 则则Ea 。2 2 Ea与每极下磁密分布无关。与每极下磁密分布无关。nCEea电动势常数电动势常数apNCe60单迭：单迭：ap单波：单波：a12 2、电磁转矩、电磁转矩T定义：电枢上所有导体所产生的转矩之和。定义：电枢上所有导体所产生的转矩之和。aMICT转矩常数转矩常数apNCM2结论：结论：1 1 T与与 、Ia成正比。成正比。2 2 Ce与与CM每决定于电机每决定于电机的结构数据，且的结构数据，且55

11、. 9eMCC3 3、电磁功率、电磁功率PM定义：电枢绕组感应电动势定义：电枢绕组感应电动势Ea与电枢电流与电枢电流Ia的乘积。的乘积。TIEPaaM结论：结论：电动机：电枢从电源吸收的电功率通过电磁感应转换电动机：电枢从电源吸收的电功率通过电磁感应转换为轴上的机械功率。为轴上的机械功率。发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率通过电磁感应在电枢回路中得到电功率。功率通过电磁感应在电枢回路中得到电功率。思考题：思考题：1 保持电机转速和励磁电流不变，直流电机空载时的电枢电保持电机转速和励磁电流不变，直流电机空载时的电枢电动势与负载时的电枢

12、电动势是否相同？为什么？动势与负载时的电枢电动势是否相同？为什么？他励直流电动机运行在额定状态，如果负载为恒转矩负他励直流电动机运行在额定状态，如果负载为恒转矩负载，减少磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？载，减少磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？为什么？什么？2一台直流电机的极对数一台直流电机的极对数p3，单迭绕组，电枢总导体数，单迭绕组，电枢总导体数N398，气隙每极磁通，气隙每极磁通 2.1 10-2Wb，当转速分别为，当转速分别为1500r/min和和500r/min时，求电枢感应电动势的大

13、小。若时，求电枢感应电动势的大小。若电枢电流电枢电流Ia=10A，磁通不变，电磁转矩是多大？，磁通不变，电磁转矩是多大？运动方程式：运动方程式：电气系统电气系统电动势平衡方程电动势平衡方程机械系统机械系统转矩平衡方程转矩平衡方程机电能量转换机电能量转换功率平衡方程功率平衡方程直流电动机惯例直流电动机惯例直流电动机惯例：直流电动机惯例：1 1 反电动势反电动势Ea；2 驱动转矩驱动转矩T；3 制动转矩制动转矩T2和和T0三三 直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理1 1 直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程电动势平衡方程电动势平衡方程若电机稳态运行，

14、电枢电流恒定不变。若电机稳态运行，电枢电流恒定不变。)(RRIEUaaanCEeaeaaCRRIUn)(ffffRIrrIU)(励磁回路的电动势方程为：励磁回路的电动势方程为：注：注：电动机：电动机：UEa发电机：发电机：UEa转矩平衡方程转矩平衡方程电动机稳态运行，即以恒定角速度转动。电动机稳态运行，即以恒定角速度转动。zTTTT02T Tz z：总负载转矩总负载转矩aMICTMzaCTI总结：总结：1 1 励磁励磁 不变，不变，Ia与与Tz成正比；成正比；Ia的方向、大小仅由的方向、大小仅由Tz决定。决定。2 2 理想空载理想空载Tz 0 0，则，则Ia 0 0。直流电动机的基本方程直流电

15、动机的基本方程功率平衡方程功率平衡方程并励直流电机从电源输入的电功率为：并励直流电机从电源输入的电功率为：P1 = UI=U(Ia+If)(RRIEUaaafaaaaIUIRRIE)(faaaaIURRIIE)(2CufCuapppP02ppppFe0pPP21电机效率：电机效率：PPPPP2121直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程例：并励电动机铭牌如下：例：并励电动机铭牌如下：已知电枢电阻为已知电枢电阻为0.0780.078 ，试求（忽略电枢反应影响），试求（忽略电枢反应影响）（1 1）电动机的额定输出转矩；）电动机的额定输出转矩；（2 2）在额定电流时的电磁转矩；）在额定电流时的电磁

16、转矩；（3 3）电机的理想空载转速和实际空载转速；）电机的理想空载转速和实际空载转速；（4 4）在总制动转矩不变的情况下，当电枢回路串入）在总制动转矩不变的情况下，当电枢回路串入0.1 0.1 电阻电阻后的稳定转速。后的稳定转速。AIAIrnVUkwPfNNNNN5,255min,/500,440,96练习：一台并励电动机铭牌如下：练习：一台并励电动机铭牌如下：电机带额定负载运行，若总制动转矩不变（忽略空载转矩），电机带额定负载运行，若总制动转矩不变（忽略空载转矩），当电枢回路串入一电阻使电机转速降为当电枢回路串入一电阻使电机转速降为450450r/minr/min，求串入的电求串入的电阻数值

17、，此时电机的输出功率和效率。阻数值，此时电机的输出功率和效率。AIRrnVUkwPfNaNNNN2,08. 0%,85min,/900,110,2 . 7P2 定义：是指在定义：是指在U=UN ， ，电枢电路无外加电电枢电路无外加电阻时阻时, , 转速转速n、电磁转矩电磁转矩T和效率和效率 随输出功率而变随输出功率而变化的关系，即化的关系，即 。fNfII)(2PfTn、在实际运行中，工作特性为在实际运行中，工作特性为 。)(aIfTn、v 他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性转速特性转速特性eaaCRRIUn)(aNeaNeNNeaaNICRCUCRIUn0RUU

18、N N2 2 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性aNeaICRnn0n0：理想空载转速理想空载转速总结：总结：1 1 特性较硬特性较硬。2 2 实际运行中，电机磁路设计比较饱和，实际运行中，电机磁路设计比较饱和， Ia ，电枢反应呈现电枢反应呈现去磁作用，去磁作用， ，则则n n下降更少甚至会上升。下降更少甚至会上升。n0：实际空载转速实际空载转速Ia0转矩特性转矩特性aMaMICICT 他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性效率特性效率特性%10012PP%100)1FefaCufCuaIIUppppp（aaCuaRIp2可变损耗可变损耗ppppRIpCufaaCuaFe2当不变损耗等于可变损耗，即当不变损耗等于可变损耗，即 时，电动机的效率最高。时，电动机的效率最高。221NNNNaIPIUR当电动机被设计为运行于额定状态时效率最高时当电动机被设计为运行于额定状态时效率最高时他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性%1001FeaCufCuaUIppppp串励直流电动机的特点：串励直流电动机的特点： ， 随随Ia变化。变化。af