第 3 章直流電機

1、重點內(nèi)容：重點內(nèi)容： （1）直流電機的工作原理）直流電機的工作原理 （2）直流電機的基本概念）直流電機的基本概念 （3）電樞感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩）電樞感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩 （4）基本方程）基本方程 難點：難點： （1）電樞繞組及電路圖）電樞繞組及電路圖 （2）電樞反應）電樞反應 3.1 3.1 直流電機的工作原理及結構直流電機的工作原理及結構 3.2 3.2 直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組 3.3 3.3 直流電機的電樞反應直流電機的電樞反應 3.4 3.4 電流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢電流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢 3.5 3.5 直流電動機的運行分析直流電動機的運行分析 3.6 3.6 直流電

2、動機的功率和轉(zhuǎn)矩直流電動機的功率和轉(zhuǎn)矩 3.7 3.7 直流發(fā)電機的運行分析直流發(fā)電機的運行分析 3.8 3.8 直流發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩直流發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩 N S 3.1 直流電機的工作原理及結構直流電機的工作原理及結構 1. 直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理 N S U U 電刷電刷 換向片換向片 直流電機模型直流電機模型 電刷電刷 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 換向片換向片 直流電機模型直流電機模型 轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 電流方向電流方向 換向片換向片 線圈線圈 磁極磁極 直流直流 電流電流 交流交流 電流電流 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 (拖動轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)矩) 換向換向 機械機械 負載負載 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 電磁關系電磁關系

3、N S 2. 直流發(fā)電機的工作原理直流發(fā)電機的工作原理 N S E E 輸出輸出 直流電直流電 換向換向 原動機原動機感應電動感應電動 勢、電流勢、電流 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 （阻轉(zhuǎn)矩）（阻轉(zhuǎn)矩） 做功做功 電磁電磁 關系關系 1.直流電機的工作原理 圖3-1表示一臺最簡單的兩極直流電機模型， 它的固定部分(定子)上，裝有一對用直流勵磁的 主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設電樞。 定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝有由A 和X兩根導體連接而成的電樞線圈，線圈的首端 和末端分別接到兩個圓弧形的銅片K1和K2，此銅 片稱為換向片，換向片之間互相絕緣。由換向片 構成的整體稱為換向器，換向器固定在轉(zhuǎn)

4、軸上。 換向器上放置著一對靜止不動的電刷B1和B2，電 樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接 通。 1.直流電機的工作原理 1.直流電機的工作原理 圖3-2氣隙磁場的分布波形 1.直流電機的工作原理 1.直流電機的工作原理 圖3-4電樞上裝有6個 線圈(11到66)的情況 圖3-5每條支路有3個串聯(lián)線圈時， 電刷上的電動勢波形 電動勢脈動的減小電動勢脈動的減小 *實際的電樞繞組在電機轉(zhuǎn)子表面相隔一定實際的電樞繞組在電機轉(zhuǎn)子表面相隔一定 角度的多個線圈串聯(lián)組成，可以減小脈動角度的多個線圈串聯(lián)組成，可以減小脈動 軸承 機座 轉(zhuǎn)子電樞 主磁極 電刷 換向器 接線盒 轉(zhuǎn)子軸 端蓋 直流電機的結

5、構直流電機的結構 3. 直流電機的基本結構直流電機的基本結構 主磁極主磁極 換向磁極換向磁極 機座機座 電刷電刷 u 定子定子 主磁極主磁極 作用：建立主磁場。 構成：構成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組。 電刷電刷 構成：構成：電刷、刷握、刷桿和連線等。 作用：把直流電壓、直流電流引入或引出 u轉(zhuǎn)子（電樞）轉(zhuǎn)子（電樞） 電樞鐵心電樞鐵心 電樞繞組電樞繞組 換向器換向器 轉(zhuǎn)軸與風扇轉(zhuǎn)軸與風扇 電樞繞組電樞繞組 作用：作用：直流電機的電路部分。 構成：構成：用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，上下 層以及線圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用 槽楔壓緊。 換向器換向器 作用：作用：和電刷配合將直流電

