电机与电力电子技术-直流电机-电子课件.ppt

1、直流电机直流电机第二章第二章 直流电机直流电机结束结束2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2.3 直流电机电枢电动势、电磁转矩及电磁功率直流电机电枢电动势、电磁转矩及电磁功率 2.5 直流发电机运行原理直流发电机运行原理2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构2.1.1 直流电机工作原理直流电机工作原理 产生电能要两个必要条件：有一个磁产生电能要两个必要条件：有一个磁场存在；导体切割磁场磁力线，场存在；导体切割磁场磁力线，e=Blv2.直流电动机工作原理直流电动

2、机工作原理基本原理：基本原理：电磁感应定律电磁感应定律基本原理：基本原理：电磁力定律电磁力定律 产生力矩要两个必要条件：有一个磁场产生力矩要两个必要条件：有一个磁场存在；导体中有电流存在；导体中有电流 f=Bli1.直流发电机工作原理直流发电机工作原理2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构（a）ab边在N极下时图2.1 直流发电机工作原理示意图2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 （b）ab边在S极下时图2.1 直流发电机工作原理示意图2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构（a）ab边在N极下时 图2.2 直流电动机工作原理示意图2.1

3、直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构（a）ab边在N极下时 图2.2 直流电动机工作原理示意图2.1.2 2.1.2 直流电机基本结构直流电机基本结构2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构定子：定子：主磁极（励磁主磁极（励磁绕组绕组 主极铁心）主极铁心）换向极（绕组换向极（绕组和铁心）和铁心）机座机座端盖端盖电刷装置电刷装置转子：转子：电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心换向器换向器转轴、风扇转轴、风扇气隙：气隙：定子电枢间定子电枢间的主磁路上的主磁路上13mm2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构定子定子2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工

4、作原理与结构2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构主磁极 2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构转子 2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构转子铁芯 2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构换向器结构 2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构2.1.3直流电机额定值直流电机额定值 额定值额定值 是制造厂对各种电气设备在指定工作条是制造厂对各种电气设备在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备

5、在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长长期可靠地工作期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值铭牌值。2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构1、额定功率、额定功率PN：电机额定工作状况下的：电机额定工作状况下的输出功率输出功率KW发电机发电机是是出线端出线端输出的电功率。输出的电功率。PN=UN IN电动机电动机是是轴上轴上输出的机械功率

6、。输出的机械功率。PN=UN IN N2、额定电压、额定电压UN （V）3、额定电流、额定电流IN （A）4、额定转速、额定转速nN （r/min或或 转转/分钟）分钟）602NNnN为额定旋转角速度，rad/s。2.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构2.1.4 直流电机励磁方式直流电机励磁方式1、他励直流电机、他励直流电机UUfIaIL2、并励直流电机、并励直流电机UUfIaILIf3、串励直流电机、串励直流电机UUfIaILIf4、短复励直流电机、短复励直流电机UIaILIf12.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构5、长复励直流电机、长复励直流电机UIa

7、ILIf12.1 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.2.1 电枢绕组电枢绕组 电枢绕组是机、电能量转换的核心部件，它是由绕组电枢绕组是机、电能量转换的核心部件，它是由绕组元件和换向片组成的闭合回路。元件和换向片组成的闭合回路。1、基本概念、基本概念:多匝线圈多匝线圈端接部分端接部分有效边有效边出线端出线端换向片换向片 （1）元件（线圈）元件（线圈）：两端分别连接两个换向片的一：两端分别连接两个换向片的一匝或多匝线圈匝或多匝线圈（a）单匝单叠；（b）多匝单叠；（c）单匝单波；（d）多匝单波图2.8 电枢绕组元件2.2 直流电机

8、电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场 (2)极距极距：相邻两极间的距离，用长度：相邻两极间的距离，用长度cm或槽或槽数表示数表示.(3)叠绕组与波绕组叠绕组与波绕组（a）叠绕组（b）波绕组（5）元件数和换向片数）元件数和换向片数元件数元件数S=换向片数换向片数K（6）虚槽数和实槽数）虚槽数和实槽数每槽每层放一个元件边每槽每层放一个元件边元件数元件数S=实槽数实槽数Z每槽每层放每槽每层放n个元件边个元件边元件数元件数S=虚槽数虚槽数Zi=n Z（4）双层绕组）双层绕组2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场（7）绕组的第一节距）绕组

