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1、直流电机,1. 直流电机基本工作原理 2. 直流电机基本结构 3. 直流电机电枢绕组 4. 直流电机中的磁场 5. 直流电动机的基本方程及运行特性 6. 直流发电机的基本方程及运行特性,电机及拖动技术,直流电机,一、直流电动机的工作原理 左手定则：判断通电指导线在磁场中受力方向； 右手定则：判断感应电流的方向。,电刷,换向片,直流电机,电磁关系 在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用： 将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； 把外面不转的电路与转动的电路联接。,直流电流,交流电流,电磁转矩 (拖动转矩),机械负载,反电动势,做功,直流电机,直流发电机的工作原理, E , E ,直流电机,电磁关系
2、,换向器和电刷的共同作用： 将线圈中的交流电动势整流成电刷间的直流电动势； 把转动的电路与外面不转的电路相连接。,直流电机,二、直流电机基本结构 主要部件： 1. 定子部分 （1）主磁极。 （2）换向极。 （3）机座。 （4）电刷装置等。,(a) 主磁极,(b) 机座,直流电机,2.转子部分 （1）电枢铁芯（2）电枢绕组（3）换向器等,(a) 转子主体,(b) 电枢钢片,直流电机,三、直流电枢绕组,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,直流电机,电动机,发电机,直流电机,单叠绕组的展开图 例如：已知一台直流电机，Z=S=K=12，2P=4，接成单叠绕组，下面绘制展开图。,1 2 3
3、5 6 8 9 11 12,n,直流电机,直流电机铭牌数据,直流电机,额定值 1.额定电压(UN,V) 发电机的UN ：指输出电压的额定值。 电动机的UN：指输入电压的额定值。 2.额定电流(IN,A) 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,kW) 发电机的PN：指输出电功率的额定值(PN=UN*IN*10-3)。 电动机的PN：指输出机械功率的额定值 (PN=UN*IN*N*10-3) 。 4. 额定转速(nN,r/min)：电机在UN,IN,PN情况下运行时，电机的转速。,直流电机,型号 例如，直流电机的型号为Z2-72，其中各符号的含
4、义为： Z-一般用途的中小型直流电机； 2-第二次改型设计； 7-表示机座号(其值为19，号数越大，电机直径越大)； 2-表示铁芯长度顺序号(1为短铁芯，2为长铁芯)。 Z3，Z4系列是一般用途中小型直流电机的新产品，与Z2系列相比，体积小，质量轻，转动惯量小，调速范围较大，适用于给静止的整流电源供电。 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,四、直流电机的电枢反应 1. 直流电机的励磁方式,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,直流电机,积复励与差复励,直流电机,2.直流电机空载磁场 空载即电机不带负载空转、对外
5、无功率输出的运行状态。,直流电机,空载磁场气隙磁密分布曲线,直流电机,电机空载磁化特性,较大时，铁磁材料出现饱和现象，磁位降迅速增大，使磁化曲线离开气隙线弯曲呈非线性。,较少时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；,直流电机,3. 直流电机负载时的磁场 直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中的磁动势由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff和电枢电流Ia产生的电枢磁动势Fa共同建立。,直流电机,电枢反应 直流电机负载时，电枢磁势对主极磁场的影响。 电枢反应的主要影响 1) 使气隙磁场发生畸变，半个磁极下磁场削弱，半个磁场下磁场加强； 2) 气隙磁场的畸变是物理中性线偏离几何中性线；
6、 3) 考虑磁路饱和时，有去磁作用。,直流电机,直流电机,4. 电磁转矩和感应电动势 (1)电磁转矩 1)产生 电枢电流 i 磁 场 2) 大小 电磁力：F = B l i 平均磁密： 每根导线上电磁力所形成的 电磁转矩：FR,F T,直流电机,电枢绕组串联总匝数：N 电枢绕组并联支路数：2a 总导体数：2N 2a = 4aN 电枢的周长：2R = 2p 电磁转矩：T = 4aN FR,直流电机,电磁转矩大小 T = CT Ia (Nm) 其中CT为转矩常数。 3) 方向 由 和 Ia 共同决定。 4) 性质 发电机：T与n方向相反，为制动转矩。 电动机：T与n方向相同，为拖动转矩。,直流电机
7、,(2) 感应电动势 1) 产生 电枢旋转 n 磁 场 2) 大小 每个导体：e=Blv 导体切割磁场线的线速度： 电动势：E=2Ne=2NBlv,e,e,E,直流电机,E = Ce n (V) 其中Ce为常数。,3) 方向：由 和 n 共同决定。 4) 性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,CT = 9.55 Ce,直流电机,五、直流电动机的基本方程及运行特性 1. 他励直流电动机的基本方程,Ea,励磁电压 Uf If,电枢电压 U Ia, T,n,1)电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If 电枢电路： U = Ea + Ra Ia,直流电机,稳态电枢电流Ia由谁确定？ T
8、 = CT Ia ， U = Ea + Ra Ia 假设：负载不变 (T不变)，Ua (Ra) 变化时，Ia变化否（设 不变）？ 结论：Ia 的大小取决于负载的大小。 当 Ia= IaN 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 =MC IaN,U (或Ra),瞬间 n 不变 E a不变,Ia ,T , TTL,Ea ,Ia ,T ,T = TL,Ia不变,直流电机,2) 转矩平衡方程式 Tem=T0+T2 3) 功率平衡方程式 输入功率 P1=UIa=(Ea+IaRa)Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+PCu 其中，电磁功率Pe
