第7章直流電機的基本理論

第7章直流電機的基本理論7.2

直流電機的工作原理7.3

直流電機的基本結構7.5

直流電機的電樞反應7.6

電流電機的電磁轉矩和電動勢7.7

直流電動機的運行分析7.8

直流電動機的功率和轉矩7.9

直流發(fā)電機的運行分析7.10

直流發(fā)電機的功率和轉矩電機與拖動返回主頁7.1直流電機的用途和種類7.4

直流電機的型號和額定值高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.1直流電機的用途和種類一、直流電機的用途直流電動機的主要用途是實現(xiàn)直流電力拖動。發(fā)電機的主要用途是用作直流電源直流。二、直流電機的種類按能量轉換的不同——直流電動機和直流發(fā)電機。按勵磁方式的不同——他勵直流電機、并勵直流電機、串勵直流電機和復勵直流電機。7.1

直流電機的用途和種類高等教育出版社高等教育電子音像出版社大連理工大學電氣工程系NS－U＋7.2

直流電機的工作原理一、直流電動機的工作原理NS第7章直流電機的基本理論＋U－高等教育出版社高等教育電子音像出版社NS7.2

直流電機的工作原理一、直流電動機的工作原理第7章直流電機的基本理論NS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁感線會產(chǎn)生什么？換向片高等教育出版社高等教育電子音像出版社直流電流交流電流電磁轉矩(拖動轉矩)機械負載克服反電動勢做功7.2

直流電機的工作原理

電磁關系換向Φ旋轉高等教育出版社高等教育電子音像出版社NS二、直流發(fā)電機的工作原理NS－E＋7.2

直流電機的工作原理－E＋輸出直流電原動機感應電動勢、電流電磁轉矩（阻轉矩）做功

電磁關系Φ換向高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.3

直流電機的基本結構一、主要部件1.定子(1)主磁極(2)換向磁極(3)機座(4)電刷裝置

(5)端蓋第7章直流電機的基本理論

直流電機的定子(a)主磁極(b)機座高等教育出版社高等教育電子音像出版社

直流電機的定子7.3

直流電機的基本結構

更多的圖片高等教育出版社高等教育電子音像出版社2.轉子（電樞）(1)電樞鐵心(2)電樞繞組7.3

直流電機的基本結構(3)換向器(4)轉軸與風扇

直流電機的轉子(a)轉子主體(b)電樞鋼片高等教育出版社高等教育電子音像出版社

直流電樞繞組AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB結論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。7.3

直流電機的基本結構AB12345678高等教育出版社高等教育電子音像出版社

直流電樞繞組電動機發(fā)電機兩匝元件7.3

直流電機的基本結構eeeeeeee＋－＋E

－A1

2

3

48

7

6

5BIaeeeeeeee1

2

3

48

7

6

5AB＋－Ia＋E

－高等教育出版社高等教育電子音像出版社NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2

單疊繞組的展開圖※并聯(lián)支路對數(shù)：a=2?！娝⒌闹行木€對著磁極的中心線。A1A2B1B2n7.3

直流電機的基本結構36'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12高等教育出版社高等教育電子音像出版社

單疊繞組的展開圖NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※

電刷的中心線對著磁極的中心線：①電刷之間的電動勢最大。②被電刷短接的元件電動勢為零。※習慣稱“電刷放在幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線7.3

直流電機的基本結構高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.3

直流電機的基本結構

直流電機的結構電樞高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.3

直流電機的基本結構

電機裝配圖

更多的圖片高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.3

直流電機的基本結構

直流電機

更多的圖片高等教育出版社高等教育電子音像出版社二、勵磁方式+Ua－+Uf－他勵并勵串勵復勵1.直流電動機按勵磁方式分類7.3

直流電機的基本結構MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I高等教育出版社高等教育電子音像出版社2.直流發(fā)電機按勵磁方式分類自勵7.3

