NDJ3盘式直流电机结构原理磁场方程起动调速

1、中原工学院 电机学1第三章:直流电动机的稳态分析中原工学院 电机学2直流电机 直流电能直流电能 机械能机械能 优点优点: 电动机电动机:起动起动,调速性能好调速性能好 发电机发电机:供电质量好供电质量好 缺点缺点: 结构复杂结构复杂,成本高成本高,可靠性差可靠性差 前景前景 与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，直流电机使用受到限制断涌现，直流电机使用受到限制 但仍有一定的理论价值和实用价值但仍有一定的理论价值和实用价值机械能机械能电能电能中原工学院 电机学3直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流

2、电动机结构、励磁方式和额定值中原工学院 电机学4一、盘型电机结构一、盘型电机结构 直流电机直流电机 电枢电枢 电枢绕组电枢绕组 电刷电刷 支路支路 电流方向电流方向 主磁极主磁极 励磁绕组励磁绕组SN定子定子 转子转子 气隙气隙桶型铁心+缠绕导线中原工学院 电机学5盘型电机特点盘型电机特点 主磁通与主磁路：主磁通与主磁路： 磁力线从磁力线从N极通过气隙，极通过气隙，到转子铁心，再越过气隙到转子铁心，再越过气隙到到S极，通过机壳闭合。极，通过机壳闭合。 内腔：磁场被屏蔽，腔内导内腔：磁场被屏蔽，腔内导线起连接作用。线起连接作用。 端部：导线处在磁场之外，端部：导线处在磁场之外，也只起连接作用。也

3、只起连接作用。 工作导体：只有表面导线处工作导体：只有表面导线处在磁场中，工作时起作用。在磁场中，工作时起作用。中原工学院 电机学6绕组及工作特点绕组及工作特点 电枢绕组首尾相连，构成一个电枢绕组首尾相连，构成一个闭合回路闭合回路 （固定的）电刷把电枢绕组平（固定的）电刷把电枢绕组平分为两个支路分为两个支路 电枢的转动时，每个支路中导电枢的转动时，每个支路中导体不停发生变化，但每个支路体不停发生变化，但每个支路中导体电流方向不变中导体电流方向不变 每个极下导体中电流方向一致每个极下导体中电流方向一致 电刷是电枢表面导体电流分界线电刷是电枢表面导体电流分界线中原工学院 电机学7直流电动机原理直流

4、电动机原理 电刷接电源电刷接电源 导体中流过电流导体中流过电流 电磁力（左手）电磁力（左手） 电动机转动电动机转动i+-i电动机中原工学院 电机学8直流发电机原理直流发电机原理 转子在外力作用下转动转子在外力作用下转动 导体切割磁力线导体切割磁力线 导体产生电动势导体产生电动势e+-e发电机中原工学院 电机学9直流发电机原理直流发电机原理 转子在外力作用下转动转子在外力作用下转动 导体切割磁力线导体切割磁力线 导体产生电动势导体产生电动势 导体电流导体电流 电磁力电磁力e+-ie发电机中原工学院 电机学10直流电动机原理直流电动机原理 电刷接电源电刷接电源 导体中流过电流导体中流过电流 电磁力

5、（左手）电磁力（左手） 电动机转动电动机转动 电动势电动势e+-ii电动机中原工学院 电机学11盘型电机盘型电机-简化模型及电路模型简化模型及电路模型 简化电机模型简化电机模型 电刷是电枢表面导体电流分界线电刷是电枢表面导体电流分界线 直流电机电路模型直流电机电路模型只关注外层只关注外层边和主磁极边和主磁极中原工学院 电机学12二、励磁方式二、励磁方式 励磁方式：励磁绕组的通电方式励磁方式：励磁绕组的通电方式 他励：两个独立电路，他励：两个独立电路，I=Ia 电机电压、电流；电机电压、电流； 电枢电压、电流；电枢电压、电流； 励磁电压、电流励磁电压、电流 并励：电机电压并励：电机电压U=励磁电

6、压励磁电压Uf 串励：电机电流串励：电机电流I=励磁电流励磁电流If 复励复励他励他励并励并励串励串励复励复励中原工学院 电机学13三、直流电动机的额定值三、直流电动机的额定值直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：（1）额定功率：在铭牌规定的额定状态下运行时，电动机）额定功率：在铭牌规定的额定状态下运行时，电动机轴端输出的机械功率，以轴端输出的机械功率，以kW表示。表示。 （2）额定电压：指额定状态下电动机（电枢）出线两端的）额定电压：指额定状态下电动机（电枢）出线两端的工作电压，以工作电压，以V表示。表示。（3）额定电流：指电动机运行在额定时，电动机（电枢）额定电流：指电动机运行在额定时，

