西南交大电机学6直流电机原理

1、直流电机原理直流电机原理Direct current machine theoryDirect current machine theory电气工程学院 郭冀岭直流电机原理直流电机原理n直流电机基本工作原理、结构和额定数据n直流电机绕组n直流电机磁场n直流电机基本方程 n直流电机特性 n直流电机换向n直流电机拖动USB(5V)Battery (3V)DC MotorFanFanCell Phone MotorCooler MotorSS9 Electrical Locomotive150t Mine LocomotiveInside 150t Mine LocomotiveDC Tractio

2、n Motor Experiment Platform1 1 直流电机原理、结构及额定数据直流电机原理、结构及额定数据operation principle, structure & rated parameters of DC machinen直流电动机的工作原理 n直流发电机的工作原理 n直流电机的基本结构 n额定值 n电机可逆原理Left Hand RullRight Hand RullBlif Blve for Motorfor Generator1.1 1.1 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 Operation Principle of DC MotorOperat

3、ion Principle of DC Motor n克服阻力旋转 n对外输出机械能liBfx n磁极建立磁场 n外加直流电压 n在线圈中产生电流 n载流导体在磁场中产生电磁力(1) 状态一状态一n直流电源供电 n电流方向不变 n旋转180电角度后电磁力方向反向 n平均电磁转矩为0若要维持电磁力方向不变，若要维持电磁力方向不变，必须必须: :改变磁极极性 改变电流方向(2) 状态二：转子旋转状态二：转子旋转180电角度电角度(3) 两种位置电磁力对比两种位置电磁力对比n几何中性线q磁极的几何分界线 n电刷和换向器配合 n电流换向电流逆变q导体运动经过磁极的几何中性线期间q交换线圈电源极性q交换

4、线圈电流方向q电磁力方向维持不变(4) 直流电动机原理直流电动机原理换向换向 (Commutation)n主磁极建立磁场 n外加机械转矩 n线圈在磁场中旋转 n运动导体在磁场中产生感应电势n带电负载 n对外输出电能Blve 1.2 1.2 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 Operation Principle of DC GeneratorOperation Principle of DC Generator(1) 状态状态一一n外接端子不变n旋转180电角度后 电动势方向反向 1.2 1.2 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 Operation Principle of D

5、C GeneratorOperation Principle of DC Generator(1) 状态状态二二若要维持电动势为直流改变磁极极性 改变电流方向 (2) 两种位置电动势对比两种位置电动势对比n线圈旋转方向不变 n导体感应电势 q在不同极性磁极下感应电势方向不同 q导体感应电势交变 n感应电势换向整流 q经过磁极几何中性线 q交换线圈输出极性 q输出直流 q否则，输出交流(3) 直流发电机原理直流发电机原理换向换向(Commutation)n线圈旋转，转过一对磁极的感应电势波形(4) 线圈感应电势波形线圈感应电势波形一对主磁极下气隙磁场及线圈电动势每极下3个线圈串联时电刷上的电动势

6、波形n直流电动机q建立磁场 产生电磁力的条件q载流导体 产生电磁力q线圈运动 对外输出机械功q换向器和电刷 换向 逆变换流，产生持续电磁力n直流发电机q建立磁场 产生感应电势的条件q导体运动 产生感应电势q外加负载 对外输出电能q换向器和电刷 换向 整流，产生直流电动势小结：直流电机原理要求结构组成小结：直流电机原理要求结构组成n静止部分（定子）Statorq主磁极、励磁绕组、电刷、轴承、磁轭和电刷装置等 n旋转部分（转子、电枢）Rotatorq电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等 1.3 1.3 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 Basic Structure of DC Machine B

7、asic Structure of DC Machine(1) 具体构成具体构成(2) 直流电机整体实物结构图直流电机整体实物结构图Structure of A DC MotorFanFrameWindingMagnetic PoleBrushCommutatorconduit boxWinding edgeshaft轴轴承吊环eyeboltbearingCover (3) 直流电机主要部件直流电机主要部件主磁极 励磁绕组 Magnetic Poleexciting windingmagnetic pole主磁极钢板冲片主磁极钢板冲片 （1-1.5mm1-1.5mm厚）厚）主磁极由钢板冲片主磁

8、极由钢板冲片叠压而成叠压而成励磁绕组套在励磁绕组套在 主磁极极身上主磁极极身上电枢铁心 电枢绕组电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚) （硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽armature corearmature windingslotsilicon steel sheet 工艺简单常用改善换向工艺复杂竖放平放电枢旋转，绕组元件受到离心力，需用槽楔固定，（环氧酚醛玻璃布板）换向器 Commutator n换向片是换向器的导电部分q由含少量银的梯形铜排制成q工作表面与电刷滑动接触q有良好导电、导热、耐磨、机械性能n升高片是换向片上和电枢绕组元件联接部分q绕组元件引出线嵌入升高片槽中n片间云

