1、直流电机,重点内容： （1）直流电机的工作原理 （2）直流电机的基本概念 （3）电枢感应电势和电磁转矩 （4）基本方程难点： （1）电枢绕组及电路图 （2）电刷位置放置 （3）电枢反应,一、直流电机特点 直流电机优点 易于控制，可靠性高 调速范围广，平滑。 过载、起动、制动转矩大。 调速时能量损耗小,直流电机缺点 换向困难 结构复杂 价格高,第二章 直流电机的工作原理及结构,二、 直流电机的结构,主磁极 换向磁极 机座 电刷,定子,主磁极,作用：建立主磁场。,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,换向极: 作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有 害的火花。 构成：由铁心和绕组组
2、成,机座 作用：1)作为磁路的一部分；2)固定主磁极、换向极和端盖。 构成:通常由铸钢或厚钢板焊成,机座,电刷,构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。,作用：把直流电压、直流电流引入或引出,转子（电枢）, 电枢铁心 电枢绕组, 换向器 转轴与风扇,电枢铁心硅钢片(0.5mm),电枢铁心,作用：1、主磁路的一部分；,2、电枢绕组的支撑部件。,构成：一般用厚0.5且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。,电枢绕组,作用：直流电机的电路部分。,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。,换向器,作用：和电刷配合将直流电引入或引出的装置
3、。,构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V形云母绝缘。,直流发电机的工作原理,三、直流电机的工作原理,直流电动机的工作原理,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,四、 励磁方式,1、他励式（图a）,其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。,复励式(图d) ： 装有两个励磁绕组，一为与电,2、自励式,并励式(图b) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；,串励式(图c) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；,枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,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) 额定功率 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 ) 。,五、 额定值,(4) 额定转速 nN(5) 额定励磁电压 UfN(6) 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。,直流电机的电枢绕组,直流电枢绕组的基本概念,直流电枢绕组的构成原则： (1)产生足够的感生电势； (2)允许一定的电流； (3)节
5、省有色金属和绝缘材料； (4)结构简单，运行可靠。,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。,节距,实槽与虚槽：Qu=uQ,（1）第一节距y1,一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称为第一节距，用y1表示。,（2）第二节距y2,相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为第二节距，用y2表示，也用虚槽数计算。,（3）合成节距y,相串联的两个元件对应边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为合成节距。不同类型绕组的差别，主要表现在合成节距和换向器节距上。,叠绕组元件在电枢上的联接,波绕组元件在电枢上的联接,（4）换向片节距yk:元件的首
6、末端在换向器上的距离,叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上；波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪一样延伸。,（5）绕组的型式,单叠绕组,单叠绕组的特点:合成节距与换向节距均为1，即y=yk=1。,直流电机的 ，试将其绕成单叠绕组。,1、单叠绕组的节距,2、单叠绕组的元件联结次序,3、单叠绕组的元件联结次序,4、单叠绕组的并联支路图,单叠绕组并联支路对数等于电机的极对数，即：,单叠绕组的的特点：,同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。,电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,电枢电流等
7、于各支路电流之和。,单波绕组,讲述单波绕组联结规律的节距、绕组展开图、 元件联结图、并联支路图。为什么叫单波绕组？,1、单波绕组的节距,以一台 的直流电机为例。,（长距元件）,（左行绕组）,2、单波绕组的展开图,3、单波绕组的元件联结次序,4、单波绕组的并联支路图,单波叠绕组并联支路对数与电机极对数无关，,单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。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。,单波绕组,单波绕组的电路图,单波绕组的特点:,同极下各元件串联组成一条支路，支路对数为1，与极对数无关；,当元件的几何形状对
8、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；,电枢电动势等于支路感应电动势.,电刷数等于磁极数；,直流电机的磁场及电枢反应,一、直流电机的空载磁场,Ia=0,P2=0,Ia=0,P2=0,定子磁轭Lys,齿 t,当主磁通很小时，磁路中铁磁部分没有饱和，铁磁部分所需磁势远比气隙所需磁势小，可忽略不计,主磁场的气隙磁密的空间分布,二、直流电机负载时的负载磁场,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。其中电枢磁势对主极磁场的影响称为电枢反应。,S,N,N,S,S,d轴,1.电刷在几何中性线时的电枢反应,物理中
9、性线,交轴电枢反应,电枢表面磁通密度的实际过零点的连线。,2)对主磁场起去磁作用,1)使气隙磁场发生畸变,空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。,磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。,由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：,2.当电刷不在几何中性线上的电枢反应,电
10、刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角。,这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量:交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。,两极直流电机空载时的磁场,励磁磁场,电枢磁场,励磁磁场,合成磁场,电枢的感应电动势和电磁转矩,一、电枢的感应电动势,空载时直流电机气隙磁场,平均磁密：,（1）大小每个导体：e av= B l v导体切割磁场的线速度：,电动势：,E = Ce n Ce 电动势常数：,(V),(2) 方向：由 和 n 共同决定。(3) 性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,二、直流电机的电磁转矩,(1) 产生电枢电流 i磁 场 ,T,(2) 大小Tem = CT Ia C
