直流电机讲解课件

1、直流电机1. 直流电机基本工作原理2. 直流电机基本结构3. 直流电机电枢绕组4. 直流电机中的磁场5. 直流电动机的基本方程及运行特性6. 直流发电机的基本方程及运行特性电机及拖动技术直流电机一、直流电动机的工作原理左手定则：判断通电指导线在磁场中受力方向；右手定则：判断感应电流的方向。NSNSUU电刷换向片直流电机电磁关系在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用：将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；把外面不转的电路与转动的电路联接。 直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)机械负载克 服反电动势做功换向旋转直流电机直流发电机的工作原理NSNSEE直流电机电磁关系输出直流电原动机感应电动势、电流电

2、磁转矩（阻转矩）做功换向换向器和电刷的共同作用： 将线圈中的交流电动势整流成电刷间的直流电动势； 把转动的电路与外面不转的电路相连接。直流电机二、直流电机基本结构主要部件：1. 定子部分（1）主磁极。（2）换向极。（3）机座。（4）电刷装置等。 (a) 主磁极 (b) 机座 直流电机2.转子部分（1）电枢铁芯（2）电枢绕组（3）换向器等 (a) 转子主体 (b) 电枢钢片 直流电机三、直流电枢绕组A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3ABA B12345678结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。直流电机 电动机发电机e e e ee e

3、e eEA1 2 3 48 7 6 5BIae e e ee e e e1 2 3 48 7 6 5ABIaE直流电机单叠绕组的展开图例如：已知一台直流电机，Z=S=K=12，2P=4，接成单叠绕组，下面绘制展开图。NSNS1234567891011121 2 3 5 6 8 9 11 12 A1 B1 A2 B2nA1A2B1B23 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12直流电机直流电机铭牌数据直流电机额定值1.额定电压(UN,V)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,A)发电机的I

4、N：指输出电流的额定值。电动机的IN：指输入电流的额定值。3.额定功率(PN,kW)发电机的PN：指输出电功率的额定值(PN=UN*IN*10-3)。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(PN=UN*IN*N*10-3) 。4. 额定转速(nN,r/min)：电机在UN,IN,PN情况下运行时，电机的转速。直流电机型号例如，直流电机的型号为Z2-72，其中各符号的含义为：Z-一般用途的中小型直流电机；2-第二次改型设计；7-表示机座号(其值为19，号数越大，电机直径越大)；2-表示铁芯长度顺序号(1为短铁芯，2为长铁芯)。Z3，Z4系列是一般用途中小型直流电机的新产品，与Z2系列相比，体积小，

5、质量轻，转动惯量小，调速范围较大，适用于给静止的整流电源供电。 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。直流电机四、直流电机的电枢反应1. 直流电机的励磁方式+Ua+Uf他励并励串励复励MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI直流电机积复励与差复励直流电机2.直流电机空载磁场空载即电机不带负载空转、对外无功率输出的运行状态。 直流电机B N S空载磁场气隙磁密分布曲线直流电机电机空载磁化特性较大时，铁磁材料出现饱和现象，磁位降迅速增大，使磁化曲线离开气隙线弯曲呈非线性。较少时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；直流电

6、机3. 直流电机负载时的磁场 直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中的磁动势由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff和电枢电流Ia产生的电枢磁动势Fa共同建立。直流电机电枢反应直流电机负载时，电枢磁势对主极磁场的影响。电枢反应的主要影响1) 使气隙磁场发生畸变，半个磁极下磁场削弱，半个磁场下磁场加强；2) 气隙磁场的畸变是物理中性线偏离几何中性线；3) 考虑磁路饱和时，有去磁作用。直流电机直流电机4. 电磁转矩和感应电动势(1)电磁转矩 1)产生 电枢电流 i 磁 场 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：FRF T B = lBl极距R直流

