1、電機學(xué)Electric Machinery,（第2章 直流電機）,2.1 概述,直流電機工作原理,直流電機額定值,直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,2.1.1 直流電機工作原理,2.1.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機整體結(jié)構(gòu),2.1.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機主磁極與換向極,2.1.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機機座,2.1.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機電樞沖片和電樞繞組,2.1.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機換向器,2.1.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機電刷裝置,2.1.3 直流電機的額定值,額定功率：PN，單位 W或kW 額定電壓：UN，單位 V 額定電流：

2、IN，單位 A 額定勵磁電壓：UfN，單位 V 額定勵磁電流：IfN，單位 A 額定轉(zhuǎn)速：nN，單位 r/min 額定效率：N 額定轉(zhuǎn)矩：TN，單位 Nm 額定溫升：，單位,2.2 直流電機電樞繞組,基本特點,單疊繞組,單波繞組,2.2.1 電樞繞組基本特點,電樞繞組設(shè)計的基本要求 電動勢大，波形好 電流大，產(chǎn)生并承受的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩大 結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠 便于維修 換向性能好 電樞繞組類型 疊繞組：單疊繞組和復(fù)疊繞組 波繞組：單波繞組和復(fù)波繞組 蛙繞組：疊繞組與波繞組的組合,2.2.1 電樞繞組基本特點,基本概念 繞組元件：兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。 元件邊：放在槽中切割磁

3、力線、感應(yīng)電動勢的有效邊。 上（下）元件邊：放在某一槽上（下）層。 端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。,2.2.1 電樞繞組基本特點,基本概念 槽內(nèi)每層元件邊數(shù)：u 槽數(shù)Z與虛槽數(shù)Zi： Zi =uZ 元件數(shù)S、換向片數(shù)K與虛槽數(shù)Zi：S=K= Zi,2.2.1 電樞繞組基本特點,基本概念 第一節(jié)距y1：兩個元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示 極距：每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離，或相鄰兩主極間的距離，用弧長或虛槽數(shù)表示。 y1應(yīng)接近一個極距 ，且為整數(shù)。 整距： y1= 短距： y1 ,2.2.1 電樞繞組基本特點,基本概念 第二節(jié)距y2：與同一換向器相連的兩個元件，第一個元件的下元

4、件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，也常用虛槽數(shù)表示。疊繞組， y2 0; 合成節(jié)距y：串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示。y= y1+ y2 換向器節(jié)距yK：與每個元件相連的兩個換向器在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示。 y= yK,17,第一節(jié)距 y1 第二節(jié)距 y2 合成節(jié)距 y 換向節(jié)距 yK,2.2.2 單疊繞組,4極電機， Z=Zi=S=K=16 單疊右行整距繞組,19,單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)成一條支路,20,并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，并聯(lián)支路對數(shù)a=2 電刷放置,2.2.3 單波繞組,4極電機 Z=Zi=S=K=15 單波左行短距繞組,22,單波繞組：

5、所有處于同極性下的元件串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路,23,并聯(lián)支路數(shù)等于2，并聯(lián)支路對數(shù)a=1 電刷放置位置,小結(jié),直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。 直流電機電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。 在直流電機中，通常用 a 表示并聯(lián)支路對數(shù)； 單疊繞組，a = p，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機極對數(shù)； 單波繞組，a = 1，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1。 電刷放置的一般原則： 確保空載時通過正、負(fù)電刷引出的電動勢最大； 被電刷短路的元件中的電動勢為零； 端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。,2.3 直流電機的磁場,磁場是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的媒介。 主極磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生 主極磁場也可由勵磁繞組通入直

6、流電流或由產(chǎn)生。,2.3.1 直流電機按勵磁方式分類,他勵直流電機 并勵直流電機 串勵直流電機 復(fù)勵直流電機,2.3.2 直流電機的空載磁場,空載磁場（主磁場）：電樞電流Ia=0，僅由If 建立的勵磁磁場。,2.3.2 直流電機的空載磁場,磁通：空載是電機中的磁場是對稱分布的，分為兩部分 主磁通：經(jīng)氣隙、電樞、相鄰主極下的氣隙、主極鐵芯、定子磁軛閉合。 主磁通同時交鏈與勵磁繞組和電樞繞組； 在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機電能量交換； 用0表示。 漏磁通：經(jīng)主極間的空氣或定子磁軛閉合。 不穿過氣隙； 不參與機電能量交換； 用表示。 總磁通：為主磁通與漏磁通之和，用m表示。,2.3.2 直流電

