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1、孙建忠电机与拖动第孙建忠电机与拖动第2章章 直直流电机动态版流电机动态版大连理工大学电气工程系2.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理一、直流电动机的工作原理NSUNSU换向片换向片电刷电刷ieF大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系直流电机直流电机大连理工大学电气工程系1. 定子定子(1) 主磁极主磁极(2) 换向极换向极(3) 机座机座(4) 端盖端盖直流电机的定子直流电机的定子一、主要部件一、主要部件大连理工大学电气工程系2. 转子（电枢）转子（
2、电枢）(1) 电枢铁心电枢铁心(2) 电枢绕组电枢绕组(3) 换向器换向器(4) 转轴与风扇转轴与风扇发电机：整流作用。发电机：整流作用。电动机：逆变作用。电动机：逆变作用。直流电机的转子直流电机的转子直流电机的电路部分直流电机的电路部分主磁路的一部分，电枢绕组的支撑部分主磁路的一部分，电枢绕组的支撑部分大连理工大学电气工程系二、直流电枢绕组二、直流电枢绕组构成：构成：构成：构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下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，并用槽楔层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。压紧。a a）元件边嵌放）元件边嵌放b b）元
3、件截面）元件截面直流绕组构成示意图直流绕组构成示意图大连理工大学电气工程系 元件元件线圈线圈 绕组形式：叠绕、波绕绕组形式：叠绕、波绕叠绕元件（叠绕元件（2 2匝）匝）波绕元件（波绕元件（2 2匝）匝）元件的节距元件的节距元件的上层边与下层边之间的距元件的上层边与下层边之间的距离（可用槽数表示，接近一个极距）。离（可用槽数表示，接近一个极距）。极极距距在电枢表面，一个磁极所跨过的距离在电枢表面，一个磁极所跨过的距离（可用槽数表示）。（可用槽数表示）。大连理工大学电气工程系 NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12 1 2A1 B1 A2
4、 B2 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图: z=12, 2p=4, y=3 电刷的中心线对着磁极的中心线。电刷的中心线对着磁极的中心线。A13 6 4 7 5 85 2 4 1 3 12A29 12 10 1 11 211 8 10 7 9 6B1B2n大连理工大学电气工程系直流电枢绕组连接规律直流电枢绕组连接规律A B12345678A B1 2 3 48 7 6 5电动机电动机+Iae e e ee e e eEA B1 2 3 48 7 6 5发电机发电机+Iae e e ee e e eE结论：结论：整个电枢绕组通整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合过换向片连成一个闭合回路。回路。大连理
5、工大学电气工程系 电刷放置电刷放置 NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 电刷的中心线对电刷的中心线对 着磁极的中心线：着磁极的中心线：(1) 电刷之间的电电刷之间的电 动势最大；动势最大；(2) 被电刷短接的元被电刷短接的元 件电动势为零。件电动势为零。 习惯称习惯称 “电刷放在电刷放在 几何中性线位置几何中性线位置”。磁极中心线磁极中心线几何中性线几何中性线大连理工大学电气工程系如假定电刷直接与导体接触，电刷放置在磁如假定电刷直接与导体接触，电刷放置在磁极的极的几何中性线几何中性线几何中性线几何中性线位置
6、位置电刷电刷 N S几几何何中中性性线线11 2342 3 4 大连理工大学电气工程系GIf+UaIa+Uf他励他励I+U并励并励GI+U串励串励G1. 直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类GI+U复励复励自自励励三、按励磁方式分类三、按励磁方式分类大连理工大学电气工程系MIf+UaIa+UfMIaIfI+UMI+UMI+UMI+U他励他励并励并励串励串励复励复励复励复励2. 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类大连理工大学电气工程系1. 额定电压额定电压 UN 发电机的发电机的UN ：指输出电压的额定值。：指输出电压的额定值。 电动机的电动机的UN ：指输入电压的额定
7、值。：指输入电压的额定值。2. 额定电流额定电流 IN 发电机的发电机的 IN ：指输出电流的额定值。：指输出电流的额定值。 电动机的电动机的 IN ：指输入电流的额定值。：指输入电流的额定值。3. 额定电压额定电压 PN 发电机的发电机的 PN ：指输出电功率的额定值：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值：指输出机械功率的额定值 (UN INN ) 。四、额定值四、额定值大连理工大学电气工程系3. 额定转速额定转速 nN:4. 额定励磁电压额定励磁电压 UfN：5. 额定励磁电流额定励磁电流 IfN：额定状态额定状态 ： 指指 U、I、P
