第三章直流电机的稳态分析

1、第三章第三章 直流电机直流电机 (DC Motor)3.1 直流电机的直流电机的工作原理和基本工作原理和基本结构结构3.2 空载和负载空载和负载时直流电机的时直流电机的磁场磁场3.3 直流电机直流电机的感应电动势的感应电动势和电磁转矩和电磁转矩3.4 直流电机直流电机的基本方程的基本方程3.5 直流电动机的直流电动机的运行特性运行特性 直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点优点，但与交流电机相比自身又有着缺点缺点。近年来，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，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值! 本章主要内容本章主要内容 (

2、The main content of this chapter ) 1 1、直流电机的工作原理和基本结构、直流电机的工作原理和基本结构 ( (Dc motors work principle and basic structure ) )2 2、说明电机的磁动势和磁场、说明电机的磁动势和磁场 ( (Explain the motor magnetomotive force and the magnetic field ) )4 4、分析直流电动机的稳态运行性能、分析直流电动机的稳态运行性能 (Analysis of dc motor steady-state operation perfor

3、mance ) )3 3、导出电机的电动势和电磁转矩公式、导出电机的电动势和电磁转矩公式(Export motor electromotive force and electromagnetic torque formula )3.1 3.1 直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构 (Dc motors work principle and basic structure ) )一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理(The working principle of dc motor)固定部分（定子）固定部分（定子）(Fixed part (stator) )：主磁极N

4、和S；（如图31）表示一台直流电机。1 1、直流电机的结构、直流电机的结构( (The structure of the dc motor ) )旋转部分（转子）旋转部分（转子）(Rotating part (rotor) )：电枢铁心；电刷；电枢绕组AX(一个线圈)；换向器。定子与转子之间为气隙。2 2、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理( (The working principle of dc generator) 发电机发电机(generator )：虽然线圈AX电动势是交流电动势， 但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势 却是直流电动势。（图3-2 a，图3-2b） 3

5、3、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理 ( (The working principle of dc motor) 电动机(motor )：在直流电动机中，外加电压并非直接1B2B加于线圈，而是通过电刷 、 和换向器再加到线圈变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改保持不变。4 4、脉动的减小、脉动的减小( (Pulsating reduce) 电刷上的电动势 (如图33)。电枢绕组由多个线圈串联而构成的 ，实现方法实现方法(implement method ):二、直流电机的二、直流电机的基本结构基本结构(The basic stru

6、cture of dc motor)1 1、主磁极、主磁极 (main magnetic pole) 构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。 2 2、机座、机座( (engine base) 构成：构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：作用：建立主磁场。作用：作用：1、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。3 3、电枢铁心、电枢铁心( (armature core) 作用：作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。 构成：构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的DR530 4 4、电枢绕组、电枢绕组( (armature winding)作用：作用：直流电机的电路部分。 构成：

7、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。或DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。5 5、换向器、换向器( (commutator) 作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。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，两端再用两个形环夹紧而6 6、电刷装置、电刷装置( (brush gear)作用：作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。构成。三、三、 励磁方式励磁方式( (Exciting Type) 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励(separate ex

8、citation )自励(self-excitation ) 7 7、换向极、换向极( (commutating pole)构成：构成：由铁心和绕组组成。作用：作用：改善换向。复励式复励式(compound-wound )( (图图3-5d3-5d) ) ： 装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。1 1、他励式、他励式( (separate excitation type ) )（如图如图3-5a3-5a） 其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。2 2、自励式、自励式( (self-excitation type) )发电机发电机 (generat

9、or )：利用自身发出的电流励磁； 电动机电动机 (motor )：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。并励式并励式(Shunt type )(图图3-5b3-5b) ) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；串励式串励式(Series type )(图图3-5c3-5c) ) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；四四 、直流电机的额定值、直流电机的额定值( (the rating value of Dc motor) （1）额定功率额定功率 ：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时， （2）额定电压额定电压 ：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。（3）额定电流额定电流 ：指电机运行在时电机的线电流，以A表示。

10、（4）额定转速额定转速 ：指额定状态运行时转子的转速，以r/min表示。 （5）额定励磁电压额定励磁电压 （仅对他励电机）。 对电动机， 输出的机械功率； 对发电机， 输出的电功率。NPNPNPNUNINnfNU直流电机的额定值有：电机的输出功率，以kW表示。3.2 3.2 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( (No load and load when the magnetic field of dc motor ) )一一 、空载时直流电机的磁场、空载时直流电机的磁场 ( (如图如图3-63-6) )。 ( (When there is no dc motor of t

11、he magnetic field ) )fpD 2：空载时的主磁极的磁通：a)主磁通主磁通 ：通过气隙，并形成气隙磁场。 (main flux )b) 主极漏磁通主极漏磁通(Main pole leakage magnetic flux ) 极矩：(moment )0二二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应、负载时的电枢磁动势和电枢反应 （介绍）（介绍） (the armature magnetomotive force and armature reaction of the load)电枢反应电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。(armature reaction )1、交轴电枢磁动

12、势和交轴电枢反应(Quadrature axis armature magnetomotive force and quadrature axis armature reaction ) 影响影响：1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等 2）、不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、 亦无去磁作用； 计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。作用。2 2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应( (Direct axis armature magnetomotive force and direct axis armature reactio

13、n ) )发电机发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；(generator ) 电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机电动机：与发电机的情况相反。(motor )3.3 3.3 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩( (Dc motor of the induced electromotive force and electromagnetic torque ) ) 设气隙磁场的分布（如图37）所示，则每lvbe根导体的感应电动势为blv一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势 (Armature winding induction elect

