电机学-第5篇-直流电机课件.ppt

1、 11/19/20221 第一节.直流电机的工作原理 第二节.直流电机的铭牌数据 第三节.直流电机的绕组*第四节.直流电机的励磁方式及磁场 第六节.感应电动势和电磁转矩的计算 第七节.直流电机的运行原理 第八节.直流电机的换向*11/19/2022211/19/20223一、直流电动机的工作原理一、直流电动机的工作原理1.皮萨电磁力定理皮萨电磁力定理 通电导体在磁场中受力：设大小大小：方向方向：左手定则 Bilf）导体的有效长度（）导体中的电流（）磁感应强度（mlAimwbB2/lB垂直于11/19/202242.2.电磁力形成转矩电磁力形成转矩v当电流：a流入，x流出，逆时针受力 vA边转过

2、中性面后，若电流不变，顺时针受力v交变的电磁转矩，转子摆动，而不转11/19/20225v关键：换向：将流过线圈中的电流方向及时的 加以变换。当线圈通过中性面中性面时，改变线圈中电流方向则转矩方向不变。换向由换向器配合电刷进行11/19/20226二、直流发电机的工作原理本质本质：导体切割磁力线产生感应电势图中：导体ab在N极下产生电势：ba 在S极下产生的电势：ab 输出电势为交流 11/19/20227关键关键：换向 线圈与外电路在适当位置交换连接。图中：A始终“”；B始终“”电刷输出：大小变化，方向不变的脉振磁势。实质：带换向器的交流发电机。可逆原理：直流电动势电枢中交变电动势换向器，电

3、刷发电机电动机 11/19/2022811/19/20229三、结构三、结构两大部分（定子、转子）1.静止部分定子v 作用：(产生磁场)v 组成：主磁极主磁极：铁心线圈，线圈中通入励磁电流(直流电)主生磁场 换向极换向极：位置：在两主磁极之间；作用：改善换向机座：固定主磁极、换向极等；磁路的一部分电刷装置电刷装置：换向11/19/2022102.2.转动部分转动部分转子（转子（电枢电枢）v 作用：产生电磁转矩和感应电势 组成：电枢铁心电枢铁心：作用：磁路，嵌放绕组材料：硅钢片电枢绕组电枢绕组：主电路，机电能量转换关键部件换向器换向器：直流 交流发电机中：绕组中的交流电势电刷上的直流电势输出电动

4、机中：输入直流电流绕组中的交流电流11/19/20221111/19/20221211/19/20221311/19/20221411/19/202215v 额定功率：v 额定电压：v 额定电流：v 额定转速：v 额定励磁电压：v 额定励磁电流：v 励磁方式)(kwPN)(VUN)(AINmin)/(rnN)(VUfN)(AIfNNNNNNNIUPIUP输出电功率发电机输出机械功率电动机:11/19/20221611/19/202217序v电动机：绕组中流过电流，产生电磁转矩，使线圈在磁场里转动，在线圈中产生反电动势，吸收功率。电能 机械能v发电机：线圈在磁场里转动产生感应电势，换向引出后接负

5、载，电流流过线圈产生制动的电磁转矩，吸收机械功率。机械能 电能v关键：电枢电枢表面开槽，槽内放绕组：电枢绕组11/19/202218二二.绕组的基本形式绕组的基本形式v元件：即一个绕组v直流电机绕组为双层绕组v一个元件的两个边：一个边放一个槽的上层，另一个边放另一槽的下层。两端子接在两换向片上v两种基本形式：单叠绕组、单波绕组11/19/202219v 11/19/202220v1.单单叠叠绕组绕组特点：单：元件两个端子联接于相邻两个换向片上。叠：后一绕组叠加在前一绕组上（向后移一个槽）第一节距：元件跨距 （槽数）换向节距：上层元件边与下层元件边所联接 的两个换向片间的距离。1yky11/19

6、/202221v单叠绕组：yk=1第k+1元件的首端与第k元件末端连于一点，并连到第k个换向片上 双层绕组双层绕组：元件数S换向片数K 槽数Q绕组展开图绕组展开图：上层元件边（首端）实线 下层元件边（末端）虚线 相邻元件依次串联，形成闭合回路。11/19/202222NS1y1 231ky联接的情况单叠绕组元件在电枢上图15111/19/202223例例：直流电动机，N极：磁力线进入纸面S极：磁力线穿出纸面：电磁转矩方向编号：元件号元件号元件上层边所放槽号槽号上层边所边换向换向片号；片号；所有元件，从某一号换向片出发，绕过电枢一周，形成一闭合回路。12,16,4,1kpQ KSyy11/19/

7、20222416,42161KSp单叠绕组展开图图11/19/202225234567891011121314151611129105613141A2A1B2B要点要点：绕组顺次连接四个支路：a=p四个元件被电刷短路：1,5,9,13不同极面下电流方向相反电刷A1、A2 并联，B1、B2并联11/19/202226v单波绕组单波绕组(了解了解)特点：绕组“一路向前走”一元件的两端子所连两换向片相距很远（即：）绕电枢一周后总的所跨过换向片数为 即：联接到起始换向片的后（或前）一个换向片，即比较：单叠绕组：一步一回头一步一回头，恋恋不舍 单波绕组：大胆向前走大胆向前走，义无反顾个1k1kpyk12