9、母片q相邻换向片片间用云母片绝缘，厚度0.81.5mmq换向片的磨损比云母片快，须将云母片下刻0.81.5 mm，换向片两侧倒角，保证电刷和换向器接触良好nV形云母环q由塑性云母板在高温高压下压成所需形状，厚度取决于电机电压等级n换向器套筒与压圈q保证换向器片间产生必要的压力，使换向器套筒和压圈压在换向器燕尾部分电刷装置 Brush1-电刷 2-压指 3-弹簧 4-刷盒 5-垫片 6-刷握架 7-刷杆 刷杆是绝缘体，支撑刷握，并与机座绝n固定部分与运动部分间滑动接触q直流电机 绕线式异步电机 同步电机n电刷q电碳制品，良好的导电性、极高的导热系数、耐高温q石墨自润滑性好，化学稳定性好q由碳质材

10、料、碳-石墨材料、天然石墨材料、电化石墨材料和金属-石墨材料等五类基本材料组成150t矿用电力机车DC1500牵引电机SS4干线电力机车ZQ800-1牵引电机玩具马达n额定功率 PN ：电机在铭牌规定的额定状态下运行时电机的输出功率 (W/kW)n额定电压UN：电机出线端电压 (V)n额定电流IN：电机出线电流 (A)n额定转速nN：(r/min,r.p.m) n额定励磁电压UfN：(V) n额定励磁电流IfN：(A) n额定转矩TN：(Nm)n额定效率N：（直流电动机） (%)1.4 1.4 直流电机额定值直流电机额定值 Rated Parameters Rated ParametersnZ

11、2 -72 ” 表示直流电动机、第二次改进设计型，“ 7 ”表示机座号， 7 后面的 2 表示长铁芯（ 2 号表示长铁芯， 1 号表示短铁芯）。 国产直流电机主要系列产品nZ2系列 一般用途 中小型 nZ和ZF系列 一般用途 大中型 电动、发电nZT系列 恒功调速范围广 拖动nZZJ系列 冶金起重nZQ系列 直流牵引nZH系列 船用nZA系列 防爆安全nZU系列 龙门刨床nZKJ系列 冶金、矿山挖掘机用直流电机额定值的计算n发电机n电动机NNNIUP NNNNIUP 1.5 1.5 直流电机可逆性原理直流电机可逆性原理(a) 直流发电机 (b)直流电动机n一台直流电机，既可作发电机运行也可作电

12、动一台直流电机，既可作发电机运行也可作电动机运行机运行q结构一样结构一样q所处状态，由运行环境决定所处状态，由运行环境决定q输出电能为发电机，输出机械能为电动机输出电能为发电机，输出机械能为电动机掌握：如何判断直流电机的运行状态？掌握：如何判断直流电机的运行状态？(1) 直流电机的可逆性原理直流电机的可逆性原理n电网容量无限大 n网压U=常数 Ia n产生电磁转矩 n感应电势 EU 输出电能,电枢电流Ia n稳定运行01 dtdJTTem发电机运行状态发电机运行状态n保持磁场不变，不计电机损耗 n减小机械输入转矩T1 转速n下降 感应电势E减小 Ia减小/输出电功率减小 电磁转矩减小 n重新稳

13、定后 T1=Tem ，达到新平衡 n结果q输入机械功率减小q输出电功率减小(2) 调节调节(发电机发电机电动机）电动机）调节调节1 1（初始发电机状态）（初始发电机状态）n减小T1到 T1=0，达到新平衡后 q输入机械功率0 q输出电功率0 q感应电势EU q电机转速n0 q电枢电流Ia0 n结果 q不将机械能转换成电能 q也不将电能转换成机械能 q称为理想空载调节调节2 2（达到理想空载状态）（达到理想空载状态）n在T1=0，再减小T1（T10) 转速n下降 感应电势E减小(EU) Ia减小(Ia0)/输出电功率减小(0) 电磁转矩减小(0) q输入机械功率 0 ，输出机械能 q输出电功率0

14、，从电网吸收电能 n结果：电机进入电动机运行状态调节调节3 3（最终为电动机运行状态）（最终为电动机运行状态）n同理，电动机运行状态也可以调节至发电机运行状态n一台直流电机，既可作发电机运行也可作电动机运行(3) 调节（电动机调节（电动机发电机发电机）问题：其他类型电机是否遵循可逆性原理？问题：其他类型电机是否遵循可逆性原理？2 2 直流电机绕组直流电机绕组 Winding of DC Machine Winding of DC Machinen直流绕组构成 n直流绕组的术语n直流电机单叠绕组 n直流电机单波绕组n各种绕组的应用范围n绕组 q由一系列元件边和端接线按一定规律排列构成的感应电势和