11、T 转矩常数：,(Nm),CT = 9.55 CE,(3) 方向： 由 和 Ia 共同决定。,一、他励直流发电机的基本方程式,直流发电机,N,S,T1,n,+,-,RL,Rf,ra,1.电压平衡方程式,2.转矩平衡方程式,ia,Tem,T0,3.稳态运行时功率平衡关系,他励直流发电机功率流程图,Pem=Tem=EaIa, 小型发电机： N = 75% 85%中大型发电机： N = 85% 93%,电压：Ea=IaRa+U,转矩：T1=T0+Tem,功率：P1=p0+pcu+ P2,定义：当 、 时，,空载特性,二、直流发电机的运行特性,Er,剩磁感应 电动势,空载特性,空载时， 。由于 ，因此
12、空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,外特性,n = nN If = IfN,外特性,电压平衡方程式U = Ua = ERa Ia,电压调整率,( 5% 10% ),调整特性当 n = nN，U = UN 时：If = f ( Ia ),调整特性,三、并励发电机的自励条件和特性, Ua ,E ? E ? (1) 自励条件 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, 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 既应满足空载特性又应满足欧姆定律
13、。,当 Rf Rk 时，E Er ， 能够自励。 当 Rf = Rk 时，E不确定，不能自励。 当 Rf Rk 时，EEr，不能自励。 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,场阻线：,场阻线的斜率：,= RaRf,RfRk,(2) 并励发电机的外特性,I = Ia If U = Ua = Uf Ua = E RaIa,I ,Ia ,RaIa E (电枢反应) Uf , ,Ua ,外特性U = f ( I ), 负载增加时， U 下降较快。VR 20%, 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 U I , RL = 0
14、，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。 稳态短路电流不大。,（4）复励直流发电机,IN,U0,差复励,复励,差复励,外特性急剧下降，可作恒流源,积复励,平复励,过复励,欠复励,【例】 一他励直流发电机， PN = 10 kW， UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通 保持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压 U0 和 900 r/min 时的满载电压 U 。解：在 nN 和 UN 时的电枢电流,U0 = E = UaRa IaN= (2300.443.5) V = 247 V 在 保持不变时， E n,U =
15、 ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V,P2 = UI = 230100 W = 23 000 WIa = IIf = (1002) A =102 A PCu = Ra Ia2 Rf If2= ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W Pem = P2PCu = 25 540.8 W,【例题】 一并励直流发电机，输出电压 U = 230 V，输出电流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115， n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求发电机的输出功率P2 、电磁转矩 T、输入功率 P1 和效率 。解：,
16、= 2 719.24 W P1 = PeP0= (25 540.82 719.24) W = 28 260 W,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,直流电动机按励磁方式分类,直流电动机,直流电动机,1.直流电动机的基本方程,励磁电压 Uf If,电枢电压 Ua Ia, Tem,n,(1) 电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If 电枢电路： Ua = E + Ra Ia,(2) 转矩平衡方程式,(3) 功率平衡方程式,他励直流电动机功率流程图,并励电动机,输入电压 U = Ua = Uf = E + RaIa (2) 输入电流I = Ia + If (3) 输入功率
17、,【例】 某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ， Ra = 0.41 。求该电机在额定状态下运行时的：(1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) Tem 。解： (1) 励磁电流 If,(2) 电枢电流 IaIa = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势 EE = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 V,CT = 9.55 CE = 0.685 Tem = CT Ia= 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm,(4) 电
18、磁转矩,直流电动机的运行特性,直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作,一、并(他)励电动机的运行特性,1、工作特性,指 时， 。,特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。,（1）、转速特性,据转速公式,转速调整率 ：,注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。,（2）转矩特性,转矩方程,（3）效率特性,2、机械特性,指 ，励磁回路电阻 常值时， 。,转速与转矩的关系表达式为,二 、串励电动机的运行特性,1、工作特性,特点：,是指 时， 或,转速特性,（a）轻载时， 、 常值,这时的转速曲线大致为一双曲线。,这时的转速曲线大致为一直线。,轻载时， 、 常值,负载增加，磁路饱和， 常值
19、,注意：串励电动机不允许空载运行。,负载增加，磁路饱和， 常值,（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。,2、机械特性,是指 时 。,其转速调整率定义为：,当磁路不饱和时：,可得,当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。,三、复励电动机的特点,复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和,串励电动机之间。,复励,串励,并励,他励（并励）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,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图示。,（2）转矩特性,定义：当 、 时，,转矩表达式,考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图
20、示。,（3）效率特性,定义：当 、 时，,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。,（4）机械特性,定义：当 ，励磁回路和电枢回路电阻保持不变时,电动机的转速n与电磁转矩之间的关系 称为直流电机的机械特性。,由方程式可得:,n0,Rj=0,Rj1,Rj2,当Ia=0时，T=0，对应转速为空载转速：,串励直流电动机的工作特性,当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：,转速特性,转矩特性,当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。,当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。,练 习 题,P218,20-2P231,21-2P232,21-1,