7、機的空載磁場,磁通間的關(guān)系 k主極漏磁系數(shù)，一般取值1.151.25,2.3.2 直流電機的空載磁場,磁動勢 F0 每對極勵磁磁動勢 Nf 每極主極上的勵磁繞組匝數(shù) 主磁路結(jié)構(gòu) 五段式 兩個氣隙 兩個齒 兩個主極 一個定子軛 一個轉(zhuǎn)子軛,2.3.2 直流電機的空載磁場,主磁場分布 氣隙磁密為平頂波,32,磁化曲線起始階段為直線其延長線為氣隙線鐵磁飽和導(dǎo)致磁化曲線的彎曲,2.3.3 直流電機的電樞磁場,電樞繞組中的電流產(chǎn)生的磁場。 主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。 一般情況下，直流電機電樞磁場方向總是對準(zhǔn)交軸，稱為交軸電樞反應(yīng)。,34,電刷位于幾何中性線上,35,電刷偏離

8、幾何中性線,直軸電樞磁動勢,交軸電樞磁動勢,2.3.4 直流電機的電樞反應(yīng),交軸電樞反應(yīng),交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響 使磁場的零點偏移； 不飽和時，每極磁通量不變； 飽和時，每極磁通量會減少。,38,直軸電樞反應(yīng),直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響 直軸電樞磁場軸線與主機軸線重合； 直軸電樞磁場對勵磁磁場起去磁或助磁的作用；,2.3.5 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,感應(yīng)電動勢E：支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動勢的代數(shù)和。 電磁轉(zhuǎn)矩 Tem：所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。 為每極磁通量，空載時由勵磁電流產(chǎn)生，負(fù)載時由勵磁電流和電樞電流共同產(chǎn)生。 CE為電動勢常數(shù)CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)。,2.4 直流發(fā)

9、電機的基本特性,2.4.1 基本方程,并勵發(fā)電機等效電路,2.4.1 基本方程,1、電動勢平衡方程,電樞回路,Ub 電刷接觸電阻電壓降，0.3 1V,勵磁回路,電流方程,2.4.1 基本方程,2、功率平衡方程電磁功率：電樞繞組感應(yīng)電動勢E與電樞電流Ia的乘積,2.4.1 基本方程,3、轉(zhuǎn)矩平衡方程 轉(zhuǎn)矩平衡方程可由功率平衡方程得出,2.4.2 他勵發(fā)電機的運行特性,1、空載特性 當(dāng) n=常值、I=0 時，U0=f (If)的關(guān)系曲線。,他勵發(fā)電機特性實驗接線圖,2.4.2 他勵發(fā)電機的運行特性,1、空載特性,他勵發(fā)電機空載特性曲線,空載特性本質(zhì)上就是通過實驗方法測定發(fā)電機實際的磁化曲線 空載特

10、性曲線測定均按他勵發(fā)電機接線方式，與電機的勵磁方式無關(guān),2.4.2 他勵發(fā)電機的運行特性,2、負(fù)載特性 當(dāng)n=常值、I=常值時，U=f (If)的關(guān)系曲線。,他勵發(fā)電機負(fù)載特性曲線,空載特性與負(fù)載特性之間存在一個特性三角形EAU。,2.4.2 他勵發(fā)電機的運行特性,3、外特性 當(dāng)n=常值、If=常值時，U= f (I) 的關(guān)系曲線。,他勵發(fā)電機外特性曲線,外特性隨負(fù)載電流增大呈下降趨勢，是由電樞回路電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)引起的； 機端電壓隨負(fù)載變化的程度用電壓調(diào)整率衡量,2.4.2 他勵發(fā)電機的運行特性,4、調(diào)節(jié)特性 當(dāng)n=常值、U=常值時， If =f (I)的關(guān)系曲線。,勵磁電流隨負(fù)載

11、電流增加而增加，以補償電樞反應(yīng)的去磁作用。 鐵磁材料的飽和，使勵磁電流增加的速率還要高于負(fù)載電流。,他勵發(fā)電機調(diào)節(jié)特性曲線,2.4.3 并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,1、自勵過程與條件,并勵發(fā)電機運行特性實驗接線,2.4.3 并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,1、自勵過程與條件,并勵發(fā)電機自勵條件,電機有剩磁 勵磁繞組連接正確 勵磁回路電阻小于臨界電阻,不同轉(zhuǎn)速的臨界電阻,2.4.3 并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,2、外特性 當(dāng)n=常值、If=常值時，U= f (I) 的關(guān)系曲線。,并勵發(fā)電機外特性,外特性下降快，有“拐彎” 電壓調(diào)整率可達(dá)20% 穩(wěn)態(tài)短路電流小,2.4.3 復(fù)勵發(fā)電機的特點,復(fù)勵