9、的第一节距Y1Y1：一个元件两个有效边在电枢表面的距离，一个元件两个有效边在电枢表面的距离，用用槽数表示槽数表示Y1Y1 =Zi/2p其中其中Zi：虚槽数；：虚槽数；p：极对数：极对数Y1=，称整距绕组，称整距绕组Y1 ，称长距绕组，称长距绕组上一张上一张下一张下一张结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场（8）绕组的第二节距）绕组的第二节距Y2 Y2：两个相串联元件中，前一元件的下元件两个相串联元件中，前一元件的下元件边与后一元件的上元件边的距离。边与后一元件的上元件边的距离。（9）合成节距）合成节距Y Y：两个相串联元件对应两个相串联元件对应边的距离边的距离（10）换向

10、器节距）换向器节距Yk Yk：一个元件的两个出线端连接一个元件的两个出线端连接的两个的两个换向片之间的距离。换向片之间的距离。Y=YkY2YYk2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.单叠绕组单叠绕组特点：特点：Y=Yk=1 例例2-1：一直流机：一直流机S=K=Ze=16，2P=4，画出双，画出双层单叠绕组。层单叠绕组。（1）计算计算Y=Yk=1Y1=Z/2P=16/4=4（整距）（整距）上一张上一张下一张下一张结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场（2）编制绕组连接表编制绕组连接表 1）对元件编号；）对元件编号；上边槽号上边槽号下边槽号下边槽号5116

11、227338495 6 7 8 9 10411121314151610111213141516 1 2 3上一张上一张下一张下一张 3）连接元件（）连接元件（y1=4)。2）对槽编号；）对槽编号；结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场（3）画绕组展开图画绕组展开图先对槽编号；先对槽编号；1号元件上边放号元件上边放1号槽，用实线；号槽，用实线；下边放在下边放在+Y1（5）号槽，用虚线表示；其余元）号槽，用虚线表示；其余元件依此放置件依此放置S N S N BB线圈线圈V123589 10411 12 13 14 15 1667216151345678910 1112 13

12、14 152.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场（4）绕组并联支路图绕组并联支路图电枢输出总电势等于支路电势；电枢输出总电势等于支路电势；电枢输出总电流等于各条支路电流之和。电枢输出总电流等于各条支路电流之和。上一张上一张下一张下一张23487610111216151459131+-上下上下结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场（4）绕组并联支路图绕组并联支路图单叠绕组中：并联支路数单叠绕组中：并联支路数=极数，即极数，即2a=2p其中其中a:并联支路对数；并联支路对数；P：极对数极对数上一张上一张下一张下一张23487610111216151459131+

13、-上下上下结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场结论：结论：单叠单叠绕组绕组并联支路数多，每个支路里的元并联支路数多，每个支路里的元件数少，适用于件数少，适用于较低电压、较大电流较低电压、较大电流的电机。的电机。实际应用中还有实际应用中还有单波、单波、复叠、复波以及混合复叠、复波以及混合绕组等。绕组等。播放直流电机视频2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.2.2 直流电机内的磁场直流电机内的磁场1、空载磁场、空载磁场主磁通主磁通漏磁通漏磁通上一张上一张下一张下一张结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场上一张上一张下一张下一张结束结束

14、2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场上一张上一张下一张下一张 气隙磁密波形图气隙磁密波形图Bav 0 b b B m结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场图2.14 直流电机电枢磁场2.电枢建立的磁场电枢建立的磁场 及电枢反应现象及电枢反应现象2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场图2.15 电枢反应现象磁场分布3.磁化曲线磁化曲线 电机主磁通与励磁电流的关系；可以计电机主磁通与励磁电流的关系；可以计算或实验测定；算或实验测定；If气隙线气隙线abc上一张上一张下一张下一张If小时铁心不饱和

15、，小时铁心不饱和，F主要作用在气隙上主要作用在气隙上结束结束2.2 直流电机电枢绕组与磁场直流电机电枢绕组与磁场2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率2.3.1 电枢电枢电电动动势势1.气隙磁密的分布气隙磁密的分布将气隙磁密波等效将气隙磁密波等效为矩形波。为矩形波。Bav 0avdb1BB 0每极下主磁通为：每极下主磁通为：lBav 磁极有效长度磁极有效长度上一张上一张下一张下一张2.电枢导体电势电枢导体电势BavB AV 导体导体A在磁场中运动，在磁场中运动，其中会感应电势其中会感应电势eav。VlBeavav导体速度导体速度导体长度导体长度

