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1、1,第三章:直流电动机的稳态分析,2,直流电机,直流电能 机械能优点:电动机:起动,调速性能好发电机:供电质量好缺点:结构复杂,成本高,可靠性差前景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，直流电机使用受到限制但仍有一定的理论价值和实用价值,机械能,电能,3,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值,4,一、盘型电机结构,直流电机电枢电枢绕组电刷支路电流方向主磁极励磁绕组,S,N,定子 转子 气隙,桶型铁心,+,缠绕导线,5,盘型电机特点,主磁通与主磁路：磁力线从N极通过气隙，到转子铁心，再越过气隙到S极，通过机壳闭合。内腔：磁场被屏蔽，腔内导线起连接作用。端部：导线处
2、在磁场之外，也只起连接作用。工作导体：只有表面导线处在磁场中，工作时起作用。,6,绕组及工作特点,电枢绕组首尾相连，构成一个闭合回路（固定的）电刷把电枢绕组平分为两个支路电枢的转动时，每个支路中导体不停发生变化，但每个支路中导体电流方向不变每个极下导体中电流方向一致电刷是电枢表面导体电流分界线,7,直流电动机原理,电刷接电源导体中流过电流电磁力（左手）电动机转动,i,+,-,i,电动机,8,直流发电机原理,转子在外力作用下转动导体切割磁力线导体产生电动势,e,+,-,e,发电机,9,直流发电机原理,转子在外力作用下转动导体切割磁力线导体产生电动势导体电流电磁力,e,+,-,i,e,发电机,10
3、,直流电动机原理,电刷接电源导体中流过电流电磁力（左手）电动机转动电动势,e,+,-,i,i,电动机,11,盘型电机-简化模型及电路模型,简化电机模型电刷是电枢表面导体电流分界线直流电机电路模型,只关注外层边和主磁极,12,二、励磁方式,励磁方式：励磁绕组的通电方式他励：两个独立电路，I=Ia电机电压、电流；电枢电压、电流；励磁电压、电流并励：电机电压U=励磁电压Uf串励：电机电流I=励磁电流If复励,他励,并励,串励,复励,13,三、直流电动机的额定值,直流电机的额定值有：（1）额定功率：在铭牌规定的额定状态下运行时，电动机轴端输出的机械功率，以kW表示。 （2）额定电压：指额定状态下电动机
4、（电枢）出线两端的工作电压，以V表示。（3）额定电流：指电动机运行在额定时，电动机（电枢）出线上的线电流，以A表示。（4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示。（5）额定励磁电压 （仅对他励电机）。,14,实际电机的电枢绕组,把导体的另一条边放在相临磁极下，以提高利用率。一对导体边称为一个元件。,15,四、直流电机的基本结构,16,励磁绕组,电刷,17,18,19,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值空载和负载时直流电机的磁场为什么要研究电机内的磁场机电能量转换的媒介思路空载时的磁场负载时的磁场,20,一、空载时直流电机的磁场,空载运行:Ia0空载时的磁场
5、:磁动势主磁通主磁场漏磁通磁场分布:极靴下极靴范围以外几何中性线处,绕组元件位于气隙处,b=f(x),21,每极磁通,l,dx,b=f(x),22,二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应,电枢反应:负载时磁动势=主极+电枢理想电枢:电枢表面光滑,绕组为整距,构成绕组元件的导体均匀分布在电枢表面.讨论顺序1、电刷位于几何中性线时的交轴电枢磁动势和交轴电枢反应2、电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁动势和直轴电枢反应,Ia0,23,1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应,电刷位于几何中性线时的电枢磁动势.磁场分布直轴交轴交轴磁动势电枢磁动势的空间分布展开,确定原点,24,1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应,电枢磁
6、动势的空间分布,导体中电流ia，总导体数Zax处, 沿磁力线选择闭合回路磁动势分布:电枢旋转时同样适用,不计铁心磁位降,25,1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应,气隙磁场极靴下极间马鞍形,26,1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应,合成磁场的求取例图:电动机,顺时针旋转主磁场电枢磁动势分布,磁场磁场叠加.,电流方向,27,交轴电枢反应,电枢反应作用：半个极下为增磁，半个极下为去磁的作用1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线，2）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用 计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。,增磁,去磁,28,去磁作用对每
