1、2.1 直流电机的工作原理,一、直流电动机的工作原理,电刷,i,e,F,直流电流,交流电流,电磁转矩 （拖动转矩）,换向,机械负载,旋转,反电动势,电枢绕组,电源,直流电动机的工作原理,二、直流发电机, E , E ,原动机,感应电动 势、电流,输出 直流电,电磁转矩 （阻转矩）,做功,e,F,线圈的电动势波形,eabcd,t,电刷间的电动势波形,eAB,t,直流电机的关键：换向器和电刷的配合。,主磁极,2.2 直流电机的基本结构和额定值,直流电机的结构,（产生励磁磁场）,（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）,直流电机,1. 定子 (1) 主磁极,(2) 换向极,(3) 机座 (4) 端盖,
2、直流电机的定子,一、主要部件,2. 转子（电枢）,(1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组 (3) 换向器 (4) 转轴与风扇,直流电机的转子,直流电机的电路部分,主磁路的一部分，电枢绕组的支撑部分,二、直流电枢绕组,构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。,a）元件边嵌放 b）元件截面 直流绕组构成示意图, 元件线圈, 绕组形式：叠绕、波绕,叠绕元件（2匝）,波绕元件（2匝）,元件的节距元件的上层边与下层边之间的距离（可用槽数表示，接近一个极距）。,极距在电枢表面，一个磁极所跨过的距离（可用槽数表示）。,1 2 3 5 6 8 9 11 12
3、1 2, 单叠绕组的展开图: z=12, 2p=4, y=3, 电刷的中心线对着磁极的中心线。,直流电枢绕组连接规律,电动机,+,发电机,+,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。, 电刷放置, 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 几何中性线位置”。,磁极中心线,几何中性线,如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,1. 直流发电机按励磁方式分类,三、按励磁方式分类,他励,并励,串励,复励,复励,2. 直流电动机按励磁方式分类,1. 额定电压 UN发电机的UN ：指输出电压的额定值。
4、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. 额定电压 PN发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值(UN INN ) 。,四、额定值,3. 额定转速 nN:,4. 额定励磁电压 UfN： 5. 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。,电机与拖动,2.3 直流电机的磁场与电枢反应,一、直流电机的空载磁场,二、电枢磁动势,交轴磁动势,电枢磁密分布,励磁磁密,电枢磁密,合
5、成气隙磁密,三、 直流电机的电枢反应,几 何 中 性 线,励磁磁动势产生 的励磁磁场 （空载磁场）,物 理 中 性 线,电枢磁动势产生 的电枢磁场 （交轴）,合成磁场 （负载时的磁场）,物理 中性线,电枢反应, 电枢磁动势对主极磁场的影响。, 电枢反应的影响：,(1) 总磁场发生畸变物理中心线偏离几何中心线角,被电刷短路的元件的 e0，增加了换向困难。,合成磁场 （负载时的磁场）,(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。, 电枢反应的影响：,一、电动势 E,电枢旋转 n 总磁场 ,e,e,E,2. 分析：,1.
6、产生:,2.4 直流电机的电动势和电磁转矩,气隙平均磁密,l 电枢长度, 极距, 每极磁通量,N 电枢总导体数,a 电枢绕组并联支路对数,一根导体的平均电动势,导体线速度,导体平均电动势,E = CE n CE 电动势常数，,3. 电动势公式：,4. 方向与性质发电机：为电源电动势；电动机：为反电动势。,二、电磁转矩 Te,1. 产生:,导体(线圈中)的 i 总磁场 ,f,Te,2. 大小:电磁力： f = B i l电磁转矩: Te = CT Ia 式中：CT 转矩常数。,4. 性质,3. 方向: 由 和 Ia 共同决定。,Te与 n 方向相反，为制动转矩； Te与 n 方向相同，为驱动转矩
7、。,三、电磁功率 Pe,Pe =,E Ia,Te,Pe = E Ia = Te,CE n Ia =,= 9.55, CT = 9.55CE,= CT Ia,2.5 直流电动机的运行分析,一、直流电动机的基本方程式,正方向规定电动机惯例UIaE与Ia反向Te与n同向TL与n反向, U ,Te,n,TL,1. 电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If 电枢电路： Ua = E + Ra IaE = CE n,2. 功率平衡方程式（并励） 输入功率： P1 = U I 铜损耗 PCu : PCu = Ra Ia2 + Rf If2 电磁功率Pe ： Pe = P1 PCu = E Ia 空载
8、损耗 P0 ： P0 = PFe + Pfw + Pad 输出功率P2 ： P2 = Pe P0 = T2,功率平衡方程式P1 = Pe+ PCuaPe = P2 +P0,功率流程图:,P1,Pe,P2,3. 转矩平衡方程式 空载： Te= T0 负载: Te= T0 + T2, 稳态电枢电流 Ia 由谁确定？,T e= CT Ia ， Ua = E + Ra Ia 例如：负载不变 ( Te不变)，U (Ra) 变化时，Ia 变化否？,U(或Ra),瞬间 n 不变,Ia,Te, TeTL,E,E 不变,Ia,Te,Te = TL,Ia不变, 结论：Ia 的大小取决于负载的大小。当 Ia= Ia