15、产生电磁力的导体集合 n作用 q将导体感应电势有效组织起来 q将电枢电流有效分布 n要求 q节省材料 q结构简单 q制造维护方便2.1 2.1 直流绕组的构成直流绕组的构成 DC Windings Structure(1) 绕组的要求绕组的要求 Requirement 环形电枢绕组eeeeeeeeeeeeee(2) 电枢绕组的演变电枢绕组的演变 Developmentn优点优点q绕组不受极数的限制,即同样的绕组可供不同极数的电机使用n缺点缺点q中空铁心内侧导体无法切割磁极磁通（无磁通可切）以产生电势,即只有一半导体产生电动势，浪费材料且增加电枢电阻q须手工绕制,制造费时,且绝缘处理不易q使自感

16、及互感增大致换向不良鼓形电枢绕组2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e2e 2e 2e 2e 2e 2e 2en优点优点q导体利用率较环形环形绕组高q可采用成形的绕组,绕置容易及易于绝缘q自感及互感较环形环形绕组小,因此换向较环形环形绕组优n缺点缺点q不能适用於不相同极数的电机,有可能电动势方向或电磁力方向会相反而抵消一部分。n将两根导体组成一个线圈 n将多个线圈通过换向片连接起来 n所有换向片组成换向器 n所有线圈组成绕组(3) 电枢绕组的构成电枢绕组的构成 Constructionn元件边coil side：在电枢槽内，感应电势和产生电磁力的导体n端接线end winding：联接两元件

17、边的导体n元件coil：组成绕组的最小独立部分，由两个元件边和端接线组成2.2 2.2 直流绕组的术语直流绕组的术语 Concepts Conceptsn槽数 Qn虚槽数Qu= uQqu为每个槽上下层各有元件边数q若每个槽上下层只有一个元件边，则u=1n绕组元件数Sn换向片数K一般情况下，u=1则 Qu=K=S极距 第一节距 y1 第二节距 y2 合成节距 y 换向节距 yK 单波绕组元件 右行 pKyy1K左行pKyy1K右行pQ2整数21pQy单叠绕组元件 右行 左行 n第一节距y1q元件两有效边在电枢表面所跨的距离q尽量接近，必定为整数qy1= 整距绕组 常用qy1 长距绕组 n第二节距

18、y2q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上所跨的距离n合成节距yq相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离q叠绕组 y=y1-y2q波绕组 y=y1+y2n换向（器）节距yKq在换向器表面上，同一个元件的出线端所接的 yK=y两个换向片之间所跨的距离整数21pQyn单叠绕组：所有相邻元件依次串联，同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。ny=1，右行； y=-1，左行n所有元件电势全部串联成一环状，由电刷分割n电刷放在(感应电势为零的元件上)几何中心线上n支路为2p偶数，对称1cyy2.3 直流电机单叠绕组 simplex lap

19、 winding116424uQyp第一节距y1合成节距y和换向器节距yk1Kyy214 13yyy 第二节距y2n画出单叠绕组展开图Developed winding diagram 某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为16。(1) 画槽画槽(2) 放磁极放磁极(3) 画换向片画换向片(4) 连绕组连绕组(5) 电动势方向电动势方向(4) 放电刷放电刷4极电机，极电机，Qu=S=K=16 单叠右行整距绕组单叠右行整距绕组 并联支路对数并联支路对数a=2=p 单叠绕组是把一个单叠绕组是把一个主极下的元件串联主极下的元件串联成一条支路并联支成一条支路并联支路数等于极数路

20、数等于极数 n单叠绕组展开图n单叠绕组瞬间电路图发电机状态电动机状态1kyyn单叠绕组特点n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：q1）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，2a=2p。q2）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。q3）电枢电流等于各支路电流之和。n补充q为保证各支路电动势相等，不产生环流，可在电枢绕组中理论上点位相等的点用均压线联结n单波绕组：同一极性下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后在从此换向片出发，继续绕连，一直到把全

21、部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭合电路为止。n单波绕组只有两条并联支路n-1为左行，+1为右行1KKyyp2.4 直流电机单波绕组simplex wave winding11514244uQyp第一节距y1合成节距y和换向器节距yKK115172Kyyp21734yyy第二节距y211533244uQyp21743yyyn画出单波绕组展开图Developed winding diagram 某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为15。3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512SNNS槽展开槽展开绕组放置绕

22、组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷4极电机，Q=Qu=S=K=15 单波左行短整距绕组 并联支路对数a=1单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路并联支路数等于2 n单波绕组展开图n单波绕组电路图n单波绕组特点q1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；q2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；q3）电刷数等于磁极数；q4）电枢电动势等于支路感应电动势； q5）电枢电流等于两条支路电流之和。n单叠绕组与单波绕组比较q并联支路对数不同 q每条并联支路所串联的绕组不同 n小结q直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合

