电机拖动第三章直流电机原理(新)

第三章直流电机原理

电机与拖动基础本章内容3.1直流电机的用途及基本工作原理3.2直流电机的主要结构与型号3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性3.4直流电机的电枢绕组3.5电枢电动势与电磁转矩3.6直流发电机3.7直流电动机3.8他励直流电动机的机械特性3.9串励和复励直流电动机3.10直流电机的换向3.1直流电机的用途及基本工作原理一、用途直流发电机：（机械能直流电能）作为电机的励磁直流电源。直流电动机：（直流电能机械能）多用于对调速要求较高的生产机械上。二、基本工作原理1、直流发电机工作原理直流发电机的物理模型如图：N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。3.1直流电机的用途及基本工作原理当原动机驱动电机转子逆时针旋转后，如右图。可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。3.1直流电机的用途及基本工作原理实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。3.1直流电机的用途及基本工作原理2、直流电动机工作原理直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。3.1直流电机的用途及基本工作原理3.2直流电机的主要结构一、直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承二、铭牌数据⒈额定功率PN

指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以"W"为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN

对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN

或PN=T2NΩN3.2直流电机的主要结构与型号2.额定电压UN

指额定状态下电枢出线端的电压，单位“V”。

3.额定电流IN

指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，单位“A”。

4.额定转速nN

指额定状态下运行时转子的转速，单位“r/min”。

5.额定励磁电流If

指电机在额定状态时的励磁电流值。6.额定输出转矩T2N

指电动机额定状态运行时转子轴上的输出转矩。例3.1、3.23.2直流电机的主要结构与型号主磁通：在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩；漏磁通：只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性一、磁路二、空载时，气隙磁通密度的分布波形空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。

几何中性线极靴极身（a）气隙形状3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性（b）气隙磁密分布气隙磁密的大小完全与气隙长度δ成反比。空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性三、空载磁化特性3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性四、直流电机的励磁方式

励磁方式：供给励磁绕组电流的方式。并励串励复励他励自励3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性1、他励2、并励3、串励3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。3.3直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性3.4直流电机的电枢绕组电枢绕组：是由许多形状完全一样的绕组元件以一定的规律连接起来的元件的统称。元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。单叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。单波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。波绕组示意图叠绕组示意图一、直流枢绕组基本知识极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。单叠绕组单波绕组换向节距

yk

：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。3.4直流电机的电枢绕组二、单叠绕组

4极、16槽直流电动机单叠绕组展开图如图单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。3.4直流电机的电枢绕组单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。3.4直流电机的电枢绕组单叠绕组元件的连接次序：上层元件边槽号下层元件边槽号123456789101112131415161

567891011121314151612343.4直流电机的电枢绕组绕组的并联支路电路图3.4直流电机的电枢绕组单叠绕组的特点：1）同一磁极下各元件串联起来组成一个支路，故并联支路对数a=极对数p（a=p)。2）电刷对准主磁极，电动势最大。3）电刷杆数等于极数。3.4直流电机的电枢绕组两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。三、单波绕组4极、15槽直流电机单波绕组展开图如图3.4直流电机的电枢绕组单波绕组元件的连接次序：上层元件边槽号下层元件边槽号1815714613512411310291

4113102918157146135123.4直流电机的电枢绕组单波绕组的并联支路图3.4直流电机的电枢绕组单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；5）电枢电流等于两条支路电流之和。4）电枢电动势等于支路感应电动势；3.4直流电机的电枢绕组四、单叠绕组与单波绕组的对比在极对数p（p>1)，元件数s，导体截面相同情况下：单叠：并联支路数多（a=p），每个支路元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。单波：并联支路数少（a=1），每个支路元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。3.4直流电机的电枢绕组3.5电枢电动势与电磁转矩一、直流电机的电枢电动势产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势称为电枢电动势。大小:性质:发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).为电机的结构常数，称为电动势常数。P－极对数，z－总导体数，a－并联支路对数。其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。二、直流电机的电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。可见，直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中3.5电枢电动势与电磁转矩例题3.3

已知一台10kw、4极、2850r/min的直流发电机，电枢绕组是单波绕组，整个电枢总导体数为372。当发电机发出的电动势Ea＝250V时，求这时气隙每极磁通量Φ。例题3.4

