直流電機(jī)基本原理

1、第五篇第五篇 直流電機(jī)直流電機(jī)1第十六章第十六章直流電機(jī)的基本原理和電磁關(guān)系直流電機(jī)的基本原理和電磁關(guān)系216-1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)3一、定子部分一、定子部分41. 主磁極主磁極圖16-1 主磁極 主磁極鐵心螺栓機(jī)座繞組絕緣勵(lì)磁繞組極靴電樞5二、轉(zhuǎn)子部分二、轉(zhuǎn)子部分67三、勵(lì)磁方式三、勵(lì)磁方式8圖 16-2 直流電機(jī)勵(lì)磁方式 (a)他勵(lì)；(b)并勵(lì)；(c)串勵(lì)；(d)短復(fù)勵(lì)；(e)長復(fù)勵(lì) UEaIa+-+-UfI-I+-I+-I+If-+(a)(b)(e)(d)(c)UUUUIaEaIaEaIaEaIaEaIfIfIfI9四、額定值四、額定值 1. 額定功率額定功率PN 2

2、. 額定電壓額定電壓UN 3. 額定電流額定電流IN 4. 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN 5. 額定勵(lì)磁電壓額定勵(lì)磁電壓UfN1016-2 直流電樞繞組直流電樞繞組11一、直流電樞繞組的特點(diǎn)一、直流電樞繞組的特點(diǎn)12圖16-3 虛槽的示意圖13二、繞組節(jié)距二、繞組節(jié)距 1. 第一節(jié)距第一節(jié)距 y1 2. 第二節(jié)距第二節(jié)距 y214pZy2e1一個(gè)線圈兩條圈邊在電樞表面上所跨的距離緊挨著的相串聯(lián)的兩個(gè)線圈中，第一個(gè)線圈的下層圈邊與第二個(gè)線圈的上層圈邊在電樞表面上所跨的距離153. 合成節(jié)距合成節(jié)距 yy = y1 + y2式中y2對(duì)疊繞組為負(fù)值，對(duì)波繞組為正值。4. 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 yk緊挨著的相

3、串聯(lián)的兩個(gè)線圈對(duì)應(yīng)圈邊在電樞表面所跨的距離同一個(gè)線圈的兩個(gè)出線端所接的換向片之間所跨的距離yk = yy1y2y123ykNSy1ykNySNSK 1y2圖16-4 單疊繞組連接示意圖圖16-5 單波繞組連接示意圖16三、單疊繞組三、單疊繞組1234567891014121615171918112435678911110151312141716181920n1320NSNS圖16-6 單疊繞組展開圖-+1718電樞繞組和換向器是旋轉(zhuǎn)的，而磁極和電刷是不動(dòng)的。磁極均勻地分布在電樞繞組的上方，電刷的中心線對(duì)著磁極的中心線。按照磁極的極性和電樞旋轉(zhuǎn)的方向，可以確定圈邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向以及電刷的極

4、性。每個(gè)電刷都將一個(gè)線圈元件短路，該元件的電動(dòng)勢剛好為零，這樣就把每個(gè)極面下的線圈元件串聯(lián)成一個(gè)支路。2345789101213141520191817671617111221161611-+圖16-7 單疊繞組線圈元件連接示意圖1920單疊繞組的電刷數(shù)應(yīng)該等于磁極數(shù)，并聯(lián)支路數(shù)等于單疊繞組的電刷數(shù)應(yīng)該等于磁極數(shù)，并聯(lián)支路數(shù)等于電機(jī)的磁極數(shù)，電機(jī)的磁極數(shù)，即2a = 2pIa = 2aia疊繞組是一種并聯(lián)支路數(shù)較多，電樞電流較大，而電疊繞組是一種并聯(lián)支路數(shù)較多，電樞電流較大，而電刷間電動(dòng)勢較小的并聯(lián)繞組刷間電動(dòng)勢較小的并聯(lián)繞組。四、單波繞組四、單波繞組12345678910 11 12 13

