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1、第五节 感应电动势和电磁转矩的计算,一、感应电动势的计算,一个匝数为 的元件中感应电动势的平均值为：,Ce=pZ/60a为一个常数，称为电动势常数,若不计饱和影响，有,其中:Kf 为比例常数,为机械角速度,每条支路串联的元件数是S/2a，支路电动势平均值,绕组的全部有效导体数为Z=2SNy,二、电磁转矩的计算,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。,电枢表面任一点处载流导体上的电磁转矩为,若元件数为S，电枢表面dx段元件边数2sdx/(Da),dx段电流产生的电磁转矩,一个极距内导线电流产生的电磁转矩为,绕组的全部有效导体数为Z=2SNy；电枢
2、总电流为Ia=2aia,感应电动势性质: 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)。,电磁转矩性质: 发电机制动(与转速方向相反)； 电动机驱动(与转速方向相同)。,还可以得到下列关系,第六节 直流电机的运行原理,一、直流电机的基本方程式,（一）电动势平衡方程式,对于并励电动机,Ff、Fa产生气隙磁场称为双边励磁。Ff、Fa互相垂直，故励磁回路与电枢回路互感为零。电枢绕组旋转时切割气隙磁场，有相对运动电枢绕组产生感应电势。,若电机稳态运行,对于发电机,对于电动机,UEa, Ea是反电势，与Ia反向,EaU, Ea为电源电势，不是反电势，与Ia同向,（二）转矩平衡方
3、程式,对于电动机，,稳态运行时,其中T2为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩,对于发电机，,其中T1为原动机拖动转矩。,稳态运行时,为惯性转矩。,根据牛顿定律，机械系统中任何瞬间转矩必须保持平衡。,发电机： 电动机： 电机效率：,(三)功率方程,电枢铜耗 电刷接触损耗 励磁损耗 机械损耗 铁心损耗 附加损耗 空载损耗,可变 损耗,不变 损耗,二、直流电动机工作特性,直流电动机的工作特性指端电压U=UN,电枢回路无外加电阻，励磁电流If=IfN，电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率三者与输出功率P2之间的关系。,实际中的工作特性表示为：n、Tem、=f(Ia),直流电动机的基本方程,二、直流电动机
4、工作特性,（一）并励直流电动机的工作特性,1. 转速特性,忽略电枢反应的去磁作用，转速与电枢电流按线性关系变化。,当U=UN , If=IfN时，n=f(Ia)的关系曲线,n0：理想空载转速,实际的直流电机磁路总是设计得比较饱和，Fa有去磁效应。为保证电动机稳定运行，在设计电机时，权衡电枢回路中的电阻压降和电枢反应去磁作用这两个因素，使并励直流电动机具有略为下降的特性。,若不计电枢反应，气隙磁通不变,当U=UN ,If=IfN时，Tem=f(Ia)的关系曲线,2. 转矩特性,Tem与Ia成正比，为过原点的一条直线；实际电动机中，电枢反应的去磁作用。但一般情况下，并励电动机的转矩特性仍然接近一条
5、直线。,3、效率特性,当U=UN ,If=IfN，=f(Ia)的关系曲线,即不变损耗可变损耗时，效率最大，此结论有普遍意义。 电机最大效率约在80负载左右。,（二）串励直流电动机的工作特性,电动势平衡方程式,电动势公式,转矩平衡方程式,转矩公式,Rfc为串励绕组电阻,Kf为主磁通与励磁电流比例系数,转速特性,当电枢电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不允许在空载或轻载下运行。,转矩特性,效率特性与并励电动机相似,电磁转矩以高于电流一次方的比例增加。它保证了在同样大小的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。,（三）复励直流电动机的工作特性,1）工作特性介于并励、串励之间； 2）积
6、复励（差复励）既无空载飞速危险，又保持串励机启动转矩较大的优点； 3）一般多用积复励（以转速特性为例）。以并励磁势为主特性接近并励；以串励磁势为主特性接近串励。,1、并励 2、积复励 3、串励,例2-1 一台他励直流电动机的额定数据为：,（2）减少电动机的励磁电流，使磁通 减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？,解,（2）磁通 减少为原来的0.9,三、直流发电机的工作特性,a)他励直流发电机 b)并励直流发电机 c)复励直流发电机,（一）空载运行,1、空载特性,他励直流发电机被原动机拖动至n=nN ，励磁绕组端加上励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 ,使发电机空载端电压U0=(1