7、电动机（电枢）出线上的线电流，以出线上的线电流，以A表示。表示。（4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示。表示。（5）额定励磁电压）额定励磁电压 （仅对他励电机）。（仅对他励电机）。中原工学院 电机学14实际电机的电枢绕组实际电机的电枢绕组 把导体的另一条边放在相临把导体的另一条边放在相临磁极下，以提高利用率。磁极下，以提高利用率。 一对导体边称为一个元件。一对导体边称为一个元件。中原工学院 电机学15中原工学院 电机学16四、直流电机四、直流电机的基本结构的基本结构直流电机直流电机定子定子转子转子气隙气隙中原工学院 电机学17

8、定子定子主磁极主磁极换向极换向极机座机座电刷装置电刷装置励磁励磁绕组绕组电刷电刷中原工学院 电机学18转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器轴轴中原工学院 电机学19直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流电动机结构、励磁方式和额定值 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场 为什么要研究电机内的磁场为什么要研究电机内的磁场 机电能量转换的媒介机电能量转换的媒介 思路思路 空载时的磁场空载时的磁场 负载时的磁场负载时的磁场中原工学院 电机学20一、空载时直流电机的磁场一、空载时直流电机的磁场 空载运行空载运行:Ia0 空载时的磁场

9、空载时的磁场: 磁动势磁动势 主磁通主磁通主磁场主磁场 漏磁通漏磁通 磁场分布磁场分布: 极靴下极靴下 极靴范围以外极靴范围以外 几何中性线处几何中性线处绕组元件位绕组元件位于气隙处于气隙处b=f(x)中原工学院 电机学21每极磁通 ldx(x)bdl 22dx(x)bldxb=f(x)中原工学院 电机学22二二 、负载时的电枢磁动、负载时的电枢磁动势和电枢反应势和电枢反应 电枢反应电枢反应: 负载时磁动势负载时磁动势=主极主极+电枢电枢 理想电枢理想电枢:电枢表面光滑电枢表面光滑,绕组为整距绕组为整距,构成绕构成绕组元件的导体均匀分布在电枢表面组元件的导体均匀分布在电枢表面. 讨论顺序讨论顺

10、序1、电刷位于几何中性线时的交轴电枢磁动势和交轴、电刷位于几何中性线时的交轴电枢磁动势和交轴电枢反应电枢反应2、电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁动势和直轴、电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁动势和直轴电枢反应电枢反应Ia0中原工学院 电机学231、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 电刷位于几何中性线时的电电刷位于几何中性线时的电枢磁动势枢磁动势. 磁场分布磁场分布 直轴直轴 交轴交轴 交轴磁动势交轴磁动势 电枢磁动势的空间分布电枢磁动势的空间分布 展开展开, 确定原点确定原点中原工学院 电机学241、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 电枢磁动势的空间分布电枢磁动势的空间分布, 导体中电流导体中电流ia，

11、总导体数，总导体数Za x处处, 沿磁力线选择闭合回路沿磁力线选择闭合回路 磁动势分布磁动势分布: 电枢旋转时同样适用电枢旋转时同样适用22 - )(2Axx：fx：Aa气隙磁动势作用在磁路上的磁动势时三角形2 2xAFaqDiZ：Aaa单位长度安培导体数不计不计铁心铁心磁位磁位降降中原工学院 电机学251、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 气隙磁场气隙磁场 极靴下极靴下 极间极间 马鞍形马鞍形)()()(0 xxfxbaaBHlF中原工学院 电机学261、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 合成磁场的求取合成磁场的求取 例图例图:电动机电动机,顺时针旋转顺时针旋转 主磁场主磁场 电枢磁动势分布电枢磁动

12、势分布,磁场磁场 磁场叠加磁场叠加.电流方向电流方向中原工学院 电机学27交轴电枢反应交轴电枢反应电枢反应作用：半个极下为增磁，半个极下为去磁的作用电枢反应作用：半个极下为增磁，半个极下为去磁的作用1 1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线，性线）偏离几何中性线，2 2）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用 计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。增磁增磁去磁去磁中原工学院

