第3章-直流电机原理-电机与拖动基础-课件-.ppt

1、第第3章章 直流电机原理直流电机原理 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号 直流电机的磁路直流电机的磁路 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢电动势与电磁转矩电枢电动势与电磁转矩 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 直流电机的换向直流电机的换向 3.1 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途直流电机的特点：直流电机的特点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影直流发电机的电

2、势波形较好，对电磁干扰的影响小。响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。大。易于控制，可靠性较高易于控制，可靠性较高 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高由于存在换向器，其制造复杂，价格较高abcdNS3.1.2 基本工作原理基本工作原理1、直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理电刷电刷换向片换向片转子、绕组转子、绕组定子定子f=Bli e=Blv直流发电机运行时的几点结论：直流发电机运行时的几点结论：1）电枢线圈内电势、电流方向是交流电；）电枢线圈内电势、电流方

3、向是交流电；2）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电）电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；流方向一致；3）从空间看，）从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；是恒定不变的磁场；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相反，与转子转向相反，是制是制动性质。动性质。abcdNSU2、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理IIffabcdNSUIIffeeeef=Bli e=Blv直流电动机运行时的几点结论：直流电动机运行时的几点结论：1）外施电压、电流是直流，）外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流电枢线圈内电流是交流；是交流；2）线圈中感

4、应电势与电流方向相反；）线圈中感应电势与电流方向相反；3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；）线圈是旋转的，电枢电流是交变的；4）产生的电磁转矩）产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动与转子转向相同，是驱动性质。性质。结结 论论一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机远行。也可以作为发电机远行。同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为这种原理，在电机理论中称为可逆原理可逆原理。3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号主磁极主磁极换向磁极换向磁极电刷装置电刷装置

5、机座机座端盖端盖定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴转轴轴承轴承直流电机直流电机3.2.1 主要结构主要结构1、定子部分、定子部分（1）主磁极主磁极1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座主磁极铁心用主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压而成。厚的钢板冲片叠压而成。4 444转子转子（2）换向极）换向极1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组换向极铁心一般用整块钢换向极铁心一般用整块钢或钢板板叠片加工而成。或钢板板叠片加工而成。换向极绕组与电枢绕组串换向极绕组与电枢绕组串联。联。作用作用：改善换向。：改善换向。（3）机座）机座作用：作用：v 一是用来

6、固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支一是用来固定主磁极、换向极和端盖等，起机械支承的作用；承的作用；v 二是作为电机磁路的一部分。二是作为电机磁路的一部分。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。（4）电刷装置）电刷装置电刷的电刷的作用作用是把转动的电枢是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。流或逆变器的作用。4刷握刷握3电电刷刷2压紧弹簧压紧弹簧1铜丝辫铜丝辫2、转子部分、转子部分（1）电枢铁心电枢铁心作用：作用：v 一是作为电机主磁路的主要部分；一是作为电机主磁路的主要部分；v 二是

7、嵌放电枢绕组。二是嵌放电枢绕组。为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。绝缘漆的硅钢片叠压而成。（2）电枢绕组电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。以实现机电能量转换的关键部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形线圈用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕成

8、，嵌放在电抠截面导线绕成，嵌放在电抠槽内，上下层之间以及线圈槽内，上下层之间以及线圈与铁心之间都要妥善地绝缘。与铁心之间都要妥善地绝缘。然后用槽楔压紧，再用钢丝然后用槽楔压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，以防止离或玻璃丝带扎紧，以防止离心力将绕组甩出槽外。心力将绕组甩出槽外。（3）换向器换向器作用：作用：是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转变电流，在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。换为电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向换向器由许多换向片组成。换向片之片组成。换向片之间

9、用云母绝缘。电间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在圈两端分别焊接在两个换向片上。两个换向片上。直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成直流电机直流电机定子定子转子转子机座机座换向极换向极主磁极主磁极电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴电枢绕组电枢绕组额定容量额定容量PN：输出功率，单位输出功率，单位kW额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压，单位：额定状态下出线端电压，单位V额定电流额定电流IN：额定状态下出线端电流，单位：额定状态下出线端电流，单位A额定转速额定转速nN：

