電機與拖動-第2章直流電機原理

第2章直流電機原理2.1直流電機的結構和基本原理2.2直流電機的電樞繞組和磁場

2.3直流電機的感應電動勢和電磁轉矩2.4直流電動機運行原理2.5直流發(fā)電機運行原理2.1直流電機的結構和基本原理2.1.1直流電機的結構2023/2/52直流電機結構圖端蓋

端蓋磁軛主磁極勵磁繞組

電樞鐵心電樞繞組換向器電刷裝置軸軸承風扇換向極繞組換向磁極2023/2/531.定子(stator)產生磁場和作電機的機械支撐2023/2/54主磁極機座主磁極鐵心勵磁繞組絕緣框架電樞鐵心螺栓機座換向極主磁極主磁極和機座2023/2/55換向極和電刷換向極繞組換向極鐵心銅絲辮壓緊彈簧電刷刷握2023/2/562.轉子(rotor)

(電樞armature)電樞鐵心和繞組換向器轉軸和風扇2023/2/572.1.2直流電機工作原理電動機工作原理

NSAX＋U－iaiaffTemNS－U＋XAiaiaffTem線圈邊中電流不改變方向，則平均Tem=0。2023/2/58電動機工作原理

NSAXB1B2換向片電刷＋U－iaiaffTemNS＋U－XB1B2AiaiaffTem電刷和換向片的作用是什么？

線圈邊切割磁力線會產生什么？

eaeaeaea2023/2/59有磁場，電源通過電刷和換向器向電樞繞組通入直流電。根據電磁力定律，直流電動機電樞繞組產生電磁力矩，驅動機械負載。同時，根據電磁感應定律，電樞繞組內部也產生感應電勢——反電動勢。輸入的直流電能克服反電動勢，通過氣隙磁場做功，電能轉換成機械能。2023/2/510直流電流交流電流電磁轉矩(拖動轉矩)換向機械負載旋轉克服反電動勢做功電動機的電磁關系外加電源電刷和換向器電樞繞組內部氣隙磁場轉子2023/2/511NST1AXeaeaB2B1－Ea＋B1XANST1B2eaea－Ea＋電刷和換向片的作用是什么？

載流導體在磁場中會產生什么？

ffff直流發(fā)電機

2023/2/512原動機拖動轉子旋轉，根據電磁感應定律，直流發(fā)電機電樞繞組產生感應電勢，同時，根據電磁力定律，旋轉的電樞繞組切割磁場，也產生電磁轉矩——與旋轉方向相反。2023/2/513氣隙磁場的分布波形及線圈電動勢波形0Bt

23AX0eXAtNS0πAX×

+e－0eB1B2t2023/2/514每極下有3個串聯線圈時的電動勢波形0et

2

3

在直流發(fā)電機中，換向器和電刷的共同作用：①將線圈中的交流電動勢整流成刷間的直流電動勢；②把轉動的電路與外面不轉的電路聯接。2023/2/515電磁關系輸出直流電換向原動機感應電動勢和電流電磁轉矩

(阻轉矩)做功氣隙磁場電樞繞組內部機械能電刷和換向器轉子2023/2/5162.1.3直流電機額定值1.銘牌直流電動機型號Z3－95產品編號7001結構類型勵磁方式他勵功率30kW勵磁電壓220V電壓220V工作方式連續(xù)電流160.5A絕緣等級定子B轉子B轉速750r/min重量685kg標準編號JB1104－68出廠日期年月2023/2/517額定電壓UN(V)

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。額定電流IN(A)

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。額定功率PN(kW)

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。額定轉速nN(r/min)2.額定值2023/2/518額定勵磁電壓UfN(V)額定勵磁電流IfN(A)※

額定狀態(tài)

：指U、I、P、n均為額定值的狀態(tài)?！鶟M載狀態(tài)

：

指I=IN的狀態(tài)。[例2－1]一臺Z2型直流發(fā)電機，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW，N＝90％，求該發(fā)電機的額定電流和額定輸入功率[例2－2]一臺直流電動機，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，N＝84％，求該電動機的額定電流和額定輸入功率2023/2/519

