第7章直流电机的基本理论

第7章直流电机的基本理论7.2

直流电机的工作原理7.3

直流电机的基本结构7.5

直流电机的电枢反应7.6

电流电机的电磁转矩和电动势7.7

直流电动机的运行分析7.8

直流电动机的功率和转矩7.9

直流发电机的运行分析7.10

直流发电机的功率和转矩电机与拖动返回主页7.1直流电机的用途和种类7.4

直流电机的型号和额定值高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.1直流电机的用途和种类一、直流电机的用途直流电动机的主要用途是实现直流电力拖动。发电机的主要用途是用作直流电源直流。二、直流电机的种类按能量转换的不同——直流电动机和直流发电机。按励磁方式的不同——他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机和复励直流电机。7.1

直流电机的用途和种类高等教育出版社高等教育电子音像出版社大连理工大学电气工程系NS－U＋7.2

直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理NS第7章直流电机的基本理论＋U－高等教育出版社高等教育电子音像出版社NS7.2

直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理第7章直流电机的基本理论NS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片高等教育出版社高等教育电子音像出版社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7.2

直流电机的工作原理

电磁关系换向Φ旋转高等教育出版社高等教育电子音像出版社NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋7.2

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Φ换向高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.3

直流电机的基本结构一、主要部件1.定子(1)主磁极(2)换向磁极(3)机座(4)电刷装置

(5)端盖第7章直流电机的基本理论

直流电机的定子(a)主磁极(b)机座高等教育出版社高等教育电子音像出版社

直流电机的定子7.3

直流电机的基本结构

更多的图片高等教育出版社高等教育电子音像出版社2.转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组7.3

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)电枢钢片高等教育出版社高等教育电子音像出版社

直流电枢绕组AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

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。7.3

直流电机的基本结构AB12345678高等教育出版社高等教育电子音像出版社

直流电枢绕组电动机发电机两匝元件7.3

直流电机的基本结构eeeeeeee＋－＋E

－A1

2

3

48

7

6

5BIaeeeeeeee1

2

3

48

7

6

5AB＋－Ia＋E

－高等教育出版社高等教育电子音像出版社NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2

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。A1A2B1B2n7.3

直流电机的基本结构36'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12高等教育出版社高等教育电子音像出版社

单叠绕组的展开图NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※

电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线7.3

直流电机的基本结构高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.3

直流电机的基本结构

直流电机的结构电枢高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.3

直流电机的基本结构

电机装配图

更多的图片高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.3

直流电机的基本结构

直流电机

更多的图片高等教育出版社高等教育电子音像出版社二、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7.3

直流电机的基本结构MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I高等教育出版社高等教育电子音像出版社2.直流发电机按励磁方式分类自励7.3

直流电机的基本结构他励串励复励并励GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.4

直流电机的型号和额定值1.型号Z251产品代号：Z系列直流电机设计序号:第二次改型设计机座代号:电枢铁心长度代号7.4

直流电机的型号和额定值高等教育出版社高等教育电子音像出版社2.额定功率PN

发电机的PN

：指输出电功率的额定值。电动机的PN

：指输出机械功率的额定值。3.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。4.额定电流IN

发电机的

IN

：指输出电流的额定值。电动机的IN

：指输入电流的额定值。7.4

直流电机的型号和额定值高等教育出版社高等教育电子音像出版社5.额定转速nN6.额定效率ηN额定值之间的关系：在直流电动机中PN=UNINηN

在直流发电机中PN=UNIN7.4

直流电机的型号和额定值高等教育出版社高等教育电子音像出版社NS7.5

直流电机的电枢反应几何中心线NS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7章直流电机的基本理论高等教育出版社高等教育电子音像出版社

电枢反应的影响①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e≠0，增加换向困难。②一半磁极的磁通增加，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。7.5