6、引入或引出的裝置。 構成：構成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個圓筒，片 間用V形云母絕緣。 M 4. 勵磁方式勵磁方式 If + Ua Ia + Uf 他他 勵勵 并并 勵勵 串串 勵勵 復復 勵勵 (1) 直流電動機按勵磁方式分類直流電動機按勵磁方式分類 M + U IIf Ia M + U IIa M IaIf+ U I G (2) 直流發(fā)電機按勵磁方式分類直流發(fā)電機按勵磁方式分類 自自 勵勵 G Ia + Ua 他他 勵勵 串串 勵勵 復復 勵勵 并并 勵勵 Ia+ U If I GG IfIa+ U I + U IfI Ia If + Uf 1 1）額定容量（額定功率）額定容量（額定功

7、率）P PN N 指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率， 以 “W” 為量綱單位。 電機制造廠按照國家標準，根據(jù)電機的設計和試驗數(shù)據(jù)， 規(guī)定了電機的正常運行狀態(tài)和條件，通常稱之為額定運行情額定運行情 況況。凡表征電機額定運行情況的各種數(shù)據(jù)，稱為額定值。額 定值一般都標注在電機的銘牌上，所以也稱為銘牌數(shù)據(jù)，它 是正確合理使用電機的依據(jù)。 直流電機的額定值主要有下列四項： 2 2）額定電壓）額定電壓U UN N 指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 “V” 為單位。 3 3）額定電流）額定電流I IN N 指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為單位。 4 4）額定轉(zhuǎn)速）

8、額定轉(zhuǎn)速n nN N 指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為單位。 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，PNUNINN 對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電 壓和額定電流的乘積。 PNUNIN 3.2 直流電機的電樞繞組 1、直流電樞繞組的構成 l 組成繞組的基本單元稱為組成繞組的基本單元稱為元件元件。 元件有單匝的，也有多匝的。一元件有單匝的，也有多匝的。一 個元件由兩個元件邊和端接線組個元件由兩個元件邊和端接線組 成。元件邊置于槽內(nèi)稱為成。元件邊置于槽內(nèi)稱為有效邊有效邊， 端接線端接線置于鐵心外，不切割磁場，置于鐵心外，不切割磁場， 僅起到連接作用。僅起到連接作用。

9、 上元件邊 下元件邊 后端接 前端接 電樞繞組是電機能量轉(zhuǎn)換的樞紐。電樞繞組是電機能量轉(zhuǎn)換的樞紐。 構成原則：產(chǎn)生足夠的感生電勢；允許一定的電流；構成原則：產(chǎn)生足夠的感生電勢；允許一定的電流； 結構簡單，運行可靠。結構簡單，運行可靠。 電樞繞組元件 兩匝元件單匝元件 疊繞組元件波繞組元件 l元件的一條有效邊放在槽的上部，另一條有效邊放在另一槽元件的一條有效邊放在槽的上部，另一條有效邊放在另一槽 底部，每一槽內(nèi)有上層和下層兩個元件邊構成底部，每一槽內(nèi)有上層和下層兩個元件邊構成雙層繞組雙層繞組。元件元件 首尾首尾按一定規(guī)律接到不同的換向器片上，最后使整個繞組通過按一定規(guī)律接到不同的換向器片上，最后

10、使整個繞組通過 換向片連接成一個閉合回路。換向片連接成一個閉合回路。 因為每一個元件有兩個元件邊， 而每一換向片連接一個元件的 始端和另一個元件的末端；又 因為每一個虛槽包含著兩個元 件邊，所以繞組的元件數(shù)繞組的元件數(shù)S S、換、換 向片數(shù)向片數(shù)K K和虛槽數(shù)和虛槽數(shù)Z Zi i三者應相等，三者應相等， 即即S=K=ZS=K=Zi i=uZ =uZ 為了確切地說明每個元件邊所處的具體位置，引入“虛槽” 的概念。 設槽內(nèi)每層有u個元件邊，則把每個實際槽看作包含有u個 “虛槽”，每個虛槽的上、下層各有一個元件邊，如圖表 示u=3時，元件邊的布置情況。 若實槽數(shù)為Z，虛槽數(shù)為Zi， 則Zi=uZ 2