14、romotive force )式中， 导体所在处的气隙磁密； 导体的有效长度； 导体相对气隙磁场的速度。电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的 令 为平均气隙磁密，则上式改写为 aZiaZaaxblvlvbE2121)(avBavaaBaZlvE2602npv将 代入上式得出电动势的代数和，则电动势公式电动势公式 ：nCnapZlBaZpnEeaavaa60)(2602nCEealBav式中，apZCae60 每极的总磁通量； 电动机常数； 电动势公式。电动势公式。 二二 、直流电机的电磁转矩、直流电机的电磁转矩(the electromagnetic torque of Dc motor

15、) 电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为 式中， 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为 式中， 气隙平均磁密。 cT2DlibTabpT22)(221DliBpZxbDliTaavapZiapa)(2121ipzaavxbpZBa整个电枢上的电磁转矩 则 为22DliBZpTTaavapepD2lBavaIiaa2 aTaaaavaeICIaZppaIlBZT22aTeICT 可得直流电机的转矩公式为 再考虑到 eT 一、电压方程 ；基本方程 二、转矩方程 。 一、电压方程一、电压方程(Voltage equation ) 1 1、他励直流电机、他励直流电机( (se

16、parately excited dc machine) ) 直流电机的稳态电路图（发电机，电动机） 发电机发电机： 则有 ； 电动机电动机： 则有 。IIaUEaaasaaRIUURIUE2UEaaaasaaRIEURIEU2 3.4 3.4直流电机的基本方程直流电机的基本方程(the basic equation of Dc motor)他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 。2 2、并励直流电机、并励直流电机( (Shunt DC Motor ) 其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁UUffaIIIafIIIIIIsa 3 3、串励直流电机、串励直流电机( (Series Exci

17、ted DC Motor) 其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励 另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。电压为电枢端电压，即发电机：电动机：磁绕组与电枢绕组相串联，有 。二、转矩方程二、转矩方程(Torque equation)eTeTTT011T0T 为电磁转矩。1 1、发电机情况下、发电机情况下( (Generator cases ) ) 电机本身的机械阻力转矩； 原动机的驱动转矩；电磁转矩为制动转矩，有 电动机轴上的负载转矩。2T式中，20TTTe 2 2、电动机情况下、电动机情况下( (Motor cases )电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率三、电磁功率(electroma

18、gnetic power) 发电机发电机： 机械能 转化为电能 ； 电动机电动机： 电能 转化为机械能 。 ePaaeIEP 602 neaaaaTIapZIE2eTaaIEaaIEeT电磁功率用 表示，则将 代入上式，得四、直流电机的可逆性四、直流电机的可逆性 (the reversibility of Dc motor )UEa 电机的可逆性：电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为 (Reversible motor )发电机运行；电动机运行。UEa发电机、亦可作为电动机运行。3.5 3.5 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性(dc motor of the operation

19、characteristic )fNfNIIUU,)(,2PfTne 直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并励电动机的运行特性 (Shunt motor operating characteristics)1 1、工作特性工作特性( (performance characteristic ) )指 时， 。特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。)(2Pfn aeaeeaICRCUCEnn%1000NNnnnn（1 1）、）、转速特性转速特性 ( (speed characteristic )据转速公式 得出转速特性曲线转速调整率 ：(Speed regulation ) 注意：并

20、励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。（2 2）、）、转矩特性转矩特性 ( torque characteristics )( torque characteristics ) 转矩方程)(2PfTe2020PTTTTe)(2Pf（3 3）、）、效率特性效率特性(efficiency characteristic(efficiency characteristic ) )并励电动机的效率特性和其他电机相类似。得出转矩特性曲线。NUU fR)(eTfneeTaeTCCRCUn22 2、转矩、转矩转速特性转速特性(Torque - speed ch

21、aracteristic ) 指 ，励磁回路电阻 常值时， 。转速与转矩的关系表达式为得特性曲线（如图311）结论：硬特性结论：硬特性(Hard characteristics )(eTfn二二 、串励电动机的运行特性、串励电动机的运行特性( (the operation characteristic of Series motor) 1 1、工作特性、工作特性(working characteristic )IIIsaNUU )(,2PfTne)(,aeIfTnsesaasessesaaesaaKCRRIKCUIKCRRIUCRRIUn1)()(特点： 是指 时， 或 （图形312）转速公式

22、 上式表明 曲线大致为一双曲线。sR)(aIfn 式中 为串励绕组的电阻。轻载时， 、 常值 ssIKsK22aTssTeICIKCT2aeIT 负载增加，磁路饱和， 常值 aTeICTaeIT 注意：串励电动机不允许空载运行。注意：串励电动机不允许空载运行。 (Series motor does not allow no-load operation )%10041NNnnnn （与并励电动机的转速调整率定义相对比）。 2 2、转矩、转矩转速特性转速特性(Torque - speed characteristic) 是指 时 。 NUU)(eTfn由电压方程可知 IRRnKCRRInCRRI

23、EUsasesaesaaa)()()(其转速调整率定义为：式中 。 ssIK于是电磁转矩为 22)(sasesTsTaTRRnKCUKCIKCICT可得 )(1saesTseRRUTKCKCn（如图3-13）结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速 下降，是软特性。下降，是软特性。 (With the increase of the torque, series motor speed quickly Fall, it is soft characteristic. ) 三、复励电动机的特点三、复励电动机的特点(The characteristics of the compound motor) 复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和 复励电动机的转矩转速特性（如图3-14）。串励电动机之间。 结构较复杂结构较复杂直流电机直流电机 成本较高成本较高 使它的应用受到使它的应用受到 限制限制 可靠性较差可靠性较差 1.1