直流电机的电枢反应高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.6

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ΦF→T2.大小电磁力：F=B

li

平均磁密：每根导线上电磁力所形成的电磁转矩：FR第7章直流电机的基本理论B=ΦlBl极距R高等教育出版社高等教育电子音像出版社R

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

lip

=4aN··

lip

Φl=4aN··Φi

p

=·Φ·2ai

2pN

电枢电流Ia7.6

直流电机的电磁转矩和电动势高等教育出版社高等教育电子音像出版社2.大小

T=CTΦIaCT转矩常数：3.方向由Φ和Ia

共同决定。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。7.6

直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pN单位：Wb单位：A(N·m)高等教育出版社高等教育电子音像出版社1.产生电枢旋转n

磁场Φ2.大小每个导体：e=Blv

导体切割磁场线的线速度：电动势：

E=2N

e

二、电动势e→∑e→E7.6

直流电机的电磁转矩和电动势v=n2R60=2NBlv=2N··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn4pN60高等教育出版社高等教育电子音像出版社CTCE=602=9.55CT

=

9.55CE7.6

直流电机的电磁转矩和电动势CT

=2pNCE

=4pN60

E=CEΦn

CE

电动势常数：CE=4pN60单位：Wb单位：r/min(V)3.方向：由Φ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。高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.7

直流电动机的运行分析一、他励电动机励磁电压Uf→If→Φ电枢电压Ua→Ia↓→T→n→E1.电压平衡方程式励磁电路：

Uf=Rf

If电枢电路：

Ua

=E+Ra

Ia第7章直流电机的基本理论EMIf+Uf－+Ua－Ia高等教育出版社高等教育电子音像出版社

稳态电枢电流Ia

由谁确定？T

=CTΦ

Ia

，

Ua

=E+Ra

Ia例如：负载不变(T不变)，Ua

(Ra)

变化时，

Ia

变化否（设Φ

不变）？Ua(或Ra)

瞬间n不变

E不变Ia

→T

→T＜TLE

←n↓Ia

←T

←T

=TL←Ia不变←

结论：Ia

的大小取决于负载的大小。当Ia=IaN时为满载，当Ia＞IaN时为过载。※

规定短时过载的最大电枢电流：

Iamax=(1.5~2)IaN=αMCIaN7.7

直流电动机的运行分析高等教育出版社高等教育电子音像出版社机械特性ECEΦn=Ua－Ra

IaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T2.转速OnTn0当T

时，n下降不多

——硬特性。励磁电路断电的后果当If=0，Φ=Φr

很小，n不能突变，E很小→T=

CTΦrIa仍有一定数值。→Ia

(1)若T＞TL→n

→飞车！(2)T＜TL→n

→n=0→闷车！7.7

直流电动机的运行分析高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.7

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Φ

和Ia的方向。磁场反向电枢反向+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－M高等教育出版社高等教育电子音像出版社二、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+UIf7.7

直流电动机的运行分析Ia+U－IIfM高等教育出版社高等教育电子音像出版社【例7.7.1】

某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求该电机在额定状态下运行时的：

(1)If；

(2)Ia；

(3)E

；

(4)T

。解：(1)励磁电流If7.7

直流电动机的运行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(3)电动势E

E=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215V高等教育出版社高等教育电子音像出版社CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)电磁转矩7.7

直流电动机的运行分析CEΦ=EnN2153000==0.0717高等教育出版社高等教育电子音像出版社三、串励电动机7.7

直流电动机的运行分析1.电压

U

=Ua

+

Uf=E

+(Ra+Rf

)I2.电流

I

=Ia

=IfRa+RfU－E=CTΦT=3.转矩

T=CTΦIa(1)当Ia

较小、磁路未饱和时，

Φ∝Ia，T∝Ia2

。

(2)当Ia

较大、磁路已饱和时，Φ≈常数，

T∝Ia

。EM＋

Uf

－＋

Ua－+U－IIfIa高等教育出版社高等教育电子音像出版社

即

T∝Iam

(1＜m＜2)

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7.7

直流电动机的运行分析ECEΦn=U－(Ra

+Rf

)

IaCEΦ=UCEΦ=－Ra

+RfCECTΦ2T(1)当T=0时，Ia=If

=0，Φ=Φr，n0=(5~6)nN。高等教育出版社高等教育电子音像出版社(2)当T很小时，Ia

很小，磁路未饱和，T→Ia

→Φ→n迅速下降。

(3)当T很大时，Ia

很大，磁路已饱和，T

→Ia→Φ基本不变→n下降较少。

7.7

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OnT高等教育出版社高等教育电子音像出版社四、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7.7

