电机学电子讲稿2010-3直流电机

1、第三章第三章 直流电机直流电机二二一一年年电机学课程讲稿电机学课程讲稿 胡雪松3.1 直流电机概述3.2 直流电枢绕组3.3 直流电机的磁场3.4 感应电势和电磁转矩3.5 直流发电机3.6 直流电动机3.7 电动机的起动、调速和制动第三章 直流电机3.1.1 工作原理3.1.2 基本结构3.1.3 励磁方式3.1.4 额定值3.1 直流电机概述3.1.1.1 直流发电机工作原理3.1.1.2 直流电动机工作原理3.1.1.3 减小脉动的方法3.1.1 工作原理3.1.1.1 直流发电机工作原理磁场中旋转线圈的感应电动势1/23.1.1.1 直流发电机工作原理2/2直流发电机模型及其电刷电动势

2、3.1.1.2 直流电动机工作原理直流电动机模型及其电磁转矩3.1.1.3 减小脉动的方法增加电刷之间串联的线圈数可减小感应电动势和电磁转矩的脉动。当每极下线圈数大于8时，脉动可小于1%。3.1.2 基本结构直流电机解剖模型3.1.3 励磁方式直流电机按励磁方式分类他励式自励式直流发电机并励式串励式复励式直流电动机他励、并励、串励、复励1/63.1.3 励磁方式他励式2/6Ia = = IIf 与 Ia 无关3.1.3 励磁方式并励式3/6发电机Ia = = I + If电动机I = = Ia + If3.1.3 励磁方式串励式4/6Ia = = Is = I3.1.3 励磁方式复励式5/6发

3、电机Ia = = I + IfIs = = I电动机I = = Ia + IfIs = = I3.1.3 励磁方式短复励与长复励6/6短复励发电机Ia = = I + IfIs = = I长复励发电机Ia = = I + IfIs = = Ia3.1.4 额定值铭牌数据1/2额定功率 PN ，W 或 kW额定电压 UN ，V额定电流 IN ，A额定转速 nN ，r/min额定励磁电压 UfN ，V （他励）额定效率N 励磁方式、定额、绝缘等级3.1.4 额定值基本关系2/2发电机NNNIUP 电动机NNNNIUP3.2 直流电枢绕组3.2.1 概述3.2.2 电枢绕组的一般知识3.2.3 单叠

4、绕组3.2.4 单波绕组3.2.1 直流电枢绕组概述电枢绕组的作用1/2电枢绕组是直流电机的核心部分。当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中会产生感应电动势。电动势与电流相互作用，吸收或释放电磁功率。当电枢绕组中有电流时，会产生电枢磁动势，它与气隙磁场作用，又产生电磁转矩。电磁转矩与转速相互作用，释放或吸收机械功率。3.2.1 直流电枢绕组概述直流电枢绕组的分类2/2单叠绕组单波绕组复叠绕组复波绕组混合绕组（蛙绕组）主要区别：从电刷外看进去，电枢绕组联结成了不同数目的并联支路数，以满足不同额定电压和电流的要求。3.2.2 电枢绕组的一般知识1/21)元件（线圈）2)元件边、（前/后）端接3)上、下元

5、件边4)引出线（首端、尾端）5)元件数 S、槽数 Q、换向片数 K6)虚槽、虚槽数Qu = uQ7) S = K = Qu3.2.2 电枢绕组的一般知识2/26)极对数 p7)极距= Qu/2p 或 =Da/2p 8)第一节距 y1=11)第二节距 y212)合成节距 y = y1 + y213)换向器节距 yc = y14)左行、右行绕组3.2.3 单叠绕组联结方式1/4右行绕组 yc = 1左行绕组 yc = -13.2.3 单叠绕组绕组展开图2/43.2.3 单叠绕组电刷的布置与联结3/43.2.3 单叠绕组单叠绕组的特点4/4y2 0yc = y = (K1)/p电刷应放在几何中性线上

6、2 a = = 2电刷组数仅需2组3.3 直流电机的磁场3.3.1 空载磁场3.3.2 电枢反应3.3.1 直流电机的空载磁场磁密分布规律3.3.2.1 电刷在几何中性线3.3.2.2 电刷不在几何中性线3.3.2 电枢反应直流电机电枢绕组中有负载电流时，电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应3.3.2.1 电刷在几何中性线磁动势和磁密波形1/2BOFaxGMSN3.3.2.1 电刷在几何中性线电枢反应特点2/2交轴电枢反应；交轴磁动势 Faq = (A) / 2使气隙磁场发生畸变（相对于空载时），半个极内的磁场被削弱，另半个极内的磁场被增强。物理中性线与几何中性线不再重合，前者沿着电枢转向超