直流電機的基本結構他勵串勵復勵并勵GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.4

直流電機的型號和額定值1.型號Z251產(chǎn)品代號：Z系列直流電機設計序號:第二次改型設計機座代號:電樞鐵心長度代號7.4

直流電機的型號和額定值高等教育出版社高等教育電子音像出版社2.額定功率PN

發(fā)電機的PN

：指輸出電功率的額定值。電動機的PN

：指輸出機械功率的額定值。3.額定電壓UN

發(fā)電機的UN

：指輸出電壓的額定值。電動機的UN

：指輸入電壓的額定值。4.額定電流IN

發(fā)電機的

IN

：指輸出電流的額定值。電動機的IN

：指輸入電流的額定值。7.4

直流電機的型號和額定值高等教育出版社高等教育電子音像出版社5.額定轉速nN6.額定效率ηN額定值之間的關系：在直流電動機中PN=UNINηN

在直流發(fā)電機中PN=UNIN7.4

直流電機的型號和額定值高等教育出版社高等教育電子音像出版社NS7.5

直流電機的電樞反應幾何中心線NS勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負載時的磁場）物理中心線

電樞反應：電樞磁通勢對主極磁場的影響。第7章直流電機的基本理論高等教育出版社高等教育電子音像出版社

電樞反應的影響①總磁場被扭歪了幾何中心線與物理中心線分開了,

電刷位置處的元件的e≠0，增加換向困難。②一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少，磁路不飽和時，每極磁通不變；磁路飽和時，每極磁通減少，e和T相應減少。7.5

直流電機的電樞反應高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.6

直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1.產(chǎn)生電樞電流i

磁場ΦF→T2.大小電磁力：F=B

li

平均磁密：每根導線上電磁力所形成的電磁轉矩：FR第7章直流電機的基本理論B=ΦlBl極距R高等教育出版社高等教育電子音像出版社R

電樞繞組串聯(lián)總匝數(shù)：N

電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)：2a

總導體數(shù)：2N·2a=4aN

電樞的周長：2R=2p

電磁轉矩：

T=4aN

·FR=4aN··B

lip

=4aN··

lip

Φl=4aN··Φi

p

=·Φ·2ai

2pN

電樞電流Ia7.6

直流電機的電磁轉矩和電動勢高等教育出版社高等教育電子音像出版社2.大小

T=CTΦIaCT轉矩常數(shù)：3.方向由Φ和Ia

共同決定。4.性質(zhì)發(fā)電機：電動機：T與n方向相反，為制動轉矩。T與n方向相同，為拖動轉矩。7.6

直流電機的電磁轉矩和電動勢CT=2pN單位：Wb單位：A(N·m)高等教育出版社高等教育電子音像出版社1.產(chǎn)生電樞旋轉n

磁場Φ2.大小每個導體：e=Blv

導體切割磁場線的線速度：電動勢：

E=2N

e

二、電動勢e→∑e→E7.6

直流電機的電磁轉矩和電動勢v=n2R60=2NBlv=2N··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn4pN60高等教育出版社高等教育電子音像出版社CTCE=602=9.55CT

=

9.55CE7.6

直流電機的電磁轉矩和電動勢CT

=2pNCE

=4pN60

E=CEΦn

CE

電動勢常數(shù)：CE=4pN60單位：Wb單位：r/min(V)3.方向：由Φ和n共同決定。4.性質(zhì)發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.7

直流電動機的運行分析一、他勵電動機勵磁電壓Uf→If→Φ電樞電壓Ua→Ia↓→T→n→E1.電壓平衡方程式勵磁電路：

Uf=Rf

If電樞電路：

Ua

=E+Ra

Ia第7章直流電機的基本理論EMIf+Uf－+Ua－Ia高等教育出版社高等教育電子音像出版社

穩(wěn)態(tài)電樞電流Ia

由誰確定？T

=CTΦ

Ia

，

Ua

=E+Ra

Ia例如：負載不變(T不變)，Ua

(Ra)

變化時，

Ia

變化否（設Φ

不變）？Ua(或Ra)

