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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