第2章直流电机

第二章直流电机目录2.1直流电机的工作原理2.2直流电机的基本结构和额定值2.3直流电机的磁场和电枢反应2.4电流电机的感应电动势和电磁转矩2.5直流电动机的运行分析2.6直流发电机的运行分析第二章直流电机2/99i克服S2.1直流电机的工作原理第二章直流电机3/99+-UetoNBee1)直流电动机的工作原理永磁体磁场、导体绕组、旋转轴换向器-电刷、换向片电能->机械能直流电流->换向->交流电流->电磁转矩->机械负载交流电流电磁转矩（拖动转矩）换向机械负载Φ旋转反电动势做功电枢绕组直流电流itoirirS2.1直流电机的工作原理第二章直流电机4/99+-eetoNB2)直流发电机的工作原理机械能->电能机械转矩->感应电动势->换向->直流电压->换向->交流电流->电磁转矩原动机做功感应电动势电流输出直流电Φ换向电磁转矩（阻转矩）S2.1直流电机的工作原理第二章直流电机5/99+-eNetoB3)直流电机的工作原理换向器和电刷配合实现换向绕组中是交流电流电磁转矩在电动机中是拖动转矩，在发电机中是阻转矩。etoeto2.2直流电机的结构第二章直流电机6/99定子主磁极换向极机座、端盖、电刷转子电枢铁心电枢绕组换向器2.2直流电机的结构直流电机结构爆炸图第二章直流电机7/992.2直流电机的结构第二章直流电机8/99定子转子2.2直流电机的结构第二章直流电机9/99定子转子2.2直流电机的结构第二章直流电机10/99定子N和S成对、交替、均匀分布。极对数p极数2p2.2直流电机的结构第二章直流电机11/99定子转子2.2直流电机的结构第二章直流电机12/99定子主磁极-叠片励磁绕组转子铁心-叠片电枢绕组2.3直流电机的绕组

单叠绕组元件单波绕组元件极距：一个磁极在电枢表面跨过的距离。τ=Q/(2p)=槽数/极数节距第一节距y1=τ整距绕组；y1<τ短距绕组；y1>τ长距绕组。第二节距y2

合成节距y=y1±y2

第二章直流电机13/992.3直流电机的绕组绕组第二章直流电机14/992.3直流电机的绕组绕组

τ=4，2p=2，y=4※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。第二章直流电机15/992.3直流电机的绕组绕组电枢连接规律※整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合的回路。第二章直流电机16/992.3直流电机的绕组原理图中，省去换向器，假定电刷直接与导体接触，

电刷放置在磁极的几何中性线位置。习惯称“电刷放在几何中性线位置”。

交轴，直轴，符号。第二章直流电机17/992.3直流电机的绕组3)分类-按照励磁方式发电机他励并励串励复励第二章直流电机18/992.3直流电机的绕组3)分类-按照励磁方式电动机他励并励串励复励第二章直流电机19/992.3直流电机的绕组4)额定值额定电压UN额定电流IN额定功率PN额定转矩TN额定转速nN额定励磁电压UfN额定励磁电流IfN额定状态--UIPn均为额定值的状态满载状态--I=IN的状态第二章直流电机20/992.3磁场和电枢反应1)空载磁场

气隙磁感应强度第二章直流电机21/992.3磁场和电枢反应2)电枢磁场第二章直流电机22/99xFa(x)2.3磁场和电枢反应2)电枢磁场第二章直流电机23/99xFa(x)Ba(x)2.3磁场和电枢反应3)电枢反应第二章直流电机24/99B0(x)Ba(x)Bδ(x)2.3磁场和电枢反应3)电枢反应第二章直流电机25/99B0(x)Ba(x)Bδ(x)α2.3磁场和电枢反应3)电枢反应对主磁极磁场的影响。总磁场发生畸变，零点偏移；物理中性线偏离几何中心线；被电刷短路的元件的e≠0，增加了换向难度。一半磁极的磁通增加，另外一半磁极的磁通减少。不饱和时，每极磁通量不变；饱和时，每极磁通量会减少，感应电动势和电磁转矩相应减少。可以通过改变电刷位置改善换向问题。第二章直流电机26/99α物理中心线几何中心线2.4电动势和电磁转矩1)感应电动势E：产生—电枢旋转n，总磁场Φ，感应电动势。支路中各串联元件感应电动势的代数和。每极磁通Φ，电枢元件边长度l，极距τ，可知气隙平均磁密Bav=Φ/(lτ)。一根导体的平均电动势eav=Bavlv；又有，元件边导体的线速度v=2pτn/60；得到，导体平均电动势eav=2pΦn/60。