10、额定状态下的电机转速，单位额定状态下的电机转速，单位r/min直流发电机：直流发电机：PNUN IN直流电动机：直流电动机：PNUN IN 额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。额定励磁电压、额定励磁电流和励磁方式等。NNNNNNNnPnPPT55.96022 电动机轴上输出电动机轴上输出的额定转矩：的额定转矩：3.2.2 电机的铭牌数据电机的铭牌数据3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性3.3.1 直流电机的磁路直流电机的磁路直流电机空载时的磁场分布直流电机空载时的磁场分布磁路从磁路从气隙气隙1出发经出发经电枢电枢齿电枢轭电枢齿

11、齿电枢轭电枢齿2气气隙隙2主磁极主磁极2定子轭主定子轭主磁极磁极1，最后又回到最后又回到气隙气隙1每极磁势：每极磁势：ffNIF mfmmmamtmfRRRRRF2222ffNIF mtRmRmaRmmRmfR：气隙磁阻：气隙磁阻：电枢齿磁阻：电枢齿磁阻：电枢磁轭磁阻：电枢磁轭磁阻：主磁极磁阻：主磁极磁阻：定子磁轭极磁阻：定子磁轭极磁阻：主磁极磁通势：主磁极磁通势3.3.2 3.3.2 空载时气隙磁通密度的分布波形空载时气隙磁通密度的分布波形由上图得：由上图得：mfmfRFRF22imlR0而上式中分子为气隙；分母为空气导磁系数、磁管宽度和电机轴长li为面积整理可得：fixFlB0在一个磁极的

12、范围内，励磁磁势大小一样，在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，B大小完全与气隙长度成反比。大小完全与气隙长度成反比。在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于密等于0。Bl极距极距3.3.3 空载磁化特性空载磁化特性 为了感应电动势或产生电磁为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通定量的每极

13、磁通 ，空载时，气，空载时，气隙磁通隙磁通 与空载磁通势与空载磁通势 或空或空载励磁电流载励磁电流 的关系，称为直流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。电机的空载磁化特性。0 0 0fF0fI 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定一般直流电机额定运行时，额定磁通磁通 设定在图中设定在图中A点，即在磁点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位化特性曲线开始进入饱和区的位置。置。N fNI0fF0fIfFfIA0N 0 3.3.4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式+Ua+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励1.直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式

14、分类MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2.直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类自自励励他他励励串串励励复复励励并并励励GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求：在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前前提下，所消耗的有效材料最省，提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电强度高（机械、电气、热），气、热），运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。电枢绕组：电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机

15、的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。枢纽。电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。端，另一根称为末端。元件边元件边极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用面之间的距离，用表示。表示。首端首端末端末端pD2 端部端部绕组实物图绕组实

16、物图电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：第二节距第二节距y2：连至同一换向片上连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间层边与第二个元件的上层边间的距离。的距离。第一节距第一节距y1：一个元件的两条有一个元件的两条有效边在电枢表面跨过的距离。效边在电枢表面跨过的距离。y1y2y合成节距合成节距y：连接同一换向片上连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。的两个元件对应边之间的距离。换向节距换向节距yk：同一元件首末端连同一元件首末端连接的换向片之间的距离。接的换向片之间的距离。电枢绕组的基本知识：电枢绕组的基本知识：K：换向片个数：换向

17、片个数S：元件数：元件数Z：实槽，实际槽：实槽，实际槽u：虚槽，实槽中一层并列放置的元件边数：虚槽，实槽中一层并列放置的元件边数Ze：虚槽数，：虚槽数，Ze=uZ=S=kz：电枢绕组全部导体数：电枢绕组全部导体数总导体数：总导体数：z=2uZNy=2NyZeNy：每元件串联匝数每元件串联匝数3.4.1 单叠绕组单叠绕组单叠绕组的单叠绕组的连接规律连接规律是：后一个元件紧接着前一个元件是：后一个元件紧接着前一个元件嵌放（相差一个槽，嵌放（相差一个槽，y=1），同时每个元件的出线端依），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路