23、绕组； q直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。q单叠绕组 a = p即并联支路对数恒等于电机极对数 q单波绕组 a = 1即并联支路对数恒等于1n另外q电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。 q对于端接对称的元件，电刷放置在主极轴线下的换向片上。n除单叠、单波绕组外n复叠绕组：两个单叠绕组互相间隔嵌入槽内n复波绕组：两个单波绕组互相间隔潜入槽内n混合绕组：一个单叠和一个单波绕组（蛙型）n应用q单波绕组支路最少，用于小容量电机和电压较高或转速较低的电机q复波绕组可用于多极数、低速的大中型电机q单叠绕组的支路数比波绕组多，主要用于中等

24、容量、正常电压和转速的电机q复叠绕组用于大容量或低压、大电流的电机q蛙型绕组常用在转速较高、换向困难的大型直流电机2.5 各种绕组的应用范围 Application Field3 3 直流电机磁场直流电机磁场 Magnetic Field of DC MachineMagnetic Field of DC Machinen直流电机励磁方式 n直流电机空载磁场n直流电机负载磁场(电枢反应) n他励式 seprately excited：励磁绕组与电枢绕组无关n自励式 self excited： q并励 shunt excited：励磁绕组与电枢绕组并联 n电动机： n发电机： q串励series

25、 excited：励磁绕组与电枢绕组串联 q复励compound excited：兼有串励和并励绕组afafIIIIIIfaIII3.1 3.1 直流电机励磁方式直流电机励磁方式 Exciting Type Exciting Typen空载空载q输出功率为零输出功率为零q有损耗存在，电枢电流有损耗存在，电枢电流0 0 n理想空载理想空载q电枢电流为零电枢电流为零 且且 转速转速0 0q机械能不转换成电能机械能不转换成电能q电能也不转换成机械能电能也不转换成机械能q电机中的磁场完全由主极绕组产生电机中的磁场完全由主极绕组产生3.2 3.2 直流电机空载气隙磁场直流电机空载气隙磁场 Magneti

26、c Field with No-load Magnetic Field with No-load (1) 空载空载 No-load(2)直流电机空载磁场分布直流电机空载磁场分布 Magnetic Field with No-loadn励磁绕组通直流电产生的磁场n空载时电机中的磁场分布对称 n主磁通 漏磁通n主极磁场根据磁力线通路（磁路）差异区分q主磁通 ：通过气隙，并形成气隙磁场（主磁场），同时交链励磁绕组和电枢绕组q主极漏磁通f ：不通过气隙的磁通，不产生感应电势n主磁路q主磁通在转子导体(电枢绕组)中产生感应电势n主极漏磁路q漏磁通不产生感应电势，可能引起主极铁心饱和，增大磁路磁阻n假设q

27、铁磁材料q不计齿槽影响n则IdlHffxxINH22ffxxINB0 xffxINB0(3) 空载气隙磁密空载气隙磁密 Magnetic flux density with No-load僧帽形空载时直流电机气隙磁场n结构q感应电势导体沿铁心轴向分布q磁力线径向分布q运动方向：转子圆周切线方向qB、l、v三者正交 n运动导体感应电势 n载流导体产生电磁力lvBexx liBfxx (4) 导体空载感应电势及电磁力导体空载感应电势及电磁力 EMF with No-loadfNI0fF0fINIfIA0N0气隙线(5) 直流电机空载磁化特性直流电机空载磁化特性Magnetization with

28、No-load3.3 3.3 直流电机负载气隙磁场直流电机负载气隙磁场 Magntic Field with Load Magntic Field with Load(1) 电刷位于几何中性线时电枢绕组磁动势电刷位于几何中性线时电枢绕组磁动势n以o为原点n以（x，-x）构成闭合磁路n则x处磁动势大小n则x处磁密大小n主磁极正下方气隙均匀 BFn几何中性线附近气隙很大 B很小2aaxaiNiFHxD00axaaxaFNiBHxD马鞍形电枢磁场磁通密度分布曲线主磁场的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n电机负载时，气隙磁场由主极磁势和电枢磁势共同建立n当电刷不在

29、几何中性线上q电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角q电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：n交轴电枢磁动势Faqn直轴电枢磁动势Fad(2) 电刷偏离几何中性线时电枢绕组磁动势电刷偏离几何中性线时电枢绕组磁动势n交轴磁势Faq：磁势与电刷轴线重合n直轴磁势Fad：磁势与磁极轴线重合n电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，负载后电枢中有电枢电流，气隙中磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。n交轴电枢磁势交轴电枢反应n直轴电枢磁势直轴电枢反应(3) 直流电机电枢反应直流电机电枢反应 Armature Reactio