7、电机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 Ia直流电机电磁转矩大小 T = CT Ia (Nm)其中CT为转矩常数。 3) 方向 由 和 Ia 共同决定。 4) 性质 发电机：T与n方向相反，为制动转矩。 电动机：T与n方向相同，为拖动转矩。直流电机(2) 感应电动势 1) 产生 电枢旋转 n 磁 场 2) 大小 每个导体：e=Blv 导体切割磁场线的线速度： 电动势：E=2Ne=2NBlv e

8、 eE v = n2R60= n2p 60= 2N l n 2p 60 l= n 4pN 60直流电机E = Ce n (V) 其中Ce为常数。 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。CT =2pNCe =4pN60CTCe=602= 9.55 CT = 9.55 Ce直流电机五、直流电动机的基本方程及运行特性1. 他励直流电动机的基本方程EaMIf+Uf+UIa励磁电压 Uf If 电枢电压 U Ia Tn Ea 1)电压平衡方程式励磁电路： Uf = Rf If电枢电路： U = Ea + Ra Ia直流电机稳态电枢电流Ia由谁确定？T =

9、CT Ia ， U = Ea + Ra Ia假设：负载不变 (T不变)，Ua (Ra) 变化时，Ia变化否（设 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 IaNU (或Ra) 瞬间 n 不变 E a不变Ia T TTLEa n Ia T T = TLIa不变直流电机2) 转矩平衡方程式 Tem=T0+T23) 功率平衡方程式输入功率 P1=UIa=(Ea+IaRa)Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+PCu其中，电磁功率Pem=EaIa=Tem =T0+T2=P0

10、+P2P2：电动机轴上输出的机械功率；P0：电动机的空载损耗，包括机械损耗和铁损耗。P1=P2+PCu+PmecPFe=P2+PP：直流电动机的总损耗。直流电机直流电机例题： 已知一台永磁直流电动机的电枢电阻Ra=1.03当在50V直流电源供电下空载运行时，电机转速为2100r/min，吸收电流是1.25A。试计算：（1）转矩常数CT（CT= CTF）；（2）电动机的空载损耗p0；（3）当转速为1700r/min以及电源电压为48V时，电动机的输出功率P2。直流电机解：（1）求转矩常数CT感应电动势：转矩常数：（2）求空载损耗： 空载损耗：直流电机（3）求输出功率在转速为1700r/min时，

11、感应电动势：电枢电流Ia：电磁功率Pem：输出功率P2：直流电机2. 他励直流电动机的工作特性1) 转速n=f(T)Ea Ce n = URa IaCe=UCe=RaCeCT2T 机械特性O nTn0T直流电机当T 时，n下降不多。硬特性思考：励磁电路断电的后果？If = 0， =r 很小，n 不能突变，E 很小T = CTr Ia 仍有一定数值。(1) 若T TLn 飞车！ (2) 若T TLn n = 0 闷车！2) 转矩特性Tem=f(Ia)由Tem=CT Ia可知， =N不变，Tem与 Ia成正比，转矩特性为过原点的直线。直流电机3) 电动机的转向 取决于电磁转矩 Tem的方向，T e

12、m的方向取决于和Ia的方向。+UaIaIf+UfM磁场反向电枢反向+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM直流电机4) 效率特性=f(Ia) 效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0时，=(Ia)的关系。式中总损耗为当不变损耗=可变损耗时，效率最高。直流电机直流电机2. 他励直流直流发电机的基本方程式外电源Uf If 原动机电枢n1) 电动势平衡方程式空载运行时励磁电路：电枢电路： Ia = 0， U= U0 = Ea+UGIf+UfEaIa Ea U If =UfRf调节RfIf 可变 可变Ea 可变 U可变。 直流电机空载特性U0 = E = f (If )负载运行

