1、河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,第 1 章 直流電機原理,1.1 直流電機的用途、結(jié)構(gòu)及工作原理,1.2 直流電機的空載磁場,1.3 直流電機的電樞繞組,1.4 電流電機的電樞反應(yīng),1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,1.6 直流發(fā)電機,1.7 直流電動機,1.8 直流電機換向簡介,第 1 章 直流電機原理,1.1 直流電機的用途、結(jié)構(gòu)及工作原理,1.2 直流電機的空載磁場,1.3 直流電機的電樞繞組,1.4 電流電機的電樞反應(yīng),1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,1.6 直流發(fā)電機,1.7 直流電動機,1.8 直流電機換向簡介,電機與拖動,返回主頁,1,（1）電樞鐵心 電樞鐵心既是主磁路的

2、組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm的硅鋼片疊壓夾緊而成。,(a) 轉(zhuǎn)子主體,(b) 電樞硅鋼片,2,（2）電樞繞組,電樞繞組由許多線圈按一定規(guī)律排列和連接而成，是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用絕緣圓形線或扁銅線繞制而成，也稱為元件。電樞線圈嵌放在電樞鐵心的槽中，每個元件有兩個出線端。所有元件按一定規(guī)律連接，就構(gòu)成電樞繞組,3,（3）換向器,換向器也是直流電機的重要部件。在直流發(fā)電機中，換向器將繞組內(nèi)的交變電動勢轉(zhuǎn)換為電刷兩端的直流電動勢；在直流電動機中，換向器將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)

3、換為繞組內(nèi)的交變電流。,換向器安裝在轉(zhuǎn)軸上，如圖所示，由許多換向片組成，換向片之間用云母進行絕緣，換向片數(shù)與元件數(shù)相等。,4,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,直流電機的結(jié)構(gòu),電樞,1.1 直流電機的用途、結(jié)構(gòu)及工作原理,5,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1. 額定電壓 UN 指額定狀態(tài)下電樞兩端的電壓指輸出電壓的額定值。 2. 額定電流 IN:在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流。 3. 額定功率 PN：指電機在額定狀態(tài)時的輸出功率。對于電動機，是指軸上輸出的機械功率；對于發(fā)電機，是指線端輸出的電功率,四、直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及額定值,1.1 直流電機的用途、結(jié)構(gòu)及工作原理,4. 額定轉(zhuǎn)速 nN:在額

4、定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,6,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.1 直流電機的用途、結(jié)構(gòu)及工作原理,直流發(fā)電機的額定功率為 直流電動機的額定功率為 式中， 為直流電動機的額定效率 電動機軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩用 表示，為,有些物理量雖然不標在銘牌上，但它們也是額定數(shù)據(jù)，如額定轉(zhuǎn)矩、額定效率等。,7,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.2 直流電機的空載磁場,第1 章 直流電機的基本理論,是由勵磁繞組通入勵磁電流If產(chǎn)生的，它是直流電機中的主要磁場。,空載：,一、直流電機磁路、磁通和磁化曲線,直流電機空載時的磁場,是指電機對外沒有功率輸出、不帶負載時的空轉(zhuǎn)狀態(tài)。,8,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程

5、學(xué)院,1.2 直流電機的空載磁場,二極電機磁路中的磁通分布,極軸線：磁極平分線 幾何中性線：相臨兩磁極極軸線的平分線。 物理中性線：氣隙磁密由正到負過零的分界線。,主磁通：走主磁路的磁通。 漏磁通：走漏磁路的磁通。,9,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,四極電機磁路中的磁通分布,1.2 直流電機的空載磁場,10,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,N極鐵芯氣隙電樞齒電樞軛相鄰S極電樞齒氣隙 S極鐵芯定子軛回到N極.構(gòu)成閉合路徑,1.2 直流電機的空載磁場,11,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,分析主磁路,主磁路的分段：,1.2 直流電機的空載磁場,12,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,氣隙,電樞齒,電樞軛,主磁極,定子軛,