30、n of DC Machine电枢磁场磁通密度分布曲线主磁场的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交轴电枢反应交轴电枢反应direct-axis armature reactionn交轴电枢磁势对电机磁场的影响q磁场畸变n半个磁极内助磁n半个磁极内去磁n物理中性线发生偏移q发电机 顺着电机运动方向偏移角q电动机 逆着电机运动方向偏移角q磁通变化n不饱和时，每极磁通不变n饱和时，每极磁通略有减少n直轴电枢磁场对主极磁场的影响q与主极磁势平行q去磁 或 助磁直轴电枢反应直轴电枢反应 direct-axis armature reaction(4) 直流电机电枢反应

31、小结直流电机电枢反应小结n当电刷在几何中性线上时q使气隙磁场发生畸变 n空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。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角，磁通密度的曲线与空载时不同。q对主磁场起去磁作用n磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，每极下的磁通量与空载时相同。n 饱和时，每极磁通略有减少n电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移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FfFaFfFann电电动动机机状状态态SNSNFaFa电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电

32、动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁FfFaFfFann发发电电机机状状态态n电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明SNSNFaFa4 4 直流电机基本方程直流电机基本方程 Equations of DC MachineEquations of DC Machinen直流电机感应电动势和电磁转矩方程n直流电机机械运动方程n直流电机电压电流方程 n直流电机转矩功率方程4.1 4.1 直流电机感应电动势和电磁转矩方程直流电机感应电动势和电磁转矩方程Induction EMF & Electromagntic TorqueInduction EMF & Electromagnti

33、c Torquen导体感应电势n导体电磁力vlBexxilBfxx气隙磁场分布和导体感应电动势、电磁力计算aaNxxNxxaBvlvlBE11vlBexxaNNa2设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路导体感应电势每条支路串联导体数支路感应电势导体切割磁场速度pnv260(1) 直流电机感应电动势直流电机感应电动势llldxBdxBNBBxxaNxxava001定义平均磁密1()60aNaxaavxpNEl vBl vNBna电枢绕组感应电势电枢绕组感应电势nCnapNEea60其中称为直流电机的电势常数apNCe60设电枢绕组总导体数为N，有2a条并联支路电枢绕组总电流为Ia，电枢外径为D

34、a一根导体产生的电磁力每条支路电流一根导体产生的电磁转矩liBfxx aIia2xaaxaxxBaIlpDliBDfT22222(2) 直流电机电磁转矩直流电机电磁转矩llldxBdxBNBBxxaNxxava001定义平均磁密电枢绕组产生的电磁转矩电磁转矩NxxaNxxemBaIlpTT112222222aemavaIppNTlN BIaa apNCT2直流电机电磁转矩其中称为直流电机的转矩常数aTaemICIapNT2apNCT2电磁转矩转矩常数aTaemICIapNT2感应电势nCnapNEea60电势常数apNCe60(3) 直流电机感应电势和电磁转矩直流电机感应电势和电磁转矩55.9

35、260602apNapNCCeT转速与旋转角速度的关系602 nTeaCapNapNnapNnCE22606060(4) 直流电机电势常数和转矩常数的关系直流电机电势常数和转矩常数的关系4.2 4.2 直流电机机械运动方程直流电机机械运动方程Motion Equation of DC MachineMotion Equation of DC Machine1emdTTJdt2emdTTJdt4.3 4.3 直流电机电压电流方程直流电机电压电流方程Voltage & Current Equation of DC MachineVoltage & Current Equation

36、of DC Machine发电机参考定向电动机参考定向(1) 参考定向参考定向 reference directionUfafaIIIIII发电机：电动机：电流方程电压方程22aaabaaaaaabaaaUEI RUEIRUEI RUEIR 电动机：发电机：(2) 并励直流电机电压、电流方程并励直流电机电压、电流方程aaeaaUEI RC nI RffafUI RIII为电枢回路总电阻为励磁回路总电阻为电刷接触压降baaajfjb2 URRIRRRURaRfRj22afffaaabaaabIIUI REUI RUEUI RU ，发电机：电动机：(3) 他励直流电机电压、电流方程他励直流电机电压

37、、电流方程faIIIaaabffaaaRIEURIRIEU2电流方程电动机电压方程(4) 串励直流电机电压、电流方程串励直流电机电压、电流方程4.4 4.4 直流电机转矩功率方程直流电机转矩功率方程Torque & Power Equation of DC Machinen通过气隙磁场进行机电能量转换的功率()TaCI(1) 电磁功率电磁功率 electromagnetic power()eaCn I()TaCI=Pem= EaIa Tem0201TTTTTTemem电动机：发电机：(2) 转矩平衡方程转矩平衡方程 torque equation (a) 电动机 (b)发电机n铜耗n铁

38、耗n机械损耗n杂散（附加）损耗 2cuaaapI R2cabpIUFepp摩擦损耗通风损耗p(3) 损耗损耗 loss0p空载损耗n发电机n电动机102emFeememcuacufPPppPpPPpp120emcuacufemFeemPPppPPppPp(4) 功率平衡方程功率平衡方程 power equation(5) 并励直流电机的功率流程图并励直流电机的功率流程图power float chart of shunt excited DC Machinea) 电动机b)发电机【例】一台并励直流发电机，电动机的额定数据为：额定功率25kW，额定电压230V，额定转速1455r/min，励磁电