7、.11.3)UN,再调节Rf使If降回到零，得出空载特性曲线U0=f(I0)。此曲线分为上下两支，一般取其平均值（虚线）。,n不同，空载曲线不同，一般用nN时的曲线； 曲线反应电机的饱和程度，或磁通与磁势关系；若换个坐标就是电机的磁化曲线,2 并励和复励直流发电机空载电压的建立,自励电压建立的三个条件： 1）电机必须有剩磁； 2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确； 3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻。,当发电机由原动机拖动至额定转速时，由于电机磁路中有一定剩磁，发电机两端将产生一个不大的剩磁电压，在励磁绕组中产生一个不大的励磁电流。如果励磁绕组接法正确，即励磁磁场方向与电机剩磁方向相同
8、，从而使电机主磁通和由它产生的端电压增加。励磁电流进一步加大，如此反复作用，电压就建立起来了。,1、空载特性曲线 2、励磁电阻线 3、临界电阻线,（二）负载运行,无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在 n = nN 的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。 一般情况下端电压都是下降。端电压下降的因素：,1积复励发电机外特性；,2他励发电机外特性；,3并励发电机外特性；,电枢反应的去磁作用； 电枢回路中电阻压降和电刷接触 压降都增大。,第七节 直流电机的换向,直流电机某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时，元件里的电流方向改变，即换向。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与
9、换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。,一、换向的电磁现象,换向元件从开始换向到换向结束所经历的时间称为换向周期Tc。,在换向过程中，被电刷短接的绕组元件称为换向元件。,自感电动势,互感电动势,电枢反应电动势,换向元件在换向过程中，由于电流的变化必然在换向元件中产生一些电动势。,1、电抗电动势,换向元件中出现的由自感与互感作用所引起的感应电动势，称为电抗电动势ex 。ex的方向与换向前的电流方向一致；,2、电枢反应电动势,由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，
10、在几何中心线处，虽然主磁场的磁密等于零，可是电枢磁场的磁密Ba不为零。因此，换向元件切割电枢磁场产生一种电动势，称为电枢反应电动势ea。它的方向也与换向前电流方向一致。,Lx为等效合成漏电感，包括自感和互感。,直线换向 定义：是一种最基本的换向过程，换向元件里的换向电流随时间线性变化。 特点：电刷下不产生火花。 延迟换向 定义：电抗电动势和电枢反应电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。 特点：电刷与换向片之间出现火花。,二、改善换向的方法,改善换向的目的：消除或削弱电刷下的火花。 改善换向的方法：从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵消换向元件中的电抗电动势和
11、电枢反应电动势。,装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁极。换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几何中性线处磁密为零，另一方面产生一个电势刚好与电抗电势相抵消，使换向元件内的合成电势等于零，不出现火花。换向绕组必须与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势。同时换向极磁路应处于不饱和状态，且极性不能错。,装设补偿绕组大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串联，磁势方向与电枢磁势相反，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势。这样在任何条件下，都可以有效地防止环火的发生。,作为直流电能与机械能互相转换的运动装置，直流电机结构包括定子和转子。直流电动机和直流发电机工作状态具有可逆性。直流电机的励磁方式有：他励、并励、串励和复励。 直流电机电枢绕组是实现能量转换的主要部件。直流电机的 空载磁场由励磁磁势单独建立的，负载磁场是由电枢磁场与 励磁磁场共同作用建立，电枢反应会影响电机的工作状态。 直流电机在运行时电枢产生的感应电动势和电磁转矩公式 为 。直流电机的基本方程包括电动势 平衡方程、转矩平衡方程和功率平衡方程。利用这些方程可 分析电机的运行特性，可以获得不同励磁方式直流电机的工 作特性。,本章小结,结构较复杂 直流电机 成本较高 应用受到限制 可靠性较差,直流电动机以其良好的起动性能和调速性能著称。 直流发电机供电质量较好，常作为励磁电源。,