8、kyy11/19/20222711/19/20222811/19/202229v一一.直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式v主磁场主磁场（磁场磁场）：定子绕组通直流电产生v磁场方式：建立磁场的方式v励磁方式分类：他励：其他直流电源对励磁绕组供电 并励：励磁绕组与电枢绕组并联 串励：励磁绕组与电枢绕组串联 复励：两个励磁绕组串励绕组并联绕组11/19/202230 图1-21 直流电机按励磁方式分类 a)他励 b)并励 c)串励 d)复励aUaUaUaUaIfIfU)a)b)c)d11/19/202231v二二.直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场v空载 电动机：无机械功率输出 发电机：无电功率

9、输出总之：电枢电流为零或者很小v磁场分布 主磁通 ：穿过气隙进入定子绕组。回路气隙小，总磁导率较大 漏磁通 ：不穿过气隙，仅与转子绕组交链。回路空间大，总磁导率较小 0011/19/20223211/19/20223311/19/202234一、电枢磁通势一、电枢磁通势空载时空载时：气隙磁场仅由励磁磁通势产生带负载后带负载后：电枢绕组流过的电流在电机形成的磁通势。气隙磁场励磁磁通势电枢磁通势11/19/202235二、电枢反应二、电枢反应：电枢磁势对励磁磁势产生的气隙磁场的影响。v电枢磁场磁力线分布图（简化）v电刷是电枢表面电流分布的分界线v 电枢磁通势轴线总是与电刷轴线重合，与磁极轴线垂直垂

10、直。11/19/202236三、电枢反应作用（两磁场合成）v主磁极磁场分布曲线：v电枢磁场分布曲线：v沿电枢表面逐点相加，合成磁场分布曲线10()xBf x3()xBf x2()axBfx11/19/202237四、电枢反应的影响（结果）比较：可见：1.负载时气隙磁场发生了畸变 物理中性线不再与几何中性线重合2.呈去磁作用 由于磁阻变化的非线性，负载时每极磁通比空载时略有减少。103()()xxBf xBfx11/19/20223811/19/202239v 一.感应电动势的计算v 指一条支路的电势，即电刷间电势 v 推导过程从略，仅给出推导思路v 每极磁通v 一个元件经过一个极面的时间Tv

11、对瞬时电势在时间T内积分得：感应电势平均值v 乘每支路的元件数得：支路电动势v 其中：电势常数v 气隙磁密与导线中v 的感应电动势460 260ayepnSpZENnCnan 60epZCa11/19/202240v不计饱和影响，式中Kf为比例常数v式中v 为机械角度 v 即感应电动势Ea的大小与每极磁通（合成磁通）和电枢转速乘积成正比；如不计饱和影响，它与励磁电流If和电枢机械角速度乘积成正比。ffIKfafffeeaIGnIKCnCEfMfeafKCKCG26011/19/202241二二.电磁转矩的计算电磁转矩的计算v 设气隙中某处径向磁密为 ，元件中电流为ia,则此处元件所受电磁力为

12、v 一个极距内积分得电机的电磁转矩：v 其中：转矩常数xB)(左手定则axyxliBNf242emaaMaZpZTpIICaaI 2MpZCa11/19/202242v不计饱和的影响，式中即：电磁转矩Tem的大小与每极磁通 （合成磁通）和电枢电流Ia的乘积成正比，如不计饱和影响。它与励磁电流If乘积成正比2femaaafpZIGaTI IffMafKapZKCG211/19/20224311/19/2022441.电动势平衡方程式电动势平衡方程式（并励电动机）式中：分别表示电源电压、电枢绕组端电压与励磁绕组端电压 分别表示电枢电流、励磁绕组电流 分别表示电枢回路电阻（含电刷、换向器接触电阻）、

13、励磁回路电阻 分别表示电枢回路电感、励磁回路电感 机械角速度uuudtdiLiRudtdiLiRiGufafffffaaaafafa,:,:,:,:afafafafu uuiiRRLL11/19/202245 直流电机的电磁系统NSuaiafifU011/19/202246v 稳态：则电路中的电磁量电磁量与机械量机械量不是时间的函数，有：v 发电机运行 电磁功率、电枢电流方向与感应电动势方向相同。稳态fffaaaaafafaIRUUIREIRIGUUdtdiLiRudtidLiRiGufffffaaaafafa)()(fffaaaaIRUIRUE11/19/2022472.转矩平衡方程式任一瞬