6、封閉回路中包含Nf匝線圈的2倍,（1-3）,各段磁壓降為：,即,1.2 直流電機的空載磁場,即（1-2）式可寫成：,Hl =, Rm =,Nf If,Hl =,Rm,（1-4）,（1-5）,13,這個關(guān)系即直流電機的磁化曲線。,1,2,當(dāng)勵磁電流較小時，氣隙和鐵心的磁阻為常數(shù)，線性關(guān)系；且鐵心磁阻較小，氣隙磁阻占絕大部分。 當(dāng)勵磁電流較大時，鐵心飽和，磁阻增加，非線性關(guān)系。,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.2 直流電機的空載磁場,Hl =, Rm =,Nf If,（1-5）,由上式可以看出,14,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,二、氣隙磁通密度分布波形,當(dāng)勵磁電流不變時,每極磁通與平均磁密的關(guān)系：,空

7、載時的氣隙磁通密度為一鐘形波。,1.2 直流電機的空載磁場,15,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,第1 章 直流電機的基本理論,1.3 直流電機的電樞繞組,電樞繞組: 直流電機的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件 之一, 是直流電機的電路部分，亦是實現(xiàn)機 電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。因為重要，故稱為電樞 繞組。電樞繞組的構(gòu)成，應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感 應(yīng)電動勢，并允許通過一定量的電樞電流， 從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率。此外 還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單， 運行可靠。,16,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.3 直流電機的電樞繞組,電樞繞組形式,直流電機繞組,電樞繞組,17,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1、相關(guān)技術(shù)術(shù)語及繞組元

8、件,極軸線，幾何中性線 極距：相鄰兩個主磁極沿電樞圓周表面的圓弧距 離，它等于相鄰兩個極軸線或相鄰兩個幾何中性 線之間沿電樞表面的弧長，通常用槽數(shù)表示， 如： 極距電樞槽數(shù) /極數(shù),1.3 直流電機的電樞繞組,18,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,繞組元件：構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和 多匝兩種。,單匝,多匝,有效邊,1.3 直流電機的電樞繞組,19,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。,首端,末端,1.3 直流電機的電樞繞組,20,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,繞組節(jié)距：,y=y1-y21,第一節(jié)距y1,第二節(jié)距y2,合

9、成節(jié)距y：,換向節(jié)距yk：,yky1,1.3 直流電機的電樞繞組,21,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,第一節(jié)距,y1必須是整數(shù),1.3 直流電機的電樞繞組,22,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,2、單疊繞組,單疊：單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，后面元件的首端緊迭在前一元件的末端。,特點： 槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同,y=yk=1,1.3 直流電機的電樞繞組,23,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,單疊繞組展開圖,例： 一臺電機，極數(shù)2p4， ZSK16，試繞制一單疊繞組。,y2=y1-y=3,y=yk=1,1.3 直流電機的電樞繞組,計算各節(jié)距 第一節(jié)距: 合成節(jié)

10、距和換向器節(jié)距: 第二節(jié)距:,繞組的連接順序表,24,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,y2=y1-y=3,y=yk=1,繞組元件的連接順序,y1,y2,1.3 直流電機的電樞繞組,第一節(jié)距: 合成節(jié)距和換向器節(jié)距: 第二節(jié)距:,繞組元件連接順序表用來表示電樞上所有元件邊的串聯(lián)次序。 下表中，每根實線所連接的兩個元件邊構(gòu)成一個元件，兩元件之間 的虛線則表示通過換向片把兩元件串聯(lián)起來。,可以看出，從第1元 件出發(fā)，連接完16個元件后又回到第1元件，整個繞組是閉合的。,25,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.5.9.13在幾何中線上,同一磁極元件串聯(lián),n,1.3 直流電機的電樞繞組,繞組展開圖,所謂繞組展開圖

11、就是將轉(zhuǎn)子電樞圓柱形表面順軸向切開，并展開成平面的連接圖。作圖步驟如下：,26,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.5.9.13在幾何中線上,同一磁極元件串聯(lián),n,1.3 直流電機的電樞繞組,繞組展開圖,所謂繞組展開圖就是將轉(zhuǎn)子電樞圓柱形表面順軸向切開，并展開成平面的連接圖。作圖步驟如下：,27,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,單疊繞組展開圖,1.5.9.13在幾何中線上,同一磁極元件串聯(lián),n,1.3 直流電機的電樞繞組,28,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,繞組的并聯(lián)支路電路圖,apb,單疊繞組輸出電動勢：一條支路電動勢 輸出電流：2a條支路電流和,1.3 直流電機的電樞繞組,29,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,

