电机学-第三章-直流电机

《电机学-第三章-直流电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学-第三章-直流电机（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 直流电机,绪论,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩,3.6 直流发电机的运行特性,3.2 直流电枢绕组,3.5 直流电机的基本方程,3.7 直流电动机的运行特性,3.8 直流电动机的起动、调速和制动,3.9 换向,直流电机是电机的主要类型之一。直流电机,自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又,有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有,直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被,取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理,论意义和实用价值!,本章主要内容,1、直流电机的工作原理和基本结构,2、说明电机的磁动势

2、和磁场,4、分析直流电动机的稳态运行性能,3、导出电机的电动势和电磁转矩公式,3.1 直流电机的工作原理和基本结构,一、直流电机的工作原理,固定部分（定子）：主磁极N和S；,（如图31）表示一台直流电机。,1、直流电机的结构,旋转部分（转子）：电枢铁心(观看图片)；电刷；,电枢绕组AX(一个线圈)；,换向器。,定子与转子之间为气隙。,2、直流发电机的工作原理,发电机：虽然线圈AX电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。（图3-2 a，图3-2b）,加于线圈，而是通过电刷 、 和换向器再加到线圈,3、直流电动机的工作原理,电动机：在直流电动机中，外加电压并非

3、直接,改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向,上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改,始终保持不变。,4、脉动的减小,电刷上的电动势,(如图33)。,电枢绕组由多个线圈串联而构成的 ，,实现方法：,二、直流电机的基本结构、（断面图）,旋转电机,定子,转子,气隙,1、主磁极,构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。,2、机座,构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。,作用：建立主磁场。,作用：1、主磁路的一部分；,2、电机的结构框架。,3、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DR530,4、电枢绕组,作用：直流电机的电路部

4、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。,或DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。,5、换向器,作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。,构成：由许多鸽尾形的换向片排列成一个圆筒片间,用V形云母绝缘，两端再用两个环形夹紧而,6、电刷装置（观看图片）,作用：电枢电路的引出（或引入）装置。,构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。,构成。,三、 励磁方式,励磁绕组的供电方式称为励磁方式。,直流电机按励磁方式可分：,他励,自励,7、换向极,构成：由铁心和绕组组成。,作用：改善换向。,复励式(图3-5d) ： 装有两个励磁绕组，一为与电,1、他励式（如

5、图3-5a）,其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。,2、自励式,发电机 ：利用自身发出的电流励磁；,电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。,并励式(图3-5b) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；,串励式(图3-5c) ： 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。,四 、直流电机的额定值,（1）额定功率 ：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，,（2）额定电压 ：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。,（3）额定电流 ：指电机运行在时电机的线电流，以A表示。,（4）额定转速 ：指额定状态运行时转子的转速，以r/min表示。,（5）额定励磁电压 （仅

6、对他励电机）。,对电动机， 输出的机械功率； 对发电机， 输出的电功率。,直流电机的额定值有：,电机的输出功率，以kW表示。,3.3 空载和负载时直流电机的磁场,一 、空载时直流电机的磁场 (如图3-22)。,：,空载时的主磁极的磁通：,a) 主磁通 ：通过气隙，并形成气隙磁场。,b) 主极漏磁通,极矩：,（图323 直流电机的空载气隙磁场分布）,二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应,电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。,1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应,影响 ：1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等,2）不计饱和时，交轴电枢反应既无增磁、 亦无去磁作用； 3）计及饱和时，交轴电枢反应具

7、有一定的去磁作用。,于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。,（图324 电枢磁动势和磁场） （ 图225 交轴电枢反应）,2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应,发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；,电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。,电动机：与发电机的情况相反。,（图326 直轴电枢磁动势和直轴电枢反应）,3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩,设气隙磁场的分布（如图37）所示，则每,根导体的感应电动势为,一、电枢绕组的感应电动势,式中，, 导体所在处的气隙磁密；, 导体的有效长度；, 导体相对气隙磁场的速度。,电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的,令 为平均气隙磁密，则上式改

