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1、 直流直流电机机重点内容：重点内容：1直流直流电机的任机的任务原理原理2直流直流电机的根本概念机的根本概念3电枢感枢感应电势和和电磁磁转矩矩4根本方程根本方程难点：点：1电枢枢绕组及及电路路图2电刷位置放置刷位置放置3电枢反响枢反响一、直流一、直流电机特点机特点直流直流电机机优点点易于控制，可靠性高易于控制，可靠性高调速范速范围广，平滑。广，平滑。过载、起、起动、制、制动转矩大。矩大。调速速时能量能量损耗小耗小直流电机缺陷换向困难构造复杂价钱高第二章第二章 直流电机的任务原理及构造直流电机的任务原理及构造二、二、 直流电机的构造直流电机的构造主磁极主磁极换向磁极向磁极机座机座电刷刷u 定子定子
2、主磁极主磁极作用：建立主磁场。 构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。绕组。换向极换向极:作用：改善直流电机的换向情况，使电机运转时作用：改善直流电机的换向情况，使电机运转时不产生有不产生有 害的火花。害的火花。构成：由铁心和绕组组成构成：由铁心和绕组组成主磁极主磁极换向磁极向磁极机座作用：1)作为磁路的一部分； 2)固定主磁极、换向极和端盖。构成:通常由铸钢或厚钢板焊成机座机座电刷电刷构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。作用：把直流电压、直流电流引入或引出u转子电枢转子电枢 电枢枢铁心心 电枢枢绕组 换向器向器 转轴与与风扇扇电
3、枢枢铁心硅心硅钢片片(0.5mm)电枢枢铁心心作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。 构成：普通用厚0.5且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。电枢绕组电枢绕组作用：直流电机的电路部分。作用：直流电机的电路部分。构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下构成：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。换向器换向器作用：和电刷配合将直流电引入或引出的安装。作用：和电刷配合将直流电引入或引出的安装。构成：由许多鸽形尾的换向片陈列成一个圆筒，片构成：由许多鸽形尾的换向片陈列成一个圆筒，片间用
4、间用V形云母绝缘。形云母绝缘。直流直流发电机的任机的任务原理原理 三、直流电机的任务原理三、直流电机的任务原理直流电动机的任务原理直流电动机的任务原理NSU电刷电刷换向片换向片abdcNSUadbc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：他励自励四、四、 励磁方式励磁方式1 1、他励式图、他励式图a a其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。复励式复励式(图图d) ： 装有两个励磁绕组，一为与电装有两个励磁绕组，一为与电2 2、自励式、自励式并励式并励式(图图b) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；励磁绕组与电枢绕组并联；串励式串励式(图图c) ： 励磁绕组与电枢绕组串联
5、；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。MIf+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励 直流直流电动机按励磁方式分机按励磁方式分类M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI(1) 额定定电压 UN 发电机的机的 UN ：指：指输出出电压的的额定定值。 电动机的机的 UN ：指：指输入入电压的的额定定值。(2) 额定定电流流 IN 发电机的机的 IN ：指：指输出出电流的流的额定定值。 电动机的机的 IN ：指：指输入入电流的流的额定定值。(3) 额定功率定功率 PN 发电机的机的 PN ：指：指输出出电功率的功率的额定定值(UN IN ) 。 电动机的机
6、的 PN ：指：指输出机械功率的出机械功率的额定定值 (UN INN ) 。五、五、 额定值额定值(4) 额定定转速速 nN(5) 额定励磁定励磁电压 UfN(6) 额定励磁定励磁电流流 IfN 额定形状定形状 ： 指指 U、I、P、n 均均为额定定值的形状。的形状。 满载形状形状 ： 指指 I = IN 的形状。的形状。 直流电机的电枢绕组直流电枢绕组的根本概念直流电枢绕组的根本概念直流电枢绕组的构成原那么：直流电枢绕组的构成原那么：(1)产生足够的感生电势；产生足够的感生电势；(2)允许一定的电流；允许一定的电流；(3)节省有色金属和绝缘资料；节省有色金属和绝缘资料； (4)构造简单，运转