12、繞組小結(jié),并聯(lián)支路成對出現(xiàn)，并聯(lián)支路對數(shù)=極對數(shù)。 電樞電動勢（即刷間電動勢）=支路電動勢。 電樞電流=各支路電流之和。 電刷成對出現(xiàn)（單疊繞組中，刷對數(shù)=極對數(shù)）。 為了得到最大的直流電動勢，電刷總是與位于幾何中線上的導(dǎo)體相接,1.3 直流電機的電樞繞組,30,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),第1 章 直流電機的基本理論,直流電機負載后，電樞繞組有電流通過，該電 流建立的磁場簡稱電樞磁場，電樞磁場對主 磁場的影響就稱為電樞反應(yīng)。 當(dāng)電機帶上負載后，電機的氣隙磁場由主磁 場和電樞兩個磁場共同決定。電樞磁場的出現(xiàn)， 使氣隙磁場發(fā)生畸變。 各支路電流都是通過電刷引入或引出，因

13、此 電刷是電樞表面上電流分布的分界線。電樞磁 勢的軸線總是與電刷軸線相重合。,31,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),電樞磁動勢與電樞磁場,右圖為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況。 假設(shè)勵磁電流為零，只有電樞電流。由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況，電樞磁動勢為交軸磁動勢。,電樞NS分界線磁動勢為零,32,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,交軸磁動勢在空間的分布,引入電樞線負荷的概念：導(dǎo)體總數(shù)N；導(dǎo)體 電流ia；電樞直徑為D，則線負荷,在原點O左右x處取磁力線閉合回路，應(yīng)用全電流定律有,整個回路的磁壓降近似為兩個氣隙上磁勢：,電樞磁動勢為零,1.

14、4 直流電機的電樞反應(yīng),33,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,電樞磁動勢、磁通密度空間分布,沿電樞徑向展開,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),34,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,直流電機負載時的磁場,主極磁場,電樞磁場,合成磁場,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),35,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,只分析電刷在幾何中性線上時的電樞反應(yīng),將主磁場分布和電樞磁 場分布疊加，得到的負 載電機磁場分布情況如 圖。,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),36,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,合成磁勢曲線,主磁場的磁通密度分布曲線,電樞磁場磁通密度分布曲線,不飽和兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線,物理中性線偏離幾何中性線,飽

15、和時磁阻不為常數(shù)不能簡單疊加,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),37,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,電樞反應(yīng)的影響, 總磁場被扭歪了 幾何中心線與物理中心線分開了, 電刷位置處的元件的 e0，增加換向困難。 一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少， 磁路不飽和時，每極磁通不變； 磁路飽和時，,每極磁通減少，e 和T 相應(yīng)減少。,1.4 直流電機的電樞反應(yīng),38,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1. 產(chǎn)生 電樞旋轉(zhuǎn) n 磁 場 2. 大小 每個導(dǎo)體平均電動勢：eav = Bav l v 導(dǎo)體切割磁場線的線速度： 電動勢：,一、直流電機的電樞電動勢,e,e,E,1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,第1 章 直

16、流電機的基本理論,39,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,Ea = Ce n Ce電動勢常數(shù)：,3. 方向：由 和 n 共同決定。 4. 性質(zhì) 發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。,40,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 1. 產(chǎn)生 導(dǎo)體電流 ia 磁 場 ,f,T,2. 大小 每根導(dǎo)體平均受力： fav = Bav l ia 平均磁密：,極距,41,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 1. 產(chǎn)生 導(dǎo)體電流 ia 磁 場 ,f T,2. 大小 每根導(dǎo)體平均受力： fav = Bav l ia 平均磁密： 每根導(dǎo)體上電磁力所 形成的