7、极磁通的影响,dx,l,dx,b=f(x),29,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值空载和负载时直流电机的磁场直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势,30,电动机工作原理,工作原理电枢导体中电流方向左手定则：判断电磁力及电磁转矩方向电机在电磁转矩作用下转动电刷是电枢表面导体电流分界线每个极下导体中电流方向一致且分布不变，电磁力及电磁转矩方向不变,31,直流电机的电磁转矩,一根导体的电磁转矩一个极下导体合成电磁转矩同名磁极下导体电流方向相同,磁极相同,合成电磁转矩方向、大小相同异名磁极下导体电流方向相反,磁极相反,合成电磁转矩方向、大小也相同总电磁转矩,Tp,Tp,32,直流电
8、机的电磁转矩,每根导体的电磁转矩为一个极下导体数z，则一个极下导体的合成电磁转矩,每极磁通,平均磁通密度,常系数,Ia,ia,33,电动机工作原理,电动势判断右手定则：判断电动势方向；电动势与电流方向相反（反电动势）每个支路中导体电动势方向一致电动机电路,e,i,34,电枢绕组的感应电动势,电枢绕组有2a=条支路,每条支路元件相同每条支路所处磁场也对称相同每条支路的合成电动势方向相同,大小相同电机感应电动势即为一条支路电动势,e,e,前,后,前,后,35,每根导体的感应电动势为一条支路串联导体数z，则一条支路串联导体的电动势代数和,电枢绕组的感应电动势,每极磁通,平均磁通密度,常系数,n,36
9、,如何使电动机反向： A.改变主磁极；B.改变电枢电流；C.同时改变。,判断主磁极极性,判断电动机转向,S,N,37,问题图中两种电机是什么励磁方式判断电机电流、电枢电流、励磁电流和电枢电动势方向,38,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值空载和负载时直流电机的磁场直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机电压方程和功率方程,39,他励直流电动机电压方程,特点：I=Ia；电流方向电动势与电流关系：正方向的规定:电动机惯例电压方程,电枢总电阻,反向,电枢电阻,电刷压降,40,并励直流电机电压方程,并励直流电机特点：电枢电压=励磁电压电流方程： I=Ia+If主回路电压方程串
10、励直流电机：电枢电流=电机电流=励磁电流,41,他励直流电动机的功率,输入功率电磁功率:为电动机电动势吸收的电功率总机械功率Te:为电动机电磁转矩发出的机械功率转换功率:输出功率:,P0：克服机械摩擦、风阻、铁心损耗等所需的功率.,空载机械损耗,42,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值空载和负载时直流电机的磁场直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机电压方程和功率方程直流拖动的运动方程,43,运动方程,正方向规定n为正常运行方向；Te与n正方向相同；T0、T2与n正方向相反。运动方程稳定运行条件之一,44,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值空载和负
11、载时直流电机的磁场直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机电压方程和功率方程直流拖动的运动方程直流电动机工作特性和机械特性,45,并励电动机工作特性,工作特性条件：U=UN，If=IfN时，n , Te , =f(Ia)。转速特性分析:Ia增大时，影响电动机转速的因素电枢电阻压降,使n电枢反应去磁,使n为稳定运行,使曲线稍微下降转速调整率,nN,n0,PN,46,并励电动机运行工作特性,注意事项运行中，励磁绕组不允许断开.如果断开，If=0，趋向于剩磁磁通，电枢电流增加，Te数值不大不小.当T2为轻载时，TeT2+T0，电机一直加速，飞车;当T2为重载时，TeTL,使电动机加速，直到A点Te=TL,电动机重新稳定。 A点是稳定的。,Te,55,直流电动机的稳态分析,直流电动机结构、励磁方式和额定值空载和负载时直流电机的磁场直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势直流电动机电压方程和功率方程直流拖动的运动方程直流电动机工作特性和机械特性直流电动机稳态平衡与运行点直流电动机的起动、调速和制动,56,起动：静止加速稳定起动特性是衡量电动机性能的重要指标之一。起动的要求：起动转矩大；起动电流小；起动设备简单、经济、可靠。起动的基本方法：直接起动；电枢回路串电阻；降低电压起动。,直流电动机的起动,Te,Te,57,