13、时输出电压: U = U输出电流: I = Ia 电压平衡方程式:U = EaRa Ia外特性：U = f (Ia)OIfU0Er剩磁感应电动势空载特性n = nNIa = 0当 IaRa IaE a (电枢反应)U n = nNIf = 常数OIUn = nNIf = IfNINUNU0外特性直流电机2) 转矩平衡方程式 T1=Tem+T0发电机的转向由原动机决定，T1T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。3) 功率平衡方程式从原动机输入的机械功率为 P1=Pem+P0电磁功率Pem为直流电机发电机输出功率P2为由于 UIa=EaIa-Ia2Ra所以P2=Pem-PCu综上所述，功

14、率平衡方程式为P1=Pem+P0=P2+PCu+P0直流电机3. 并励直流发电机的自励 Ea ? Ea ?自励条件(1) 主磁极必须有剩磁r ：(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向： UGEaIfIaIrErIfrEaEr与r 方向相同EaEr与r 方向相反rErIfrEaEr IfIfr Ea 直流电机场阻线：场阻线的斜率：当 RfEr ， 能够自励。当 Rf = Rk 时， E不确定，不能自励。当 Rf Rk 时， EEr，不能自励。(3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If =EaRaRf= RaRftan =EaIfOIfEaErRf =RkRf RkRfRk直流电机例题：一台

15、并励直流发电机数据为PN=82kW，UN=230VnN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕组内阻rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调节电阻Rf=3.5，一对电刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。直流电机解：（1）求电磁功率励磁电流为额定负载电流为电枢电流为电枢电动势为 直流电机电磁功率为 （2）求输入功率（3）求电磁转矩（4）求效率 直流电机六、直流电机的换向 从前面分析直流电机工作原理可知，直流电机电枢绕组中的电动势和电流是交变的。电机运行时，元件会随电枢的运转

16、从一条支路经过电刷换到另一条支路，元件电流改变方向，这一过程称为换向。直流电机直流电机1. 直线换向 如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时间均匀变化，即有：i=(t)。把这种换向称为直线换向。直线换向是理想换向，电机不会出现火花。 直流电机2. 延迟换向和电磁性火花 实际电机换向时，换向元件中e0。换向元件中存在以下电动势：（1）自感电动势eL 换向元件中电流变化时产生的自感电动势，（2）互感电动势eM 同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势，直流电机 通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗

17、电动势er，即： 电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，er方向应与换向前元件的电流方向一致。（3）电枢反应电动势ea 换向元件处在几何中性线上，主磁场在此区域磁通密度0=0，但电枢磁密a0，在刷位正常时最大换向直流电机元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea，其方向与er相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。 由于换向元件中的e=ea+er0，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流ik产生，设闭合回路的总电阻为R，环流为：直流电机直流电机3.改善换向的方法1) 选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻，从而减小附加换向环流ik。2) 装设换向极，从而抵消感应电动势er+ea。直流电机例题

18、： 一台25kW，125 V的他励直流电机，以恒定转速3000r/min运行，并具有恒定励磁电流，开路电枢电压是125V，电枢电阻为0.02。当端电压分别为（1）128V和（2）124V时，计算电枢电流、输入功率、电磁功率和电磁转矩。直流电机解：（1）端电压为128V时由题意可知：端电压U=128V，电枢电动势Ea=125，按电动机惯例，电流为电动机端的输入功率为电磁功率为电磁转矩为直流电机（2）端电压为124V时由于电枢电动势大于端电压，电枢电流将流出电机，电机作发电机运行，电枢电流为发电机端的输出功率为电磁功率为电磁转矩为直流电机 通过上述例题可知： 对一台直流电机究竟是作发电机运行还是作电动机运行，关键要看外加条件，即功率输入的形式。若从轴上输入机械功率，电机作发电机运行，电刷向外输出直流电能；若从电刷上输入电功率，电机作电动机运行，轴上向外输出机械能。对于同一台电机在不同外界条件下作发电机或电动机运行的原理，称为可逆原理。 直流电机总 结 直流电机的基本工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律上的，直流电机的运行是可逆的，同一台电机既可在一定条件下作发电机运行，又可在另一条件下作电动机运行，如在原动机的拖动下可作为发电机，将输入的机械能转变为电能；如在电