17、電磁轉(zhuǎn)矩： favR,1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,42,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,電樞直徑： D 每根導(dǎo)體產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩：Tav 電機總導(dǎo)體數(shù)： N 電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：2a 電樞電流：Ia=2aia 電機的電磁轉(zhuǎn)矩： T =,1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,43,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,2. 大小 T = CT Ia CT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)： 3. 方向 由 和 Ia 共同決定。 4. 性質(zhì) 發(fā)電機： 電動機：,T 與 n 方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。 T 與 n 方向相同，為拖動轉(zhuǎn)矩。,(Nm),CT = 9.55 Ce,1.5 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,44,河南工業(yè)大學(xué)電

18、氣工程學(xué)院,一、 直流發(fā)電機按勵磁方式分類,他 勵,串 勵,復(fù) 勵,并 勵,1.6 直流發(fā)電機,第1 章 直流電機的基本理論,45,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,二、直流發(fā)電機的基本方程式,1.6 直流發(fā)電機,外電源Uf If ,n,原動機,電樞,U = EaIa Ra,規(guī)定各物理量的參考方向如圖,Ra為電樞回路總電阻（包括電樞繞組電阻及電刷與換向器表面的接觸壓降。則電壓平衡方程為：,電樞電動勢：,1、電壓平衡方程式,46,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,2、轉(zhuǎn)矩平衡方程式,圖1-20,直流發(fā)電機軸上有三個轉(zhuǎn)矩： 原動機輸入的拖動轉(zhuǎn)矩:T1,電磁轉(zhuǎn)矩：,機械摩擦及鐵損引起的空載轉(zhuǎn)矩:T0 當(dāng)發(fā)電機穩(wěn)定運

19、行時，轉(zhuǎn)矩平衡方程為：,T1 = T0 + T,1.6 直流發(fā)電機,47,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,3、功率平衡方程式 1. 輸入功率 P1 : 2. 空載損耗 p0 : 3. 電磁功率 PM : 4. 銅損耗 pCu : 5. 輸出功率 P2 :,P1 = T1 p0 = pFepmps PM = P1 p0 = T = Ea Ia pCu = Ia2 Ra P2 = U Ia = PM pCu,1.6 直流發(fā)電機,48,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,功率流程圖,6. 總損耗 p = pCu pFepmps,7. 效率,1.6 直流發(fā)電機,49,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,P2 = UI = 23

20、0100 W = 23 000 W Ia = IIf = (1002) A =102 A pCu=pCua+ pCuf= Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W PM = P2pCu = 25 540.8 W,【例1.6.1】 一并勵直流發(fā)電機，輸出電壓 U = 230 V，輸出電流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115， n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求發(fā)電機的輸出功率P2 、電磁轉(zhuǎn)矩 T、輸入功率 P1 和效率 。 解：,1.6 直流發(fā)電機,50,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,= 2 7

21、19.24 W P1 = PMp0 = (25 540.82 719.24) W = 28 260 W,1.6 直流發(fā)電機,51,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,三、他勵直流發(fā)電機特性,直流發(fā)電機的四個基本物理量： U、Ia、If、n。（n由原動機拖動，保持不變）,運行特性：在U、 Ia 、If 之間，保證其中一個量不變，另外兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系。,（1）n常數(shù)， Ia0， Uof（If）；空載特性,（2）n常數(shù)， If常數(shù)，Uf（Ia）；外特性,（3）n常數(shù)， U常數(shù)，Iff（Ia）；調(diào)節(jié)特性,1.6 直流發(fā)電機,52,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,空載特性,定義：當(dāng) 、 時，,空載特性可以通過實

22、驗的手段得到。,1.6 直流發(fā)電機,53,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。,空載時， 。由于 ，因此空載特性實質(zhì)上就是 。由于 正比于 ，所以空載特性曲線的形狀與電機的空載磁化特性曲線形狀相同。,空載特性,1.6 直流發(fā)電機,54,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,由電壓平衡方程式 U = EaIa Ra,當(dāng) Ia,Ia Ra Ea (電樞反應(yīng)),2、外特性 U = f (Ia ),n = nN If = IfN,外特性,1.6 直流發(fā)電機,55,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,電壓調(diào)整率,( 5% 10% )