14、间转矩必须平衡：电动机电动机：电磁转矩Tem输出机械转矩T2空载转矩T0惯性转矩即：稳定后（转速恒定）则：电动机稳态运行的转矩平衡方程式为JdTJdt02emdTTTJdt0JdTJdt02TTTem11/19/202248v发电机发电机在发电机中，原动机的拖动转矩为T1，转矩平衡方程式为：稳定时0101TTTdtdJTTTemem11/19/202249v3.功率平衡方程式v 并励电动机 输入电功率：P1=UI 励磁损耗pCuf(励磁回路的电功率Uif,消耗于电阻Rf中)电枢铜耗pCua,电刷接触损耗pc 输入电动机的电功率P1上述损耗转换为机械功率的电磁功率：Pem=Eiav 从输出看：1

15、()(2)fafa acaaCufCuacemPUIU IIUII rUEIpppP 2emFemecPPpp11/19/202250 图1-40 功率图发电机电动机),)baCufpcpCuapmecpFepFepmecpcpCuapCufp1P电功率emP2P1PemP机械功率2P)a)b机械功率电功率11/19/202251v并励发电机功率平衡关系为：1100222()(2)22emememFemecemaaa acaaaaacafemfaaacCufCuacPTTTPpPppPE IUI rUIUII rIUIIIPUIUII rIUPppp 11/19/202252v定义：v由于Ia

16、测量方便，且Ia随P2的增大而增大，也可表示为v直流电动机工作特性与励磁方式有关2,0,Naff NemU URIIn Tf P,0,Naff NemaU URIIn Tf I11/19/202253v 直流电动机有关公式（方程）如下：2012260aaafffaememMaemaaememFemecCuaCufcUER IUR IECnTTTTCIPE ITT nPpppppP 11/19/202254v转速特性转速特性：v 不计电枢反应的去磁作用，为一个与Ia无关的常数。则转速特性为：v 式中 为理想空载转速v 实际，Ia增加时，总有一定的去磁作。,aeaaaaaeeECn UER IRU

17、nICCaInn00NeaeUnCRC11/19/202255图1-41 并励电动机的接线图 图1-42 并励电动机的工作特性SRrMf,nemTnemT0aNIaI11/19/202256v转矩特性：v转矩特性接近一条直线。v效率特性：v电机的效率为输出功率P2与输入功率之比(用百分值表示)，即：)(aIf%10012PPaemaemMaaITITCIIT 去磁11/19/202257各种损耗各种损耗v铜耗铜耗：消耗在电阻内的损耗电枢回路中的铜耗励磁回路的铜耗电刷接触损耗 正负电刷接触电阻压降（0.62V）可变损耗（随Ia而变）222cuaaaCufffcacpI rpIRpIU2cU11/

18、19/202258v铁耗铁耗：包括涡流铁耗和磁滞损耗。不变损耗。v机械损耗：包括摩擦损耗、通风损耗。在转速变化不大的情况下，也可认为机械损耗是不变的。v附加损耗：又称杂散损耗。估算无补偿绕组的直流电机，约额定容量的1%；有补偿绕组的直流电机，约额定容量的0.5%。p11/19/202259v对于并励电动机对于并励电动机由于U=UN,If=IfN，所以气隙磁通基本保持不变转速变化很小，所以pCuf,pFe,pmec都可认为是不变的如果不计附加损耗 ,则p2112p100%(1-)100%P21100%()FemecCufaaacafPPpppI rIUU II11/19/202260（一）（一）

19、空载运行空载运行 1.空载特性：定义：等价于磁化曲线：00,0Nfn nIUf I00Ef11/19/202261 常用发电机的接线图 a)他励直流发电机b)并励发电机 c)复励直流发电机LR)a)b)cSSSLRLRGGGfUfI11/19/2022622.并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机都是自励发电机，它们不需要外部直流电源供给励磁电流首先是在空载时建立电压即所谓自励，然后才能加以负载。11/19/202263v电机必须有剩磁。v励磁绕组并联到电枢的极性正确（磁通方向一至，磁场增强）v要使电机能顺利地自励建压，还必须使rfrfcr(rfcr为临界值)，两曲线有交点11

20、/19/202264 图1-49 并励发电机的自励磁 1 空载特性 2 励磁电阻线 3 临界电阻线0U0fI321A01ErE001fI02fI011/19/202265v 外特性 定义：无论是他励、并励或复励均有：直流发电机的外特性 1-积复励发电机 2-他励发电机 3-并励发电机 0,NffNn nIIUf I,0NffNn nIIIU 11/19/20226611/19/202267v 在元件由一条支路转入另一条支路的过程中，元件里的电电流流就要改变一次方向。这种元件内电流改变方向的过程，就是所谓换向。11/19/202268一、换向的电磁现象换向的电磁现象 设电刷宽换向片宽，换向过程所经过的时间称为换向周期TK(几千之几秒)，元件中的电流由+ia变换到-ia。产生感应电势（实际换向过程很复杂）二、改善换向的方法装设换向极，也称附加极或间极目的：减少甚至抵消产生附加电流的两个电动势ex+ea，使换向良好11/19/202269 图1-52 电枢元件的换向过程aiaiaiaiaiai121221KvKvKv1 23321321ai 2ai 2ai 211/19/202270