5、14 15 16 17 18 191918171316 17219181345678911101214 15 16181719NNN123SSn圖16-8 單波繞組部分展開圖2112345678910 11 12 13 14 15 16 17 18191816 17 18 1912345678910 11 12 13 14 15 16NnSNS-+圖16-9 單波繞組展開圖221881779413312214151610119119456-+166155141111019圖16-10 單波繞組線圈元件連接示意圖2324單波繞組具有最少的并聯(lián)支路數(shù)，單波繞組具有最少的并聯(lián)支路數(shù)，所以電刷間的電動(dòng)

6、勢較大，而電流較小所以電刷間的電動(dòng)勢較大，而電流較小，Ia = 2iaa = 1換向器換向器25直流電機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)裝有直流電機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)裝有換向裝置換向裝置的交流電機(jī)。的交流電機(jī)。2616-3 直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)27一、空載直流電機(jī)的磁場一、空載直流電機(jī)的磁場圖16-11 直流電機(jī)的空載磁場分布28Bbb0 x圖16-12 直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場分布29二、負(fù)載時(shí)電樞電流的磁場二、負(fù)載時(shí)電樞電流的磁場x0 x0fa(x)ba(x)A2圖16-13 直流電機(jī)電樞磁動(dòng)勢和電樞磁場30三、交軸電樞反應(yīng)三、交軸電樞反應(yīng)x0 x0ba(x)圖16-14 直流電機(jī)氣

7、隙中的磁場分布波發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)SNb0(x)b(x)31NSNSNS發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)圖16-15 直流電機(jī)電樞反應(yīng)對(duì)磁場分布的影響(a)空載時(shí)的磁場分布(b)電樞磁場分布(c)合成磁場分布物理中心線幾何中心線32四、直軸電樞反應(yīng)四、直軸電樞反應(yīng)(a)電樞磁動(dòng)勢(b)交軸電樞磁動(dòng)勢(c)直軸電樞磁動(dòng)勢FaFaqFad圖16-16 電刷不在中心線上時(shí)電樞磁動(dòng)勢的交軸分量和直軸分量33x0 幾何中心線SNFFaqFaFad圖16-17 電刷不在幾何中心線上時(shí)的電樞磁動(dòng)勢分布34 例例16-1 一臺(tái)四極直流發(fā)電機(jī)，額定電一臺(tái)四極直流發(fā)電機(jī)，額定電樞電壓樞電壓230 V，額定電樞電流，額定電樞電流84.8 A

8、，額定，額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速1500 r/min。電樞繞組為單波繞組，。電樞繞組為單波繞組，共有共有444根導(dǎo)體，電樞回路的總電阻根導(dǎo)體，電樞回路的總電阻0.147 ，電樞直徑，電樞直徑Da = 29.5 cm。勵(lì)磁繞組每極。勵(lì)磁繞組每極匝數(shù)匝數(shù)900匝。在額定運(yùn)行情況下勵(lì)磁電流為匝。在額定運(yùn)行情況下勵(lì)磁電流為2.85 A。當(dāng)轉(zhuǎn)速為。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500 r/min時(shí)，測得電機(jī)時(shí)，測得電機(jī)的空載特性見表的空載特性見表16-1。35表表16-1 例例16-1空載特性空載特性36試求：試求：（1）電樞的線負(fù)載）電樞的線負(fù)載A；（2）電刷在交軸處，額定運(yùn)行時(shí)）電刷在交軸處，額定運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)的交軸磁動(dòng)勢電樞反應(yīng)

9、的交軸磁動(dòng)勢Fa；（3）額定運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)的等）額定運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)的等效去磁安匝效去磁安匝Faqd；（4）若電刷順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移）若電刷順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)動(dòng)8 電角度，電樞磁動(dòng)勢的直軸分電角度，電樞磁動(dòng)勢的直軸分量量Fad和交軸分量和交軸分量Faq。375025020015010000.5242.47If0(A)E0(V)圖16-18 例16-1空載特性2.02.4141.01.52.53.03816-4 電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢和電壓、功率平衡方程式和電壓、功率平衡方程式39一、電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢一、電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢SNx圖16-19 電刷間的電動(dòng)勢等于一支路