13、电机学28去磁作用对每极去磁作用对每极磁通磁通的影响的影响 ldx(x)bddxl 22dx(x)bldxb=f(x)中原工学院 电机学29直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流电动机结构、励磁方式和额定值 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场 直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势中原工学院 电机学30电动机电动机工作原理工作原理 工作原理工作原理 电枢导体中电流方向电枢导体中电流方向 左手定则：判断电磁力及左手定则：判断电磁力及电磁转矩方向电磁转矩方向 电机在电磁转矩作用下转电机在电磁转矩作用下转动动

14、 电刷是电枢表面导体电电刷是电枢表面导体电流分界线流分界线 每个极下导体中电流方向每个极下导体中电流方向一致且分布不变，电磁力一致且分布不变，电磁力及电磁转矩方向不变及电磁转矩方向不变中原工学院 电机学31直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 一根导体的电磁转矩一根导体的电磁转矩 一个极下导体合成电磁转矩一个极下导体合成电磁转矩 同名磁极下导体电流方向相同同名磁极下导体电流方向相同,磁极相同磁极相同,合成电磁转矩方向、大小相同合成电磁转矩方向、大小相同 异名磁极下导体电流方向相反异名磁极下导体电流方向相反,磁极相反磁极相反,合成电磁转矩方向、大小也相同合成电磁转矩方向、大小也相同 总电磁转矩总

15、电磁转矩2DlibTazpTT1pepTT2TpTp中原工学院 电机学32直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 每根导体的电磁转矩为每根导体的电磁转矩为 一个极下导体数一个极下导体数z，则一个极下，则一个极下导体的合成电磁转矩导体的合成电磁转矩 2DlibTaaTeICT22)(211DlizBDlizbzDlibTaavzazapaIiaa2aavaavpeIlBazppaIlpzBpTT)(22(2222每极磁通每极磁通平均磁通密度常系数pD2Iaia中原工学院 电机学33电动机电动机工作原理工作原理 电动势判断电动势判断 右手定则：判断电动势方向；电动右手定则：判断电动势方向；电动势与电

16、流方向相反（反电动势）势与电流方向相反（反电动势） 每个支路中导体电动势方向一致每个支路中导体电动势方向一致 电动机电路电动机电路ei中原工学院 电机学34电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势 电枢绕组有电枢绕组有2a2a= =条支路条支路, ,每条支路元件相同每条支路元件相同每条支路所处磁场也对称相同每条支路所处磁场也对称相同每条支路的合成电动势方向相同每条支路的合成电动势方向相同, ,大小相同大小相同电机感应电动势即为一条支路电动势电机感应电动势即为一条支路电动势ee前前后后前前后后中原工学院 电机学35 每根导体的感应电动势为每根导体的感应电动势为 一条支路串联导体数一条支路串联导体

17、数z，则一条，则一条支路串联导体的电动势代数和支路串联导体的电动势代数和 lvzBlvzbzlvbEavzza11)(电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势lvbenCEeapnDnv26060nlBpzpnlzBEavava)(602()260(每极磁通每极磁通平均磁通密度平均磁通密度常系数n中原工学院 电机学36 如何使电动机反向：如何使电动机反向： A.改变主磁极；改变主磁极；B.改变电枢电流；改变电枢电流；C.同时改变。同时改变。判断主磁极极性判断主磁极极性判断电动机转向判断电动机转向SN中原工学院 电机学37 问题问题 图中两种电机是什么励磁方式图中两种电机是什么励磁方式 判断电机

18、电流、电枢电流、励磁电流和电枢判断电机电流、电枢电流、励磁电流和电枢电动势方向电动势方向IU-+EaIaIfIU-+EaIaIfIfIaEa+-UIIUf-+U-+EaIaIf中原工学院 电机学38直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流电动机结构、励磁方式和额定值 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场 直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势 直流电动机电压方程和功率方程直流电动机电压方程和功率方程中原工学院 电机学39他励直流电动机电压方程他励直流电动机电压方程特点：特点：I=Ia；电流方向；电流方向 电

19、动势与电流关系：电动势与电流关系： 正方向的规定正方向的规定:电动机惯例电动机惯例 电压方程电压方程saaURIEU2aaaRIEUasaaIURIR2电枢总电阻电枢总电阻反向电枢电枢电阻电阻电刷电刷压降压降中原工学院 电机学40并励直流电机电压方程并励直流电机电压方程 并励直流电机特点：并励直流电机特点： 电枢电压电枢电压=励磁电压励磁电压 电流方程：电流方程： I=Ia+If 主回路电压方程主回路电压方程 串励直流电机：串励直流电机： 电枢电流电枢电流=电机电流电机电流=励磁电流励磁电流aaaRIEU中原工学院 电机学41他励直流电动机的功率他励直流电动机的功率 输入功率输入功率 电磁功率