7、可靠。构造简单，运转可靠。l极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢外表之间的间隔，用极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢外表之间的间隔，用 表示。表示。l节距节距上元件边下元件边后端接前端接l实槽与虚槽：实槽与虚槽：Qu=uQQu=uQ1第一节距第一节距y1一个元件的两条有效边在电枢外一个元件的两条有效边在电枢外表上所跨的虚槽数，称为第一节表上所跨的虚槽数，称为第一节距，用距，用y1表示。表示。y1y21215262第二节距第二节距y2相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢外表所跨过的虚槽数，称为第二节距，用层边在电枢外表所跨过
8、的虚槽数，称为第二节距，用y2表示，表示，也用虚槽数计算。也用虚槽数计算。563合成节距合成节距y相串联的两个元件对应边在电枢外表所跨过的虚槽数，称为合成节相串联的两个元件对应边在电枢外表所跨过的虚槽数，称为合成节距。不同类型绕组的差别，主要表如今合成节距和换向器节距上。距。不同类型绕组的差别，主要表如今合成节距和换向器节距上。叠绕组元件在电枢上的联接波绕组元件在电枢上的联接4换向片节距换向片节距yk:元件的首末端在换向器上的间隔元件的首末端在换向器上的间隔叠绕组指各极下元件依次衔接，后一个元件总是叠在前一个元叠绕组指各极下元件依次衔接，后一个元件总是叠在前一个元件上；波绕组指把相隔约为一对极
9、下的同极性磁场下的相应元件上；波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪一样延伸。件串联起来，像波浪一样延伸。5绕组的型式绕组的型式单叠绕组单叠绕组的特点:合成节距与换向节距均为1，即y=yk=1。直流电机的直流电机的 ，试将其绕成，试将其绕成单叠绕组。单叠绕组。1 1、单叠叠绕组的的节距距2 2、单叠叠绕组的元件的元件结合次序合次序3 3、单叠叠绕组的元件的元件结合次序合次序4 4、单叠叠绕组的并的并联支路支路图单单叠叠叠叠绕组绕组并并并并联联支路支路支路支路对对数等于数等于数等于数等于电电机的极机的极机的极机的极对对数，即：数，即：数，即：数，即：单叠叠绕组的的特点
10、：的的特点：同同一一主主磁磁极极下下的的元元件件串串联成成一一条条支支路路，主主磁极数与支路数一磁极数与支路数一样。电刷刷数数等等于于主主磁磁极极数数，电刷刷位位置置应使使感感应电动势最最大大，电刷刷间电动势等等于于并并联支支路路电动势。电枢枢电流等于各支路流等于各支路电流之和。流之和。单波波绕组 讲述述单波波绕组结合合规律的律的节距、距、绕组展开展开图、元件元件结合合图、并、并联支路支路图。为什么叫什么叫单波波绕组？1 1、单波波绕组的的节距距以一台以一台 的直流电机为例。的直流电机为例。长距元件距元件左行左行绕组2 2、单波波绕组的展开的展开图3 3、单波波绕组的元件的元件结合次序合次序4
11、 4、单波波绕组的并的并联支路支路图单单波叠波叠波叠波叠绕组绕组并并并并联联支路支路支路支路对对数与数与数与数与电电机极机极机极机极对对数无关，数无关，数无关，数无关，单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组单波绕组的电路图单波波绕组的特点的特点: :同极下各元件串联组成一条支路，支路对数为1，与极对数无关；当元件的几何外形对称时，电刷在换向器外表上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；电枢电动势等于支路感应电动势.电刷数等于磁极数；GIa+UaEM+UaIa
12、If+Uf直流直流电机的磁机的磁场及及电枢反响枢反响一、直流电机的空载磁场Ia=0,P2=0Ia=0,P2=0Ia=0,P2=0Ia=0,P2=0定子磁轭 Lys齿t气隙主磁极Lp转子磁轭Lyr当主磁通很小当主磁通很小时，磁路中，磁路中铁磁部分没有磁部分没有饱和，和，铁磁部分磁部分所需磁所需磁势远比气隙所需磁比气隙所需磁势小，可忽略不小，可忽略不计主磁场的气隙磁密的空间分布NSBl极距极距R二、直流二、直流电机机负载时的的负载磁磁场直流直流电机机带上上负载后，后，电枢枢绕组中有中有电流，流，电枢枢电流流产生的磁生的磁动势称称为电枢枢磁磁动势。电枢磁枢磁动势的出的出现使使电机的磁机的磁场发生生变