16、NST1n2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率23487610111216151459131 电枢绕组任何时刻都由电枢绕组任何时刻都由2a个并联支路构成；当个并联支路构成；当为整距为整距绕组，且电刷在几何中性线时，电枢绕组绕组，且电刷在几何中性线时，电枢绕组 总电势总电势=每条每条支路中所有串联导体感应支路中所有串联导体感应电势之和。电势之和。电枢绕组有电枢绕组有S个元件，每元件匝数为个元件，每元件匝数为Nk，则则电枢电枢绕组绕组 总总导体数导体数N=2SNk每条每条支路支路的的导体数为：导体数为：N/2a下一张下一张2.32.3 直流电机直

17、流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率电枢绕组电势电枢绕组电势Ea为：为：VlBa2Nea2NEavava 用磁通表示用磁通表示用转速表示用转速表示每极下主磁通为：每极下主磁通为：lBav lBav P260nV P260nlla2NVlBa2NEava nCnaNPEea60上一张上一张下一张下一张Ce称为电动势常数称为电动势常数2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率nCna60NPEea Ce=NP/60a:叫电势常数叫电势常数:每极磁通量每极磁通量n:电机转速电机转速N(z):绕组总导体数绕组总导体数P:极对数极

18、对数a:绕组并联绕组并联支路对数支路对数结论：结论：1、电枢绕组电势与磁电枢绕组电势与磁通、转速成正比。通、转速成正比。2、Ea表达式虽然在整距表达式虽然在整距绕组情况下推导出，但绕组情况下推导出，但对短距、长距也适用。对短距、长距也适用。3、若、若电刷不在几何中性电刷不在几何中性线时，线时，Ea将减小。将减小。上一张上一张下一张下一张2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率2.3.2直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩1.每根导体电磁力矩每根导体电磁力矩Bavb Af导体导体A通电流通电流ia，其在其在磁场中受电磁力磁场中受电磁力fav。aav

19、avilBf 导体长度导体长度当当电枢导体中有电流通过时，电枢导体中有电流通过时，该导体在磁场中就产生电磁力。该导体在磁场中就产生电磁力。该根导体的电磁力矩：该根导体的电磁力矩：aavavavilB2D2DfT SNTavD为电枢直径为电枢直径2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率该根导体的电磁力矩：该根导体的电磁力矩：aavavavilB2D2DfT SNTav)(2;2;电枢直径PDaIilBaaav电枢总电流电枢总电流aaavIa2Pa2Ill2P2T 上一张上一张下一张下一张2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电

20、磁转矩及电磁功率及电磁功率aaavIa2Pa2Ill2P2T 2.电枢绕组总电磁力矩电枢绕组总电磁力矩总电磁力矩总电磁力矩Tem=总导体数总导体数 TavaTaemICIa2PNT 转矩常数转矩常数NSTem3.Ce、CT的关系的关系eTC55.9a60NP260a2NPC 上一张上一张2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率2.3.3 直流电机的电磁直流电机的电磁功率功率2.32.3 直流电机直流电机电枢电枢电动势电动势、电磁转矩电磁转矩及电磁功率及电磁功率aaaaaTememIEnIapNnIapNnICTP6060226022.4.1 2.

21、4.1 直流电动机的平衡方程直流电动机的平衡方程1、电动势方程、电动势方程U、I正方向如图，正方向如图，Ea为反电势为反电势U=Ea+IaRa电枢总等效内阻电枢总等效内阻电枢感应电枢感应电势电势Ea=Ce n上上 下下结束结束2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2、转矩方程、转矩方程 电磁转矩为拖动转矩，负载和空载转矩为制动电磁转矩为拖动转矩，负载和空载转矩为制动转矩。转矩。稳定运行时转矩方程为：稳定运行时转矩方程为：Tem=T2+T0=TL电磁转矩电磁转矩=CT Ia空载转矩空载转矩负载转矩负载转矩上上 下下结束结束输出转距输出转距2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理3 3、

22、功率方程功率方程1）输入功率）输入功率)II(UUIPfa1cufafapUIUIUI励磁损耗励磁损耗2）电枢功率）电枢功率aIaaaRIEUcuemaaaaapPRIIEUI2电枢功率分为电枢功率分为电磁功率电磁功率和和电枢铜耗。电枢铜耗。上上 下下结束结束2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理cubcuaCuppppcub为电刷接触损耗为电刷接触损耗3）电磁功率的分配）电磁功率的分配02TTTem02TTTem02pPPem输出机械功率:TP22电磁功率:aaememIETP空载损耗功率:Tp00adppppFemec0机械损耗机械损耗铁损耗铁损耗附加损耗附加损耗其中：其中：2.4

