直流电机基本原理

1、第五篇第五篇 直流电机直流电机1第十六章第十六章直流电机的基本原理和电磁关系直流电机的基本原理和电磁关系216-1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构3一、定子部分一、定子部分41. 主磁极主磁极图16-1 主磁极 主磁极铁心螺栓机座绕组绝缘励磁绕组极靴电枢5二、转子部分二、转子部分67三、励磁方式三、励磁方式8图 16-2 直流电机励磁方式 (a)他励；(b)并励；(c)串励；(d)短复励；(e)长复励 UEaIa+-+-UfI-I+-I+-I+If-+(a)(b)(e)(d)(c)UUUUIaEaIaEaIaEaIaEaIfIfIfI9四、额定值四、额定值 1. 额定功率额定功率PN 2

2、. 额定电压额定电压UN 3. 额定电流额定电流IN 4. 额定转速额定转速nN 5. 额定励磁电压额定励磁电压UfN1016-2 直流电枢绕组直流电枢绕组11一、直流电枢绕组的特点一、直流电枢绕组的特点12图16-3 虚槽的示意图13二、绕组节距二、绕组节距 1. 第一节距第一节距 y1 2. 第二节距第二节距 y214pZy2e1一个线圈两条圈边在电枢表面上所跨的距离紧挨着的相串联的两个线圈中，第一个线圈的下层圈边与第二个线圈的上层圈边在电枢表面上所跨的距离153. 合成节距合成节距 yy = y1 + y2式中y2对叠绕组为负值，对波绕组为正值。4. 换向器节距换向器节距 yk紧挨着的相

3、串联的两个线圈对应圈边在电枢表面所跨的距离同一个线圈的两个出线端所接的换向片之间所跨的距离yk = yy1y2y123ykNSy1ykNySNSK 1y2图16-4 单叠绕组连接示意图图16-5 单波绕组连接示意图16三、单叠绕组三、单叠绕组1234567891014121615171918112435678911110151312141716181920n1320NSNS图16-6 单叠绕组展开图-+1718电枢绕组和换向器是旋转的，而磁极和电刷是不动的。磁极均匀地分布在电枢绕组的上方，电刷的中心线对着磁极的中心线。按照磁极的极性和电枢旋转的方向，可以确定圈边中的感应电动势的方向以及电刷的极

4、性。每个电刷都将一个线圈元件短路，该元件的电动势刚好为零，这样就把每个极面下的线圈元件串联成一个支路。2345789101213141520191817671617111221161611-+图16-7 单叠绕组线圈元件连接示意图1920单叠绕组的电刷数应该等于磁极数，并联支路数等于单叠绕组的电刷数应该等于磁极数，并联支路数等于电机的磁极数，电机的磁极数，即2a = 2pIa = 2aia叠绕组是一种并联支路数较多，电枢电流较大，而电叠绕组是一种并联支路数较多，电枢电流较大，而电刷间电动势较小的并联绕组刷间电动势较小的并联绕组。四、单波绕组四、单波绕组12345678910 11 12 13

5、14 15 16 17 18 191918171316 17219181345678911101214 15 16181719NNN123SSn图16-8 单波绕组部分展开图2112345678910 11 12 13 14 15 16 17 18191816 17 18 1912345678910 11 12 13 14 15 16NnSNS-+图16-9 单波绕组展开图221881779413312214151610119119456-+166155141111019图16-10 单波绕组线圈元件连接示意图2324单波绕组具有最少的并联支路数，单波绕组具有最少的并联支路数，所以电刷间的电动

6、势较大，而电流较小所以电刷间的电动势较大，而电流较小，Ia = 2iaa = 1换向器换向器25直流电机实质上就是一台装有直流电机实质上就是一台装有换向装置换向装置的交流电机。的交流电机。2616-3 直流电机的磁场和电枢反应直流电机的磁场和电枢反应27一、空载直流电机的磁场一、空载直流电机的磁场图16-11 直流电机的空载磁场分布28Bbb0 x图16-12 直流电机空载时的气隙磁场分布29二、负载时电枢电流的磁场二、负载时电枢电流的磁场x0 x0fa(x)ba(x)A2图16-13 直流电机电枢磁动势和电枢磁场30三、交轴电枢反应三、交轴电枢反应x0 x0ba(x)图16-14 直流电机气

7、隙中的磁场分布波发电机电动机SNb0(x)b(x)31NSNSNS发电机电动机图16-15 直流电机电枢反应对磁场分布的影响(a)空载时的磁场分布(b)电枢磁场分布(c)合成磁场分布物理中心线几何中心线32四、直轴电枢反应四、直轴电枢反应(a)电枢磁动势(b)交轴电枢磁动势(c)直轴电枢磁动势FaFaqFad图16-16 电刷不在中心线上时电枢磁动势的交轴分量和直轴分量33x0 几何中心线SNFFaqFaFad图16-17 电刷不在几何中心线上时的电枢磁动势分布34 例例16-1 一台四极直流发电机，额定电一台四极直流发电机，额定电枢电压枢电压230 V，额定电枢电流，额定电枢电流84.8 A