13、化。化。其中其中电枢磁枢磁势对主极磁主极磁场的影响称的影响称为电枢反响。枢反响。NS +SNNS + + + + + + + +NSSXd轴1.电刷在几何中性线时的电枢反响电刷在几何中性线时的电枢反响B(x) + + + + + + + +NSNSS物理中性线交交轴电枢反响枢反响电枢外表磁通密度的实践过零点的连线。B0(x)Ba(x) 2) 2)对主磁主磁场起去磁作用起去磁作用1)1)使气隙磁使气隙磁场发生畸生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反响的影响，每一个磁极下，一半磁场被加强，一半被电枢反响的影响，每一个磁极下
14、，一半磁场被加强，一半被减弱，物理中性线偏离几何中性线减弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线角，磁通密度的曲线与空载时不同。与空载时不同。 磁路不磁路不饱和和时，主磁，主磁场被减弱的数量等于加被减弱的数量等于加强的数量，因的数量，因此每极量的磁通量与空此每极量的磁通量与空载时一一样。磁路。磁路饱和和时，主磁极增磁部，主磁极增磁部分因磁密添加使分因磁密添加使饱和程度提高，和程度提高，铁心磁阻增大，添加的磁通少心磁阻增大，添加的磁通少些，因此些，因此负载时每极磁通略每极磁通略为减少。即减少。即电刷在几何中性刷在几何中性线时的的电枢反响枢反响为交交轴去磁性去磁性质。由由图可知，可知，电刷
15、在几何中性刷在几何中性线时的的电枢反响的特点：枢反响的特点：NSNSNS2.2.当当电刷不在几何中性刷不在几何中性线上的上的电枢反响枢反响电刷从几何中性刷从几何中性线偏移偏移角，角，电枢磁枢磁动势轴线也随之挪也随之挪动角。角。这时电枢枢磁磁动势可可以以分分解解为两两个个垂垂直直分分量量: :交交轴电枢枢磁磁动势FaqFaq和和直直轴电枢磁枢磁动势FadFad。顺电枢转向移刷逆电枢转向移刷发电机交轴和直轴去磁交轴去磁和直轴助磁电动机交轴去磁和直轴助磁交轴和直轴去磁两极直流电机空载时的磁场两极直流电机空载时的磁场励磁磁场励磁磁场电枢磁场电枢磁场励磁磁场励磁磁场合成磁场合成磁场 电枢的感应电动势和电
16、磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩一、电枢的感应电动势一、电枢的感应电动势空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场Bl极距极距R平均磁密：平均磁密：Bav = l1大小大小 每个每个导体：体：e av= B l v 导体切割磁体切割磁场的的线速度：速度： v = n2 R60= n2p 60l 电动势： E = Ce n Ce 电动势常数：常数：Ce = pN60a单位：单位：Wb单位：单位：r/min(V) (2) 方向：方向： 由由 和和 n 共同决共同决议。(3) 性性质： 发电机机为电源源电动势；电动机机为反反电动势。二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩(1) 产生生 电枢枢
17、电流流 i 磁磁 场 T (2) 大小大小总电磁力矩磁力矩Tem=总导体数体数 Tav(2) 大小大小 Tem = CT IaCT 转矩常数：矩常数：CT =pN2a 单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm) CTCE=602 = 9.55 CT = 9.55 CECT =pN2a Ce =pN60a(3) (3) 方向：方向： 由由 和和 Ia Ia 共同决共同决议。一、他励直流发电机的根本方程式一、他励直流发电机的根本方程式直流发电机直流发电机NST1n+iaTT0UfIfEa+-URLRfGraIa1.1.电压平衡方程式平衡方程式UfIfGEa+-URLIa2.转矩平衡方程式矩平衡方程式i
18、aTemT0T1n+NS3.稳态运运转时功率平衡关系功率平衡关系他励直流他励直流发电机功率流程机功率流程图P1=Tp0=pm+pFe+psPem=Tem=EaIapCu=Ia2RaUIa=P2 小型小型发电机：机： N = 75% 85% 中大型中大型发电机：机： N = 85% 93%直流发电机根本方程小结直流发电机根本方程小结NSRLT1TemT0nEaIa+-UPcuP2Pem电压：Ea=IaRa+U转矩：矩：T1=T0+Tem功率：功率：P1=p0+pcu+ P2P1P0定义：当定义：当 、 时，时， 空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线 空空载特性特性ARrUf-
19、+IfGA+-VKRLn二、直流发电机的运转特性二、直流发电机的运转特性OIfU0Er剩磁感剩磁感应应电动势电动势空空载特性特性 空载时，空载时， 。由于。由于 ，因此空载特性本质上就是因此空载特性本质上就是 。由。由于于 正比于正比于 ，所以空载特性曲线的外，所以空载特性曲线的外形与空载磁化特性曲线一样。形与空载磁化特性曲线一样。空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线定义：当定义：当 、 时，时， 外特性外特性 ARrUf-+IfGA+-VKRLnOIUn = nNIf = IfNINUNU0外特性外特性 电压平衡方程式平衡方程式 U = Ua = ERa Ia当当 Ia