已知导体数N，电枢绕组并联支路数a，则每条支路的串联导体数为N/(2a)。这样，电机总的感应电动势：第二章直流电机27/992.4电动势和电磁转矩2)电磁转矩Tem：产生—导体中电流i，总磁场Φ，电磁力->电磁转矩。所有导体产生的电磁转矩的代数和。每极磁通Φ，电枢元件边长度l，极距τ，可知气隙平均磁密Bav=Φ/(lτ)。一根导体的fav=Bavial；假设电枢绕组直径为Da

=2pτ

/

π；得到，一根导体的平均转矩Tav=BavliaDa/2。

电枢绕组电流Ia，并联支路数a，则每条支路电流ia=Ia/(2a)。这样，电机总的电磁转矩：第二章直流电机28/992.4电动势和电磁转矩3)电磁功率Pe：在电枢中发生的转换的功率。感应电动势E，电枢电流Ia；电磁转矩Tem，转子转速n

Ω；电功率机械功率

Pe=EIa

=Te

Ω第二章直流电机29/99电功率机械功率转换成的2.5电动机的运行分析1)基本方程式正方向--（电动机惯例）

U→Ia

E与Ia反向

Te与n同向

TL与n反向电压平衡方程励磁回路电枢回路第二章直流电机30/99ETenTL＋U

－Ia2.5电动机的运行分析1)基本方程式功率平衡方程输入功率P1=UIa铜损Pcua=Ia2Ra电磁功率Pe=P1-Pcu输出功率P2=T2Ω空载损耗P0=Pe–P2P0=PFe+Pfw+Pad第二章直流电机31/99转换电功率机械功率EIa

Te

ΩP1PCuPeP0P22.5电动机的运行分析1)基本方程式转矩平衡方程空载Te=T0带载

Te=T2+T0稳态电枢电流IaTe=TL，

Ia

∝TL，

电枢电流大小取决于负载大小。Ia=IaN

满载，Ia>IaN

过载。Ua↓，（n不变

E不变）

Ia↓

Te↓

<TL

n↓

E↓

Ia↑

Te↑

=TL第二章直流电机32/99TeTLn2.5电动机的运行分析2)他励（并励）直流电动机的特性转速特性n=f(Ia)转矩特性Te

=f(Ia)效率特性η

=f(Ia)机械特性n=f(Te)转速特性n

=f(Ia)IaRa以及电枢反应Φ影响转矩特性Te

=f(Ia)电枢反应Φ影响效率特性η

=f(Ia)不变损耗P0=可变损耗Pcu时取得极值。第二章直流电机33/99TeTLnOn,Te,ηIa2.5电动机的运行分析2)他励（并励）直流电动机的特性机械特性n

=f(Te)硬特性，Te增加，n下降较慢。动态方程*第二章直流电机34/99OnTen02.5电动机的运行分析2)他励（并励）直流电动机的特性转动方向电枢电压反向--改变电枢电流方向转矩方向改变，转向改变。磁场反向--改变励磁电压极性转矩方向改变，转向改变。同时改变电枢电压方向和磁场方向–转向不变。第二章直流电机35/99FFT,nFFT,nFFT,n2.5电动机的运行分析2)他励（并励）直流电动机的特性他例和并励区别他励并励输入电压U=UaU=Ua=Uf输入电流

I=IaI=Ia+If输入功率P=UIaP=UI=UIa+UIf第二章直流电机36/992.5电动机的运行分析3)串励直流电动机电压电流转矩Ia较小时，磁路未饱和，Φ∝Ia→Te∝Ia2

Ia较大时，磁路饱和，Φ

约为常数

→Te∝Ia

第二章直流电机37/99OTeIa2.5电动机的运行分析3)串励直流电动机特点相同负载转矩变化∆T，电流变化∆Ia较小。

最大电流Iamax，能够产生更大的电磁转矩Te。起动转矩大，过载能力强。转速电枢电流Ia增加时，转速n下降很快。(1)电流增加时，IaRa压降增大，IaRf压降增大；(2)电流增加时，磁通Φ增加。第二章直流电机38/99OTeIaOTeIan2.5电动机的运行分析3)串励直流电动机转速当Te=0时，Ia

=

If

=0，Φ=

Φr，n很大，n=(5~6)nN

！当Te

较小时，Ia

很小，磁路未饱和，Te↑→Ia↑

→Φ↑→n

迅速下降！当Te很大时，Ia

很大，磁路已饱和，Te↑→Ia↑

→Φ

基本不变→n下降较少！

第二章直流电机39/99OTeIanOnTe2.5电动机的运行分析3)串励直流电动机转速适用场合软特性适用于负载的转矩变化范围较大情况；适用于起重机和电气机车等运输机械；

绝不允许在轻载或空载下运行；

需采用机械直接耦合，不能用皮带轮传动。第二章直流电机40/99OTeIanOnTe2.5电动机的运行分析4)复励直流电动机积复励–串励绕组的磁动势和并励绕组的磁动势方向相同；差复励–串励绕组的磁动势和并励绕组的磁动势方向相反。机械特性介于并励电动机和串励电动机之间：(1)有较大的起动转矩