39、阻130，电枢电阻0.15；带额定负载时杂散损耗为3.8PN，铁耗582W，机械损耗305W，求发电机额定负载时： （1）电磁功率与电磁转矩； （2）输入功率； （3）效率。（1）解：解： A77. 1RUIfNNfN W28.407RIpfN2fNcuf 21831.54cuaaNapIRW A7 .108UPINNN 110.47aNNfNIIIA 186.21%NPP 27.24emNcufcuaPPppkW 9.55178.2emememNNPPTN mn kW08.291admecFeempppPP （2）输入功率：）输入功率：（3）效率：）效率：5 5 直流电机运行特性直流电机运行

40、特性 Operation Characteristics of DC Machine Operation Characteristics of DC Machine n直流发电机运行特性 n直流电动机运行特性q机械特性 speed-torque characteristicsq工作特性 operation characteristics, ,fU II n发电机参数：0()()()()fffUf IUf InCUf IIf I空载特性：负载特性：外特性：调整特性：5.1 5.1 直流发电机运行特性直流发电机运行特性 operation characteristics of DC generat

41、or5 5 直流电机运行特性直流电机运行特性0)(0IcnIfUf00eEnUC0fIHFB (1) 他励他励直流发电机空载特性直流发电机空载特性 no-load charateristic of seprately excited DC generator自励产生过程(2) 并励并励直流发电机的自励直流发电机的自励 self-exciting of shunt excited DC generatorNnn剩磁0rE剩磁电动势01fI励磁电流01E02fI.0U稳定电压加强磁场n自励条件q气隙中有剩磁存在q励磁磁动势与剩磁 方向相同q励磁回路总电阻 小于临界电阻n不同转速的临界电阻转速大小空

42、载特性曲线临界电阻线励磁电阻条件cIcnIfUf)(0100%NNNUUuU(3) 负载运行端电压特性负载运行端电压特性外特性外特性 Voltage - Current characteristiceaaUCnI R 电压调整率注意：他励在额定励磁时不可短路性能指标性能指标分析：曲线下降原因？分析：曲线下降原因？ 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.051234TimesIfA00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050100200300400TimesIaA他励发电机短路0102030405

43、060708090100050100150200250300IAUVn他励发电机外特性特点：q比水平线略微下降的直线q额定励磁下短路，短路电流很大n并励发电机外特性特点：q负载电流增大，端电压下降较快q有拐弯现象q稳态短路（端电压为0），短路电流不大n串励一般不做发电机发电机外特性特点n复励发电机外特性q一般采用积复励q并励占主要作用q串励补偿n电枢反应的去磁作用n电枢回路的电阻压降 平复励发电机 当 I = IN 时的 UN = U0 。 过复励发电机 当 I = IN 时的 UNU0 。 欠复励发电机 当 I = IN 时的 UN U0 。发电机外特性比较发电机外特性比较他励他励并励并励过

44、复励过复励IN平复励平复励欠复励欠复励差复励差复励OI U UN n表明n=C，负载变化时，如何调节励磁以保持U=CcUcnIfIf)(4) 调整特性调整特性 adjustment characteristic IaeIRICU fIn直流发电机的效率q小型直流发电机额定效率q大中型直流发电机额定效率70% 90%N91% 96%Nn机械特性（转矩-转速特性）n工作特性固有机械特性人为机械特性并、他励电动机机械特性串励电动机机械特性222()()()emnf PTf Pf P转速特性转矩特性效率特性并他励电动机工作特性串励电动机工作特性复励电动机工作特性5.2 5.2 直流电动机运行特性直流电

45、动机运行特性()eaasUCnIRRTaTCITnTCCRRCUn02eTsae 1）直流他励、并励电动机的机械特性speed-torque characteristics of separately excited & shunt excited DC motor硬特性(1) 机械特性机械特性(转矩转矩-转速特性转速特性) speed-torque characteristics理想空载转速理想空载转速考虑电枢反应去磁的机械特性n固有特性（自然特性）Natural characteristicq 电压为额定电压q 磁通为额定磁通q 电枢电路只有绕组电阻n人为特性 Artificial

46、 characteristicq 通过人为改变电机运行条件形成的机械特性n改变电枢回路电阻n改变电枢电压n改变磁通20aeTeRUnTCC CnT20TesaeCCRRCUn固有机械特性绘制n已知铭牌数据：n绘制固有特性：确定两点n如何求n如何求n如何求n如何求n如何求 ,NNNNP UIn0(,),(0,)NNTnTn0n00,2|NNasNTU UeTeeNRRUUnTCC CCeNC aNeNNECnaNE(0.93 0.97)aNNEU根据经验aNNNaeNNNEUI RCnnaRaR根据所选电机实测212()()23NNaNNUPRII根据经验9.55NTNNeNNTCICINTA

