第4讲直流电动机-电动势转矩功率课件.ppt

1、第第4讲讲 直流电动机直流电动机_电动势、转矩、功率电动势、转矩、功率（2学时）学时）2013.04.07直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)机械机械负载负载克克 服服反电反电动势动势 直流电动机的电磁关系直流电动机的电磁关系换向换向旋转旋转内容回顾：直流电机的主要结构概述：主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定子定子转

2、子转子电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器换向器：与电刷装置配合：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式内容回顾：直流电机的感应电动势直流电机的感应电动势-电枢绕组内电枢绕组内部（电刷间）的电动势，也就是每条支部（电刷间）的电动势，也就是每条支路的电动势。路的电动势。由于每条支路串联的多个元件处于同一由于每条支路串联的多个元件处于同一磁极下，电动势方向相同，变化规律一磁极下，电动势方向

3、相同，变化规律一致，所以：可先求出每个元件的平均电致，所以：可先求出每个元件的平均电动势再乘以串联元件数。动势再乘以串联元件数。电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩一、感应电动势的计算电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩 一、电枢绕组感应电动势一、电枢绕组感应电动势 电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生的感应电动势。上正、负电刷间产生的感应电动势。设设 电枢角速度为电枢角速度为，当元件轴线从某一磁极转到相邻磁极，当元件轴线从某一磁极转到相邻磁极时，电枢转过的角度为时，电枢转过的角度为则：则：线圈的匝数-2

4、dsin1eeee0aNNttNE电枢转动的机械角速度电枢转动的机械角速度 与感应电动势角频率与感应电动势角频率 e e 的关系的关系磁极对数ppennn602因此直流电机感应电动势为：因此直流电机感应电动势为：由于：并联支路数由于：并联支路数=电刷数电刷数=磁极数磁极数 即：即：并联支路对数（并联支路对数（a）=磁极对数（磁极对数（np）因：电枢绕组每个串联支路的总导体数为因：电枢绕组每个串联支路的总导体数为2N 当并联支路对数为当并联支路对数为a时时 总有效导体边数为：总有效导体边数为：Z=2N*2a 所以：所以：6042ppanNnNnEnCnaZnnaZnEe606044ppa电动势常

5、数电动势常数结论：直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。结论：直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩 产生产生 电枢旋转电枢旋转 n 磁磁 通通 大小大小l 每个导体：每个导体：e=B l vl 导体切割磁场线的线速度：导体切割磁场线的线速度：l 电动势：电动势：一、电枢绕组感应电动势一、电枢绕组感应电动势(另另)ee E v=n2 R60=2N B l v=2N l n 2np 60 l=n2np 60=n 4npN 60 d-旋转半径nddv602E E=2=2NeNe总有效导体边数为：总有效导体边数为：Z

6、=2N Z=2N*2a2anCnaZnnNnEep60604pa电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩 二、电磁转矩二、电磁转矩2B2B)(B 1avavDliDFTDliFilaavaveaava则电磁转矩为，设：电枢直径为为：则：一条边所受电磁力，元件中的电流为为转子长度元件边长密度为每个磁极下气隙的磁通设：电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩二、电磁转矩二、电磁转矩DlnlBnDlBpavpav22;,所以：且：电枢的周长为极距由于：总有效导体边数为：总有效导体边数为：Z=2NZ=2N*2a2aaTapapaaveeaaICIaZnDaIlDlnZD

7、liZZTTaIi22222B2/1所以：总电磁转矩为关系为：导体电路与电枢电流的eeTepTCCCaZnCaZnC55.926060,2p所以：由于电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩三、电磁转矩与电动势的关系三、电磁转矩与电动势的关系递的电磁功率。此即为电机通过气隙传即：所以：aaaeeaeaeeaeaTeIEnICTnICICTICICT602260260260电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性 直流电机可为发电机运行和电动机运行。直流电机可为发电机运行和电动机运行。w当直流电机由外动力拖动

8、，在电枢转轴上输入机械能，当直流电机由外动力拖动，在电枢转轴上输入机械能，电枢感应出电动势，并经电刷转换输出直流电能向负电枢感应出电动势，并经电刷转换输出直流电能向负载供电，感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机载供电，感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运行。运行。w当直流电机电枢输入直流电源电压，此电压经电刷转当直流电机电枢输入直流电源电压，此电压经电刷转换流入电枢绕组，换流入电枢绕组，电枢受电磁转矩作用，电枢受电磁转矩作用，在转轴输在转轴输出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于电枢电压，则电机作电动机运行。电枢电压，则电机作电动机运