8、、n 均为额定值的状态。均为额定值的状态。满载状态满载状态 ： 指指 I = IN 的状态。的状态。电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系2.3 直流电机的磁场与电枢反应直流电机的磁场与电枢反应一、直流电机的空载磁场一、直流电机的空载磁场 大连理工大学电气工程系二、电枢磁动势二、电枢磁动势线负荷线负荷大连理工大学电气工程系交轴磁动势交轴磁动势电枢磁密分布电枢磁密分布 NS励磁磁密励磁磁密电枢磁密电枢磁密合成气隙磁密合成气隙磁密大连理工大学电气工程系三、三、 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应几几何何中中性性线线 N S励磁磁动势产生励磁磁动势产生的励磁磁场的励磁磁场（空载磁场）（空载磁场
9、）物物理理中中性性线线电枢磁动势产生电枢磁动势产生的电枢磁场的电枢磁场（交轴）（交轴） N S合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场） N S物理物理中性线中性线电枢反应电枢反应 电枢磁动势对主极磁场的影响。电枢磁动势对主极磁场的影响。大连理工大学电气工程系 电枢反应的影响：电枢反应的影响：(1) 总磁场发生畸变总磁场发生畸变 物理中心线偏物理中心线偏离离几何中心线几何中心线 角角, 被电刷短路的元件的被电刷短路的元件的 e0，增加了换向困难。，增加了换向困难。合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）大连理工大学电气工程系 NS(2) 一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，一
10、半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少， 磁路不饱和时：每极磁通不变；磁路不饱和时：每极磁通不变； 磁路饱和时：每极磁通减少，磁路饱和时：每极磁通减少，e 和和T 相应减少。相应减少。 电枢反应的影响：电枢反应的影响：大连理工大学电气工程系一、电动势一、电动势 E电枢旋转电枢旋转 n总磁场总磁场 ee E2. 分析：分析：1. 产生产生:2.4 直流电机的电动势和电磁转矩直流电机的电动势和电磁转矩气隙平均磁密气隙平均磁密l 电枢长度电枢长度 极距极距 每极磁通量每极磁通量大连理工大学电气工程系N 电枢总导体数电枢总导体数a 电枢绕组并联支路对数电枢绕组并联支路对数 一根导体的平均电动势一根导体的
11、平均电动势导体线速度导体线速度导体平均电动势导体平均电动势每条支路的串联导体数每条支路的串联导体数N2a大连理工大学电气工程系 E = CE nCE 电动势常数，电动势常数，3. 电动势公式：电动势公式：CE = pN60a4. 方向与性质方向与性质 发电机：为电源电动势；发电机：为电源电动势； 电动机：为反电动势。电动机：为反电动势。大连理工大学电气工程系二、电磁转矩二、电磁转矩 Te1. 产生产生:导体导体(线圈中线圈中)的的 i总磁场总磁场 f Te2. 大小大小: 电磁力：电磁力： f = B i l 电磁转矩电磁转矩: Te = CT Ia式中：式中：CT 转矩常数。转矩常数。4.
12、性质性质3. 方向方向: 由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。Te与与 n 方向相反，为制动转矩；方向相反，为制动转矩；Te与与 n 方向相同，为驱动转矩。方向相同，为驱动转矩。发电机：发电机：电动机：电动机：CT = pN2a大连理工大学电气工程系三、电磁功率三、电磁功率 PePe =E IaTePe = E Ia = Te =2n60CE n Ia =CECT=602 = 9.55 CT = 9.55CE电功率电功率机械功率机械功率转换成的转换成的260CT n Ia = CT Ia大连理工大学电气工程系2.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析一、直流电动机的基本方程式一、直流电
13、动机的基本方程式正方向规定正方向规定电动电动机惯例机惯例 UIaE与与Ia反向反向Te与与n同向同向TL与与n反向反向 U IaETenTL大连理工大学电气工程系1. 电压平衡方程式电压平衡方程式励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： Ua = E + Ra Ia E = CE nT2大连理工大学电气工程系2. 功率平衡方程式（并励）功率平衡方程式（并励）输入功率：输入功率： P1 = U I铜损耗铜损耗 PCu : PCu = Ra Ia2 + Rf If2 电磁功率电磁功率Pe ： Pe = P1 PCu = E Ia空载损耗空载损耗 P0 ： P0 = PFe +
14、 Pfw + Pad输出功率输出功率P2 ： P2 = Pe P0 = T2260T2n= 功率平衡方程式功率平衡方程式 P1 = Pe+ PCua Pe = P2 +P0大连理工大学电气工程系功率流程图功率流程图: :P1PCuPeP0P23. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式空载：空载： Te= T0负载负载: : Te= T0 + T2T2大连理工大学电气工程系 稳态电枢电流稳态电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？ T e= CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：例如：负载不变负载不变 ( Te不变不变)，U (Ra) 变化时，变化时， Ia 变化否？变化否？U(或或Ra) 瞬间瞬