23、,1.6 直流發(fā)電機,56,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,【例1.6.2】 一他勵直流發(fā)電機， PN = 10 kW， UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通 保持不變，求 1 000 r/min 時的空載電壓 U0 和 900 r/min 時的滿載電壓 U 。 解：在 nN 和 UN 時的電樞電流,U0 = Ea = UNRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在 保持不變時， Ea n,U = EaRa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V,1.6 直流發(fā)電機,57,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,四、并勵直

24、流發(fā)電機, U ,Ea ? Ea ? 1. 自勵條件 (1) 主磁極必須有剩磁r ：,r,Er,Ifr,EaEr,與r 方向相同,EaEr,與r 方向相反,(2) 勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EaEr, IfIfr, ,Ea , U0 與 If 既應(yīng)滿足空載特性又應(yīng)滿足歐姆定律。,Ea,1.6 直流發(fā)電機,58,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,當(dāng) Rf Rk 時， Ea Er ， 能夠自勵。 當(dāng) Rf = Rk 時， Ea不確定，不能自勵。 當(dāng) Rf Rk 時， EaEr，不能自勵。 (3) 勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。,Uf =IfRf,勵磁回路場阻線：,場阻線的斜

25、率：,= Rf,RfRk,1.6 直流發(fā)電機,59,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.6 直流發(fā)電機,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,綜上所述，并勵發(fā)電機的自勵條件是： 1）氣隙中必須有剩磁； 2）勵磁磁動勢與剩磁磁場的方向必須相同； 3）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。,60,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,2. 外特性,I = Ia If U = Uf U = Ea IaRa,I ,Ia ,IaRa Ea (電樞反應(yīng)) Uf , ,U,外特性 U = f ( I ),并勵,(1) 負載增加時， U 下降較快。 U% 20%30%,1.6 直流發(fā)電機,61,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,(2) 外特性有拐彎現(xiàn)

26、象。,RfZ I (Ia) U ,RfZ U If , Ea (較大幅度) U 的下降比 RfZ的減少得更快,RfZ U I , RfZ = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 較小。,1.6 直流發(fā)電機,62,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,五、復(fù)勵發(fā)電機,分為積復(fù)勵和差復(fù)勵 2. 對于積復(fù)勵發(fā)電機 (1) 平復(fù)勵發(fā)電機 當(dāng) I = IN 時的 UN = U0 。 (2) 超復(fù)勵發(fā)電機 當(dāng) I = IN 時的 UNU0 。 (3) 欠復(fù)勵發(fā)電機 當(dāng) I = IN 時的 UN U0 。,1.6 直流發(fā)電機,復(fù)勵發(fā)電機的勵磁繞組包括并勵和串勵兩部分。,63,河南工業(yè)大學(xué)電氣

27、工程學(xué)院,1.7 直流電動機,第1 章 直流電機的基本理論,直流電動機完成的是電能向機械能的轉(zhuǎn)換。 與直流發(fā)電機相同，直流電動機的勵磁方式可以是他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。 本節(jié)以他勵直流電動機為例，推導(dǎo)直流電動機的基本方程式。,64,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.7 直流電動機,一臺電機既可作為發(fā)電機運行，又可作為電動機運行， 這就是直流電機的可逆原理。 以他勵電機為例，一臺他勵直流發(fā)電機并聯(lián)于直流電網(wǎng) 上運行，U保持不變，減少原動機的輸出功率，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 下降。當(dāng)n下降到一定程度 時，使得Ea=U，此時Ia=0， 發(fā)電機輸出的電功率P2=0， 原動機輸入的機械功率僅僅 用來補償電機的空載損耗