10、導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢之和b0(x)40602602avavnpnplllvBe每根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動(dòng)勢：每根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動(dòng)勢： 兩電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢：兩電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢：nCnNapeaNEeava602式中式中 n 電樞旋轉(zhuǎn)速度，電樞旋轉(zhuǎn)速度，r/min； 每極總磁通，每極總磁通，Wb； Ce 電機(jī)電動(dòng)勢常數(shù)，電機(jī)電動(dòng)勢常數(shù)，apNC60e 41二、電壓平衡方程式二、電壓平衡方程式421. 直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程式直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程式圖16-20 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)電路圖 IaIfraILrfEaU43電樞電流：電樞電流：fLaIII發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電，繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢應(yīng)大于端電壓，

11、即發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電，繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢應(yīng)大于端電壓，即Ea U UrIUE2aaa感應(yīng)電動(dòng)勢與電流方向一致，電機(jī)輸出電功率。感應(yīng)電動(dòng)勢與電流方向一致，電機(jī)輸出電功率。 442. 直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式UEaIaraIfrf圖16-21 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖 I45電源流入電動(dòng)機(jī)的電流：電源流入電動(dòng)機(jī)的電流： faIII感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與電樞電流的方向相反，電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與電樞電流的方向相反，電機(jī)吸取電功率，所以稱為吸取電功率，所以稱為反電動(dòng)勢反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢應(yīng)小于端電壓，即反電動(dòng)勢應(yīng)小于端電壓，即Ea U，UrIUE2aaa46三、功率平衡方程式三、功率平衡

12、方程式471. 直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式P1PMP2pfpbpapadpFepmec圖 16-22 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖 48 例例16-2 一臺(tái)四極并勵(lì)發(fā)電機(jī)，額一臺(tái)四極并勵(lì)發(fā)電機(jī)，額定功率定功率PN = 82 kW，額定電壓，額定電壓UN = 230V，電樞繞組電阻，電樞繞組電阻ra = 0.0259 ，勵(lì)，勵(lì)磁繞組電阻磁繞組電阻rf = 22.8 ，額定負(fù)載時(shí)，額定負(fù)載時(shí)，并勵(lì)電路串入電阻并勵(lì)電路串入電阻Rf = 3.7 ，電刷接，電刷接觸壓降觸壓降2 U = 2 V，機(jī)械損耗和鐵心損，機(jī)械損耗和鐵心損耗耗pmec + pFe = 4.3 kW，附加損耗

13、，附加損耗pad = 0.005PN。試求額定負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的各。試求額定負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的各繞組的銅損耗、電磁功率、輸入功率繞組的銅損耗、電磁功率、輸入功率和效率。和效率。 49UEaIararfIfRfRIL圖 16-23 例 16-2 并勵(lì)發(fā)電機(jī)電路圖 502. 直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式P1PMP2圖 16-24 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖 papbpfpmecpFepad51 例例16-3 一臺(tái)長復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，一臺(tái)長復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，PN = 100 kW，UN = 220 V，IN = 500 A，nN = 1500 r/min，IfN = 4.75 A，電樞繞組，電樞

14、繞組電阻電阻ra = 0.00945 ，串勵(lì)繞組電阻，串勵(lì)繞組電阻rs = 0.000988 ，鐵心損耗，鐵心損耗pFe = 1.768 kW，機(jī)械損耗機(jī)械損耗pmec = 2.679 kW，附加損耗，附加損耗pad = 0.939 kW。試求電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載。試求電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的電磁功率、各種損耗和效率。時(shí)的電磁功率、各種損耗和效率。 52圖16-25 例16-3 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖 UEaIaraIfrfrsI5316-5 電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式54設(shè)電機(jī)每一極面下氣隙的平均磁通密度為Bav，則一根導(dǎo)體的平均電磁轉(zhuǎn)矩為:22aaavavDaIlBT總的電磁轉(zhuǎn)距 22aaavavDaIlNBNTTaaa21222ICINappaIllNTTaaaaaM2126060ICINapnInNapIEPTT電磁轉(zhuǎn)矩也可由電磁功率求得，即551. 直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式11PT aMICPTTadFemec00ppppTT1 = T + T056 例例16-4 例例16-2的四極并勵(lì)發(fā)電機(jī)，若的四極并勵(lì)發(fā)電機(jī)，若額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN = 970 r/min，額定功率，額定功率PN = 82 kW，額定電壓，額定電壓UN = 230V，機(jī)械損耗和鐵，機(jī)械損耗和鐵心損耗心損耗p