20、电磁功率: 为电动机电动势吸收的电功率为电动机电动势吸收的电功率 总机械功率总机械功率Te: 为电动机电磁转矩发出的机械功率为电动机电磁转矩发出的机械功率 转换功率转换功率: 输出功率输出功率:aaaaaRIIEUIP21cua1PPIEPaaeeaaTIE02PPPe602nP P0 0：克服机械摩擦、风阻、铁心损耗等所需的功率：克服机械摩擦、风阻、铁心损耗等所需的功率. .空载机械损耗空载机械损耗aaaRIEU中原工学院 电机学42直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流电动机结构、励磁方式和额定值 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场

21、 直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势 直流电动机电压方程和功率方程直流电动机电压方程和功率方程 直流拖动的运动方程直流拖动的运动方程中原工学院 电机学43运动方程运动方程 正方向规定正方向规定 n为正常运行方向；为正常运行方向； Te与与n正方向相同；正方向相同； T0、T2与与n正方向相反。正方向相反。 运动方程运动方程 稳定运行条件之一稳定运行条件之一dtdnGDdtdjTTe37520TTe02TTTeePT22PT00PT中原工学院 电机学44直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流电动机结构、励磁方式和额定值

22、 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场 直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势 直流电动机电压方程和功率方程直流电动机电压方程和功率方程 直流拖动的运动方程直流拖动的运动方程 直流电动机工作特性和机械特性直流电动机工作特性和机械特性中原工学院 电机学45并励电动机工作特性并励电动机工作特性 工作特性工作特性 条件：条件：U=UN，If=IfN时，时，n , Te , =f(Ia)。 转速特性转速特性 分析分析:Ia增大时，影响电动机转速的因素增大时，影响电动机转速的因素 电枢电阻压降电枢电阻压降,使使n 电枢反应去磁电枢反应去磁,使使n 为稳定

23、运行为稳定运行,使曲线稍微下降使曲线稍微下降 转速调整率转速调整率eaaeNeaCIRCUCEnaaaRIUE1000NNnnnnnNn0PN中原工学院 电机学46并励电动机运行工作特性并励电动机运行工作特性 注意事项注意事项 运行中，励磁绕组不允许断开运行中，励磁绕组不允许断开. 如果断开，如果断开，If=0，趋向于剩磁磁通，趋向于剩磁磁通，电枢电流增加，电枢电流增加，Te数值不大不小数值不大不小. 当当T2为轻载时，为轻载时，TeT2+T0，电机一直，电机一直加速，飞车加速，飞车; 当当T2为重载时，为重载时，TeTTL L, ,使电动机使电动机加速，直到加速，直到A A点点T Te e=

24、T=TL L, ,电动机重新电动机重新稳定。稳定。 A A点是稳定的。点是稳定的。 Te中原工学院 电机学55直流电动机的稳态分析直流电动机的稳态分析 直流电动机结构、励磁方式和额定值直流电动机结构、励磁方式和额定值 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场 直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势 直流电动机电压方程和功率方程直流电动机电压方程和功率方程 直流拖动的运动方程直流拖动的运动方程 直流电动机工作特性和机械特性直流电动机工作特性和机械特性 直流电动机稳态平衡与运行点直流电动机稳态平衡与运行点 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、

25、调速和制动中原工学院 电机学56 起动：静止起动：静止加速加速稳定稳定 起动特性是衡量电动机性能的重起动特性是衡量电动机性能的重要指标之一。要指标之一。 起动的要求：起动的要求： 起动转矩大；起动转矩大； 起动电流小；起动电流小； 起动设备简单、经济、可靠。起动设备简单、经济、可靠。 起动的基本方法：起动的基本方法： 直接起动；直接起动； 电枢回路串电阻；电枢回路串电阻； 降低电压起动。降低电压起动。直流电动机的起动直流电动机的起动TeTe中原工学院 电机学57直流电动机的起动直流电动机的起动 直接起动过程分析直接起动过程分析aeNstRnCUIaaaRIEUnCEeaaTeICTIstTst