8、写为,将 代入上式得出,电动势的代数和，则,电动势公式 ：,式中，, 每极的总磁通量；, 电动机常数；, 电动势公式。,二 、直流电机的电磁转矩电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为式中， 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为式中， 气隙平均磁密。,整个电枢上的电磁转矩 则 为,可得直流电机的转矩公式为,再考虑到,( 与相关量的换算关系),一、电压方程 ； 基本方程二、转矩方程 。一、电压方程1、他励直流电机 直流电机的稳态电路图（发电机，电动机）发电机： 则有 ；电动机： 则有 。,3.5 直流电机的基本方程,他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 。,2、并励直流电

9、机,其电枢回路的电压方程与他励时相同，但励磁,3、串励直流电机,其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励,另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。,电压为电枢端电压，即,发电机：,电动机：,磁绕组与电枢绕组相串联，有 。,二、转矩方程, 电磁转矩。,1、发电机情况下（图229a）,原动机的驱动转矩；,电机本身的机械阻力转矩；,电磁转矩为制动转矩，有, 电动机轴上的负载转矩。,式中，,2、电动机情况下(图329b),电磁转矩为驱动转矩，有,电机本身的机械阻力转矩；, 电磁转矩。,三、电磁功率,发电机： 机械能 转化为电能 ；电动机： 电能 转化为机械能 。,电磁功率用 表示，则,将 代入上式，

10、得,四、直流电机的可逆性,电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为,发电机运行；,电动机运行。,发电机、亦可作为电动机运行。,3.7 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 得出转速特性曲线,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。,或,（2）、转矩特性,转矩方程,（3）、效率特性,并励电动机的效率特性和其他电机相类似。,得出转矩特性曲线。,指 ，励磁回路电阻 常值时， 。,2、转矩转速特性,转速与转矩的关系表达式

11、为,得特性曲线（如图311）,结论：硬特性,是指 时， 或 （图形312）,二 、串励电动机的运行特性,1、工作特性,特点：,转速公式,负载增加，磁路饱和， 常值,式中 为串励绕组的电阻。,上式表明 曲线大致为一双曲线。,轻载时， 、 常值,注意：串励电动机不允许空载运行。,（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。,2、转矩转速特性,是指 时 。,由电压方程可知,其转速调整率定义为：,式中 。,于是电磁转矩为,可得,（如图3-13）,结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速,下降，是软特性。,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,复励电动机的转矩转速特性,（如图3

12、-14）。,串励电动机之间。,结构较复杂直流电机 成本较高 使它的应用受到限制可靠性较差,1.直流电动机以其良好的起动性和调速性能著称。2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。,图3-2a 线圈电动势的波形,图3-2b 电刷间的电动势波形,图3-4 国产直流电机的结构,+,-,图3-5c 串励式,+,-,图3-5 复励式,图3-6 空载时直流电机的气隙磁场,图3-8 发电机,图3-9 电动机,图3-10 并励电动机的工作特性,图3-11 并励电动机的转矩转速特性,图3-12 串励电动机的工作特性,图3-13 串励电动机的转矩-转速特性,图3-14 复励电动机的转矩-转速特性,复励,串励,并励,图31 最简单的两极直流电机,3.2 直流电枢绕组,1.直流电枢绕组的构成 元件、有效边、双层绕组、每层有效元件边数、虚槽数、元件数、换向片数、第一节距、第二节距、合成节距、换向器节距 2.单迭绕组：采用右行绕组；并联支路数等于磁极数。 3.单波绕组：采用左形绕组；并联支路数始终为两条。,1.直流电枢绕组的构成,a)叠绕元件 b)波绕元件,元件图片,两匝元件,图314 两匝元件,a),b),a)叠绕元件 b)波绕元件,图313 电枢绕组的元件,图315 含有两个元件（u=2）的线圈,图316 叠绕组元件在电枢上的连接,K,K,K,N,S,N,S,