15、间 n 不变不变Ia Te TeTLEE 不变不变nIaTeTe = TLIa不变不变 结论：结论：Ia 的大小取决于负载的大小。的大小取决于负载的大小。 当当 Ia= = IaN 时为满载，当时为满载，当 IaIaN 时为过载。时为过载。 规定短时过载的最大电枢电流：规定短时过载的最大电枢电流： Iamax =(=(1.5 2) )IaN电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系 1. 机械特性机械特性 CE En =CE UaRa Ia=CE Ua=RaCECT2 TeOnTen0当当Te时，时， n 下降不多下降不多 硬特性硬特性二、他励（并励）直流电动机的特性二、他励（并励）直流电动机
16、的特性大连理工大学电气工程系2. 他励直流电动机的转向他励直流电动机的转向 N SFFT, n(1)(1)电枢电压反向电枢电压反向改变电枢电流方向改变电枢电流方向转矩方向改变，转转矩方向改变，转向改变向改变 N SFFT, n S NFFT, n(2)(2)磁场反向磁场反向改变励磁电压极性改变励磁电压极性转矩方向改变，转转矩方向改变，转向改变向改变大连理工大学电气工程系 转矩特性：转矩特性： U = UN ，If 为常数时为常数时 Te= f (Ia ) Te = CTN Ia = CT Ia On,Te,Ia 转速特性：转速特性： U = UN ，If 为常数时为常数时 n = f (Ia
17、)Ua Ra IaCEn = 影响影响 n 的两个因素：的两个因素： Ra Ia， 电枢反应。电枢反应。 效率特性：效率特性： U = UN ，If = IfN 时时 = f (Ia )3. 他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的工作特性大连理工大学电气工程系EMIaIfIU 并励电动机并励电动机 他励电动机他励电动机(1) 输入电压输入电压: U = Ua = Uf U = Ua (2) 输入电流输入电流: I = Ia + If I = Ia (3) 输入功率输入功率: P1 = UI = UIa + UIf P1 = UIa MIfUaIaEUf4. 4. 并励与他励的区别并励与他励的
18、区别大连理工大学电气工程系M三、串励电动机三、串励电动机IaIfIU UaE Uf 1. 电压电压 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 电流电流 I = Ia = IfRa+ RfUE =CT Te=3. 转矩转矩 Te= CT Ia(1)当当 Ia 较小、磁路未饱和时，较小、磁路未饱和时， Ia TeIa2 (2)当当 Ia 较大、磁路已饱和时，较大、磁路已饱和时， 常数常数 Te Ia 大连理工大学电气工程系即即 TeIam (1m2) 与并励电动机比较，有如下特点：与并励电动机比较，有如下特点： 对应于相同的对应于相同的T ，Ia 小；小； 对应于允许的对应于
19、允许的 Iamax ，能够产生的，能够产生的 T e大大 转矩特性：转矩特性： U = UN 时，时， Te = f (Ia )OTeIa大连理工大学电气工程系4. 转速转速ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE =Ra + RfCECT2Te(1) 当当Te = 0 时，时，Ia = If = 0， =r ，n 很大，很大，n = (5 6) nN 不允许！不允许！(2) 当当Te 较小时，较小时，Ia 很小，很小，磁路未饱和，磁路未饱和，Te Ia n 迅速下降；迅速下降； (3) 当当Te很大时，很大时，Ia 很大，很大，磁路已饱和，磁路已饱和，Te Ia 基本不变基本不变
20、 n下降较少；下降较少； 大连理工大学电气工程系OnTe 转速特性：转速特性： n = f (Ia )| U = UNU C En =Ra + RfCEIaUCE Ia =Ra + RfCE OnIa5. 应用应用(1) 特别适用于起重机和电气机车等运输机械特别适用于起重机和电气机车等运输机械;(2) 绝不允许在轻载或空载下运行绝不允许在轻载或空载下运行;(3) 不能用皮带轮传动。不能用皮带轮传动。大连理工大学电气工程系四、复励电动机四、复励电动机MI+U 积复励、差复励。积复励、差复励。 一般采用积复励电动机；一般采用积复励电动机； 机械特性介于并励电动机机械特性介于并励电动机 和串励电动机
21、之间：和串励电动机之间： 有较大的有较大的Tst ； 可以空载运行。可以空载运行。OnT并并复复串串大连理工大学电气工程系2.6 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析一、直流发电机的基本方程式一、直流发电机的基本方程式(他励他励)正方向规定正方向规定发电发电机惯例机惯例 EIaUT1与与n同向同向Te与与n反向反向 T0与与n反向反向 U IaET1nTeT0大连理工大学电气工程系1. 电压平衡方程式电压平衡方程式励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： E = Ua + Ra Ia E = CE n1大连理工大学电气工程系直流电机运行状态的判断直流电机运行状态的判断