9、行。直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性一、直流电动机一、直流电动机模型模型&等效电路等效电路-注意参考方向注意参考方向直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性一、直流电动机一、直流电动机他励电动机的电压方程他励电动机的电压方程aawabaaa2UER IUER I 直流电动机的电枢回路电源电压直流电动机的电枢回路电源电压Ua，电枢绕组的电阻，电枢绕组的电阻Rw，正、负电，正、负电刷的接触电压降为刷的接触电压降为2Ub，由基尔霍夫电压定律可列出电枢回路方程，由基尔霍夫电压定律可列出电枢回路方程 式中式中 Ra 包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻包括电枢绕组和电

10、刷压降的等效电阻 Ea 直流电机感应电动势直流电机感应电动势aeEC naaaaREUI由上式得：稳态时，稳态时，电枢电流电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？稳态时，电枢电流稳态时，电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？在在T、不变时，不变时，由由Te=CT Ia，则，则 Ia 不变不变Ua(Ra)变化时，变化时，Ia 变化否（设不变）？变化否（设不变）？Ua (或或Ra)瞬间瞬间 n 不变不变 E 不变不变Ia T TeT2Ea n Ia Te Te =T2Ia不变不变(新稳态新稳态)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 I

11、aIaN 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=MC IaN过载能力系数。aaaaREUI直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性 并励直流电动机并励直流电动机 励磁绕组与电枢回路并励磁绕组与电枢回路并联，联，共用一个电源，电共用一个电源，电枢回路的电压方程与他枢回路的电压方程与他励时相同，并有励时相同，并有串励直流电动机串励直流电动机 励磁绕组与电枢回路串励磁绕组与电枢回路串联，再与电源连接，此联，再与电源连接，此时时faUUUfaIIIfaIIIf

12、aUUUIa+UIIfMEM Uf Ua+UIIfIa 【例例】某某并励并励直流电动机，直流电动机，UN=220V，IN=12.5 A，nN=3000 r/min，Rf=628，Ra=0.41。求该电机在额定状态下运行时的：。求该电机在额定状态下运行时的：(1)If；(2)Ia；(3)E a；(4)Te。解：解：(1)励磁电流励磁电流 If UfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流电枢电流 Ia Ia=IN If =(12.50.35)A=12.15 A(2)电动势电动势 Ea Ea=UN Ra Ia =(2200.4112.15)V=215 VCT=9.55 CE=0.685

13、Te=CT Ia =0.68512.15 Nm=8.32 Nm (4)电磁转矩电磁转矩CE=EanN2153 000=0.071 7 转矩平衡方程式对于电动机：其中:TL为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩。J为转轴的转动惯量，为电机的转动角速度如果电机恒速转动，惯性转矩为0，则：Te=TL+T0惯性转矩惯性转矩J=m 2 直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性电枢回路输入的电功率电枢回路输入的电功率式中式中 pCua=RaIa2 电枢回路的铜耗；电枢回路的铜耗；Pem=EaIa 电机的电磁功率，且有电机的电磁功率，且有由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式由上式可得电动机电

14、磁转矩的另一种计算公式Cuaem2aaaaaaaaaaapPIRIEIIREIUPeapapapaa22606060TIaZnIaZnnIZnIEnPnPPTemememe55.960/2功率平衡方程功率平衡方程直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性由：由：得：得：即：即：0LeTTT0LeTTT020LempPpPP式中式中 PL 电机的机械负载功率；电机的机械负载功率；p0-电机的空载损耗，电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗包括机械摩擦损耗pm和铁心损耗和铁心损耗pFe。上式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。上

15、式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。直流电动机电动运行时的功率关系如图直流电动机电动运行时的功率关系如图%100602122222PPnTTPP因此，电机的效率且：电机输出功率 【例例】一并励电动机，一并励电动机，UN=110 V，IN=12.5 A，nN=1 500 r/min，TL=6.8 Nm，T0=0.9 Nm。求该电机的求该电机的 P2、Pe、P1 和和 。解：解：P2P1 =100%6.2860=6.81 500 W=1 067.6 W Pe=P2P0 =(1 067.6143.3)W=1 208.9 W P1=UN IN=11012.5 W=1 375 W2 60P2=TLn 6.2860=0.91 500 W=143.3 W 2 60P0=T0n 1 067.61 375=100%=77.64%作业：P50-3.6，3.7,3.8Class discussion