电机与拖动基础3章.

1、第第3章章 直流电机原理直流电机原理本章主要内容1. 直流电机工作原理2. 直流电机的结构与型号3. 直流电机的磁路4. 直流电机的电枢绕组5. 直流电机的电枢电动势与电磁转矩6. 直流发电机的运行原理7. 直流电动机的运行原理8. 他励直流电动机的的机械特性9. 串励和复励直流电动机10. 直流电机的换向3.1 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理3.1.1 直流电机的用途 直流发电机：机械能直流电能 直流电动机：直流电能机械能直流发电机 直流电动机 直流电动机的优势： 1）调速范围广，易于平滑调速 2）启动、制动和过载转矩大 3）易于控制，可靠性较高。用于对调速要求高的

2、场合。城市电车 电动自行车 电动汽车 造纸机 直流电动机应用实例3.1.2 基本工作原理基本工作原理 交流发电机的模型N、S：主磁极线圈abcd：电枢K、L：滑环A、B：电刷 磁场方向NS 原动机拖动电枢逆时针旋转。n3.1.2 基本工作原理基本工作原理 直流发电机的工作原理 用两个相对放置的导电片(换向片)代替交流发电机的两个滑环，电刷接触的换向片始终是相同一侧的线圈边，所以N极一侧的电刷得到的电压始终是（+），S极一侧的电刷得到的电压始终是（-） 。ABabdcabdcnFFabdcnFF3.1.2 基本工作原理基本工作原理 直流电动机的工作原理 直流电源通过静止的电刷与随电枢转动的换向器

3、的滑动接触把直流电源转换成电枢中的交流电，保证电枢转矩的方向不变，电枢保持逆时针旋转。线圈不由原动机拖动；电刷接直流电源；AB3.1.2 基本工作原理基本工作原理 直流电机的可逆性：直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电

4、动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可可逆原理逆原理。3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号模型的改进：1. 电枢，改用多线圈，相应换向器的改进。2. 磁路，增加电枢铁芯。3. 可根据需要增加磁极对数。4. 改进电机的换向等。3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号3.2.1 主要结构3.2.1 主要结构主要结构1. 定子部分定子部分 直流电机由定子、转子两大部

5、分构成。 定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它主要由主磁极、机座、电刷、端盖和轴承组成。 机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。1. 定子部分定子部分 主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，主磁极铁心用11.5mm厚的低碳钢板叠压铆合而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。 主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。1. 定子部分定子部分 电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换

6、向器相配合，起到整流或逆变器的作用。 换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。2. 转子部分转子部分 直流电机转子部分：电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等 电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2. 转子部分转子部分 电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。 换向器：由许多换向片组成，每两

7、个换向片中间是绝缘片。换向片数与线圈元件数相同。3.端盖：把定子和转子连为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座两端，并支撑着转子。电刷杆也固定在端盖上。3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据 1额定容量 （功率）PN（kW） 2额定电压 UN（V）； 3额定电流 IN（A）； 4额定转速 nN（rmin）； 5励磁方式和额定励磁电流 IfN（A）。3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据 额定电压UN、额定电流 IN：直流发电机，出线端输出的电压、电流的额定值；直流电动机，出线端输入的电源的电压电流的额定值； 额定容量PN：对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率的额定值，对直流电动机来说，

8、是指轴上输出的机械功率的额定值。 所以，直流发电机的额定容量为： PN =UN IN 而直流电动机的额定功率为： PN =UN IN NN额定效率，是电动机额定输出机械功率与电源输入电功率之比。3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据NNNNNNN2nP55. 960n2PPT 电动机轴上的输出额定转矩T2N ： 直流电动机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态 过载运行：电枢电流超过额定值 欠载运行：电枢电流小于额定值20例题： 一台直流发电机，其额定功率PN=145 kW，额定电压UN=230V，额定转速nN=1450rmin，额定效率N=90，求该发电机的输入功率P1