Z2系列是普通中小型直流電機。ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。其他系列的直流電機型號、技術數據可從產品目錄或相關的手冊中查到。2.直流電機的型號和系列國產直流電機的系列產品代號采用大寫漢語拼音字母表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯數字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動機、第二次改進設計型，“7”表示機座號，7后面的2表示長鐵心（2號表示長鐵心，1號表示短鐵心）。2023/2/5202.2電機的電樞繞組和磁場2.2.1直流電機電樞繞組1.繞組的基本概念單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組、蛙繞組（疊繞和波繞混合繞組）。(1)元件是構成電樞繞組的基本單元，其兩端分別與兩片換向片相連的單匝或多匝線圈。

后端接上元件邊前端接下元件邊2023/2/521(2)疊繞組和波繞組

疊繞元件波繞元件元件邊(有效邊)匝數為1的是單匝元件，匝數大于1的是多匝元件。由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個(設為u個)元件邊。將一個上層邊和一個下層邊在槽內所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數Z等于實槽數Q；若每槽的上、下層各有u個元件邊時，則有：Z=uQ=Qu，Qu為虛槽數。2023/2/522(3)節(jié)距

各元件在電樞表面的幾何關系一般用元件的節(jié)距表示2023/2/523第一節(jié)距y1指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數表示。其表達式為：式中ε為把y1湊整的小于1的分數。當ε=0，y1=τ（極距）稱為整距元件；當ε>0稱為長距元件；當ε<0稱為短距元件，實際電機中采用短距元件，可節(jié)省銅。

第二節(jié)距y2指兩個相串聯的元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊所跨的距離，用槽數表示。2023/2/524合成節(jié)距y指直接串聯的兩個元件的對應邊所跨的距離。換相器節(jié)距yk指同一元件的兩個出線端所接的兩換相片之間所跨的距離，用換相片數表示。(4)極距相鄰兩個主磁極軸線之間的距離稱作極距，記作

，一般用槽數表示，即有：=Z2p

電樞總槽數主磁極極對數2023/2/5252.單疊繞組連接

單疊繞組是以相鄰元件依次串聯的聯接規(guī)律連成的，每個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩個換相片上，最后形成一閉合回路。[例2－3]以總元件數為6的電機為例，說明單疊繞組的聯接。設S（元件數）=K（換相片數）=Z（槽數）=6，u=1，2p=2，則合成節(jié)距y=1，極距τ=第一節(jié)距y1=3，換相器節(jié)距yk=1（右行繞），第二節(jié)距y2=y1-y=3-1=2，上述數據所表示的實際電機繞組安放如圖。

2023/2/5262023/2/527展開圖雖然能反應電樞繞組聯接規(guī)律，也能說明電機內部電磁關系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機內部電磁關系時，采用電機模型。無論電機有多少對磁極都只用N、S一對磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中性線處，并與位于幾何中性線處的元件接觸，一個圓圈代表一個元件。

2023/2/528電動機發(fā)電機eeeeeeee＋－EA1

2

3

48

7

6

5BIa結論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。1

2

3

48

7

6

5AB＋－IaeeeeeeeeE電樞電流支路電流并聯支路對數a

一個串聯支路上的導體數

N為電樞的全部導體數2023/2/529MM2.2.2直流電機的勵磁方式IfIa他勵并勵串勵復勵1.直流電動機按勵磁方式分類IIfIaUaUfU

MMU

IIaUIIfIfIa2023/2/5302.直流發(fā)電機按勵磁方式分類GIUfUaIfIa分為他勵和自勵。GIIaU

IfGIaIfIU

GIaU

IfI他勵串勵（自勵）并勵（自勵）復勵（自勵）2023/2/5312.2.3直流電機的磁場1.空載磁場

直流電機空載是指電機對外無功率輸出、不帶負載空轉的一種狀態(tài)。直流電機空載時，勵磁繞組內有勵磁電流，電動機電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機電樞電流為零，這時電機的磁場由勵磁電流單獨建立。2023/2/532氣隙電樞齒轉子鐵心軛主磁極鐵心定子鐵心軛主磁通漏磁通主磁通漏磁通主磁通產生感應電動勢和電磁轉矩主磁通和漏磁通2023/2/533

Bav0BBBm產生主磁通時整個閉合磁路所需的磁通勢為磁感應強度B的分布2023/2/534電機主磁通與勵磁電流的關系可以計算或實驗測定氣隙線abc

磁化曲線磁感應強度B的分布I00I0較小時鐵心不飽和，磁通勢主要作用在氣隙上。I0較大時鐵心飽和，勵磁電流與磁通是非線性關系。2023/2/5352.負載時的電樞磁動勢幾何中性線直軸d交軸qFa22OxxFa(x)Ba(x)直流電機負載運行時，電樞電流Ia不為零，氣隙中由電樞電流Ia產生電樞磁動勢Fa。2023/2/5363.電樞反應