18、。特点：特点：虚虚槽数槽数Ze、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K三者相同三者相同单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向节距等于一个换向片。向片。y=yk=1即：即：Z ZZeZeS SK K1616图图1-12 单叠绕组展开图（单叠绕组展开图（p p1 Z ZZeZeS S6 6）直流电枢绕组直流电枢绕组A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB结论：结论：整个电枢绕组通过换向片连成闭合回路。整个电枢绕组通过换向片连成闭合回路。A B12345678单叠绕组分析实例：单叠绕组分析实例：1.数据计算数

19、据计算yyk1实例：极对数实例：极对数 p2，每槽两层，每层一边每槽两层，每层一边(u=1)，ZZeSK164221621pZypZ2有时有时，不是整数，但不是整数，但y1是整数是整数所以所以，pZy21夸一个极距是要夸一个极距是要得到最大转矩得到最大转矩12.单叠绕组展开图单叠绕组展开图1.槽展开槽展开2.绕组放置绕组放置3.安放磁极电刷安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放电刷、磁极安放电刷、磁极NSNS+单叠绕组的电气连接图单叠绕组的电气连接图3.绕组放置绕组放置 元件元件1：上元件边在上元件

20、边在1槽，槽，下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即5槽下层。槽下层。元件元件2：上元件边在上元件边在2槽，槽，下元件边放在相距下元件边放在相距y1=4即即6槽下层。槽下层。以此类推以此类推某一瞬间某一瞬间电刷、磁极放置电刷、磁极放置磁极磁极：磁极宽度约：磁极宽度约0.7,N、S极交替安排。极交替安排。电刷：电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。短路的元件电势为零的位置。电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相电势为零

21、的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。在磁极的几何中心线上电势为零。电刷放置：电刷放置：电刷放置在主磁极轴线上。电刷放置在主磁极轴线上。绕组电路图：绕组电路图：结合电刷的放置，结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。路数正好等于电机的极数。单叠绕组的特点：单叠绕组的特点：元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。并联支路数等于磁极数，并联支路数等于磁极数，2a=2p;整个电枢绕组的

22、闭合回路中，感应电动势的总和为零，整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕绕组内部无换流；组内部无换流；每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数磁极数;正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压等于支路电压;由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，即为各支路电流之和，即aaaiI2 3.4.2 单波绕组单波绕组串联的元件所生的电势同向相加，串联的元件所生的电势同向相加，合成节距合成节距 2y单波绕组：换向节距单波绕组：换

23、向节距yk必须符合必须符合 即即 1KyPk pKyk1绕组从某一换向片出发，绕组从某一换向片出发，沿电枢铁心一周后回到原沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上，来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去。则可由此再绕下去。单波绕组的单波绕组的连接规律连接规律是：把相同极性磁极下的元件连是：把相同极性磁极下的元件连接起来。接起来。1Kpyk（y yk k为整数）为整数）单波绕组分析实例:实例：实例：p2，Ze=SK151.绕组数据计算绕组数据计算44141521pZy721151pKyyk34712yyy元件、磁极、电刷放置原则元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置元件、换向片的放置：1

24、1元件上层边元件上层边1 1槽，下层边槽，下层边4 4槽槽;首末端所连的换向首末端所连的换向片相距片相距y yk k7 7；为了端部对称，为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线首末端所连的两换向片之间的中心线与与1 1元件的轴线重合。元件的轴线重合。1 1元件上层边所连的换向片元件上层边所连的换向片定为定为1 1。依次联接依次联接。磁极放置：磁极放置：N、S极磁极均匀交替的排列。极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。放在与主极轴线对准的换向片上。单波绕组展开图单波绕组展开图3345678911101213 1415214567891011 1213

25、 14 1512SNNS槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷单波绕组元件连接顺序表单波绕组元件连接顺序表从绕组展开图可以看出，从绕组展开图可以看出，全部全部15个元件串联而构成一个元件串联而构成一个闭合环路的顺序是：个闭合环路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：用联接顺序图表示为：18 157 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2994 11 3 102 918 15 7 14 6 13 512上层边上层边下层边下层边槽号及元件号槽号及元件号槽号槽号181571461351241131029换向片号换向片号短