23、直流电动机运行原理直流电动机运行原理4）总功率的分配）总功率的分配201PppppPcubcuacuf总损耗总损耗 p效率：效率：%100PP12功率流程功率流程:2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理直流电动机的基本方程小结：直流电动机的基本方程小结：电势：电势：U=Ea+IaRa转矩：转矩：Tem=T2+T0功率功率:P1=pcuf+pcu+p0+P2P1P2PcufGIfNST2T0nEaIaUpcuPemp02.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理Tem2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2.4 直流电动机运行原理直流电动机

24、运行原理2.4.2 2.4.2 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 电动机的转速电动机的转速n、电磁转矩、电磁转矩Tem、效率、效率 与与电枢电流电枢电流Ia的关系叫工作特性。的关系叫工作特性。包含有以下几种：包含有以下几种：转速特性：转速特性：n=f(Ia）转矩特性：转矩特性：Tem=f(Ia）效率特性：效率特性：=f(Ia）机械特性：机械特性：n=f(Tem)上上 下下 转速与电磁转矩之间的关系称为电动转速与电磁转矩之间的关系称为电动机的机械特性。机的机械特性。结束结束2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理B）数学表达式）数学表达式：电势：电势：U=Ea+IaRa且且Ea=Ce

25、 nn=UNCe RaCe Ia=n0-IaUN式中：式中：n0=Ce 理想空载转速理想空载转速=RaCe 斜率斜率nIa0n0 电机实际空载运行时存在电机实际空载运行时存在T0，Ia0 0，实际空载实际空载转速转速n0 n0Ia01、转速特性：、转速特性：n=f(Ia）A）条件：）条件：U=UN,If=IfNT2NTemT0nEaIa+-UGIfI2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理C）转速变化率）转速变化率 n：nIa0n0IaNnN n=n0-nN nN 100%他、并励电机他、并励电机 n=（28）%上上 下下结束结束D）考虑电枢反应的去磁效应，转速有可能）考虑电枢反应的去磁效

26、应，转速有可能要上升？要上升？2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2、转矩特性：、转矩特性：Tem=f(Ia）A）条件：）条件：U=UN，If=IfNTem=CT IaTIa0上上 下下B）数学表达式：）数学表达式：C）考虑电枢反应的去磁效应，曲线如何？）考虑电枢反应的去磁效应，曲线如何？2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理3、效率特性：、效率特性：=f(Ia）A）条件：）条件：U=UN，If=IfN =P2 p1 100%=P1-pcua-p0 p1 100%=P1-Ia2 Ra-p0 p1 100%pcua：可变损耗：可变损耗；p0：不变损耗：不变损耗 Ia02.4 直流电

27、动机运行原理直流电动机运行原理2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2.4.3 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理2.5 直流发电机运行原理直流发电机运行原理2.5.1 直流发电机的平衡方程aaaRIUEEa=CenaTemICTT1=Tem+T02.5 直流发电机运行原理直流发电机运行原理所以，功率平衡方程所以，功率平衡方程P1=?Pem还等于什么？还等于什么？2.5 直流发电机运行原理直流发电机运行原理2.5.2 直流发电机的工作特性直流发电机的工作特性 空载特性 1.空载特性空载特性前提：前

28、提：n=nNIa=0电枢电动势定义？电枢电动势定义？2.5 直流发电机运行原理直流发电机运行原理外特性 2.外特性外特性前提：前提：n=nNIf=IfN1、电压平衡方程？、电压平衡方程？2、为何不是一条下倾的直线？、为何不是一条下倾的直线？3、并励时为何端电压下降更快？、并励时为何端电压下降更快？本章思政：本章思政：西门子与直流电机西门子与直流电机1、1866年，西门子人生最大成就：发明直流发电机年，西门子人生最大成就：发明直流发电机 -电气时代到来的标志电气时代到来的标志2、1879年，西门子公司的直流电动机驱动的世界第一年，西门子公司的直流电动机驱动的世界第一 台电动汽车（电机车）台电动汽车（电机车）-首次应用直流电动机首次应用直流电动机 -四轮电动汽车首次出现四轮电动汽车首次出现 伟大成就！伟大成就！如何造就？如何造就？（1）兴趣（探究）；（）兴趣（探究）；（2）合作（互补）。）合作（互补）。