8、，额定，额定转速转速1500 r/min。电枢绕组为单波绕组，。电枢绕组为单波绕组，共有共有444根导体，电枢回路的总电阻根导体，电枢回路的总电阻0.147 ，电枢直径，电枢直径Da = 29.5 cm。励磁绕组每极。励磁绕组每极匝数匝数900匝。在额定运行情况下励磁电流为匝。在额定运行情况下励磁电流为2.85 A。当转速为。当转速为1500 r/min时，测得电机时，测得电机的空载特性见表的空载特性见表16-1。35表表16-1 例例16-1空载特性空载特性36试求：试求：（1）电枢的线负载）电枢的线负载A；（2）电刷在交轴处，额定运行时）电刷在交轴处，额定运行时电枢反应的交轴磁动势电枢反应

9、的交轴磁动势Fa；（3）额定运行时，电枢反应的等）额定运行时，电枢反应的等效去磁安匝效去磁安匝Faqd；（4）若电刷顺着电枢旋转方向移）若电刷顺着电枢旋转方向移动动8 电角度，电枢磁动势的直轴分电角度，电枢磁动势的直轴分量量Fad和交轴分量和交轴分量Faq。375025020015010000.5242.47If0(A)E0(V)图16-18 例16-1空载特性2.02.4141.01.52.53.03816-4 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势和电压、功率平衡方程式和电压、功率平衡方程式39一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势SNx图16-19 电刷间的电动势等于一支路

10、导体的感应电动势之和b0(x)40602602avavnpnplllvBe每根导体的平均感应电动势：每根导体的平均感应电动势： 两电刷之间的感应电动势：两电刷之间的感应电动势：nCnNapeaNEeava602式中式中 n 电枢旋转速度，电枢旋转速度，r/min； 每极总磁通，每极总磁通，Wb； Ce 电机电动势常数，电机电动势常数，apNC60e 41二、电压平衡方程式二、电压平衡方程式421. 直流发电机的电压平衡方程式直流发电机的电压平衡方程式图16-20 并励直流发电机电路图 IaIfraILrfEaU43电枢电流：电枢电流：fLaIII发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端电压，

11、即发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端电压，即Ea U UrIUE2aaa感应电动势与电流方向一致，电机输出电功率。感应电动势与电流方向一致，电机输出电功率。 442. 直流电动机的电压平衡方程式直流电动机的电压平衡方程式UEaIaraIfrf图16-21 并励直流电动机电路图 I45电源流入电动机的电流：电源流入电动机的电流： faIII感应电动势的方向与电枢电流的方向相反，电机感应电动势的方向与电枢电流的方向相反，电机吸取电功率，所以称为吸取电功率，所以称为反电动势反电动势。反电动势应小于端电压，即反电动势应小于端电压，即Ea U，UrIUE2aaa46三、功率平衡方程式三、功率平衡

12、方程式471. 直流发电机的功率平衡方程式直流发电机的功率平衡方程式P1PMP2pfpbpapadpFepmec图 16-22 并励直流发电机的功率流程图 48 例例16-2 一台四极并励发电机，额一台四极并励发电机，额定功率定功率PN = 82 kW，额定电压，额定电压UN = 230V，电枢绕组电阻，电枢绕组电阻ra = 0.0259 ，励，励磁绕组电阻磁绕组电阻rf = 22.8 ，额定负载时，额定负载时，并励电路串入电阻并励电路串入电阻Rf = 3.7 ，电刷接，电刷接触压降触压降2 U = 2 V，机械损耗和铁心损，机械损耗和铁心损耗耗pmec + pFe = 4.3 kW，附加损耗

13、，附加损耗pad = 0.005PN。试求额定负载时发电机的各。试求额定负载时发电机的各绕组的铜损耗、电磁功率、输入功率绕组的铜损耗、电磁功率、输入功率和效率。和效率。 49UEaIararfIfRfRIL图 16-23 例 16-2 并励发电机电路图 502. 直流电动机的功率平衡方程式直流电动机的功率平衡方程式P1PMP2图 16-24 并励直流电动机的功率流程图 papbpfpmecpFepad51 例例16-3 一台长复励电动机，一台长复励电动机，PN = 100 kW，UN = 220 V，IN = 500 A，nN = 1500 r/min，IfN = 4.75 A，电枢绕组，电枢

14、绕组电阻电阻ra = 0.00945 ，串励绕组电阻，串励绕组电阻rs = 0.000988 ，铁心损耗，铁心损耗pFe = 1.768 kW，机械损耗机械损耗pmec = 2.679 kW，附加损耗，附加损耗pad = 0.939 kW。试求电动机额定负载。试求电动机额定负载时的电磁功率、各种损耗和效率。时的电磁功率、各种损耗和效率。 52图16-25 例16-3 并励直流电动机电路图 UEaIaraIfrfrsI5316-5 电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式和转矩平衡方程式54设电机每一极面下气隙的平均磁通密度为Bav，则一根导体的平均电磁转矩为:22aaavavDaIlBT总的电磁转距 22aaavavDaIlNBNTTaaa21222ICINappaIllNTTaaaaaM2126060ICINapnInNapIEPTT电磁转矩也可由电磁功率求得，即551. 直流发电机的转矩平衡方程式直流发电机的转矩平衡方程式11PT aMICPTTadFemec00ppppTT1 = T + T056 例例16-4 例例16-2的四极并励发电机，若的四极并励发电机，若额定转速额定转速nN = 970 r/min，额定功率，额定功率PN = 82 kW，额定电压，额定电压UN = 230V，机械损耗和铁，机械损耗和铁心损耗心损耗p