11、、直流電樞繞組的節(jié)距 電樞繞組的連接規(guī)律是通過繞組的節(jié)距來表征的。電樞繞組的連接規(guī)律是通過繞組的節(jié)距來表征的。 （1）第一節(jié)距）第一節(jié)距y1 一個元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的虛槽數(shù)，稱一個元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的虛槽數(shù)，稱 為第一節(jié)距，用為第一節(jié)距，用y1表示。表示。 為得到較大的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，第一節(jié)距應等于為得到較大的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，第一節(jié)距應等于 或接近一個極距?；蚪咏粋€極距。 上元件邊 下元件邊 后端接 前端接 y1 y2 12 1 5 2 6 2 a D p 2 i Z p 極距極距 NSNS 1234 5 （2）第二節(jié)距）第二節(jié)距y2 相串聯(lián)的兩個元件

12、中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上相串聯(lián)的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上 層邊在電樞表面所跨過的虛槽數(shù)，稱為層邊在電樞表面所跨過的虛槽數(shù)，稱為第二節(jié)距。第二節(jié)距。，用，用y2表示，表示， 也用虛槽數(shù)計算。也用虛槽數(shù)計算。 56 y1 y2 12 1 5 2 6 相串聯(lián)的兩個元件的對應邊之間的距離稱為合成節(jié)距，用 虛槽數(shù)表示。 合成節(jié)距表示每串聯(lián)一個元件后，繞組在電樞表面前進或 后退了多少個虛槽，它是反映不同形式繞組的一個重要標 志。 單疊繞組單疊繞組 y=y1-y2 單波繞組單波繞組 y=y1+y2 y1 y2 12 1 5 2 6 一個元件的兩個出線端所聯(lián)接的換向片之間的

13、距離稱為換換 向器節(jié)距向器節(jié)距，以換向片數(shù)表示。 由于元件數(shù)等于換向片數(shù)，因此元件邊在電樞表面前進 （或后退）多少個虛槽，其出線端在換向器上也必然前進 （或后退）多少個換向片，所以換向器節(jié)距必然等于合成換向器節(jié)距必然等于合成 節(jié)距節(jié)距，即： y yk k = y = y 疊繞組：疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在 前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。 波繞組：波繞組：指把相隔約為一對極距的指把相隔約為一對極距的同極性同極性磁場下的相應元件串磁場下的相應元件串 聯(lián)起來，象波浪式的前進

14、。聯(lián)起來，象波浪式的前進。 波繞組示意圖波繞組示意圖疊繞組示意圖疊繞組示意圖 電樞繞組的常用術語電樞繞組的常用術語 單疊繞組 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，即：y=yc=1。 單疊繞組的展開圖 是把放在鐵心槽里、 構成繞組的所有元 件取出來畫在一張 圖里，展示元件相 互間的電氣連接關 系及主磁極、換向 片、電刷間的相對 位置關系。 3、直流電樞繞組展開圖 123 1516 12345678910111213141615 45678910121314 15161514 電樞轉(zhuǎn)向 SNNSS 下下層層元元件件邊邊 上上層層元元件件邊邊 y1 y y y2 1

15、2345678910111213141615 67891011121314161512345 1閉閉合合 ap 單疊繞組的的特點：單疊繞組的的特點： 同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主 磁極數(shù)與支路數(shù)相同。磁極數(shù)與支路數(shù)相同。 電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應使感應 電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路 電動勢。電動勢。 電樞電流等于各支路電流之和。電樞電流等于各支路電流之和。 單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。兩個串聯(lián)元件放在 同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向

16、繞一 周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。 單波繞組 23 4 76 1011 12 1415 A1A2B1 B2 1 15 8 9 5 4 13 9 12 8 1 5 1a 下層元件邊下層元件邊 上層元件邊上層元件邊 y1 y y y2 1234568910111213 6 78 9101112131415 1 2345 1閉合閉合 15714 單波繞組單波繞組 單波繞組的特點：單波繞組的特點： 1 1）上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來組成一條支）上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來組成一條支 路，并聯(lián)支路路，并聯(lián)支路對數(shù)對數(shù)恒等于恒等于1 1，與磁極，與磁