直流电动机的运行分析MIaIf+U－I串励OnT高等教育出版社高等教育电子音像出版社大连理工大学电气工程系7.8

直流电动机的功率和转矩1.功率平衡方程式

P1-P2=Pal=PFe+PCu+Pme+Pad输入功率

P1=U

I输出功率

P2=T2

Ω总损耗

Pal=PFe+PCu+Pme+Pad效率2.损耗分析铁损耗Pfe——电枢的铁损耗铜损耗

PCu=RaIa2＋RfIf2第7章直流电机的基本理论一、直流电动机的功率P2P1η=

×100%7.8

直流电动机的功率和转矩3.功率传递过程功率流程图P1PCuPeP0P2电磁功率

Pe

=P1－PCu

推导：U

I

=

U(

Ia＋If

)=

UaIa＋UfIf

=(E＋RaIa

)Ia＋RfIf2

=E

Ia＋RaIa2＋RfIf2

高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.8

直流电动机的功率和转矩Pe

=

E

Ia=

CEΦnIa

=TΩ260=

CTΦnIa

260T2n=空载损耗P0

P0

=PFe＋Pme＋Pad输出功率P2

P2

=Pe－P0

=

T2Ω高等教育出版社高等教育电子音像出版社转矩平衡方程式

T2=T

－T0

输出转矩

电磁转矩

二、直流电动机的转矩602π

T2==P2ΩP2n602π

T==PeΩPen7.8

直流电动机的功率和转矩空载转矩：在稳定运行时：

T2=TL

602π

T0==P0ΩP0n忽略空载转矩时：

T=T2=TL

7.8

直流电动机的功率和转矩【例7.8.1】

一并励电动机，UN=110V，IN=12.5A，

nN=1500r/min，TL=6.8N·m，T0=0.9N·m。求该电机的P2、Pe、P1、Pal和。解：P2P1

=×100%6.2860=×6.8×1500W=1067.6WPe=P2＋P0=(1067.6＋143.3)W=1208.9WP1=UNIN=110×12.5W=1375WPal=

P1－P2=(1375－1067.6)W=307.4W7.8

直流电动机的功率和转矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1067.61375=×100%=77.64%高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.9

直流发电机的运行分析一、他励发电机第7章直流电机的基本理论外电源Uf→If→ΦE→n原动机→电枢→Ua1.空载运行励磁电路：If

=UfRf励磁电路总电阻电枢电路：

Ia

=0，Ua

=U0

=E调节Rf→If

可变→Φ可变→E可变→Ua可变。+Ua－GIf+Uf－EIa高等教育出版社高等教育电子音像出版社

U0

=E=f(If)

空载特性OIfU0Er剩磁感应电动势2.负载运行

输出电压:U

=Ua

输出电流:I

=Ia

电压平衡方程式

U

=Ua

=E－RaIa当IaRaIaE

(电枢反应)Ua

外特性

U=f(I)n=nNIa

=0OIUn=nNIf

=IfNINUNU0n=nNIf

=常数7.9

直流发电机的运行分析空载特性外特性高等教育出版社高等教育电子音像出版社

电压调整率VR

=U0－UNUN×100%(5%~10%)

调整特性当n

=nN，U=UN时：

If=f(I)OI

If

IfNIN7.9

直流发电机的运行分析调整特性高等教育出版社高等教育电子音像出版社【例7.9.1】

一他励直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ

保持不变，求1000r/min时的空载电压U0和900r/min时的满载电压U

。解：在nN和UN时的电枢电流9001000E'

=EU0=E

=Ua＋RaIaN

=(230＋0.4×43.5)V=247V在Φ

保持不变时，E

∝n10×103230=A=43.5APNUaIaN=9001000=×247V=222V7.9

直流发电机的运行分析U=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V高等教育出版社高等教育电子音像出版社二、并励发电机＋Ua－

E

→Φ

?Φ→

E

?