7、于后者一个不大的角度。对发电机，0；对电动机，0。不考虑饱和时，交轴电枢反应既不去磁也不增磁；考虑饱和时有一定的去磁作用。3.3.2.2 电刷不在几何中性线磁动势波形1/23.3.2.2 电刷不在几何中性线电枢反应特点2/2电枢磁动势包含交轴分量Faq = A(/2 -b)和直轴分量Fad = Ab ， b /2 。对直流发电机，电刷顺着转向移动后，直轴电枢反应起去磁作用。对直流电动机，电刷顺着转向移动后，直轴电枢反应起助磁作用。电枢反应性质为“交磁兼去磁”或“交磁兼增磁”。3.4 感应电动势和电磁转矩3.4.1 基本假设3.4.2 感应电动势3.4.3 电磁转矩3.4.1 基本假设不考虑齿、

8、槽的影响电枢绕组导体数目极多，且在电枢表面连续均匀分布电枢绕组为整距绕组电刷位于几何中性线上3.4.2 感应电动势计算公式nCEeaapZCae603.4.3 电磁转矩计算公式aTemICTeaTCapZC3023.5.1 直流发电机的基本方程3.5.2 他励发电机的运行特性3.5.3 并励发电机的特点3.5.4 复励发电机的特点3.5 直流发电机3.5.1 直流发电机的基本方程正方向规定发电机惯例1/8电动机惯例3.5.1 直流发电机的基本方程电压平衡方程式2/8Ra的组成电枢回路所有绕组（电枢绕组、串励绕组、换向极绕组）的电阻之和电刷接触电阻电枢回路外串电阻aaaRIUE3.5.1 直流发

9、电机的基本方程不同励磁方式下的电流关系3/8他励 Ia与If 无关并励 Ia = I + If串励 Ia = I = If短复励 Ia = I + If Is = I长复励 Ia = I + If Is = Ia3.5.1 直流发电机的基本方程电磁功率4/8一方面代表电动势为 Ea 的电源流出电流 Ia 时，所输出的电功率；另一方面代表制动转矩为 Tem 的转子，被外力强迫以角速度旋转时，所消耗的机械功率。emaaemTIEP3.5.1 直流发电机的基本方程功率平衡方程5/8CufCuaemppPP2pppPPFeem13.5.1 直流发电机的基本方程损耗6/8CufCuaCuppp可变损耗p

10、pppFe0不变损耗3.5.1 直流发电机的基本方程功率流图7/83.5.1 直流发电机的基本方程转矩平衡方程8/801pPPem01pPPem01TTTem3.5.2 他励发电机的运行特性空载特性反映磁路性能1/6n = CI = 0U0 = f ( If )O OU0IfUN3.5.2他励发电机的运行特性外特性反映输出电压质量2/6n = C1If = C2U = f ( I )3.5.2他励发电机的运行特性电压调整率3/6%1000NNUUUU3.5.2他励发电机的运行特性调整特性4/6n = C1U = C2If = f ( I )3.5.2他励发电机的运行特性损耗与效率5/6损耗Cu

11、ppp0效率%10012pPp3.5.2他励发电机的运行特性效率特性6/6 n = nN U = UN= f ( P2 )3.5.3 并励发电机的特点自励过程1/3rU0rIfrU0If U0IfG3.5.3 并励发电机的特点自励条件2/33)励磁回路总电阻小于相应的临界电阻1)磁路中有剩磁2)励磁绕组正确联接，以保证励磁磁场方向与剩磁方向一致IfrUrU0OIf3.5.3 并励发电机的特点外特性的特点（与他励相比）3/3当 I 增加时 U 下降得更快出现“拐弯”现象稳态短路时，短路电流不大3.5.4 复励发电机的特点外特性的特点积复励和差复励平复励 U = 0过复励 U 0INUIUNO3.

12、6.1 直流电动机的基本方程3.6.2 并励电动机的运行特性3.6.3 串励电动机的运行特性3.6.4 复励电动机的特点3.6.5 拖动系统稳定性*3.6 直流电动机3.6.1 直流电动机的基本方程正方向规定电动机惯例1/7发电机惯例3.6.1 直流电动机的基本方程电压平衡方程式2/7Ra的组成电枢回路所有绕组（电枢绕组、串励绕组、换向极绕组）的电阻之和电刷接触电阻电枢回路外串电阻aaaRIEU3.6.1 直流电动机的基本方程不同励磁方式下的电流关系3/7他励 Ia 与 If 无关并励 I = Ia + If串励 Ia = I = If短复励 I = Ia + If Is = I长复励 I =

13、 Ia + If Is = Ia3.6.1 直流电动机的基本方程功率平衡方程4/7CufCuaemppPP1pppPPFeem23.6.1 直流电动机的基本方程损耗5/7CufCuaCuppp可变损耗ppppFe0不变损耗3.6.1 直流电动机的基本方程功率流图6/73.6.1 直流电动机的基本方程转矩平衡方程7/702pPPem02pPPem02TTTem3.6.2.1 工作特性 3.6.2.2 机械特性3.6.2 并励电动机的运行特性3.6.2.1 并励电动机的工作特性工作特性的含义1/5U = UN，If = IfN 时，转速、电磁转矩以及效率分别与输出功率之间的关系3.6.2.1 并励