47、改变电枢电阻的机械特性：NNUUsaRRCn0TCCRRCUneTsae20n0LTnT1saRR aR2saRR 3saRR 3s2s1sRRR 1U2U3U4U02n03n04n(armature voltage)C改变励磁的机械特性N NUU 2aseTeRRUnTCC C0RS (main flux)2）直流串励电动机的机械特性speed-torque characteristics of series excited DC motor2aemeeTRUnTCC C注意：不能轻载或空载软特性aKI 假设121()TaaeememC KUnURCC RC KTT关闭打开1211,TeeC

48、CCCKC KememaTTaTTICC KI固有特性（自然特性）n当Ia或T较大时，磁路饱和，机械特性接近于直线n当Ia较小，磁通很小，机械 特性在固有特性上方，Ia过小时会造成飞车 2aeTeRUnTCC CfffaK IK I 2aeaTeaRUnTC IC C I2TaTaTCIC I,eeTTCKC CKCaTTICTaeeCRUnCCTA降低电源电压人为特性n调压器调压n通过串并联连接方式改变来实现串励电机降电压121()TaaeememC KUnURCC RC KTTB串电阻人为特性121()()TatateememC KUnURRCC RRC KTTC励磁绕组并分路绕组fBBa

49、fRRRIIn不并联RB，Ia=Ifn并联RB时，n励磁减弱，机械特性应在固有机械特性之上n不并联RB，Ia=Ifn并联RB，If=Ia+IB，磁通增长，则机械特性应在固有特性下方n另外，由于Rt上附加压降，电枢电压降低，转速大大降低n可能进入第二象限，当理想空载转速时，有U=Ea，Ia=0，但IB不为0，且eaeeBBCECUCRIn0D电枢并分路电阻n1固有机械特性n人为机械特性 q2 降压人为机械特性 q3串R人为机械特性q4 励磁绕组并分路绕组人为机械特性 q5 电枢并分路电阻人为机械特性n%并励电机机械特性qCe = p*N/60/a;qCt = p*N*2/pi/a;qn=U/Ce

50、/phi-Ra*Te/Ce/Ct/phi2;qsubplot(2,1,1)qplot(Te,n,k)qxlabel(Te(Nm)qylabel(n(r/min)qtitle(并励)qhold onn%串励电机机械特性qC1=1/Ce*(Ct/K)0.5;qC2=1/Ce/K;qn=C1*U*(Te+0.000001).(-0.5)-C2*Ra;qsubplot(2,1,2)qplot(Te,n,b)qylabel(n(r/min)qtitle(串励)qxlabel(Te(Nm)qhold onqaxis(0,5,0,60000)n%电机基本数据qU=220;Ra=0.17;p=2;N=398;

51、a=1;phi=0.0103;K=0.0013;n%电磁转矩变化范围qTe=0:0.01:5;3）用Matlab绘制直流电机机械特性drawing characteristic curve with Matlab00.511.522.533.544.551608.516091609.51610Te(Nm)n(r/min)并 励 或 他 励 直 流 电 机 机 械 特 性00.511.522.533.544.550246x 104Te(Nm)n(r/min)串 励 直 流 电 机 机 械 特 性并励串励222()()()()()()aememaanf Pnf ITf PTf If Pf I转速特

52、性或转矩特性或效率特性或2,()NemffNUUn Tf PII（2）直流电动机工作特性）直流电动机工作特性 Operation Characteristics of DC motor1）直流并励电动机的工作特性aaeeRUnICCemTaTCI12121()FemeccufaaabafpPpppI RIUU II 20FemeccufaaadpppI RdINNnnnn0注意：励磁绕组不可断开2）直流串励电动机的工作特性2aeeaTaTaECnC nITCIC I ()faII aaaafUEI RI RafeaeRRUnC IC1/4-100%NNnnnn 3）复励电动机的工作特性1 1并

53、励电动机并励电动机 2 2并励为主的复励电动机并励为主的复励电动机 3 3串励为主的复励电动机串励为主的复励电动机 4 4串励电动机串励电动机 5 5差复励电动机差复励电动机速率特性比较速率特性比较以并励为主的积复励以并励为主的积复励：当负载转矩突然增加时，电枢电流增大（电枢反应去磁作用增强），串励磁势增加，使主磁通增大。使电磁转矩很快的增大以克服突然增大的负载转矩；使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值。 当电枢反应去磁作用很强时，仍能使电机有下降的机械特性，保持其稳定运行。6.1 6.1 换向过程换向过程 Commutation ProcessCommutation Process（假设