9、N 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,电机与拖动,1. 机械特性,当Te时， n 下降不多硬特性,二、他励（并励）直流电动机的特性,2. 他励直流电动机的转向,F,F,T, n,(1)电枢电压反向 改变电枢电流方向 转矩方向改变，转向改变,F,F,T, n,F,F,T, n,(2)磁场反向 改变励磁电压极性 转矩方向改变，转向改变, 转矩特性：,U = UN ，If 为常数时Te= f (Ia ) Te = CTN Ia= CT Ia, 转速特性：U = UN ，If 为常数时n = f (Ia ),影响 n 的两个因素： R
10、a Ia， 电枢反应。 效率特性：U = UN ，If = IfN 时 = f (Ia ),3. 他励直流电动机的工作特性, U ,并励电动机 他励电动机 (1) 输入电压:U = Ua = Uf U = Ua (2) 输入电流:I = Ia + If I = Ia (3) 输入功率:P1 = UI = UIa + UIf P1 = UIa, Ua , Uf ,4. 并励与他励的区别,三、串励电动机, U ,Ua , Uf ,1. 电压U = Ua + Uf= E + (Ra+ Rf ) I 2. 电流I = Ia = If,3. 转矩Te= CT Ia (1)当 Ia 较小、磁路未饱和时，,
11、Ia,TeIa2,(2)当 Ia 较大、磁路已饱和时，,常数,Te Ia,即 TeIam (1m2), 与并励电动机比较，有如下特点： 对应于相同的T ，Ia 小； 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T e大 转矩特性：U = UN 时，Te = f (Ia ),4. 转速,(1) 当Te = 0 时，Ia = If = 0，, =r ，,n 很大，n = (5 6) nN 不允许！,(2) 当Te 较小时，Ia 很小，,磁路未饱和，,Te Ia, n 迅速下降；,(3) 当Te很大时，Ia 很大，,磁路已饱和，,Te Ia, 基本不变, n下降较少；, 转速特性：,5. 应用 (1)
12、特别适用于起重机和电气机车等运输机械; (2) 绝不允许在轻载或空载下运行; (3) 不能用皮带轮传动。,四、复励电动机,积复励、差复励。 一般采用积复励电动机； 机械特性介于并励电动机和串励电动机之间： 有较大的Tst ； 可以空载运行。,2.6 直流发电机的运行分析,一、直流发电机的基本方程式(他励),正方向规定发电机惯例EIaUT1与n同向Te与n反向T0与n反向, U ,T1,n,Te,T0,1. 电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If 电枢电路： E = Ua + Ra IaE = CE n,直流电机运行状态的判断,根据电动势和电枢电压的大小 发电机 电动机 E = Ua
13、+ Ra Ia Ua = E + Ra Ia EU EU,根据Te与n的方向 发电机 电动机 Te 与 n反向 Te与n同向,2. 功率平衡方程式 (1) 输入功率 P1 :,P1 = T1,(2) 空载损耗 P0 :,P0 = PFe + Pfw + Pad,(3) 电磁功率 Pe :,(4) 铜损耗 PCu :,PCu = Ra Ia2,(5) 输出功率 P2 :,P2 = U I,Pe = P1 P0= E Ia = Te,P1,Pe,P2, 功率流程图, 效率特性 = f ( P2 ),小型： N = 70% 90% 中大型： N = 91% 96%,3. 转矩平衡方程式,Te= T1
14、 T0,T1 = T0 + T,输入转矩 T1 ： 空载转矩 T0 ： 电磁转矩 Te：,电机与拖动,二、他励发电机的工作特性,外电源Uf, n, ,原动 机,If,电枢,Ua,+ Ua ,+ Uf ,1. 空载运行 励磁电路：,励磁电路 总电阻,电枢电路：Ia = 0， Ua = U0 = E,调节Rf,If 可变, 可变,E 可变, Ua可变,U0 = E = f (If ), 空载特性,Er,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 = ERa Ia,当 Ia,Ra Ia E(电枢反应), 外特性 当 U = f (I
15、 ),n = nN If = IfN,电机与拖动, 电压调整率:,( 5% 10% ), 调整特性： 当：n = nN，U = UN 时：If = f ( I ),电机与拖动,三、并励发电机, Ua ,E ? E ? 1. 自励条件 (1) 主磁极必须有剩磁r ：,r,Er,Ifr,EEr,与r 方向相同,EEr,与r 方向相反,(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EEr, IfIfr,E, E 与 If 之间应满足空载特性; If 与 E 之间应满足欧姆定律。,电机与拖动, 当Rf Rfcr 时，EEr ， 能够自励; 当Rf = Rfcr 时，E不确定，不能自励
16、; 当Rf Rfcr 时，EEr，不能自励。 (3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,场阻线：,场阻线的斜率：,= Ra +Rf,RfRfcr,2. 运行分析,I = Ia If U = Ua = Uf Ua = E RaIa,I,Ia,RaIa E(电枢反应) Uf , 外特性：U = f ( I ),并励, 负载增加时， U 下降较快。VR 20%,电机与拖动, 外特性有拐弯现象。,RL I (Ia) U,RL U If, E (较大幅度) U的下降比 RL的减少得更快, RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。 稳态短路电流不大。,四、复励发电机, 积复励发电机： 当 I = IN 时的 UN U0 过复励发电机 当 I = IN 时的 UN U0 平复励发电机 当 I = IN 时的 UN U0 欠复励发电机,