瞬間n不變

E不變Ia

→T

→T＜TLE

←n↓Ia

←T

←T

=TL←Ia不變←

結論：Ia

的大小取決于負載的大小。當Ia=IaN時為滿載，當Ia＞IaN時為過載?！?/p>

規(guī)定短時過載的最大電樞電流：

Iamax=(1.5~2)IaN=αMCIaN7.7

直流電動機的運行分析高等教育出版社高等教育電子音像出版社機械特性ECEΦn=Ua－Ra

IaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T2.轉速OnTn0當T

時，n下降不多

——硬特性。勵磁電路斷電的后果當If=0，Φ=Φr

很小，n不能突變，E很小→T=

CTΦrIa仍有一定數(shù)值?！鶬a

(1)若T＞TL→n

→飛車！(2)T＜TL→n

→n=0→悶車！7.7

直流電動機的運行分析高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.7

直流電動機的運行分析3.轉向取決于電磁轉矩T

的方向。

T的方向取決于Φ

和Ia的方向。磁場反向電樞反向+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－M高等教育出版社高等教育電子音像出版社二、并勵電動機

并勵與他勵的區(qū)別:1.輸入電壓

U

=Ua

=

Uf2.輸入電流

I

=Ia+If3.輸入功率

P1

=UI=UIa+UIf7.7

直流電動機的運行分析Ia+U－IIfM高等教育出版社高等教育電子音像出版社【例7.7.1】

某并勵直流電動機，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求該電機在額定狀態(tài)下運行時的：

(1)If；

(2)Ia；

(3)E

；

(4)T

。解：(1)勵磁電流If7.7

直流電動機的運行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)電樞電流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(3)電動勢E

E=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215V高等教育出版社高等教育電子音像出版社CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)電磁轉矩7.7

直流電動機的運行分析CEΦ=EnN2153000==0.0717高等教育出版社高等教育電子音像出版社三、串勵電動機7.7

直流電動機的運行分析1.電壓

U

=Ua

+

Uf=E

+(Ra+Rf

)I2.電流

I

=Ia

=IfRa+RfU－E=CTΦT=3.轉矩

T=CTΦIa(1)當Ia

較小、磁路未飽和時，

Φ∝Ia，T∝Ia2

。

(2)當Ia

較大、磁路已飽和時，Φ≈常數(shù)，

T∝Ia

。EM＋

Uf

－＋

Ua－+U－IIfIa高等教育出版社高等教育電子音像出版社

即

T∝Iam

(1＜m＜2)

與并勵電動機比較，有如下特點：(1)

對應于相同的T，

Ia小。(2)

對應于允許的Iamax

，能夠產(chǎn)生的T大，

Tst和Tmax較大。4.轉速7.7

直流電動機的運行分析ECEΦn=U－(Ra

+Rf

)

IaCEΦ=UCEΦ=－Ra

+RfCECTΦ2T(1)當T=0時，Ia=If

=0，Φ=Φr，n0=(5~6)nN。高等教育出版社高等教育電子音像出版社(2)當T很小時，Ia

很小，磁路未飽和，T→Ia

→Φ→n迅速下降。

(3)當T很大時，Ia

很大，磁路已飽和，T

→Ia→Φ基本不變→n下降較少。

7.7

直流電動機的運行分析5.應用(1)特別適用于起重機和電氣機車等運輸機械。(2)不能在輕載或空載下運行。(3)不能用皮帶輪傳動。串勵電動機的機械特性軟特性OnT高等教育出版社高等教育電子音像出版社四、復勵電動機1.積復勵、差復勵2.機械特性(1)

有較大的Tst。(2)