26、路的换向片短路的换向片在环路中相邻在环路中相邻单波绕组电路图单波绕组电路图单波绕组把单波绕组把相同极性下相同极性下的全部元件串联起来组成一条支的全部元件串联起来组成一条支路。路。由于磁极只有由于磁极只有N、S之分，之分，所以单波绕组的支路对所以单波绕组的支路对数数a与极对数多少无关，永远为与极对数多少无关，永远为1，即，即a1。单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组和单波绕组的区别单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。每增加一对主极就增加一对支路。2a2p。叠绕组并联的支路数多，叠绕组并联

27、的支路数多，每条支路中串联元件数少，每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。极数的增减与支路数无关。2a2。波绕组并联的支路数少，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数每条支路中串联元件数多，多，适用于较高电压、较小电流的电机。适用于较高电压、较小电流的电机。avBllBavlBavlvBeavav602npv602npeavnCnapznpazeazE

28、eava6060222apzCe60电枢感应电势为：为电动势常数aavavilBf2DfTavxaTaaaavICIapzpzaIllDzaIlBT222222apzCT2aaaiI2合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）NS几何几何中心线中心线 N S励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）物理物理中心线中心线电枢磁场电枢磁场 电枢反应：电枢反应：电枢磁通势主极磁场产生变化。电枢磁通势主极磁场产生变化。3.6.13.6.1直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式 他励直流发电机惯例他励直流发电机惯例1.1.转矩方程式转矩方程式 稳定运行时：稳定运行时：式中：式中：T1为原动机的

29、拖动转矩，为原动机的拖动转矩，T为发电机为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，T0为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。铁损引起的转矩。发电机的转向由原动机决定，发电机的转向由原动机决定，T1T，故电，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。矩。01TTTdtdnGDdtdJTTT3752012.2.电路方程式电路方程式 电枢回路方程为：电枢回路方程为：Ea=U+IaRa式中式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。触电

30、阻和电枢绕组内阻。励磁回路方程为：励磁回路方程为：Uf=IfRf式中式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。路外串电阻和励磁绕组内阻。从发电机电压基本方程式可见：电枢电势从发电机电压基本方程式可见：电枢电势Ea必须大于电枢端电压必须大于电枢端电压U，这也是判断电，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。机是否处于发电运行状态的依据。3.6.23.6.2功率平衡关系功率平衡关系 从原动机输入的机械功率为：从原动机输入的机械功率为：P1=PM+p0 式中：式中：P1为输入的机械功率；为输入的机械功率；PM为电磁功为电磁功率；率；p0为空载损耗

31、。为空载损耗。空载损耗等于铁损空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗、机械摩擦损耗pm、附加损耗附加损耗ps，即：，即：p0=pFe+pm+ps 其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率靠经验估算约为额定功率P的的0.5%1%。功率公式功率公式 电磁功率为：电磁功率为：从中可见电磁功率可表示为：从中可见电磁功率可表示为：PM=T 上式说明电磁功率具有机械功率性质。上式说明电磁功率具有机械功率性质。同时电磁功率又可表示为：同时电磁功率又可表示为：PM=EaIa 此表达式说明电磁功率又具有电功率性质，所以电磁功率此表达式说明电磁功

32、率又具有电功率性质，所以电磁功率是机电能量转换的桥梁。是机电能量转换的桥梁。Ea=U+IaRa,U=Ea-IaRa,IaU=IaEa-Ia2Ra 发电机输出的电功率为：发电机输出的电功率为：P2=PM-pCua 式中：式中：pCua为电枢回路铜耗；为电枢回路铜耗；P2为输出的电功率，同时输为输出的电功率，同时输出功率又可表示为：出功率又可表示为：P2=UIaaaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图SM效率效率 他励直流发电机的总损耗为他励直流发电机的总损耗为p=pFe+pm+pad

33、+pCua，即：，即：p=p0+pCua 效率为：效率为：pPpPpPPP211121pPp21例题例题 例题例题5-1一台并励直流发电机数据为：一台并励直流发电机数据为：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，电枢绕组总电阻，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕组内阻并励绕组内阻Rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调，额定负载时，并励回路串入的调节电阻节电阻Rf=3.5，一对电刷压降，一对电刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。率