當電機帶負載后，電樞繞組流過電流，出現電樞磁動勢。電樞磁動勢對主磁極產生的磁場有影響，故對電機的運行性能也會產生一定的影響。把電樞磁動勢對勵磁磁動勢產生的影響稱為電樞反應(thearmaturereaction)。當電刷位于幾何中性線時，電樞反應使氣隙磁場發(fā)生畸變并使物理中性線偏移,當磁路飽和時有祛磁作用。直流電機負載運行時主磁極的一端磁通增加，另一端磁通減少，使氣隙磁場的分布發(fā)生扭斜，氣隙磁密過零的地方偏離了幾何中心線，呈現不均勻分布，出現了電樞反應。2023/2/537Ba

22OxNSB0B

※

將通過圓心和電樞圓周上徑向磁密為零的點連接成的直線——物理中性線。NS幾何中性線物理中性線2023/2/5382.3直流電機的感應電勢和電磁轉矩2.3.1直流電機的感應電動勢1.感應電動勢的產生B電樞旋轉n磁場ex→ex

→Ea2.感應電動勢的大小(1)每根導體的感應電動勢

ex

=Bxlv※

Bx——導體所在處的氣隙磁密。

l——導體的有效長度。

v——導體切割磁場線的線速度。2023/2/539=npN60a(2)電樞電動勢的大小

設電樞總導體數為N，則每條支路的導體為，故v=n2R60=n2p60N2aEa=ex1N/2a

=

Bxlv1N/2a

=lv

Bx1N/2a

BBav平均氣隙磁密=lvBavN2a=ln

2p

60

lN2a=Cen每極下的磁通2023/2/540

E=Cen

※

Ce

——電動勢常數。單位：Wb單位：r/min(V)3.感應電動勢的方向和性質

方向：由

和n共同決定。

性質：發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。2023/2/5411.電磁轉矩的產生電樞電流ia

磁場f→Tem

2.電磁轉矩的大小設電刷在幾何中性線處，元件為整距。(1)同一極下每根導體受到的平均電磁力為

fav

=Bavlia※

ia——導體中的電流。每根導體受到的平均電磁轉矩為

Tav=

fav=

BavliaD

2D

22.3.2直流電機的電磁轉矩

2023/2/542電樞直徑為：

電樞電流與支路電流的關系為：則D=2p

ia=Ia

2aTem=

NTav=N

BavliaD

2=Nl

lIa

2ap

=IapN2a(N·m)

Tem=CTIa

※

CT

——轉矩常數。單位：Wb單位：A2023/2/5433.電磁轉矩的方向和性質

方向：由

和Ia共同決定。

性質：發(fā)電機為制動轉矩，Tem

與n方向相反。電動機為拖動轉矩，Tem

與n方向相同。4.電動勢常數和轉矩常數的關系，CT=pN2aCe=pN60a因為則問題如何使他勵、并勵、串勵直流電動機反轉？2023/2/5442.4.1基本方程式(以他勵電機為例)TemTL=T0+T2IfIaEaMGU+-+-Ufn1.電壓方程電樞回路電壓

U=Ea+IaRa勵磁回路電壓2.

轉矩方程電磁轉矩轉矩平衡方程Tem=T2+T0輸出轉矩空載轉矩穩(wěn)定運行時T2+T0=TL2.4直流電動機運行原理2023/2/5453.功率(1)輸入功率電壓平衡方程

U=Ea+IaRa等式兩邊同時乘以電源電流I(他勵電機的I＝Ia)(2)電磁功率2023/2/546(3)輸出功率根據轉矩平衡方程等式兩邊同時乘以空載損耗鐵損耗機械損耗(4)總損耗附加損耗(5)效率2023/2/547(6)功率流程圖P1pCuPemp0P2當忽略空載損耗不計，Tem=TL，電動機的電樞電流由負載轉矩TL和磁通決定電樞電流2023/2/5482.4.2直流電動機的工作特性

電動機的轉速n、電磁轉矩T、效率與輸出功率P2或（Ia）的關系叫工作特性。1.他(并勵)電動機(1)轉速特性：n=f(Ia）①研究條件：U=UN,If=IfN②數學表達式U=Ea+IaRa且Ea=CennIa0n0IaNnN③轉速變化率他、并勵電機n=（2~8）%當Ia