17、極對數(shù)對數(shù)無關；無關； 2 2）當元件的幾何形狀左右對稱，電刷在換向器表面上的位置對）當元件的幾何形狀左右對稱，電刷在換向器表面上的位置對 準主磁極中心線時，支路電動勢最大；準主磁極中心線時，支路電動勢最大； 3 3）電刷數(shù)等于磁極數(shù)（）電刷數(shù)等于磁極數(shù)（全額電刷全額電刷）。）。 4 4）電樞電動勢等于支路感應電動勢；）電樞電動勢等于支路感應電動勢； 5 5）電樞電流等于兩條支路電流之和。）電樞電流等于兩條支路電流之和。 單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于并聯(lián)支路對數(shù)的多少并聯(lián)支路對數(shù)的多少。 單疊繞組可以通過增加極對數(shù)來增加并聯(lián)支路對數(shù)。適用于低單疊繞組可以通過

18、增加極對數(shù)來增加并聯(lián)支路對數(shù)。適用于低 電壓大電流的電機；單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)電壓大電流的電機；單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a=1a=1，但每條支路，但每條支路 串聯(lián)的元件數(shù)較多，適用于小電流較高電壓的電機。串聯(lián)的元件數(shù)較多，適用于小電流較高電壓的電機。 單波繞組單波繞組 1、直流電機的空載磁場 空載時的氣隙磁密為一平頂波 空載時主磁極磁通的分布情況 x B （b b）氣隙磁密分布）氣隙磁密分布 3.3 直流電機的磁場及電樞反應直流電機的磁場及電樞反應 （a a）主磁通與漏磁通）主磁通與漏磁通 直軸直軸 交軸交軸 2、直流電機負載時的負載磁場 直流電機帶上負載后，電樞繞組中直流電機帶上負載后，電樞

19、繞組中 有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為 電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電 機的磁場發(fā)生變化。機的磁場發(fā)生變化。 假設勵磁電流為零，只有電樞電流。假設勵磁電流為零，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，電樞磁動勢為交在空間的分布情況，電樞磁動勢為交 軸磁動勢。軸磁動勢。 3、直流電機的合成磁場及電樞反應 當勵磁繞組中有勵磁電流，當勵磁繞組中有勵磁電流， 電機帶上負載后，氣隙中的電機帶上負載后，氣隙中的 磁場是勵磁磁動勢與電樞磁磁場是勵磁磁動勢與電樞磁 動勢共同作用的結果

20、。電樞動勢共同作用的結果。電樞 反應與電刷的位置有關。反應與電刷的位置有關。 (1)當電刷在幾何中性線上當電刷在幾何中性線上 時，將主磁場分布和電樞磁時，將主磁場分布和電樞磁 場分布疊加，可得到負載后場分布疊加，可得到負載后 電機的磁場分布情況，如圖電機的磁場分布情況，如圖 （a）所示。）所示。 電樞反應：電樞反應：電樞磁通勢對主極磁場的影響。電樞磁通勢對主極磁場的影響。 x B 0 ax B x B 主磁場的主磁場的 磁通密度磁通密度 分布曲線分布曲線 電樞磁場磁通電樞磁場磁通 密度分布曲線密度分布曲線 兩條曲線逐點疊加后兩條曲線逐點疊加后 得到負載時氣隙磁場得到負載時氣隙磁場 的磁通密度分

21、布曲線的磁通密度分布曲線 N S 幾何幾何 中心線中心線 N S 勵磁磁場勵磁磁場 （空載磁場）（空載磁場） 物理物理 中心線中心線 電樞磁場電樞磁場合成磁場合成磁場 （負載時的磁場）（負載時的磁場） 物理物理 中性線中性線 2) 2)對主磁場起去磁作用對主磁場起去磁作用 1)1)使氣隙磁場發(fā)生畸變使氣隙磁場發(fā)生畸變 空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于 電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被 削弱，物理中性線偏離幾何中性線削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密

22、度的曲線角，磁通密度的曲線 與空載時不同。與空載時不同。 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因 此每極量的磁通量與空載時相同。磁路飽和時，主磁極增磁部此每極量的磁通量與空載時相同。磁路飽和時，主磁極增磁部 分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少 些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的 電樞反應為交軸去磁性質(zhì)。電樞反應為交軸去磁性質(zhì)。 由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：由圖可知，電刷