12、發(fā)電機：勵磁繞中既含有并勵繞組，又含有串勵繞組的直流發(fā)電機，包括積復(fù)勵發(fā)電機（并勵繞組其主要作用）和差復(fù)勵發(fā)電機（串勵繞組其主要作用）,復(fù)勵發(fā)電機實驗接線,2.4.3 復(fù)勵發(fā)電機的特點,復(fù)勵發(fā)電機外特性,復(fù)勵發(fā)電機外特性曲線,2.5 直流電動機的基本特性,2.5.1 基本方程,并勵電動機等效電路,2.5.1 基本方程,1、電動勢平衡方程 電樞回路電壓方程 電樞繞組電勢 Ra電樞回路總等效電阻,2.5.1 基本方程,勵磁回路電壓方程 Rf=rf+rj勵磁回路總電阻 電流方程,2.5.1 基本方程,動態(tài)情況下的電動勢平衡方程 電樞回路 勵磁回路,2.5.1 基本方程,2、功率平衡方程 電功率平衡方

13、程 電磁功率 電樞銅耗 勵磁繞組銅耗,2.5.1 基本方程,3、轉(zhuǎn)矩平衡方程 穩(wěn)態(tài) 動態(tài),2.5.2 工作特性,工作特性電動機運行時轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Tem和效率與負(fù)載P2的關(guān)系曲線。 直流電動機的工作特性因勵磁方式而異。 工作特性通常用實驗方法確定。,2.5.2 工作特性,1、并勵電動機 工作特性實驗電路,2.5.2 工作特性,（1）并勵電動機速率特性n = f ( P2 )（2）并勵電動機轉(zhuǎn)矩特性Tem = f ( P2 ) （3）并勵電動機效率特性 = f ( P2 ) 工作特性實驗電路,2.5.2 工作特性,2、串勵電動機 串勵電動機工作特性接線,2.5.2 工作特性,2、串勵電動機 串

14、勵電動機工作特性,2.5.2 工作特性,3、復(fù)勵電動機 復(fù)勵電動機工作特性實驗電路,2.5.3 機械特性,直流電動機機械特性：在U=UN=常值時，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系曲線n=f (Tem)。并勵電動機,2.5.3 機械特性,串勵電動機,2.6 直流電力傳動,電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),直流電機的調(diào)速,直流電機的起動,直流電機的制動,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),電力傳動的定義：用各種電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械，產(chǎn)生運動，電力傳動也稱為電力拖動。直流電力傳動是由直流電動機來實現(xiàn)的。,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),運動方程,轉(zhuǎn)動慣量,對于均勻圓柱體,對于同心圓柱體,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)

15、,1、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),轉(zhuǎn)動慣量,2、直線運動系統(tǒng),轉(zhuǎn)動慣量,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件 穩(wěn)定運行：電機與生產(chǎn)機械組成的拖動機組已運行于某一轉(zhuǎn)速，若外界短時擾動（負(fù)載突變）使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化在擾動消失后能隨之消失，即機組能自行恢復(fù)到原來的速度，則稱機組的運行是穩(wěn)定的，否則為 不穩(wěn)定運行。,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件 穩(wěn)定運行時機組的機械特性,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件 不穩(wěn)定運行時機組的機械特性,2.6.1 電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件 當(dāng)機組n0時，有T=Tem-TL0，使機組速度自行上升；即可使機組穩(wěn)定運行。 即負(fù)載機械特性曲線的切線斜率要大于電

16、動機機械特性曲線的切線斜率。,2.6.2 直流電機的起動,電動機起動問題的引出 機械系統(tǒng)：電動機產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩克服機組的靜止摩擦轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 電氣系統(tǒng)：起動瞬間n=0，E=0，Ra很小，因此起動電流很大。 起動電流大將導(dǎo)致：電網(wǎng)電壓突然降低；電機本身遭受巨大電磁力的沖擊。因此，電動機起動時限制起動電流非常必要。,2.6.2 直流電機的起動,電動機起動方法 直接起動：只限于小容量電動機。 電樞回路串電阻起動：通過增大電樞回路電阻達(dá)到降低起動電流的目的，完成起動后將起動電阻切除。 降壓起動：抑制起動電流最為有效，同時可節(jié)約能量。,2.6.3 直流電機的調(diào)速,直流電動機具有寬廣、平滑、經(jīng)濟(jì)的調(diào)速特性，常見的調(diào)速方式有： 電樞回路串電阻調(diào)速：增加電樞回路損耗，效率低，只適合降速調(diào)節(jié)。 改變勵磁電流調(diào)速：幾乎不影響電動機效率，但只適合升速調(diào)節(jié)。 改變端電壓調(diào)速：轉(zhuǎn)速既可上升也可下降，配合勵磁調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍更寬，是一種普遍應(yīng)用的調(diào)速方式。,2.6.4 直流電機的制動,電機制動包括機械制動和電磁制動 機械制動：由機械方式產(chǎn)生的制動力矩