28、 po 。,一、直流電機的可逆原理,65,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,保持電網(wǎng)電壓 不變，繼續(xù)降低原動機的 ，將有 ， 反向，這時電網(wǎng)向電機輸入電功率，電機進入電動狀態(tài)運行。同理，上述的物理過程也可以反過來，使電機從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變到發(fā)電機狀態(tài)。,1.7 直流電動機,66,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,EaU,Ea=U,EaU 電動機,1.7 直流電動機,67,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,T1,EaU,Ea=U,EaU,1.7 直流電動機,68,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,二、直流電動機基本方程式,勵磁電壓 Uf If,外加電壓 UIa, T,n,1. 電壓平衡方程式 勵磁電路： Uf = Rf If 電

29、樞電路： U = Ea + Ia Ra,Ea,1.7 直流電動機,69,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,穩(wěn)態(tài)電樞電流 Ia 由誰確定？,T = CT Ia ， U = Ea + Ia Ra 例如：負載不變 ( T 不變)，U (Ra) 變化時， Ia 變化否（設(shè) 不變）？,U (或Ra),瞬間 n 不變 Ea 不變,Ia ,T , TTL,Ea ,Ia ,T ,T = TL,Ia不變,結(jié)論：Ia 的大小取決于負載的大小。 當(dāng) Ia= IaN 時為滿載，當(dāng) IaIaN 時為過載。 規(guī)定短時過載的最大電樞電流： Iamax =(1.5 2)IaN,1.7 直流電動機,70,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,2.

30、 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 T = T0 + T2 或 T = T0 + Tm,3. 功率平衡方程式 (1) 輸入功率 P1 P1 = U Ia (2) 銅損耗 pCu pCu = Ia2 Ra (3) 電磁功率 PM PM= P1 pCu 推導(dǎo)： U Ia = ( Ea Ia Ra) Ia = Ea Ia Ia2 Ra,PM = Ea Ia,1.7 直流電動機,71,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,PM = Ea Ia = Ce n Ia,= T,= CT Ia,功率流程圖,(4) 空載損耗 p0 p0 = pFepmps,(5) 輸出功率P2 P2 = PM p0 = T2,1.7 直流電動機,72,河南

31、工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,(6) 總損耗 p = pCu pFepmps (7) 功率平衡方程式 P1 P2 = p (8) 效率,1.7 直流電動機,73,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,三、 他勵（并勵）直流電動機特性,工作特性， 是指在UUN，IfIfN時， 轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率隨輸出功率P2而變化的關(guān)系。,運行特性,轉(zhuǎn)速特性 轉(zhuǎn)矩特性 效率特性,機械特性,電壓、勵磁、轉(zhuǎn)子電樞回路總電阻均為常數(shù)的情況下，電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。分為自然機械特性和人工機械特性。,1.7 直流電動機,74,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1、轉(zhuǎn)速特性 n = f(Ia),定義：當(dāng) 、 、電樞回路無外串電阻時， 的

32、變化關(guān)系。,1.7 直流電動機,由 U=Ea+IaRa 和 Ea=Cen 可得： 當(dāng)電樞電流Ia增加時，若氣隙磁通不 變，則轉(zhuǎn)速n將隨Ia的增加而線性下降。 如圖紅線所示。由于電樞繞組電阻壓降 很小，因此轉(zhuǎn)速下降不多。如果考慮電 樞反應(yīng)的去磁作用，隨電樞電流的增 大而略有減小，轉(zhuǎn)速下降會更小些，甚 至?xí)仙?75,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,2、轉(zhuǎn)矩特性 T=f(Ia),定義：當(dāng) 、 、電樞回路無外串電阻時， 的變化關(guān)系。,根據(jù)轉(zhuǎn)矩表達式 T =C T I a可知，磁路不飽和時，氣隙磁通不變，T 與I a成正比，轉(zhuǎn)矩特性為一條直線；,電流Ia較大時考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，特性曲線可能偏離直線略

33、有下降。如圖所示。,1.7 直流電動機,76,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,3、效率特性 =f(Ia),定義：當(dāng) 、 、電樞回路無外串電阻時， 的變化關(guān)系。,由方程式可得,1.7 直流電動機,總損耗p中，空載損耗p0不隨電樞電流Ia的變化而發(fā)生變化，稱為不變損耗，電樞回路銅損耗pCua隨Ia2成正比變化，稱為可變損耗。,77,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,可見， 當(dāng)可變損耗等于不變損耗時，其效率最高。 效率特性的這一特點具有普遍意義，可適用于各種電機。 設(shè)計制造電機時，通常要求在額定運行時的效率最高，不難得出， UNINPN=2I2NRa， 則可得到：,1.7 直流電動機,78,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)