22、根据电动势和电枢电压的大小根据电动势和电枢电压的大小发电机发电机 电动机电动机 E = Ua + Ra Ia Ua = E + Ra Ia EU EU根据根据Te与与n的方向的方向发电机发电机 电动机电动机 Te 与与 n反向反向 Te与与n同向同向大连理工大学电气工程系2. 功率平衡方程式功率平衡方程式(1) 输入功率输入功率 P1 :P1 = T1 260T1n=(2) 空载损耗空载损耗 P0 : P0 = PFe + Pfw + Pad(3) 电磁功率电磁功率 Pe : (4) 铜损耗铜损耗 PCu : PCu = Ra Ia2(5) 输出功率输出功率 P2 : P2 = U I1Pe
23、= P1 P0= E Ia = Te大连理工大学电气工程系P1Pfw+ PadPFePePCuP2 功率流程图功率流程图 效率特性效率特性 = f ( P2 ) =P2P1100% %n = nNU = UN 小型：小型： N = 70% % 90% %中大型：中大型： N = 91% % 96% %大连理工大学电气工程系3. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式Te= T1 T0 T1 = T0 + T输入转矩输入转矩 T1 ：空载转矩空载转矩 T0 ：电磁转矩电磁转矩 Te：60 2 P0nT0 =60 2 P1n=60 2 Pen=电机与拖动电机与拖动1大连理工大学电气工程系G二、他励发电机的工
24、作特性二、他励发电机的工作特性外电源外电源UfE n 原动原动 机机If电枢电枢 UaIaIf+Ua+Uf1. 空载运行空载运行励磁电路：励磁电路： If =UfRf励磁电路励磁电路总电阻总电阻电枢电路：电枢电路： Ia = 0， Ua = U0 = E调节调节Rf If 可变可变 可变可变E 可变可变 Ua可变可变 大连理工大学电气工程系 U0 = E = f (If ) 空载特性空载特性OIfU0Er剩磁感应剩磁感应电动势电动势2. 负载运行负载运行 输出电压输出电压: U = Ua 输出电流输出电流: I = Ia 电压平衡方程式：电压平衡方程式： U = Ua = ERa Ia当当 I
25、a Ra IaE(电枢反应电枢反应)Ua 外特性外特性当当 U = f (I )n = nNIa = 0OIUn = nNIf = IfNINUNU0n = nNIf = 常数常数电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系 电压调整率电压调整率:VR =U0UNUN100% %( 5% % 10% % ) 调整特性：调整特性：当：当：n = nN，U = UN 时：时： If = f ( I )OI If IfNIN电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系三、并励发电机三、并励发电机EUaGIfIaI E ? E ? 1. 自励条件自励条件(1) 主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r ：rEr
26、IfrEEr与与r 方向相同方向相同EEr与与r 方向相反方向相反(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 与与 If 之间应满足空载特性之间应满足空载特性; If 与与 E 之间应满足欧姆定律。之间应满足欧姆定律。电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系 当当Rf Rfcr 时，时， EEr ， 能够自励能够自励; 当当Rf = Rfcr 时，时， E不确定，不能自励不确定，不能自励; 当当Rf Rfcr 时，时， EEr，不能自励。，不能自励。(3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。励磁电路的电阻必须小于临界电
27、阻。If =ERa + RfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线：场阻线的斜率：场阻线的斜率：= Ra +Rftan=EIfOIfEErRf =RfcrRf RkRfRfcr 大连理工大学电气工程系2. 运行分析运行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI IaRaIaE( (电枢反应电枢反应) )Uf Ua 外特性：外特性： U = f ( I )EUaGIfIaIn = nNRf = 常数常数OIUU0他励他励并励并励 负载增加时，负载增加时， U 下降较快。下降较快。 VR 20%电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系 外特性有拐弯现象。外特
28、性有拐弯现象。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 (较大幅度较大幅度) 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。较小。 稳态短路电流不大。稳态短路电流不大。大连理工大学电气工程系四、复励发电机四、复励发电机 积复励发电机：积复励发电机： 当当 I = IN 时的时的 UN U0 过复励发电机过复励发电机 当当 I = IN 时的时的 UN U0 平复励发电机平复励发电机 当当 I = IN 时的时的 UN U0 欠复励发电机欠复励发电机他他并并IOUUN过过IN平平欠欠差差GIU
