电机与拖动技术基础直流电机的基本理论和分解

1、电机与拖动技术基础直流电机的基本理论和分解3.2 直流电机的铭牌和额定值3.1 直流电机的基本结构和工作原理3.3 直流电机的电枢绕组3.4 电流电机的电磁转矩和电动势电机与拖动技术基础返回主页第3章 直流电机为了能建立一个感性认识，对电机进行简单的分类如下：第3章 直流电机的基本理论3.1.1 直流电机的基本结构 直流电机的结构电枢3.1.1 直流电机的基本结构3.1.1 直流电机的基本结构 直流电机 更多的图片 一、主要部件1. 定子(1) 主磁极(2) 换向极(3) 机座(4) 端盖等直流电机的基本结构 直流电机的定子 (a) 主磁极 (b) 机座 直流电机的定子3.1.1 直流电机的基

2、本结构 更多的图片 2. 转子（电枢）(1) 电枢铁心(2) 电枢绕组3.1.1 直流电机的基本结构(3) 换向器(4) 转轴与风扇 直流电机的转子 (a) 转子主体 (b) 电枢钢片 3.1.1 直流电机的基本结构 电机装配图 更多的图片 NS3.1.2 直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理直流电机的工作原理NSUU电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片直流电机的工作原理直流电动机工作原理小结根据上述原理，可以看出直流电动机有如下特点：（1）直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；（2）电磁转矩起驱动作用；（3）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交变电流；（4

3、）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相反。直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)机械负载克 服反电动势做功3.1.2 直流电机的工作原理 电磁关系换向旋转NS二、直流发电机的工作原理NSE3.1.2 直流电机的工作原理E输出直流电原动机感应电动势、电流电磁转矩（阻转矩）做功 电磁 关系换向3.1.2 直流电机的发电机直流发电机工作原理小结 根据原理分析，可以看出直流发电机有如下特点：（1）直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；（2）利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直流输出；（3）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相同。（4）电磁转矩起制动作用。一台直流电机原则上

4、既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。3.2 直流电机的铭牌和额定值3.2 直流电机的铭牌和额定值直流电机的铭牌型号为Z2-91的直流电机是一台机座号为9、电枢铁心为短铁心的第2次改型设计的直流电机。机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有1-9个机座号，机座号数越大，直径越大。电枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种，1表示短铁心，2表示长铁心。3.2.2 直流电机的额定值3.2 直流电机的铭牌和额定值1. 额定电压 UN 发电机的 UN ：指输出电压的额定值。 电动机的 UN ：指输入电压的额定值。2. 额定电流 IN 发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动

5、机的 IN ：指输入电流的额定值。3. 额定功率 PN 发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值 (UN INN ) 。3.2.2 直流电机的额定值1.额定转速 2.励磁方式和额定励磁电流 电动机轴上输出的额定转矩为 直流电枢绕组A B12345638A B1 2 3 48 3 6 53 6 5 48 1 2 3AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。3.3 直流电机的电枢绕组A B12345638 直流电枢绕组电动机发电机两匝元件3.3 直流电机的电枢绕组e e e ee e e eEA1 2 3 48 3 6 5BIae

6、 e e ee e e e1 2 3 48 3 6 5ABIaENSNS1234563891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 单叠绕组的展开图 并联支路对数：a = 2。 电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2n3.3 直流电机的电枢绕组3 6 4 3 5 811 8 10 3 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 单叠绕组的展开图NSNS1234563891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 电刷的中心线对 着磁极的中心线： 电刷之间的电动 势最大。 被电刷短接的元 件电动势为零。 习惯

7、称 “电刷放在 几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线3.3 直流电机的电枢绕组二、励磁方式+Ua+Uf他励并励串励复励1. 直流电动机按励磁方式分类3.3 直流电机的电枢绕组MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流发电机按励磁方式分类自励3.2 直流电机的基本结构他励串励复励并励GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI4. 额定转速 nN5. 额定励磁电压 UfN6. 额定励磁电流 IfN 额定状态 ： 指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 满载状态 ： 指 I = IN 的状态。3.2 直流电机的基本结构NS3.3 直流电机的电枢反应

8、几何中心线 N S励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中心线 电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。第3 章 直流电机的基本理论 电枢反应的影响 总磁场被扭歪了 几何中心线与物理中心线分开了, 电刷位置处的元件的 e0，增加换向困难。 一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少， 磁路不饱和时，每极磁通不变； 磁路饱和时，每极磁通减少，e 和T 相应减少。3.3 直流电机的电枢反应3.4 直流电机的电磁转矩和电动势一、电磁转矩1. 产生 电枢电流 i 磁 场 F T 2. 大小 电磁力： F = B l i 平均磁密： 第3 章 直流电机的基本理论BlB = l极距3

9、.4 直流电机的电磁转矩和电动势一、电磁转矩1. 产生 电枢电流 i 磁 场 F T 2. 大小 电磁力： F = B l i 平均磁密： 每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩： FR第3 章 直流电机的基本理论B = lBl极距RR 电枢绕组串联总匝数： N 电枢绕组并联支路数：2a 总导体数： 2N 2a = 4aN 电枢的周长： 2R = 2p 电磁转矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i p l= 4aN i p = 2ai 2pN 电枢电流 Ia3.4 直流电机的电磁转矩和电动势2. 大小 T = CT IaCT 转矩常数：3. 方向 由 和 Ia 共