34、、电磁功率、电磁转矩和效率。解：（解：（1）求电磁功率）求电磁功率 励磁电流为：励磁电流为：额定负载电流为：额定负载电流为：)(75.85.38.22230ffNfRRUI)(52.35623010823AUPINNN 电枢电流为：电枢电流为：电枢电势为：电枢电势为：电磁功率为：电磁功率为：（2 2）求输入功率）求输入功率)(27.36575.852.356AIIIfNa)(5.2412029.027.3652302VURIUEaaNa)(2.8827.3655.241kWIEPaaem)(9182005.05.22.881kWpppPPadmFeem（3 3）求电磁转矩）求电磁转矩（4 4）

35、求效率）求效率)(4.868970102.8855.955.93mNnPTNem%1.90%1009182%10012PP他励（并励）直流电动机惯例他励（并励）直流电动机惯例3.73.7直流电动机直流电动机3.7.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式1.1.转矩方程式转矩方程式 稳态时稳态时 当负载转矩为当负载转矩为TL，轴上输出有，轴上输出有T2=TL，电动，电动机匀速稳定运行时有：机匀速稳定运行时有：T=T2+T0 其中电磁转矩为：其中电磁转矩为：T=CTIa计算，（计算，（T2+T0）为总的阻转矩，方向与为总的阻转矩，方向与T相反。相反。02TTTdtdnGDdtdJTTT37

36、52022.2.电枢电枢回路电压方程式回路电压方程式 U=Ea+IaRa 其中反电势其中反电势Ea=Cen，并励时：并励时：U=If(rf +Rfad)他励直流电动机输入功率为：他励直流电动机输入功率为：P1=UI=UIa=Ia（Ea+IaRa）=EaIa+Ia2Ra P1=PM+pCua 式中电磁功率式中电磁功率PM的功率性质为电功率，的功率性质为电功率，pCua=Ia2Ra为电枢回路上的铜耗。为电枢回路上的铜耗。3.7.2.3.7.2.他励直流电动机的功率关系他励直流电动机的功率关系aaaaaTMIEnIapznIapzICTP606022电磁功率电磁功率 在转矩平衡方程式在转矩平衡方程式

37、T=T2+T0两边同乘两边同乘以角速度以角速度可得：可得：T=T2+T0，则有：则有：PM=P2+p0 也可表示为：也可表示为：P2=PM-p0 式中电磁功率式中电磁功率PM的功率性质为机械的功率性质为机械功率，空载损耗：功率，空载损耗：p0=pFe+pm+pad。他励直流电动机功率流程图他励直流电动机功率流程图M1.1.转速特性转速特性 指当指当U=UN，If=IfN，(=N)时，电枢时，电枢回路外串电阻回路外串电阻R=0时，时，n=(Ia)关系。关系。根据电势方程式根据电势方程式Ea=CeNn和电压方程和电压方程式式U=Ea+IaRa可得可得：aNeaaNeaNeNICRnICRCUn03

38、.7.33.7.3他他励（并励）直流电动机的工作特性励（并励）直流电动机的工作特性2.2.转矩特性转矩特性 转矩特性是指当转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回，电枢回路外串电阻路外串电阻R=0时，时，T=(Ia)关系。关系。根据转矩公式根据转矩公式T=CTIa，忽略电枢反应，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。转矩特性是一条过原点的直线。3.3.效率特性效率特性 效率特性是指当效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路，电枢回路外串电阻外串电阻R=0时，时，=(Ia)关系。关系。根据效率的定义可得：根据效率的定义可得：式中总损耗：式中总损耗：aIUpPPN121aaFemcu

39、aRIpppppp2s0另外，效率中另外，效率中p p0 0与与I Ia a无关，无关，I Ia a变大使铜耗加大变大使铜耗加大工作特性工作特性n，T，Ia(P2)0n=f(Ia)=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性aTICTpPPPP2212aNeaICRnn03.83.8直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 3.8.1机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式 他励直流电动机的机械特性是指他励直流电动机的机械特性是指n=(T)，其，其 数学表达式为：数学表达式为：式中式中 称为斜率，称为斜率，n nN N为额定负为额定负载时的转速降。载时的转速降。TnTCC