9、及额定电流IN各为多少?解 额定输入功率额定电流21例题：一台直流电动机，其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220 V，额定效率N=90，额定转速nN=1500rmin，求该电动机的输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少?解 额定输入功率额定电流或额定输出转矩3.3 磁路、空载气隙磁密与磁化特性磁路、空载气隙磁密与磁化特性3.3.1 直流电机的磁路绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的。空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。那么 ，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。3.3

10、.1 直流电机的磁路直流电机的磁路 当励磁绕组流过励磁电流If 时，每极励磁磁通势： Ff =If Nf 漏磁通：漏磁通：仅交链励磁绕组仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩。生电磁转矩。约有20%的主极漏磁通。 主磁通：经过主磁极、 气隙、电枢齿及电枢磁轭 、定子磁轭 构成磁路 ，它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通主磁路漏磁路3.3.2 空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形电路欧姆定律 磁路欧姆定

11、律SlRRREI21E+-IR1R2FRmRmE FI R RmSlRRRFmmm3.3.2 空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形mfmmmamtmfRR2RR2R2F2 简化主磁路，根据磁路欧姆定律，磁管的磁通：Rm，Rmt，Rma，Rmm，Rmf分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭的磁阻。在磁路不饱和情况下， 0 。有：mfmfRFR2F2 il 3.3.2 空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形 磁管气隙段磁路的磁阻imlR 0 气隙处的磁密： 磁极中心磁密大，两极极靴外磁密小，在两极之间的几何中心线处，磁密为零。 fixFlB0 ifif

12、mflFlFRF00 3.3.3 空载磁化特性空载磁化特性 空载时 =f(Ff ) 或 =f(If ) 称为直流电机的空载磁化特性。 空载磁化特性具有饱和现象。0 IfN IfNA 在额定状态下，电机往往工作在空载磁化特性开始拐弯的 A点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。3.3.4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 直流电机按励磁方式（即获得磁通的方式）可分为M他励式他励式M并励式并励式M串励式串励式M复励式复励式永磁式永磁式M3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起

13、着重要的作用。 电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件（线圈）以一定的规律连接起来的，Ny代表元件的匝数。一个元件不论匝数多少，只有两个引出端：首端和尾端。 各元件通过换向片彼此连接，一个元件的首端和另一个元件尾端接在同一个换向片上。可见元件数S等于换向片数K。 S=K绕组元件3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 实槽数Z，一个实槽中的虚槽数u，总虚槽数Ze。 Ze=uZ=S=K用z代表电枢绕组的全部导体数，则有 z=2NyuZ=2NyZe3.4.1 单叠绕组单叠绕组1. 节距：（1）第一节距y1：同一个元件两条边之间的距离，以虚槽数计，总是整数。整数整数 pZye21（2）合成节距y和换

14、向器节距yk ：元件1与和它相连的元件2对应边之间的跨距是y，用虚槽数表示。每个元件首、末端所连两个换向片之间的跨距是yk，用换向片数来表示。单叠绕组y=yk=1。（3）第二节距y2：连至同一个换向片的两个元件边之间的距离，用虚槽数表示。单叠绕组： y2=y1-y2. 单叠绕组的展开图1. 计算节距：y1=Ze/2p=4yyk1y2=y1-y=3计算节距画绕组展开图安放电刷和磁极极距：在电枢铁心表面上，一个主磁极所占的距离。用槽数表示。实例： 已知一台电机的极数2P4， ZeSK16，画出它的右行单叠绕组的展开图。2. 单叠绕组的展开图16123456789101112131514141523

15、4567891011121314161511615+NSNSS电枢转向A1A2B1B23. 单叠绕组元件连接次序5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 整个绕组是一个闭合绕组上层元件边下层元件边y1yy24. 单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图1) 每个极下的元件组成一条支路,并联支路对数a等于极对数p: a = p2)正负电刷间感应电动势最大，被电刷短路的元件里感应的电动势最小。3）电刷杆数等于极数。 3.4.2 单波绕组单波绕组1. 节距PKyKyPkk1, 11）