34、院,機械特性,n,4. 機械特性 n=f(T),式中n0是理想空載轉(zhuǎn)速，是機械特性的斜率，如圖所示，機械特性是一條向下傾斜的直線。,1.7 直流電動機,定義：當(dāng)U=常數(shù)、If=常數(shù)、電樞回路外串電阻為常數(shù)時，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即 n = f ( T ) ，是電動機的一個重要特性。,由 Ea=Cen 和 U=Ea+IaRa 可得：,79,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.7 直流電動機,若直流電動機轉(zhuǎn)速隨負載轉(zhuǎn)矩變化不大，我們稱其機械特性為硬特性，反之稱為軟特性。,機械特性,TN,nN,80,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,【例1.7.1】 一并勵電動機，UN = 110 V， IN = 12.5

35、 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。 求該電機的 P2 、PM、P1 、p 和 。 解：,PM = P2p0 = (1 067.6143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 375 W p = P1P2 = (1 3751 067.6) W = 307.4 W,1.7 直流電動機,81,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,【例1.7.2】 一臺四極他勵直流電機，a=1，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=372，電樞回路總電阻Ra=0.208。當(dāng)此電機運行在電源電壓U = 220 V， 電機的轉(zhuǎn)速nN = 1 500

36、r/min ，氣隙每極磁通=0.011Wb，此時電機的鐵損耗pFe=362W，機械摩擦損耗pm=204W(忽略附加損耗）。問： （1）該電機運行在發(fā)電機狀態(tài)，還是電動機狀態(tài)？ （2）電磁轉(zhuǎn)矩是多少？ （3）輸入功率和效率各是多少？,1.7 直流電動機,(1)先計算電樞電動勢Ea。,EaU，所以電機運行于電動機狀態(tài)。,解:,82,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,(2)電磁轉(zhuǎn)矩,P1 = U Ia = 22074W = 16 280 W P2= PMpFepm= 15 140.4362204=14 574 W p = P1P2 = (16 28014 574) W = 1 706 W,1.7 直流電動機

37、,PM = Ea Ia,= 74 A,= 96.38 Nm,(3)輸入功率和效率,= 204.674 = 15 140.4W,83,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,【例1.7.3】 他勵直流電動機，銘牌數(shù)據(jù)如下：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000r/min,電樞回路電阻Ra=0.15，求 （1）CeN， CTN； （2）額定電磁轉(zhuǎn)矩TN； （3）額定輸出轉(zhuǎn)矩T2N； （4）空載轉(zhuǎn)矩T0； （5）理想空載轉(zhuǎn)速n0； （6）實際空載轉(zhuǎn)速n0。,CeN=,1.7 直流電動機,(1),CTN,解:,= 9.55 CeN,=1.966,84,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.7 直流電動

38、機,（2）TN =,CTNIN = 1.96694 = 184.8Nm,（3）T2N=,= 171.9 Nm,（4）T0 =,TNT2N =,12.9 Nm,（5）n0 =,= 1068.5 r/min,（6）n0=,= 1063.7r/min,85,1.8 直流電機換向簡介,第1 章 直流電機的基本理論,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,直流電機的電樞旋轉(zhuǎn)時，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進入另一條支路，元件內(nèi)電流的方向發(fā)生了改變，元件電流改變方向的過程，稱為換向。換向前后的電流大小相等、方向相反。在直流電機中，任何瞬間都有元件在換向。,86,一、換向過程,元件1,2i a,1,2,3,16,河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,1.7 直流電機換向簡介,右圖表示一單疊繞組元件的換向過程。 假設(shè)換向元件編號為1， 電刷寬度等于換向片寬度， 電樞繞組以線速度va向左移 動。圖a中，元件1屬于電 刷右邊的支路，其中的電流 為ia，電刷僅與換向片1接 觸；,圖a 換向開始,圖b 正