40、RRCUnTeaeN022TeaCCRR在电源电压在电源电压U U=U UN N，气隙磁通，气隙磁通 =N N，电枢外串电，电枢外串电阻阻R R=0=0时，时，n n=(=(T T)的机械特性，其数学表达式为：的机械特性，其数学表达式为：TnTCCRCUnNTeaNeN02NeNCUn0空载转速：空载转速：3.8.23.8.2固有机械特性固有机械特性2NTeaCCR斜率：斜率：（特性的软和硬）（特性的软和硬）几个重要状态：几个重要状态：理想空载转速理想空载转速n0，实际空载转速，实际空载转速n0空载工作点，额定工作点空载工作点，额定工作点启动转矩启动转矩TsTs固有机械特性图固有机械特性图其他

41、象限工作情况其他象限工作情况TnTCCRCUnNTeaNeN02nn0TTso注意：稳定运行注意：稳定运行即：即：T=TT=TL L（2 2）人为机械特性）人为机械特性 每台电动机只有一条固有机械特性，每台电动机只有一条固有机械特性，当变电源电压、变气隙磁通、变电当变电源电压、变气隙磁通、变电枢外串电阻时的机械特性，为人为枢外串电阻时的机械特性，为人为机械特性。机械特性。电枢回路串电阻电枢回路串电阻U=UU=UN N，=N，改变电枢外串电阻，改变电枢外串电阻R RnnTnTCCRRCUnNTeaNeN002用途：用途：1.1.降低启动电流和启动转矩降低启动电流和启动转矩2.2.调速调速TLTS

42、降低电枢电压降低电枢电压=N，R=0，降低电枢端电压，降低电枢端电压TCUTCCRCUnNNeNTeaNe2减少气隙磁通（弱磁）减少气隙磁通（弱磁）U=UN，R=0，改变气隙磁通，改变气隙磁通时：时：TCCRCUnTeaeN2（3 3）根据铭牌数据估算机械特性）根据铭牌数据估算机械特性电机名牌数据：电机名牌数据：UN，IN，PN，nN，NaNNNaNNenRIUnECNTNeCC55.9apzCNe60apzCNe2NeNCUn0)(10)3221(23NNNNaIPIURNNeNNTNICICT55.9 他励直流电动机，他励直流电动机，PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=

43、1200r/min，Ra=0.044。求：。求：1）固有机械特性方程式；）固有机械特性方程式；2）额定负载时的电枢电势和额定电磁转矩；）额定负载时的电枢电势和额定电磁转矩；3）额定输出转矩和空载转矩；）额定输出转矩和空载转矩；4）理想空载转速和实际空载转速；）理想空载转速和实际空载转速；5）电机额定运行，求电枢串电阻）电机额定运行，求电枢串电阻Ra=0.206 时的转速；时的转速；6）电压）电压U=50V时，求时，求n=？7）磁通）磁通=75%N，求，求n=？例题：例题：解：解：（1 1）求固有机械特性方程式）求固有机械特性方程式（2 2）求电枢电势和电磁转矩）求电枢电势和电磁转矩 电枢电势为

44、：电枢电势为：电磁转矩为：电磁转矩为：164.01200044.0517200NaNNNenRIUCTTTCCRCUnNTeaNeN17.01341164.055.9044.0164.022022)(8.1961200164.0VnCENNea)(7.809517164.055.955.9mNICTaNe解续解续（3 3）额定输出转矩和空载转矩）额定输出转矩和空载转矩 输出转矩为：输出转矩为：空载转矩为：空载转矩为：（4 4）求理想空载转速和实际空载转速）求理想空载转速和实际空载转速 理想空载转速为：理想空载转速为：实际空载转速为：实际空载转速为：)(8.79512001010055.955.

