直流电机的基本理论

直流电机的基本理论第一页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系NS－U＋7.1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－第二页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系NS7.1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？换向片第三页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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7.1直流电机的工作原理

电磁关系换向Φ旋转第四页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋7.1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换向第五页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.2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)端盖等第7章直流电机的基本理论

直流电机的定子(a)主磁极(b)机座第六页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

直流电机的定子7.2直流电机的基本结构

更多的图片第七页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系2.转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组7.2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)电枢钢片第八页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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。7.2直流电机的基本结构AB12345678第九页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

直流电枢绕组电动机发电机两匝元件7.2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

－第十页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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。A1A2B1B2n7.2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第十一页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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7.2直流电机的基本结构第十二页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构

直流电机的结构电枢第十三页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构

电机装配图

更多的图片第十四页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构

直流电机

更多的图片第十五页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系二、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7.2直流电机的基本结构MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I第十六页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系2.直流发电机按励磁方式分类自励7.2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第十七页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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(UNIN)

。电动机的PN

：指输出机械功率的额定值

(UNINηN)

。三、额定值7.2直流电机的基本结构第十八页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系4.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。7.2直流电机的基本结构第十九页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系NS7.3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第二十页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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。7.3直流电机的电枢反应第二十一页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.4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ΦF→T2.大小

电磁力：F=B

li

平均磁密：

第7章直流电机的基本理论BlB=Φl极距第二十二页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.4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第二十三页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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Ia7.4直流电机的电磁转矩和电动势第二十四页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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。7.4直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pN单位：Wb单位：A(N·m)第二十五页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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→E7.4直流电机的电磁转矩和电动势v=n2R60=2NBlv=2N··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn4pN60第二十六页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系CTCE=602=9.55CT

=

9.55CE7.4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。第二十七页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.5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第二十八页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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=αMCIaN7.5直流电动机的运行分析第二十九页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系机械特性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！7.5直流电动机的运行分析第三十页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.5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第三十一页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系二、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+UIf7.5直流电动机的运行分析Ia+U－IIfM第三十二页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系【例】

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If7.5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(2)电动势EE=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215V第三十三页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)电磁转矩7.5直流电动机的运行分析CEΦ=EnN2153000==0.0717第三十四页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系三、串励电动机7.5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第三十五页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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7.5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。第三十六页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系(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。

7.5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OnT第三十七页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系四、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7.5直流电动机的运行分析MIaIf+U－I串励OnT第三十八页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.6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PCuPCu=

RaIa2＋RfIf2(3)电磁功率PePe

=P1－PCu

推导：U

I

=

U(

Ia＋If

)=

UaIa＋UfIf

=(E＋RaIa

)Ia＋RfIf2

=E

Ia＋RaIa2＋RfIf2

第7章直流电机的基本理论Pe=

E

Ia

一、直流电动机的功率第三十九页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.6直流电动机的功率和转矩Pe

=

E

Ia=

CEΦnIa

=TΩ260=

CTΦnIa

功率流程图P1PCuPeP0P22.转矩平衡方程式空载：T

=

T0

负载:T

=

T0+T2260T2n=(4)空载损耗P0

P0

=PFe＋Pme＋Pad(5)输出功率P2

P2

=Pe－P0

=

T2Ω第四十页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.6直流电动机的功率和转矩(6)总损耗Pal

=PCu＋PFe＋Pme＋Pad(7)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第四十一页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系【例】

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=307.4W7.6直流电动机的功率和转矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1067.61375=×100%=77.64%第四十二页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.7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第四十三页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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7.7直流发电机的运行分析空载特性外特性第四十四页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系

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

IfNIN7.7直流发电机的运行分析调整特性第四十五页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系【例】

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=222V7.7直流发电机的运行分析U=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V第四十六页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系二、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。7.7直流发电机的运行分析GEIfIaI第四十七页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系当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＞Rk7.7直流发电机的运行分析第四十八页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系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%7.7直流发电机的运行分析E＋Ua－IfIaIG第四十九页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系(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。7.7直流发电机的运行分析第五十页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系【例】

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

7.7直流发电机的运行分析01234If/AE/V300200100第五十一页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系应串联的电阻为：

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

7.7直流发电机的运行分析第五十二页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系*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)7.7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第五十三页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系四、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7.7直流发电机的运行分析OIUUNGIIaIf+U－第五十四页，共六十三页，2022年，8月28日大连理工大学电气工程系7.8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=T1ΩP0=PFe＋Pme＋PadPe=P1－

P0

=TΩ=EIaPCu=R