16、第一节距y1：与单叠绕组相同。2）合成节距y和换向器节距yk ：y = yk12yyy 3）第二节距y2：2. 单波绕组的展开图实例：2P4， Ze=SK15 单波绕组计算节距画绕组展开图安放电刷和磁极1.绕组数据计算44141521 pzye721151 pKyyk43712 yyy2. 单波绕组的展开图2. 单波绕组的展开图从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：18157146135124113102918 15 7 14 6 13 5 12 4 11 310 2915 12 4 11 3 1029 18 15 7 14 6 13上层边下层边3. 单波绕组的

17、并联支路图单波绕组的并联支路图18 15 7 14 6 13 5 12 4 11 310 2915 12 4 11 3 1029 18 15 7 14 6 13上层边下层边单波绕组特点单波绕组特点1.单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分， 所以单波绕组的支路对数a与极对数p多少无关，永远为1，即a1。 2.正负电刷间感应电动势最大。3.电刷杆数等于极数。单叠绕组与单波绕组的比较单叠绕组与单波绕组的比较 在电机的极对数（大于1）、元件数以及导体截面积相同的情况下，单叠绕组并联支路数多，是单波绕组的p倍，允许较大的总电流，每个支路里的元件数少，总电势较低，适用

18、于较低电压较大电流的电机。 单波支路对数始终为1，允许的总电流较小，每个支路里含有的元件数多，是单叠绕组的p倍，总电势较高，所以适用于较高电压、较小电流的电机。3.5 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩 3.5.1 电枢电动势 电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间感应的电动势，也是电枢绕组每个支路里的感应电动势。602npvlBeiavav 602npv iavlB 一根导体的平均电动势：a60pzCenapznpazeazEava 6060222 nCEea电动势常数电枢电动势：例题3-3 已知一台l0kW、4极、2850rmin的直流发电机，电枢绕组是单波绕组，整个电枢总导体数为37

19、2。当发电机发出的电动势Ea=250V时，求这时气隙每极磁通量。解 已知这台直流电机的极对数p=2，单波绕组的并联支路对数a=1，于是可以算出系数根据感应电动势公式，气隙每极磁通为3.5.2 电磁转矩电磁转矩一根导体所受的平均电磁力aiavavilBf aIiaa2 导体里流过的电流：一根导体所受的平均电磁转矩T121DfTav 电枢直径： pD2 电枢总的电磁转矩 apzCt2 Ct=9.55Cea60pzCe转矩常数：atICT aaiavIapzDilzBzTT 221 47例题3-4 已知一台四极直流电动机额定功率为l00kW，额定电压为330V，额定转速为730rmin，额定效率为0

20、.915，单波绕组，电枢总导体数为186，额定每极磁通为5.98l0-2Wb，求额定电磁转矩。 解 转矩常数额定电流额定电磁转矩直流电机中的电枢电动势和电磁转矩直流电机中的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势输出电动势(与电枢电流同方向)电磁转矩制动(与转速方向相反电枢电动势反电动势(与电枢电流反方向）电磁转矩拖动(与转速方向相同)。3.5.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 电枢磁通势改变气隙磁密分布及每极磁通量大小的现象称为电枢反应。B 如磁路不饱 和，总磁通量不变。但磁路饱和时，总磁通要降低，称为去磁效应。3.6 直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理3.6.1 直流发电机稳态运行时的