23、在幾何中性線時的電樞反應的特點： (2)(2)當電刷不在幾何中性線上時當電刷不在幾何中性線上時 電刷從幾何中性線偏移電刷從幾何中性線偏移 角，電樞磁動勢軸線角，電樞磁動勢軸線 也隨之移動也隨之移動角。角。 這時電樞磁動勢可以分這時電樞磁動勢可以分 解為兩個垂直分量解為兩個垂直分量: :交交 軸電樞磁動勢軸電樞磁動勢Faq和直和直 軸電樞磁動勢軸電樞磁動勢Fad。 順電樞轉(zhuǎn)向移刷逆電樞轉(zhuǎn)向移刷 發(fā)電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁 電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁 N S U 3.4 電樞的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 N S U 一、電樞繞組的感應電動勢一、電樞繞組的感應電動

24、勢 1.電樞繞組的感應電動勢 圖3-27氣隙磁場分布和導體感應 電動勢和電磁力的計算 空載時直流電機氣隙磁場空載時直流電機氣隙磁場 B l 極距極距 R 平均磁密：平均磁密： B = l (1) 產(chǎn)生產(chǎn)生 電樞旋轉(zhuǎn)電樞旋轉(zhuǎn) n 磁磁 場場 (2) 大小大小 l 每個導體：每個導體：e = B l v l 導體切割磁場的線速度：導體切割磁場的線速度： l 電動勢：電動勢： E = N1e ee E v = n 2 R 60 =N1B l v = N1 l n 2p 60 l = n 2p 60 = n 2pN 60*2a 注意注意：N N1 1為串聯(lián)支路的總導體數(shù)，而電樞總導體數(shù)為串聯(lián)支路的總導

25、體數(shù)，而電樞總導體數(shù) N=NN=N1 1* *2a2a E = CE n CE 電動勢常數(shù)：電動勢常數(shù)： CE = pN 60a 單位：單位：Wb 單位：單位：r/min (V) (3) 方向：方向： 由由 和和 n 共同決定。共同決定。 (4) 性質(zhì)：性質(zhì)： 發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。 二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 (1) 產(chǎn)生產(chǎn)生 電樞電流電樞電流 i 磁磁 場場 F T (2) 大小大小 l 電磁力：電磁力： F = B l i l 平均磁密：平均磁密： l 每根導線上電磁力所每根導線上電磁力所 形成的電磁轉(zhuǎn)矩：形成的電磁

26、轉(zhuǎn)矩： FR B = l B l 極距極距 R R l電樞繞組總導體數(shù)電樞繞組總導體數(shù): N l電樞繞組串聯(lián)支路總導體數(shù)：電樞繞組串聯(lián)支路總導體數(shù)： N1=N/ 2a l 電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：2a l電樞的周長：電樞的周長： 2 R = 2p l 電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩： T = NFR = N B l i p =N l i p l =N i p = 2ai pN 2a 電樞電流電樞電流 Ia (2) 大小大小 T = CT Ia CT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)：轉(zhuǎn)矩常數(shù)： (3) 方向方向 由由 和和 Ia 共同決定。共同決定。 (4) 性質(zhì)性質(zhì) CT = pN 2a 單位：單位：Wb 單位

27、：單位：A (Nm) CT CE = 60 2 = 9.55 CT = 9.55 CE CT = pN 2a CE = pN 60a 3.5 直流電機基本方程直流電機基本方程 基本方程：電壓方程，轉(zhuǎn)矩方程，功率方程 1、他勵直流電機 2 aabaaa UEI RUEI R UE a 他勵電動機 電樞電流與線路電流相等： a II 電壓方程： 電樞繞組內(nèi)阻電樞繞組內(nèi)阻 電樞回路電樞回路 總電阻總電阻 U a E M a I em Tn f I f U I *電動機慣例：以輸入電流 作為電樞電流正方向，Ia與 Ea方向相反 2 aabaa EUI RUUI R a EU 他勵發(fā)電機 電樞電流與線路