10、同决定。4. 性质 发电机： 电动机：T 与 n 方向相反，为制动转矩。T 与 n 方向相同，为拖动转矩。3.4 直流电机的电磁转矩和电动势CT =2pN单位：Wb单位：A(Nm) 1. 产生 电枢旋转 n 磁 场 2. 大小 每个导体：e = B l v 导体切割磁场线的线速度： 电动势： E = 2N e 二、电动势 ee E 3.4 直流电机的电磁转矩和电动势v = n2R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602= 9.55 CT = 9.55 CE3.4 直流电机的电磁转矩和电动势CT =2pNCE =4pN60 E

11、 = CE n CE 电动势常数：CE =4 pN60单位：Wb单位：r/min(V) 3. 方向：由 和 n 共同决定。4. 性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。3.5 直流电动机的运行分析一、他励电动机励磁电压 Uf If 电枢电压 Ua Ia Tn E 1. 电压平衡方程式励磁电路： Uf = Rf If电枢电路： Ua = E + Ra Ia第3 章 直流电机的基本理论EMIf+Uf+UaIa 稳态电枢电流 Ia 由谁确定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：负载不变 ( T 不变)，Ua (Ra) 变化时， Ia 变化否（设 不变）？Ua (或Ra)

12、瞬间 n 不变 E 不变Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不变 结论：Ia 的大小取决于负载的大小。 当 Ia= IaN 时为满载，当 IaIaN 时为过载。 规定短时过载的最大电枢电流： Iamax =(1.5 2)IaN =MC IaN3.5 直流电动机的运行分析机械特性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T 2. 转速O nTn0当T 时， n 下降不多 硬特性。 励磁电路断电的后果 当 If = 0， =r 很小，n 不能突变，E 很小T = CTr Ia 仍有一定数值。Ia (1) 若 T TL n 飞车！ (2) T TL n n = 0

13、闷车！ 3.5 直流电动机的运行分析3.5 直流电动机的运行分析3. 转向取决于电磁转矩 T 的方向。 T 的方向取决于 和 Ia 的方向。磁场反向电枢反向+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM二、并励电动机 并励与他励的区别:1. 输入电压 U = Ua = Uf2. 输入电流 I = Ia + If3. 输入功率 P1 = UI = UIa + UIf3.5 直流电动机的运行分析Ia+UIIfM 【例】 某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定状态

14、下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 励磁电流 If 3.5 直流电动机的运行分析UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 电枢电流 Ia Ia = IN If = 0.35) A = 12.15 A (2) 电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE =T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩3.5 直流电动机的运行分析CE =EnN2153 000= = 0.031 3 三、串励电动机3.5 直流电动

15、机的运行分析1. 电压 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 电流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=3. 转矩 T = CT Ia(1)当 Ia 较小、磁路未饱和时， Ia，T Ia2 。 (2)当 Ia 较大、磁路已饱和时，常数， T Ia 。EM Uf Ua+UIIfIa 即 T Iam (1m2) 与并励电动机比较，有如下特点：(1) 对应于相同的T ， Ia 小。(2) 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T 大， Tst 和 Tmax 较大。4. 转速3.5 直流电动机的运行分析ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra

16、 + RfCECT2T(1) 当T = 0 时，Ia = If = 0， =r，n0 = (5 6) nN。(2) 当T 很小时，Ia 很小，磁路未饱和，T Ia n 迅速下降。 (3) 当T 很大时，Ia 很大，磁路已饱和，T Ia 基本不变 n下降较少。 3.5 直流电动机的运行分析5. 应用(1) 特别适用于起重机 和电气机车等运输机械。(2) 不能在轻载或空载下运行。(3) 不能用皮带轮传动。串励电动机的机械特性软特性O nT四、复励电动机1. 积复励、差复励。2. 机械特性(1) 有较大的Tst 。(2) 可以空载运行。并励复励3.5 直流电动机的运行分析MIaIf+UI串励O nT

17、3.6 直流电动机的功率和转矩1. 功率平衡方程式(1) 输入功率 P1 P1 = U I(2) 铜损耗 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 电磁功率 Pe Pe = P1 PCu 推导： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) IaRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 第3 章 直流电机的基本理论Pe = E Ia 一、直流电动机的功率3.6 直流电动机的功率和转矩Pe = E Ia = CE n Ia = T 260= CT n Ia 功率流程图P1PCuPeP0P22. 转矩平衡方程式 空载： T = T0 负载:

18、T = T0 + T2 260T2n =(4) 空载损耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 输出功率P2 P2 = Pe P0 = T23.6 直流电动机的功率和转矩(6) 总损耗 Pal = PCu PFePmePad (3) 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal(8) 效率P2P1 = 100%二、直流电动机的转矩 T = T0 TL 【例】 一并励电动机，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求该电机的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。 解：P2P1 = 100%6.2860= 6

19、.81 500 W = 1 063.6 W Pe = P2P0 = 143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 335 WPal = P1P2 = (1 3351 063.6) W = 303.4 W3.6 直流电动机的功率和转矩260P2= TLn 6.2860= 0.91 500 W = 143.3 W 260P0= T0n 1 063.61 335= 100% = 33.64% 3.8 直流发电机的功率和转矩一、直流发电机的功率1. 输入功率 P1 :2. 空载损耗 P0 :3. 电磁功率 Pe :4. 铜损耗 PCu :5. 输出功率 P2 :P1 = T1P0 = PFePmePadPe = P1 P0= T = E Ia PCu = Ra Ia2Rf If2P2 = U I = Pe PCu260= T1n第3 章 直流电机的基本理论P1Pme+ PadPFePePCuP2功率流程图3.8 直流发电机的功率和转矩6. 总损耗 Pal = PCu PFePmePad 3. 效率 = 100%P2P1二、直流发电机的转