21、基本方程式各物理量正方向按发电机惯例EanT1T0TIaUIfUf发电机惯例Ea=U+IaRaEa=CenT=Ct IaT1=T+T0If =Uf / Rf =f(If , Ia)3.6.2 功率关系功率关系Ea=U+IaRa两端同乘Ia Ea Ia =U Ia +I2aRa=P2 +pCua P2=UIa 电动机输出给负载的电功率 pCua=I2aRa 总铜损耗（绕组、电刷与换向器）EaIaU3.6.2 功率关系功率关系 T1 = T + T0写成 P1=PM+p0 P1= T1 原动机输入的机械功率 p0= T0 =pm+pFe 空载损耗功率 pm为机械摩擦损耗，pFe为铁损耗PM=T 为

22、电磁功率aaaaMIEnIa60pz60n2Ia2pzTPPM既是机械性质又是电性质的功率，反映了机械能转换成电能的实质。3.6.2 功率关系功率关系 综合功率关系： P1=PM+p0=P2+pCua+pm+pFe他励直流发电机的功率流程：p0=pm+pFepCua=Ia2RaP1=T1PM=T =EaIaP2=UIa总损耗：p=pm+pFe+pCua+ps杂散损耗发电机效率：pPp1PP21254Fep解 先计算额定电流励磁电流电枢绕组电流 例题3-5 一台额定功率PN=20kW的并励直流发电机，它的额定电压UN=230V，额定转速超nN=1500rmin，电枢回路总电阻Ra=0.156 ，

23、励磁回路总电阻Rf=73.3，已知机械损耗和铁损耗pm+pFe=lkW，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。(计算过程中，令P2=PN，附加损耗ps=0.01PN。)55电枢回路铜损耗励磁回路铜损耗电磁功率总损耗输入功率效率3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 一台他励直流发电机在直流电网上并联运行，电网电压U保持不变，电机中各物理量的正方向为发电机惯例。 若保持励磁电流不变，输入机械功率P1=0，由电机的功率和转矩关系而此时由于机械惯性，n 不会立即变化11PT 知 T1=0T1=T+T0P1=PM+p0直流电机的可逆原理由知转速n 降低，Ea，

24、Ia，T 降低 由知Ea保持不变由知Ia保持不变因此保持不变Ea=CenEa=U+IaRaT=Ct IadtdJTT 0转速降到某一数值转速降到某一数值n0 时时， UnCEe0a0，Ia=0 ，T =002aUIP 由于存在T0，电机继续减速，n n0 后发电机的输出功率T0 电磁转矩T 为负，与转速方向相同，不再是制动性转矩，而是拖动性转矩。当转速降低到某一数值，电磁转矩与空载转矩平衡，转速n就不再降低，维持恒速运行，这时这种状态的直流电机是电动机的运行状态。以上过程可逆。3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理3.7.1 他励直流电动机稳态运行的基本方程式各物理量正方向按电动机惯例E

25、anTLTIaIfUf电动机惯例UU=Ea+IaRaEa=CenT=CtIaT=T2+T0=TLIf =Uf / Rf , =f(If , Ia)3.7.2 他励直流电动机的功率关系他励直流电动机的功率关系 U Ia = Ea Ia +I2aRa写成 P1=PM+pCua P1= U Ia 电源输入的电功率 PM= Ea Ia =P2+p0 电磁功率 pCua=I2aRa 电枢回路铜损耗 T = T2 + T0写成 PM=P2+p0 P2 =T2 转轴上输出的机械功率 p0 = T0= pm+ pFe 空载损耗EanTLTIaIfUf电动机惯例U3.7.2 他励直流电动机的功率关系他励直流电动

26、机的功率关系 综合功率关系： P1=PM+pCua=P2+pCua+pm+pFe他励直流发电机的功率流程：p0=pm+pFepCua=Ia2RaP1=UIaPM=EaIa= T P2=T2 总损耗：p=pm+pFe+pCua+pspPp1PP212电动机效率：6263643.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1. 转速特性当U=UN，If=IfN时，n=f(Ia)的关系。U=Ea+IaRa UN=EaN+IaRaEaN=CeNn=UN IaRa当UN，IaN，nN时的励磁电流aNeaNeNICRCUn当Ia，n。但Ra较小， n很小。nIan3.7.3 直流电动机的工作特性直流电