28、電流相等： a II 電壓方程： 電樞繞組內(nèi)阻電樞繞組內(nèi)阻 電樞回路電樞回路 總電阻總電阻 a E M U a I em Tn f I f U I 電機向負載供電，電樞感應電勢Ea作為 電源電勢必定大于端電壓U，采用發(fā)電機 慣例。 *發(fā)電機慣例：以輸出電流 作為電樞電流正方向，Ia與 Ea方向相同 2、并勵直流電機 a E M a I em Tn f I f U I U 2 aabaaa UEI RUEI R UE a 并勵電動機 電樞電流與線路電流： af III 電壓方程： 2 aabaa EUI RUUI R a EU 并勵發(fā)電機 勵磁電流由電樞供給： af II I 電壓方程： M 1

29、 T 0 T e T n 電動機電動機 發(fā)電機發(fā)電機 N S n e T N S n e T M e T 0 T 2 T n 20e TTT 1、電動機轉(zhuǎn)矩平衡方程 10e TTT 2、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩平衡方程 Te為電磁轉(zhuǎn)矩，T2為輸出的負 載機械轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩。 T1為原動機動力轉(zhuǎn)矩，Te為電 磁轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩。 M e T 0 T 2 T n 電動機電動機 電磁功率： eaa PE I 60 aaa pN E In I a 2 60 n 轉(zhuǎn)子機械角速度： 則有： ea ae PE IT 9.55 ee e PP T n 22 2 9.55 PP T n 9.55 NN N N PP

30、 T n 2 60 2 a n pN I a Ta CI e T 1.他勵電動機功率平衡方程 輸入功率：P1=UI 1eCua PPp電樞回路功率平衡方程: 2 () emecFead PPppp 0mecFead pppp 20e PPp 輸出功率平衡方程: 空載損耗 12 PPp功率平衡方程: CuamecFead ppppp 他勵電動機總損耗 2. 直流發(fā)電機的功率（并勵）直流發(fā)電機的功率（并勵） (1) 輸入功率輸入功率 P1 : (2) 空載損耗空載損耗 p0 : (3) 電磁功率電磁功率 Pe : (4) 銅損耗銅損耗 pCu : (5) 輸出功率輸出功率 P2 : P1 = T1

31、 p0 = pFepmecpad Pe= P1 p0 = T = Ea Ia pCu = Ra Ia2Rf If2 P2 = U I = Pe pCu 2 60 = T1n (6) 效率效率 = 100% P2 P1 P1 pmec+ pad pFe Pe pCu P2 功率流程圖功率流程圖 小型發(fā)電機：小型發(fā)電機： N = 70% 85% 中大型發(fā)電機：中大型發(fā)電機： N = 91% 96% 發(fā)電機功率平衡方程式：發(fā)電機功率平衡方程式： P1= P2+ p p= pCua + pCufpmec + pFe pad 一一. 并勵直流發(fā)電機并勵直流發(fā)電機 3.6 直流發(fā)電機及運行直流發(fā)電機及運行

32、 并勵的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在并勵的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的，而端電壓是在 勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機不同。并勵發(fā)電 機建立電壓的過程稱為機建立電壓的過程稱為自勵過程自勵過程，滿足建壓的條件稱為，滿足建壓的條件稱為自勵條自勵條 件件。 M Ia + U0 If E + - rf rj A I V A RL n 定子鐵心 RL B 定子鐵心 轉(zhuǎn)子電樞 u定子采用 永磁體勵磁 N S Ia Ia Ia n 定子鐵心 RL 0r 定子鐵心 轉(zhuǎn)子電樞 u定子采用電 流勵磁繞組 N SEa Ea u定子鐵

33、心有 剩磁, 向上 u空載 u轉(zhuǎn)子順轉(zhuǎn) a u剩磁通和勵磁 電流磁通方向相 同，正反饋 n 定子鐵心 RL 0r 定子鐵心 轉(zhuǎn)子電樞 u定子采用電 流勵磁繞組 N SEa Ea u定子鐵心有 剩磁, 向上 u空載 u轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn) a u剩磁通和勵磁 電流磁通方向相 反，負反饋 并勵發(fā)電機自勵條件并勵發(fā)電機自勵條件 E Ua G If Ia I E ? E ? 主磁極必須有剩磁主磁極必須有剩磁r ： rErIfr EEr 與與r 方向相同方向相同 EEr 與與r 方向相反方向相反 勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向： rErIfrEEr IfIfr E E 與與