9、m=EaIa=Tem =T0+T2=P0+P2 P2：电动机轴上输出的机械功率；P0：电动机的空载损耗，包括机械损耗和铁损耗。 P1=P2+PCu+PmecPFe=P2+P P：直流电动机的总损耗。,直流电机,直流电机,例题： 已知一台永磁直流电动机的电枢电阻Ra=1.03 当在50V直流电源供电下空载运行时，电机转速为 2100r/min，吸收电流是1.25A。试计算：（1）转矩 常数CT（CT= CTF）；（2）电动机的空载损耗p0； （3）当转速为1700r/min以及电源电压为48V时，电 动机的输出功率P2。,直流电机,解：（1）求转矩常数CT 感应电动势： 转矩常数： （2）求空载
10、损耗： 空载损耗：,直流电机,（3）求输出功率 在转速为1700r/min时，感应电动势： 电枢电流Ia： 电磁功率Pem： 输出功率P2：,直流电机,2. 他励直流电动机的工作特性 1) 转速n=f(T),机械特性,T,直流电机,当T 时，n下降不多。硬特性 思考：励磁电路断电的后果？ If = 0， =r 很小，n 不能突变，E 很小T = CTr Ia 仍有一定数值。 (1) 若T TLn 飞车！ (2) 若T TLn n = 0 闷车！ 2) 转矩特性Tem=f(Ia) 由Tem=CT Ia可知， =N不变，Tem与 Ia成正比，转矩特性为过原点的直线。,直流电机,3) 电动机的转向
11、取决于电磁转矩 Tem的方向，T em的方向取决于和Ia的方向。,磁场反向,电枢反向,直流电机,4) 效率特性=f(Ia) 效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0时，=(Ia)的关系。 式中总损耗为 当不变损耗=可变损耗时，效率最高。,直流电机,直流电机,2. 他励直流直流发电机的基本方程式 外电源Uf If 原动机电枢n 1) 电动势平衡方程式 空载运行时 励磁电路： 电枢电路： Ia = 0， U= U0 = Ea,U,调节Rf,If 可变, 可变,Ea 可变, U可变。,直流电机,空载特性 U0 = E = f (If ) 负载运行时 输出电压: U = U 输出电
12、流: I = Ia 电压平衡方程式:U = EaRa Ia 外特性：U = f (Ia),Er,剩磁感应 电动势,空载特性,n = nN Ia = 0,当 Ia,Ra Ia E a (电枢反应),n = nN If = IfN,外特性,直流电机,2) 转矩平衡方程式 T1=Tem+T0 发电机的转向由原动机决定，T1T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。 3) 功率平衡方程式 从原动机输入的机械功率为 P1=Pem+P0 电磁功率Pem为,直流电机,发电机输出功率P2为 由于 UIa=EaIa-Ia2Ra 所以P2=Pem-PCu 综上所述，功率平衡方程式为 P1=Pem+P0=P2
13、+PCu+P0,直流电机,3. 并励直流发电机的自励 Ea ? Ea ? 自励条件 (1) 主磁极必须有剩磁r ： (2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：, U ,Ea,r,Er,Ifr,EaEr,与r 方向相同,EaEr,与r 方向相反,r,Er,Ifr,EaEr, IfIfr, ,Ea ,直流电机,场阻线： 场阻线的斜率： 当 RfEr ， 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。 (3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,= RaRf,RfRk,直流电机,例题：一台并励直流发电机数据为PN=82kW，UN=230V nN=
14、970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕 组内阻rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调节 电阻Rf=3.5，一对电刷压降2U=2V， pFe+pm=2.5kW，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载 时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。,直流电机,解：（1）求电磁功率 励磁电流为 额定负载电流为 电枢电流为 电枢电动势为,直流电机,电磁功率为 （2）求输入功率 （3）求电磁转矩 （4）求效率,直流电机,六、直流电机的换向 从前面分析直流电机工作原理可知，直流电机电枢绕组中的电动势和电流是交变的。电机运行时，元件会随电枢的运转从一条支路经过电刷换到另一条
15、支路，元件电流改变方向，这一过程称为换向。,直流电机,直流电机,1. 直线换向 如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时间均匀变化，即有：i=(t)。把这种换向称为直线换向。直线换向是理想换向，电机不会出现火花。,直流电机,2. 延迟换向和电磁性火花 实际电机换向时，换向元件中e0。换向元件中存在以下电动势： （1）自感电动势eL 换向元件中电流变化时产生的自感电动势， （2）互感电动势eM 同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势，,直流电机,通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势er，即： 电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，er方向应与换向前元件的电流方向一致。 （3）电枢反应电动势ea 换向元件处在几何中性线上，主磁场在此区域磁通密度0=0，但电枢磁密a0，在刷位正常时最大换向,直流电机,元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea，其方向与er相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。 由于换向元件中的e=ea+er0，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流ik产生，设闭合回路的总电阻为R，环流为：,直流电机,直流电机,3.改善换向的方法 1) 选用合适的电刷，增加电刷与换向片