27、动机的工作特性2. 转矩特性当U=UN，If=IfN时，T=f(Ia)的关系。nIanT,TaNtICT 电磁转矩T与电枢电流Ia成正比。如果考虑电枢反应有去磁效应，随着Ia的增大，T要略微减小。3.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性3. 效率特性当U=UN，If=IfN时，=f(Ia)的关系。aaaFemUIRIppPp2111 nIanT,T p中，p0=pFe+pm不随Ia变化，为不变损耗，电枢回路总铜耗pCua随Ia2成正比，是可变损耗，=f(Ia)曲线如图所示。，直流电动机效率约为0.750.94，容量大的效率更高。令0 adId 得 pFe+pm=pCua= Ia2R

28、a即当不变损耗等于可变损耗时，电机的效率最高。3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性3.8.1 机械特性的一般表达式EanTLTIaIfUfUR 他励直流电动机的机械特性是指电动机加上一定的电压U和一定的励磁电流If ，并在电枢回路中串入电阻R，电磁转矩与转速之间的关系，即 n= f(T) 。 电动机的机械特性是分析电动机起动、调速、制动的重要工具。3.8.1 机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式 机械特性机械特性 n= f(T) 的推导aNeaNeNICRCUn 将T=CtIa，代入转矩特性，考虑到电枢串电阻R可得：TnTCCRRCUnteae 02 eCUn 0为理想

29、空载转速2 teaCCRR 为机械特性的斜率3.8.2 固有机械特性固有机械特性 当U=UN，=N ，R=0时的机械特性TCCRCUn2teaNeNN特点：1） n= f(T)为下斜直线 ，T，n；2）当T=0时，n0=UN/CeN为理想空载转速，此时，Ia=0，E=UN ；0nTn0nNTNTs3.8.2 固有机械特性固有机械特性特点：3） Ra小，斜率 很小，特性较平，称之为硬特性；（ 大的特性称为软特性）4）TTN时， nN=n0-nN= TN 为额定转速差。nN约0.95n0， nN约0.05n0；5）n=0，电机启动，Ia=UN/Ra=IS，T=CtNISTS，很大，约额定值的20倍

30、。会烧坏换向器。 以上为第一象限的情况：0TTS, 0nn0, 0EaTS，n0。在第象限。7）Tn0。在第象限，发电机状态。0nTn0nNTNTsn=0：启动电流；电磁转矩（：启动转矩）例：如果则即因此3.8.2 固有机械特性固有机械特性 他励直流电动机固有机械特性是一条斜直线，跨越三个象限，特性较硬。 机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。 固有机械特性是电动机最重要的特性，在此基础上，很容易得到电动机的人为机械特性。73743.8.3 人为机械特性人为机械特性1.电枢回路串电阻的人为机械特性UN，N，电枢回路

31、串R后的机械特性。TCCRRCUn2teaNeNNn0Tn0RaR1R2Ra+R1Ra+R2固有人为特点：n0不变，R增大，n增大，特性变软，一组放射形直线。若T为常数，n（Ra+R） 他励直流电动机的电压、励磁电流、电枢回路电阻等改变后，其对应的机械特性称为人为机械特性，主要有三种：3.8.3 人为机械特性人为机械特性2. 改变电枢电压的人为机械特性N， R=0，改变U时的机械特性。TCCRCUn2teaNeNnn0T0UNn01-n0U1U=0U= -UN特点：1）斜率不变，各条特性互相平行，T 一定时，n不变， ；2）n0与U成正比。3.8.3 人为机械特性人为机械特性3. 减小气隙磁通量的人为机械特性UN，R0，减小时的机械特性TCCRCUn2teaeNn0T0N1n11Nn特点：越小，n0越高，越大，机械特性变软，T一定时，n也变大。