可以空載運行。并勵復勵7.7

直流電動機的運行分析MIaIf+U－I串勵OnT高等教育出版社高等教育電子音像出版社大連理工大學電氣工程系7.8

直流電動機的功率和轉矩1.功率平衡方程式

P1-P2=Pal=PFe+PCu+Pme+Pad輸入功率

P1=U

I輸出功率

P2=T2

Ω總損耗

Pal=PFe+PCu+Pme+Pad效率2.損耗分析鐵損耗Pfe——電樞的鐵損耗銅損耗

PCu=RaIa2＋RfIf2第7章直流電機的基本理論一、直流電動機的功率P2P1η=

×100%7.8

直流電動機的功率和轉矩3.功率傳遞過程功率流程圖P1PCuPeP0P2電磁功率

Pe

=P1－PCu

推導：U

I

=

U(

Ia＋If

)=

UaIa＋UfIf

=(E＋RaIa

)Ia＋RfIf2

=E

Ia＋RaIa2＋RfIf2

高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.8

直流電動機的功率和轉矩Pe

=

E

Ia=

CEΦnIa

=TΩ260=

CTΦnIa

260T2n=空載損耗P0

P0

=PFe＋Pme＋Pad輸出功率P2

P2

=Pe－P0

=

T2Ω高等教育出版社高等教育電子音像出版社轉矩平衡方程式

T2=T

－T0

輸出轉矩

電磁轉矩

二、直流電動機的轉矩602π

T2==P2ΩP2n602π

T==PeΩPen7.8

直流電動機的功率和轉矩空載轉矩：在穩(wěn)定運行時：

T2=TL

602π

T0==P0ΩP0n忽略空載轉矩時：

T=T2=TL

7.8

直流電動機的功率和轉矩【例7.8.1】

一并勵電動機，UN=110V，IN=12.5A，

nN=1500r/min，TL=6.8N·m，T0=0.9N·m。求該電機的P2、Pe、P1、Pal和。解：P2P1

=×100%6.2860=×6.8×1500W=1067.6WPe=P2＋P0=(1067.6＋143.3)W=1208.9WP1=UNIN=110×12.5W=1375WPal=

P1－P2=(1375－1067.6)W=307.4W7.8

直流電動機的功率和轉矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1067.61375=×100%=77.64%高等教育出版社高等教育電子音像出版社7.9

直流發(fā)電機的運行分析一、他勵發(fā)電機第7章直流電機的基本理論外電源Uf→If→ΦE→n原動機→電樞→Ua1.空載運行勵磁電路：If

=UfRf勵磁電路總電阻電樞電路：

Ia

=0，Ua

=U0

=E調(diào)節(jié)Rf→If

可變→Φ可變→E可變→Ua可變。+Ua－GIf+Uf－EIa高等教育出版社高等教育電子音像出版社

U0

=E=f(If)

空載特性OIfU0Er剩磁感應電動勢2.負載運行

輸出電壓:U

=Ua

輸出電流:I

=Ia

電壓平衡方程式

U

=Ua

=E－RaIa當IaRaIaE

(電樞反應)Ua

外特性

U=f(I)n=nNIa

=0OIUn=nNIf

=IfNINUNU0n=nNIf

=常數(shù)7.9

直流發(fā)電機的運行分析空載特性外特性高等教育出版社高等教育電子音像出版社

電壓調(diào)整率VR

=U0－UNUN×100%(5%~10%)

調(diào)整特性當n

=nN，U=UN時：

If=f(I)OI

If

IfNIN7.9

直流發(fā)電機的運行分析調(diào)整特性高等教育出版社高等教育電子音像出版社【例7.9.1】

一他勵直流發(fā)電機，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ

保持不變，求1000r/min時的空載電壓U0和900r/min時的滿載電壓U

。解：在nN和UN時的電樞電流9001000E'

=EU0=E

=Ua＋RaIaN

=(230＋0.4×43.5)V=247V在Φ

保持不變時，E

∝n10×103230=A=43.5APNUaIaN=9001000=×247V=222V7.9

直流發(fā)電機的運行分析U=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V高等教育出版社高等教育電子音像出版社二、并勵發(fā)電機＋Ua－

E

→Φ

?Φ→

E

?