20、Ra Ia E (电枢反响电枢反响)Ua 电压调整率电压调整率VR =U0UNUN100%( 5% 10% ) 调整特性整特性 当当 n = nN，U = UN 时： If = f ( Ia )OI If IfNIN调整特性整特性三、并励发电机的自励条件和特性三、并励发电机的自励条件和特性EUaGIfIaI E ? E ? (1) 自励条件自励条件 主磁极必需有剩磁主磁极必需有剩磁r ：rErIfrEEr与与r 方向一方向一样EEr与与r 方向相反方向相反 励磁励磁电流流产生的磁通必需与剩磁同方向：生的磁通必需与剩磁同方向：r ErIfrEEr IfIfr E E 与与 If 既既应满足空足空
21、载特性又特性又应满足欧姆定律。足欧姆定律。当当 Rf Rk 时， E Er ， 可以自励。可以自励。当当 Rf = Rk 时， E不确定，不能自励。不确定，不能自励。当当 Rf Rk 时， EEr，不能自励。，不能自励。 励磁励磁电路的路的电阻必需小于阻必需小于临界界电阻。阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1 If2If场阻线：场阻线：场阻阻线的斜率：的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk(2) 并励发电机的外特性并励发电机的外特性I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI Ia RaIa E (电枢反响枢反响)Uf U
22、a 外特性外特性 U = f ( I )EUaGIfIaIn = nNRf = 常数常数OIUU0他励他励并励并励 负载添加添加时， U 下降下降较快。快。 VR 20% 外特性有拐弯景象。外特性有拐弯景象。OI UU0他励他励并励并励INUNRL I (Ia) U 低饱和磁路低饱和磁路RL U If E (较大幅度大幅度) U 的下降比的下降比 RL的减少得更快的减少得更快 I = U / RLRL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。小。 稳态短路短路电流不大。流不大。4 4复励直流复励直流发电机机0IUINU0差复励复励差复励外特性急外
23、特性急剧下降，可作恒流源下降，可作恒流源积复励平复励过复励欠复励 【例】 一他励直流发电机， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。假设磁通 坚持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压 U0 和 900 r/min 时的满载电压 U 。 解：在 nN 和 UN 时的电枢电流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在在 坚持不持不变时， E n10103230= A = 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V U
24、= ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V P2 = UI = 230100 W = 23 000 WIa = IIf = (1002) A =102 APCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W Pem = P2PCu = 25 540.8 W 【例题】 一并励直流发电机，输出电压 U = 230 V，输出电流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115，n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求发电机的输出功率P2 、电磁转矩 T、输入功率 P1 和效率 。 解：
25、230115= A = 2 A URfIf = P0 = T0n2 60= 17.321 500 W 2 60 = 2 719.24 W P1 = PeP0 = (25 540.82 719.24) W = 28 260 W = 100%P2P1= 100% = 81.39% 23 00028 260MIf+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励 直流直流电动机按励磁方式分机按励磁方式分类M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI直流电动机直流电动机M 直流电动机直流电动机1.直流直流电动机的根本方程机的根本方程励磁励磁电压 Uf If 电枢枢电压 Ua Ia Temn E E(1)