54、电刷宽度等于换向片宽度）6 6 直流电机的换向直流电机的换向 Commutation of DC MachineCommutation of DC Machinen电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束， 从一条支路转换到另一条支路， 电流改变了方向。n 换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程n 从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期（1）直线换向）直线换向但是换向过程中， 不可能没有电势！t+ia-iain如果换向元件中电势为零， 则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。n 换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线时一条直线， 称为直线换向。 （2） 换向

55、元件中的感应电势换向元件中的感应电势电抗电势erdtdiLerrLr：换向元件的电抗系数， 包括自感和互感er的平均值：karrrTiLtiLe2设电刷宽度bs等于换向片宽度bk， 换向片数为K， /60 /60skakkkabbDKTvvDnK n换向周期Tk：n换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势和互感电势之和，称为电抗电势。nITieakarn电抗电势的特点n电机负载越重或转速越高， 电抗电势越大。 n电抗电势的方向阻止换向电流的变化， 因此er的方向必与换向前的元件电流ia的方向一致。旋转电势n换向元件所处的几何中线处，主磁场几乎为零；n电枢反应磁势所产生的磁通a正好穿过换向元

56、件。n电枢旋转时， 换向元件切割a 所生电势ea称为旋转电势。n设换向元件匝数为Na，电枢反应磁势在换向元件处所生的磁密为Ba， 则ea的平均值aaaaeBNl v nIeaan旋转电势的特点n特点q（1） ， 负载越重或者转速越高， 旋转电势也越大。q（2） 据右手定则， ea的方向总是与换向前元件中的电流方向相同， ea与er 方向一致，也阻碍换向ti（3）电刷下产生火花的电磁原因）电刷下产生火花的电磁原因0raeeeReeReiraki kn换向元件中存在两个方向相同的电势er和ea,合成电势：n合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流： n由闭合转为断开时，由ik建立的电磁能量以火花的形

57、式释放出来。换向过程的原因：换向过程的原因： 在电刷与换向片间产生火花。有电磁、机械、电化学、电热等方面的原因。 环流能量释放延迟换向和超越换向n延迟换向和超越换向相对于直线理想换向而言ne=0，即旋转电势恰好补偿电抗电势为直线换向q换向电流i的变化是一直线，均匀变化，是理想的换向情况ne 0，产生附加换向电流 q如e0，则倾向于保持原来的电流方向，则半个换向周期后，电流未下降至零，前刷边（换向器滑入边）电流密度减小，而后刷边（换向器滑出边） 电流密度增大。q如e 起起动动： T,nba 21RKM 通通，cb n,TTTL1dc a2RKM 通通， n,TTTL1ed gfe相相等等、注注意

58、意：每每级级21TTq分级起动过程分级起动过程O Ia nn0 IL I1 I2 M7.2 直流电动机的调速(1)(1)调速定义调速定义根据工作机械的要求人为改变电动机的转速。根据工作机械的要求人为改变电动机的转速。 (2)(2)调速系统分类调速系统分类n速度控制系统、位置控制系统、张力控制系统、速度控制系统、位置控制系统、张力控制系统、多电机同步控制系统（控制的多电机同步控制系统（控制的要求要求） n有级调速与无级调速（调速的有级调速与无级调速（调速的平滑性平滑性）n向上调速和向下调速（调速的向上调速和向下调速（调速的方向性方向性）n恒转矩调速和恒功率调速（适应恒转矩调速和恒功率调速（适应负

59、载要求负载要求）7.2.1 直流电动机的调速相关问题分析：分析：TCCRCUneTae2 (3)(3)直流电动机调速方法直流电动机调速方法n1)改变电枢电压调速改变电枢电压调速 n2)电枢电路串附加电阻调速电枢电路串附加电阻调速 n3)改变励磁调速改变励磁调速改变电枢电压调速0SNR，NUU TCCRRCUnTesaer201n0LTnT4321UUUU 1U2U3U4U02n03n04n(1)(1)改变电枢电压调速机械特性改变电枢电压调速机械特性7.2.2 直流电动机的调速方法1 1）固有特性之下调速）固有特性之下调速2 2）特性硬，稳定性好）特性硬，稳定性好0 n n0 T TL n1 n

60、2 n3 U=UN U=U1UNU=U2U1 (2)(2)改变电源电压调速过程改变电源电压调速过程(3)(3)改变电源电压调速改变电源电压调速方法特点方法特点n1）调速只能在固有特性之下。n2）人为特性硬度大，稳定性好。 n3）可以调节至较低转速，调速范围大。 n4）调节平滑，可以实现无级调速。 n5）需要专用的调压设备。 U1U2U平滑变化n平滑调节n1n2n旋转变流机组q交流电动机和直流发电机组成的系统，简称G-M系统。q可获得可调直流电压，为早期调压调速系统。q高速性能好，可无级大范围调速，但系统复杂、效率低、维护成本高，且系统体积大、噪音大。现在极少使用。(4)(4)改变电枢电压的主要方法改变电枢电压的主要方法n静止变流装置q20世纪5