34、If 既應滿足空載特性又應滿足歐姆定律。既應滿足空載特性又應滿足歐姆定律。 當當 Rf Rk 時，時， E Er ， 能夠自勵。能夠自勵。 當當 Rf = Rk 時，時， E不確定，不能自勵。不確定，不能自勵。 當當 Rf Rk 時，時， EEr，不能自勵。，不能自勵。 勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。 If = E RaRf O If E Er Q IfrIf1If2If 場阻線：場阻線： 場阻線的斜率：場阻線的斜率： = RaRftan = E If O If E Er Rf =Rk Rf Rk RfRk G Ia+ Ua If+ Uf 二、直流發(fā)電機的運行

35、分析二、直流發(fā)電機的運行分析 1. 他勵發(fā)電機他勵發(fā)電機 外電源外電源Uf If E n原動機原動機電樞電樞 Ua (1) 空載運行空載運行 勵磁電路：勵磁電路：If = Uf Rf 勵磁電路勵磁電路 總電阻總電阻 電樞電路：電樞電路： Ia = 0， Ua = U0 = E 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Rf If 可變可變 可變可變 E 可變可變 Ua可變?？勺儭?E U0 = E = f (If ) 空載特性空載特性 O If U0 Er 剩磁感應剩磁感應 電動勢電動勢 (2) 負載運行負載運行 輸出電壓輸出電壓: U = Ua 輸出電流輸出電流: I = Ia 電壓平衡方程式電壓平衡方程式 U = Ua =

36、 ERa Ia 當當 Ia Ra Ia E (電樞反應電樞反應) Ua n = nN Ia = 0 空載特性空載特性 當當n、I為常值，發(fā)電機端電壓為常值，發(fā)電機端電壓 U與勵磁電流的關系，稱為發(fā)與勵磁電流的關系，稱為發(fā) 電機的負載特性。電機的負載特性。 O If U n =C I= C If1 U0 負載特性負載特性 U=f(If) 電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率 VR = U0UN UN 100% ( 5% 10% ) 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 當當 n = nN，U = UN 時：時： If = f ( I ) O I If IfN IN 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 外特性外特性 U = f (I ) n = nN

37、 If = 常數(shù)常數(shù) O I U n = nN If = IfN IN UN U0 外特性外特性 【例例】 一他勵直流發(fā)電機，一他勵直流發(fā)電機， PN = 10 kW， UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通如果磁通 保保 持不變，求持不變，求 1 000 r/min 時的空載電壓時的空載電壓 U0 和和 900 r/min 時時 的滿載電壓的滿載電壓 U 。 解：解：在在 nN 和和 UN 時的電樞電流時的電樞電流 900 1 000 E = E U0 = E = UaRa IaN = (230 0.443.5) V = 247 V 在在 保持不

38、變時，保持不變時， E n 10103 230 = A = 43.5 A PN Ua IaN = 900 1 000 = 247 V = 222 V U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V 2、并勵發(fā)電機運行分析、并勵發(fā)電機運行分析 I = Ia If U = Ua = Uf Ua = E RaIa I Ia RaIa E ( (電樞反應電樞反應) ) Uf Ua 外特性外特性 U = f ( I ) E Ua G If Ia I n = nN Rf = 常數(shù)常數(shù) O I U U0 他勵他勵 并勵并勵 負載增加時，負載增加時， U 下降較快。下降較快。 VR

39、 20% 外特性有拐彎現(xiàn)象。外特性有拐彎現(xiàn)象。 O I U U0 他勵他勵 并勵并勵 IN UN RL I (Ia) U 低飽和磁路低飽和磁路 RL U If E (較大幅度較大幅度) U 的下降比的下降比 RL的減少得更快的減少得更快 I = U / RL RL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 較小。較小。 穩(wěn)態(tài)短路電流不大。穩(wěn)態(tài)短路電流不大。 P2 = UI = 230100 W = 23 000 W Ia = IIf = (1002) A =102 A PCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2 102211522 ) W =