26、 电压平衡方程式平衡方程式励磁励磁电路：路： Uf = Rf If电枢枢电路：路： Ua = E + Ra Ia+UaIaIf+Uf(2) (2) 转矩平衡方程式转矩平衡方程式电动机电动机NS(3) (3) 功率平衡方程式功率平衡方程式他励直流他励直流电动机功率流程机功率流程图P1PCuPeP0P2 并励并励电动机机(1)输入入电压 (2)U = Ua = Uf = E + RaIa(3)(2) 输入入电流流(4) I = Ia + If(5)(3) 输入功率入功率(6) MIa+UIIf 【例】 某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min
27、 ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定形状下运转时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) Tem 。 解： (1) 励磁电流 If UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 电枢枢电流流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE = 0.685Tem = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩电磁转矩Ce =EnN2153 000=
28、= 0.071 7 直流电动机的运转特性直流电动机的运转特性 直流电动机的运转特性主要有两条，一条是任务直流电动机的运转特性主要有两条，一条是任务一、并(他)励电动机的运转特性 1 1、任务特性、任务特性指 时， 。特性，另一条是转矩特性或称为机械特性。1 1、转速特性速特性 据转速公式 转速调整率 ： 留意：并励留意：并励电动机在运机在运转中，励磁中，励磁绕组绝对不能断开。不能断开。2 2转矩特性转矩特性 转矩方程转矩方程3 3效率特性效率特性2 2、机械特性、机械特性 指指 ，励磁回路电阻，励磁回路电阻 常值时，常值时， 。转速与转矩的关系表达式为二二 、串励电动机的运转特性、串励电动机的
29、运转特性 1、任务特性、任务特性特点： 是指是指 时，时， 或或转速特性a轻载时， 、 常值 这时的转速曲线大致为一双曲线。这时的转速曲线大致为不断线。轻载时， 、 常值 负载添加，磁路饱和， 常值 留意：串励电动机不允许空载运转。留意：串励电动机不允许空载运转。负载添加，磁路饱和， 常值 与并励电动机的转速调整率定义相对比。与并励电动机的转速调整率定义相对比。 2 2、机械特性、机械特性 是指是指 时时 。 其转速调整率定义为：当磁路不饱和时： 可得 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的任务特性与他励电动机一样。 三、复励电动机的特点三、复励电动机的特点 复励电动机通常接为积复励，其特性
30、介于并励和复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和串励电动机之间。复励串励并励他励并励直流电动机的任务特性1转速特性定义：当 、 时，由方程式可得忽略电枢反响的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图示。2转矩特性定义：当 、 时，转矩表达式思索电枢反响的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图示。n03效率特性定义：当 、 时，由方程式可得空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分耗费在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分耗费在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如下图。4机械特性定义：当 ，励磁回路和电枢回路电阻坚持不变时,电动机的转速n与电磁转矩之间的关系 称为直流电机的机械特性。由方程式可得:n0Rj=0Rj1Rj2当Ia=0时，T=0，对应转速为空载转速：串励直流电动机的任务特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：转速特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的任务特性与他励电动机一样。曲线如下图。 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运转。练练 习习 题题P218,20-2P231,21-2P232,21-1