26、n0T0运行点变化轨迹运行点变化轨迹中原工学院 电机学58直流电动机的起动直流电动机的起动 直接起动分析直接起动分析 缺点：缺点： 起动瞬间，起动瞬间，n=0，Ea=0，Ia=U/Ra，电流很大，一般电机无法承受。电流很大，一般电机无法承受。 改进策略改进策略 需要减小电流。需要减小电流。 但电流减小，影响起动转矩，必须但电流减小，影响起动转矩，必须加以考虑。加以考虑。 直接起动特（优）点：方法简单直接起动特（优）点：方法简单aeNstRnCUIaaaRIEUnCEeaaTeICT中原工学院 电机学59直流电动机的起动直流电动机的起动 直接起动直接起动 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动 电

27、流限制在一定范围内电流限制在一定范围内 降低电压起动降低电压起动STaeNstRRnCUIaeNstRnCUIaestRnCUI中原工学院 电机学60电枢回路串电阻起动运行点电枢回路串电阻起动运行点轨迹分析轨迹分析IstTst运行点变化轨迹运行点变化轨迹1.1IN2IN中原工学院 电机学61他励和并励直流电动机的调速他励和并励直流电动机的调速 调速：调速：负载不变情况下的速度改变负载不变情况下的速度改变 起动特性是衡量电动机性能的重要指标之一。起动特性是衡量电动机性能的重要指标之一。 调速的基本要求：调速的基本要求： 调速范围宽，调速范围宽， 方法简单，经济。方法简单，经济。 调速方法：调速方

28、法： 电枢控制：改变电压，电枢串电阻；电枢控制：改变电压，电枢串电阻； 磁场控制：改变励磁电流。磁场控制：改变励磁电流。eaaNCRIUn中原工学院 电机学62他励和并励直流电动机的调速他励和并励直流电动机的调速 图解法分析调速的基本原理：图解法分析调速的基本原理： 负载不变时，其负载特性曲线不变；负载不变时，其负载特性曲线不变； 这时改变直流电动机的参数，使电动机机械特性改这时改变直流电动机的参数，使电动机机械特性改变，新的特性交点即为新的运行点，其对应的转速变，新的特性交点即为新的运行点，其对应的转速即为拖动系统稳定后的新转速。即为拖动系统稳定后的新转速。AnA中原工学院 电机学63电枢串

29、电阻调速电枢串电阻调速 方法简单易行方法简单易行 损耗大损耗大 特性软特性软nAn1TLeTecaeNTCCRRCUn2中原工学院 电机学64电枢串电阻调速运行点分析电枢串电阻调速运行点分析TenoT中原工学院 电机学65.,. 2.,. 1:,5 . 0,.138,15. 0min,/1470,28,110,6 . 2:,求稳定后的电动机转速若负载转矩不变电磁转矩电枢电流电枢的电动势接入电阻瞬间试计算并略去电枢反应枢电感的影响不计电电阻现在电枢中接入下电动机运行在额定状态其额定数据为一台并励电动机fNNNNNRRrnAIVUkWP6751. 055. 907069. 014709 .1039

30、 .103215. 02 .2711022 .271381102822:eTNaNesaNaNfNNasCCnECVURIUEAIIIVU额定数据计算mNICTARRUEUIEnaTeCsaNaa248. 4292. 66751. 0292. 65 . 015. 0291.1031102,不变不变串电阻瞬间min/127807069. 032.9032.90265. 02 .271102)(, rCEnVURRIUEIITTeascaNaaaeL不变即不变调速前后nCEeaaTeICT110VsaaURIUE2中原工学院 电机学66降低电压调速降低电压调速 损耗小损耗小 使用较多使用较多 需要

31、专用电源需要专用电源nAn1TLeTeaeTCCRCUn2中原工学院 电机学67弱磁升速弱磁升速 方法简单方法简单 温升高温升高 换向变差换向变差nAn1TLeTeaeNTCCRCUn2aTeICT中原工学院 电机学68他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 电动机四象限运行电动机四象限运行 电动机运行状态电动机运行状态 电动机运行电动机运行 制动运行：制动运行：n与与Te方向相反方向相反Te2T0TnTeno中原工学院 电机学69能耗制动能耗制动 正常运行正常运行中原工学院 电机学70能耗制动能耗制动 正常运行正常运行 正常停车正常停车中原工学院 电机学71能耗制动能耗制动 正常运行正常运行 正常停车正常停车