40、 2 540.8 W Pe = P2PCu = 25 540.8 W 【例例】 一并勵直流發(fā)電機，輸出電壓一并勵直流發(fā)電機，輸出電壓 U = 230 V， 輸出電流輸出電流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115， n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求發(fā)電機的輸出功率求發(fā)電機的輸出功率 P2 、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩 T、輸入功率、輸入功率 P1 和效率和效率 。 解：解： 230 115 = A = 2 A U Rf If = P0 = T0n 2 60 = 17.321 500 W 2 60 = 2 719.24 W P1 = PeP0 = (2

41、5 540.8 2 719.24) W = 28 260 W = 100% P2 P1 = 100% = 81.39% 23 000 28 260 M 3.7 直流電動機的運行分析直流電動機的運行分析 1. 他勵電動機他勵電動機 勵磁電壓勵磁電壓 Uf If 電樞電壓電樞電壓 Ua Ia T n E E (1) 電壓平衡方程式電壓平衡方程式 勵磁電路：勵磁電路： Uf = Rf If 電樞電路：電樞電路： Ua = E + Ra Ia + Ua IaIf + Uf 穩(wěn)態(tài)電樞電流穩(wěn)態(tài)電樞電流 Ia 由誰確定由誰確定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia 例如：例如：負載不變負載

42、不變 ( T 不變不變)，Ua (Ra) 變化時，變化時， Ia 變化否（設變化否（設 不變）？不變）？ Ua (或或Ra ) 瞬間瞬間 n 不變不變 E 不變不變 Ia T TTL E n Ia T T = TLIa不變不變 結論：結論：Ia 的大小取決于負載的大小。的大小取決于負載的大小。 當當 Ia= = IaN 時為滿載，當時為滿載，當 IaIaN 時為過載。時為過載。 規(guī)定短時過載的最大電樞電流：規(guī)定短時過載的最大電樞電流： Iamax =( (1.5 2) )IaN =MC IaN 機械特性機械特性 E CE n = UaRa Ia CE = Ua CE = Ra CECT2 T

43、(2) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 O n T n0 當當T 時，時， n 下降不多下降不多 硬特性硬特性。 勵磁電路斷電的后果勵磁電路斷電的后果 當當 If = 0， =r 很小，很小， n 不能突變，不能突變，E 很小很小 T = CTr Ia 仍有一定數(shù)值。仍有一定數(shù)值。 Ia 若若 T TL n 飛車！飛車！ T TL n n = 0 悶車！悶車！ (3) 轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 取決于電磁轉(zhuǎn)矩取決于電磁轉(zhuǎn)矩 T 的方向。的方向。 T 的方向取決于的方向取決于 和和 Ia 的方向。的方向。 M + Ua IaIf + Uf M + Ua Ia If Uf + M Ua +Ia If+ Uf 磁磁 場場 反反 向向 電

44、電 樞樞 反反 向向 2. 并勵電動機并勵電動機 并勵與他勵的區(qū)別并勵與他勵的區(qū)別: (1) 輸入電壓輸入電壓 U = Ua = Uf (2) 輸入電流輸入電流 I = Ia + If (3) 輸入功率輸入功率 P1 = UI = UIa + UIf M Ia + U IIf 【例例】 某并勵直流電動機，某并勵直流電動機，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ， Ra = 0.41 。求該電機在額定狀態(tài)下運行時的：。求該電機在額定狀態(tài)下運行時的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解：解： (1) 勵

45、磁電流勵磁電流 If Uf Rf If = 220 628 = A = 0.35A (2) 電樞電流電樞電流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 電動勢電動勢 E E = UN Ra Ia = (220 0.4112.15) V = 215 V CT = 9.55 CE = 0.685 T = CT Ia = 0.685 12.15 Nm = 8.32 Nm (4) 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 CE = E nN 215 3 000 = = 0.071 7 E 3. 串勵電動機串勵電動機 Ua Uf M + U I If Ia (1) 電壓電壓 U = Ua + U