已知一台4极直流电动机额定功率为100kw，额定电压为330v，额定转速为730r/min，额定效率为0.915，单波绕组，电枢总导体数为186，额定每极磁通量为6.98×10－2

Wb，求额定电磁转矩。3.5电枢电动势与电磁转矩三、直流电机的电枢反应

2)对主磁场起去磁作用磁路不饱和时，磁场被削弱的数量等于加强的数量。电机正常运行时，增加使饱和程度提高，增加的磁通少些，即电枢反应为交轴去磁性质。1)使气隙磁场发生畸变即每个磁极下，一半磁场增强，一半削弱。

当励磁绕组中有电流，电机带负载，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。3.5电枢电动势与电磁转矩3.6直流发电机一、直流发电机稳态运行时的基本方程如图规定各物理量的参考方向1、电枢电动势和电动势平衡方程电枢电动势：为电枢回路总电阻可见，直流发电机电枢回路方程：2、电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩：直流发电机的励磁电流转矩平衡方程：3、励磁特性公式每极气隙磁通3.6直流发电机二、功率关系3.6直流发电机功率流程图为:(并励时应考虑Pcuf)3.6直流发电机例3－5

一台额定功率PN＝20kw的并励直流发电机，它的额定电压UN＝230v，额定转速nN＝1500r/min,电枢回路总电阻Ra＝0.156Ω,励磁回路总电阻Rf

=73.3Ω。已知机械损耗和铁损耗pm+pFe＝1kw。求：额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。（附加损耗＝0.01PN)3.6直流发电机3.7直流电动机运行原理一、他励直流电动机稳态运行的基本方程式如图规定参考方向，基本方程如下：二、他励直流电动机的功率关系3.7直流电动机运行原理例3－6

一台4极他励直流电机，电枢采用单波绕组，电枢总导体数z=372，电枢回路总电阻Ra=0.208Ω,当此电机运行在电源电压U＝220v，电机的转速n＝1500r/min，气隙每极磁通量Φ＝0.011Wb，此时电机的机械损耗和铁损耗pm

+pFe＝（204＋362）w。忽略附加损耗。

1）该电机运行在发电状态，还是电动机状态？

2）电磁转矩是多少？

3）输入功率和效率各是多少？3.7直流电动机运行原理例3－7

一台并励直流电动机，PN=96KW,UN=440V,IN=255A,IfN=5A,nN=500r/min,电枢回路总电阻Ra=0.078Ω,忽略电枢反应的影响，试求：

1）额定输出转矩是多少？

2）额定电流时的电磁转矩是多少？3.7直流电动机运行原理三、直流电动机的工作特性1、转速特性定义：当、时，由方程式可得2、转矩特性定义：当、时，转矩表达式3、效率特性定义：当、时，3.7直流电动机运行原理一、电动势平衡方程

直流电机的基本方程小节结论：发电机；电动机；即根据与U的大小判断直流电机的运行状态。：电枢回路总电阻；二、转矩方程1.发电机2.电动机发电机：机械能→电能

电动机：电能→机械能

电机效率：三、功率方程3.8他励直流电动机的机械特性一、机械特性一般表达式在电动机上加上一定时，其中：二、固有机械特性曲线如图：nn0nNTNTST0特点：3.8他励直流电动机的机械特性例3－8

一台他励直流电动机，PN=96KW,UN=440V,IN=250A,nN=500r/min,电枢回路总电阻Ra=0.078Ω,忽略电枢反应的影响，试求：

1）理想空载转速n0；

2）固有机械特性斜率β。例3－9

他励直流电动机，PN=22KW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,电枢回路总电阻Ra=0.1Ω,忽略空载转矩T0，电动机拖动恒转矩负载TL=0.85TN运行。求稳定运行时电动机的转速、电枢电流及电动势。

3.8他励直流电动机的机械特性三、人为机械特性1.电枢回路串电阻特点：1）放射性，均过n0点；

2）串R越大，特性越软；

3）恒转矩负载时，3.8他励直流电动机的机械特性三、人为机械特性2.改变电枢电压特点：1）平行直线，硬度不变；2）拖动恒转矩负载时，Δn不变；3）3.8他励直流电动机的机械特性三、人为机械特性3.减少气隙磁通量3.8他励直流电动机的机械特性四、根据电机的名牌数据估算机械特性（PN、n