1.自勵條件(1)主磁極必須有剩磁Φr

：Φr→Er→Ifr→Φ→E＞ErΦ與Φr方向相同→E＜ErΦ與Φr方向相反(2)

勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：Φr→Er→Ifr→E＞Er→If＞Ifr→Φ→E

···※E與If

既應滿足空載特性又應滿足歐姆定律。7.9

直流發(fā)電機的運行分析GEIfIaI高等教育出版社高等教育電子音像出版社當Rf

Rk

時，

EEr，能夠自勵。當Rf=Rk

時，

E不確定，不能自勵。當Rf

Rk

時，

E≈Er，不能自勵。(3)勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。If=ERa＋RfOIfEErQIfrIf1If2If場阻線：場阻線的斜率：=Ra＋Rftan=EIfOIfEErRf

=RkRf

＜RkRf＞Rk7.9

直流發(fā)電機的運行分析高等教育出版社高等教育電子音像出版社2.運行分析I

=Ia－IfU

=Ua

=UfUa

=E－RaIaI→IaRaIaE(電樞反應)Uf

→ΦUa

外特性

U=f(I

)n=nNRf

=常數(shù)OIUU0他勵并勵(1)負載增加時，U下降較快。

VR

≈20%7.9

直流發(fā)電機的運行分析E＋Ua－IfIaIG高等教育出版社高等教育電子音像出版社(2)外特性有拐彎現(xiàn)象。OIUU0他勵并勵INUNRL

→I(Ia)

→U

低飽和磁路RL

→U→If→Φ→E

(較大幅度)→U的下降比RL的減少得更快I=U/RLRL

→U→I→RL=0，U=0，If

=0→

Φ=Φr，

E=Er

→ISC

較小。(3)

穩(wěn)態(tài)短路電流不大。7.9

直流發(fā)電機的運行分析高等教育出版社高等教育電子音像出版社【例7.9.2】

例7.7.1中的他勵發(fā)電機，勵磁繞組的電阻為100Ω。轉速為1000r/min時的空載特性如圖所示。今將它改作并勵發(fā)電機運行。問勵磁電路內(nèi)應串聯(lián)多大的電阻才能獲得230V的空載電壓和滿載電壓？解：空載運行時EIfRf

=U0

=E－RaIf≈E

查空載特性得：

If=1.5A

時E=

230V根據(jù)E=

(Ra＋Rf)If可得2301.5=Ω=153.3Ω

7.9

直流發(fā)電機的運行分析01234If/AE/V300200100高等教育出版社高等教育電子音像出版社應串聯(lián)的電阻為

R=Rf－100

=(153.3－

100)Ω=53.3Ω若要滿載電壓為230V，則需E=247V。再查空載特性得

If=2A

時E=

247V根據(jù)UN

=RfIf可得2302=(－100

)Ω=15Ω

01234If/AE/V300200100UNIfR

=－100

7.9

直流發(fā)電機的運行分析高等教育出版社高等教育電子音像出版社*三、串勵發(fā)電機1.

基本關系

I

=Ia

=IfU

=Ua－Uf=E－(Ra＋Rf)I2.

外特性空載時，I

=Ia

=If=0Φ

=Φr

，E

=Er負載時，I(If)

→Φ

→UI(If)7.9

直流發(fā)電機的運行分析OIUEr外特性

磁路飽和E不再增加→電阻壓降

→U

。G+U－IfIIa高等教育出版社高等教育電子音像出版社四、復勵發(fā)電機1.

分為積復勵和差復勵2.對于積復勵發(fā)電機(1)平復勵發(fā)電機當I

=IN時的UN

=

U0。(2)過復勵發(fā)電機當I

=IN時的UN＞U0。(3)

欠復勵發(fā)電機當I

=IN時的UN

＜U0。他勵并勵過復勵IN平復勵欠復勵差復勵7.9

直流發(fā)電機的運行分析OIUUNGIIaIf+U－高等教育出版社高等教育電子音像出版社大連理工大學電氣工程系7.10

直流發(fā)電機的功率和轉矩一、直流發(fā)電機的功率1.功率平衡方程式

P1-P2=Pal=PFe+PCu+Pme+Pad輸入功率:輸出功率:總損耗：效率：P1=T1ΩP2=U

I260=

T1n第7章直流電機的基本理論Pal=PFe+PCu+Pme+PadP2P1η=

×100%2.損耗分析鐵損耗PFe－電樞的鐵損耗銅損耗

PCu=RaIa2＋RfIf23.功率傳遞過程7.10

直流發(fā)電機的功率和轉矩P1Pme+PadPFeP