14、电动机的工作特性转速特性2/5U = UNIf = IfN n = f ( P2 )eaaCRIUn稳定性、突然失磁3.6.2.1 并励电动机的工作特性转速调整率3/5%1000NNnnnn3.6.2.1 并励电动机的工作特性转矩特性4/5U = UNIf = IfN Tem = f ( P2 )02TTTem3.6.2.1 并励电动机的工作特性效率特性5/5 U = UN If = IfN = f ( P2 )3.6.2.2 并励电动机的机械特性机械特性的含义1/6机械特性U = C1， If = C2， R = C3时，转速与电磁转矩之间的关系自然机械特性 U = UN， If = If

15、N ， R = Ra人工机械特性U UN ，或者 If If N ，或者 R Ra3.6.2.2 并励电动机的机械特性机械特性方程2/6理想空载转速eCUn 0emTeeTCCRCUn23.6.2.2 并励电动机的机械特性自然特性3/6U = UN If = If N R = Ra3.6.2.2 并励电动机的机械特性人工特性（一）4/6U = UN If = If N R Ra3.6.2.2 并励电动机的机械特性人工特性（二）5/6U = UN If If N R = Ra3.6.2.2 并励电动机的机械特性人工特性（三）6/6U UN If = If N R = Ra3.6.3.1 工作特性

16、 3.6.3.2 机械特性3.6.3 串励电动机的运行特性3.6.3.1 串励电动机的工作特性串励电动机工作特性的含义1/4U = UN 时，转速、电磁转矩以及效率分别与输出功率之间的关系3.6.3.1 串励电动机的工作特性转速特性2/4U = UNn = f ( P2 )3.6.3.1 串励电动机的工作特性转速公式和调整率3/4转速公式seaseKCRIKCUn1转速调整率%1004/1NNnnnnIIIKass3.6.3.1 串励电动机的工作特性转矩特性4/4U = UNTem = f ( P2 )02TTTem3.6.3.2 串励电动机的机械特性串励电动机机械特性的含义1/5机械特性U

17、= C1， R = C2时，转速与电磁转矩之间的关系自然机械特性 U = UN， R = Ra人工机械特性 U UN ，或 R Ra3.6.3.2 串励电动机的机械特性机械特性方程2/5RKTUKnem21sTeKCCK11seKCK123.6.3.2 串励电动机的机械特性自然特性3/5U = UNR = Ra3.6.3.2 串励电动机的机械特性人工特性（一）4/5U = UNR Ra3.6.3.2 串励电动机的机械特性人工特性（二）5/5U UNR = Ra3.6.4 复励电动机的特点差复励易产生不稳定现象以并励为主、串励为辅，可提高稳定性以串励为主、并励为辅，可提高机械特性硬度，并可空载（

18、轻载）运行3.6.5 拖动系统稳定性*静态稳定的含义当拖动系统处于某种状态稳定运行时，因外界的短时干扰使得运行状态发生变化，若干扰消除后系统能恢复到原来的状态则称该系统是稳定的；否则称为不稳定。1/53.6.5 拖动系统稳定性*静态稳定示例2/53.6.5 拖动系统稳定性*静态不稳定示例3/53.6.5 拖动系统稳定性*静态稳定性判据dndTdndTLem4/53.6.5 拖动系统稳定性*典型负载特性线性TL n泵类TL n2恒转矩TL与n无关恒功率TL 1/n5/53.7.1 直流电动机的起动3.7.2 直流电动机的调速3.7.3 直流电动机的制动3.7 电动机的起动、调速和制动3.7.1

19、直流电动机的起动起动过程的一般要求1/4起动转矩大起动电流尽量小能量消耗小设备简单，操作简便3.7.1 直流电动机的起动直接起动2/4特点起动电流倍数很大，仅适用于小容量电机dtdiLRieUaaaa起动过程电路方程astRUI起动瞬间冲击电流3.7.1 直流电动机的起动电枢回路串电阻起动3/4stastRRUI起动电流3.7.1 直流电动机的起动降压起动4/43.7.2.1 调速的一般要求3.7.2.2 改变电枢回路电阻调速3.7.2.3 改变气隙磁通调速3.7.2.4 改变端电压调速3.7.2 直流电动机的调速3.7.2.1 调速的一般要求调速范围调速精度调速过程的平滑性经济性（设备投资与运行费用）易操作性和可靠性3.7.2.2 改变电枢回路电阻调速调速过程1/23.7.2.2 改变电枢回路电阻调速调速特点转速只能下调若电阻可连续变化则能平滑调速负载小时调速范围小调速效率低大容量电机一般不用此方法2/23.7.2.3 改变气隙磁通调速调速过程1/23.7.