；(2)可以空载运行。第二章直流电机41/99OnT并复串2.5电动机的运行分析例2-3并励直流电动机，PN=96kW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A，nN=500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.078Ω。忽略电枢反应影响，求额定输出转矩和额定电流时的电磁转矩。解，额定转矩：电枢电流：电动势：电磁功率：电磁转矩：第二章直流电机42/992.5电动机的运行分析例2-4并励直流电动机，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,电枢电阻Ra=0.18

，励磁电阻Rf＝628。试求(1)CEΦN，CTΦN；(2)

电磁转矩Te；(3)额定输转矩TN；(4)空载转矩T0；(5)理想空载转速n0与实际空载转速n

0

。

解，(1)(2)电磁转矩：(3)额定输出转矩：(4)空载转矩：(5)空载转速：第二章直流电机43/992.6发电机的运行分析1)基本方程式正方向--（发电机惯例）

E→U→Ia

T1与n同向

T0与n反向

Te与n反向电压平衡方程励磁回路电枢回路第二章直流电机44/99ETenT1＋U

－IaT02.6发电机的运行分析直流电机运行状态的判断（1）电枢电压电动机U=E+IaRaU>E发电机U=E

-

IaRaE>U（2）转矩转速关系电动机Te

n同向发电机n

Te反向第二章直流电机45/992.6发电机的运行分析1)基本方程式功率平衡方程输入功率空载损耗P0=PFe+Pfw+Pad电磁功率Pe=P1–P0=TeΩ

=EIa铜损Pcu=Ia2Ra输出功率P2=UI第二章直流电机46/99转换电功率机械功率EIa

Te

ΩP1P0PePCuP22.6发电机的运行分析1)基本方程式转矩平衡方程输入转矩空载转矩电磁转矩第二章直流电机47/99ETenT1＋U

－IaT02.6发电机的运行分析2)他励发电机的工作特性工作过程外电源Uf

If

Φ

原动机T1

n

…

E

Ua

U空载运行励磁电路If=Uf/Rf电枢电路Ia=0，U=U0=E调节Rf

If

Φ

E

Ua

空载特性

U0=E=f(If)（n=nN,Ia=0）(1)本质上就是通过实验方法测定发电机实际的磁化曲线；(2)测定均按他励发电机接线方式，与电机的励磁方式无关。第二章直流电机48/99OIfU0Er剩磁感应电动势2.6发电机的运行分析2)他励发电机的工作特性负载运行励磁电路If=Uf/Rf电枢电路I=Ia，U=Ua电压平衡方程调节Rf

If

Φ

E

Ua

负载特性

U=f(If)（n=nN,Ia=const）(1)I=0空载特性曲线；(2)相同励磁电流，不同端电压；AU电枢电阻压降，EA产生相同感应电动势E的不同励磁电流；I=const

AU长度不变，且EA长度不变；∆EAU特征三角形。第二章直流电机49/99UO

I'f1

If1

IfEI=0

I=constAU2.6发电机的运行分析2)他励发电机的工作特性负载运行负载增加，Ia↑

RaIa↑

E↓

Ua↓

Φ↓

E↓

Ua↓

外特性U=f(I)（n=nN,If=IfN）电压调整率外特性随负载电流增大呈下降趋势；是由电枢回路电阻压降和电枢反应去磁效应引起的；机端电压随负载变化的程度用电压调整率衡量。第二章直流电机50/99OIUn=nNIf

=IfNINUNU02.6发电机的运行分析2)他励发电机的工作特性负载运行调整特性If=f(I)

（n=nN,U=UN）表明负载变化，如何调节励磁电流才能维持发电机端电压维持不变。励磁电流必须随负载电流增加而增加，以补偿电枢反应的去磁作用。铁磁材料的饱和影响，励磁电流增加的速率必须更快，要高于负载电流。第二章直流电机51/99OI

If

IfNIN2.6发电机的运行分析3)并励发电机的工作特性工作过程原动机T1

n

Φ

E

Ua

UE

Φ

？

Φ

E自励条件(1)主磁极必须有剩磁Φr……

Er

Ifr

ΦΦr

与Φr

方向相同

E>Er

Φr

与Φr

方向相反

E<Er

(2)励磁产生的磁通必须与剩磁方向相同。Φr

Er

Ifr

E>Er

If>Ifr

Φ>Φr→E↑…E

与If

之间满足空载特性;If

与E

之间满足欧姆定律。第二章直流电机52/992.6发电机的运行分析3)并励发电机的工作特性自励条件(1)主磁极必须有剩磁(2)励磁产生的磁通必须与剩磁方向相同。(3)励磁电路的电阻必须小于临界电阻。场阻线斜率tanα=Ra+Rf当Rf<Rfcr

时，E>Er

能够自励；

当Rf=Rfcr

时，E不确定，不能自励；

当Rf<Rfcr

时，E>Er

不能自励。第二章直流电机