45、932mNnPTNNN)(9.138.7957.80920mNTTTNmin)/(13410rCUnNeNmin)/(6.13389.1317.0134117.0134100rTn解续解续（5 5）R Raa=0.206=0.206时的转速：时的转速：（6 6）电压）电压U=50VU=50V时的转速：时的转速：TCRRnNeaa2)(55.91341TCRCUnNeaNe2)(55.9min)/(1667.809164.055.9044.0164.0502rmin)/(5537.809164.055.9206.0044.013412r解续解续（7 7）磁通）磁通=75%=75%N N时的转速时

46、的转速TCRCUnNeaNeN2)%75(55.9%75min)/(1542)164.075.0(55.97.809044.0164.075.02202r3.93.9串励和复励电动机串励和复励电动机 特点是励磁绕组与电枢特点是励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流绕组串联，励磁电流If与电枢电流与电枢电流Ia相等，相等，即：即：If=Ia，气隙主磁通随电枢电流气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，接线图的变化而变化，接线图所示：所示：串励直流电动机接线串励直流电动机接线3.9.13.9.1串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性1.1.固有特性固有特性 串励直流电动机的固有机械特性是指：串励直流

47、电动机的固有机械特性是指：在电源电压在电源电压U=UN，电枢回路外串电阻，电枢回路外串电阻R=0时，时，n=(T)的关系曲线，其表达式的关系曲线，其表达式为：为：TCCRCUICRCUnTeaeNaeaeN2当负载较小时当负载较小时 负载较小，则负载较小，则T较小，这时磁路未饱和，气隙较小，这时磁路未饱和，气隙住磁通住磁通Ia，即，即=kf Ia，故：，故：故有：故有：式中式中 为一常数，所以为一常数，所以 ：f2kTaTCICTTCkkf2TkTCkT2f2122CRTUCkCCRTkCUnaNTeaeN转速转速n随着转矩随着转矩T的增大而减小，是双曲线关系。的增大而减小，是双曲线关系。22

48、21,1kCCCkCCTee当负载较大时当负载较大时 负载较大，则负载较大，则T较大，这时磁路饱和，主磁较大，这时磁路饱和，主磁通基本上为一常数，即通基本上为一常数，即=k，得：，得：可见，转速可见，转速n随电磁转矩随电磁转矩T增大而下降，是条增大而下降，是条略微向下倾斜的直线。略微向下倾斜的直线。TkCCRkCUnTeaeN2说明说明 由串励直流电动机特性曲线可见，串励直由串励直流电动机特性曲线可见，串励直流电动机轻载时转速很高，特性曲线与纵流电动机轻载时转速很高，特性曲线与纵轴无交点，理想空载转速为无穷大，故不轴无交点，理想空载转速为无穷大，故不允许空载运行，也不允许用于皮带传动的允许空载

49、运行，也不允许用于皮带传动的拖动系统中，因为皮带的老化脱落，将会拖动系统中，因为皮带的老化脱落，将会造成造成“飞车飞车”。串励直流电动机的特点是：。串励直流电动机的特点是：电磁转矩电磁转矩T与电枢电流与电枢电流Ia平方成正比，所以平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强，适合于拖动闸起动转矩大，过载能力强，适合于拖动闸门、电车等负载。门、电车等负载。串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性3.3.复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性 复励直流电动机既有并励绕组，又有串励绕组，复励直流电动机既有并励绕组，又有串励绕组，当并励与串励绕组产生的磁势极性相同时，称为当并励与串励绕组产

50、生的磁势极性相同时，称为积复励；当并励与串励绕组产生的磁势极性相反积复励；当并励与串励绕组产生的磁势极性相反时，称为差复励，差复励在实际应用中很少。时，称为差复励，差复励在实际应用中很少。积复励在理想空载时，电枢电流为零，主磁通积复励在理想空载时，电枢电流为零，主磁通0由并励绕组产生，故存在理想空载转速，为：，由并励绕组产生，故存在理想空载转速，为：，不会出现不会出现“飞车飞车”危险；当负载增大时，电枢电危险；当负载增大时，电枢电流增大，总磁通随之增大，使转速比并励下降更流增大，总磁通随之增大，使转速比并励下降更多，如图下所示。多，如图下所示。复励直流电动机机械特性复励直流电动机机械特性图1-