1.自励条件(1)主磁极必须有剩磁Φr

：Φr→Er→Ifr→Φ→E＞ErΦ与Φr方向相同→E＜ErΦ与Φr方向相反(2)

励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：Φr→Er→Ifr→E＞Er→If＞Ifr→Φ→E

···※E与If

既应满足空载特性又应满足欧姆定律。7.9

直流发电机的运行分析GEIfIaI高等教育出版社高等教育电子音像出版社当Rf

Rk

时，

EEr，能够自励。当Rf=Rk

时，

E不确定，不能自励。当Rf

Rk

时，

E≈Er，不能自励。(3)励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If=ERa＋RfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线的斜率：=Ra＋Rftan=EIfOIfEErRf

=RkRf

＜RkRf＞Rk7.9

直流发电机的运行分析高等教育出版社高等教育电子音像出版社2.运行分析I

=Ia－IfU

=Ua

=UfUa

=E－RaIaI→IaRaIaE(电枢反应)Uf

→ΦUa

外特性

U=f(I

)n=nNRf

=常数OIUU0他励并励(1)负载增加时，U下降较快。

VR

≈20%7.9

直流发电机的运行分析E＋Ua－IfIaIG高等教育出版社高等教育电子音像出版社(2)外特性有拐弯现象。OIUU0他励并励INUNRL

→I(Ia)

→U

低饱和磁路RL

→U→If→Φ→E

(较大幅度)→U的下降比RL的减少得更快I=U/RLRL

→U→I→RL=0，U=0，If

=0→

Φ=Φr，

E=Er

→ISC

较小。(3)

稳态短路电流不大。7.9

直流发电机的运行分析高等教育出版社高等教育电子音像出版社【例7.9.2】

例7.7.1中的他励发电机，励磁绕组的电阻为100Ω。转速为1000r/min时的空载特性如图所示。今将它改作并励发电机运行。问励磁电路内应串联多大的电阻才能获得230V的空载电压和满载电压？解：空载运行时EIfRf

=U0

=E－RaIf≈E

查空载特性得：

If=1.5A

时E=

230V根据E=

(Ra＋Rf)If可得2301.5=Ω=153.3Ω

7.9

直流发电机的运行分析01234If/AE/V300200100高等教育出版社高等教育电子音像出版社应串联的电阻为

R=Rf－100

=(153.3－

100)Ω=53.3Ω若要满载电压为230V，则需E=247V。再查空载特性得

If=2A

时E=

247V根据UN

=RfIf可得2302=(－100

)Ω=15Ω

01234If/AE/V300200100UNIfR

=－100

7.9

直流发电机的运行分析高等教育出版社高等教育电子音像出版社*三、串励发电机1.

基本关系

I

=Ia

=IfU

=Ua－Uf=E－(Ra＋Rf)I2.

外特性空载时，I

=Ia

=If=0Φ

=Φr

，E

=Er负载时，I(If)

→Φ

→UI(If)7.9

直流发电机的运行分析OIUEr外特性

磁路饱和E不再增加→电阻压降

→U

。G+U－IfIIa高等教育出版社高等教育电子音像出版社四、复励发电机1.

分为积复励和差复励2.对于积复励发电机(1)平复励发电机当I

=IN时的UN

=

U0。(2)过复励发电机当I

=IN时的UN＞U0。(3)

欠复励发电机当I

=IN时的UN

＜U0。他励并励过复励IN平复励欠复励差复励7.9

直流发电机的运行分析OIUUNGIIaIf+U－高等教育出版社高等教育电子音像出版社大连理工大学电气工程系7.10

直流发电机的功率和转矩一、直流发电机的功率1.功率平衡方程式

P1-P2=Pal=PFe+PCu+Pme+Pad输入功率:输出功率:总损耗：效率：P1=T1ΩP2=U

I260=

T1n第7章直流电机的基本理论Pal=PFe+PCu+Pme+PadP2P1η=

×100%2.损耗分析铁损耗PFe－电枢的铁损耗铜损耗

PCu=RaIa2＋RfIf23.功率传递过程7.10

直流发电机的功率和转矩P1Pme+PadPFeP