時，n下降不多(硬特性)。2023/2/549勵磁電路斷電的后果當If=0，

=r

很小，n不能突變→Ea

很小

→Tem=

CTrIa

仍有一定數值。

→

Ia

①若Tem

＞TL→n

(飛車)②若Tem＜TL→n

→n=0(悶車)(2)轉矩特性：Tem=f(Ia）研究條件：U=UN，If=IfNOTemIa

①若不計磁路飽和，則Tem∝Ia；②若計及磁路飽和，則

Tem隨著

Ia的增加略有下降。2023/2/550(3)效率特性：=f(P2）研究條件：U=UN，If=IfNIa0PCu－可變損耗；p0－不變損耗；當它們相等時效率最大

2023/2/551【例2－4】

已知某并勵直流電動機，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,電樞電阻Ra=0.18，勵磁電阻Rf＝628。試求：(1)CeN、CTN

；(2)電磁轉矩Tem；(3)額定輸出轉矩T2；(4)空載轉矩T0；(5)理想空載轉速n0與實際空載轉速n0。解：(1)2023/2/5522023/2/5532.串勵電動機特點是I=If=Ia，主磁通隨負載電流Ia的變化而變化。MU

IUf

IfUa

Ia(1)轉速特性n=f(Ia)電機空載或輕載運行，Tem=0If=Ia≈0(很小)串勵直流電動機絕對不允許空載或輕載運行2023/2/554他勵電動機的與Ia無關，而串勵電動機If=Ia，

與Ia符合磁化曲線關系.輕載時Ia較小，轉速與電樞電流是非線性關系nIa0雙曲線重載時Ia=If

較大，近似不變轉速與電樞電流是線性關系直線當Ia

時，n下降較多(軟特性)。2023/2/555(2)轉矩特性Tem=f(Ia)根據Tem=CTIa輕載時=kIa拋物線TIa0重載時=常數直線串勵直流電動機適用于負載轉矩在較大范圍內變化和要求有較大起動轉矩及過載能力的生產機械上。2023/2/5563.復勵電動機M＋-UIIaIf串勵勵磁繞組匝數少，導線粗，電阻小并勵勵磁繞組，匝數多，導線細，電阻大兩個勵磁繞組磁通勢方向相同稱為積復勵電動機兩個勵磁繞組磁通勢方向相反稱為差復勵電動機nIa0并勵串勵復勵復勵電動機的起動轉矩和過載能力大，可以在空載和輕載狀態(tài)下運行。2023/2/557GIUIfIaUf勵磁Uf→If→

Ea→n原動機→電樞→U1.電壓平衡方程Uf=

RfIf

U

=

Ea－RaIa

E調節(jié)Rf

→If

可調→

可調

→Ea

可調→U可調。2.轉矩平衡方程

T1=

Tem＋T02.5直流發(fā)電機運行原理2.5.1基本方程式(以他勵電機為例)2023/2/558

當發(fā)電機P2增加時，輸出電流Ia增大、Tem增大，必須加大外力矩T1才能維持正常運轉。當發(fā)電機空載運行時，其轉子的阻轉矩只有T0。轉矩平衡方程：T1=T0。當發(fā)電機負載運行時，其轉子的阻（制動）轉矩有T0和電磁轉矩Tem。轉矩平衡方程為：

發(fā)電機必須有外力矩T1，才能維持正常運轉。其中：2023/2/5593.功率平衡方程T1

=

Tem

＋T0

P1=

Pem＋P0Pem=

EaIaPem=

P2＋pCuap0=

pFe＋pm＋pad=UaIa＋RaIa2輸入功率P1：電磁功率Pem

：

空載損耗P0:P1pm+padpFePempCuaP2※外力矩為了克服制動轉矩（Tem和T0）提供機械力矩（功率）；并部分轉換成了電磁功率傳給了電樞。2023/2/5602.5.2直流發(fā)電機運行特性

直流發(fā)電機中，物理量U（端電壓）、Ia（電樞電流）、If（勵磁電流）兩兩間的關系稱為發(fā)電機運行特性。1.他勵發(fā)電機(1)空載特性U0=f(If)

當n=nN且Ia=0時，U0與If關系也等于E0與If關系，即

E0=f(If)OIfU0當勵磁電流為零時的電壓是什么電壓？Er剩磁感應電動勢2023/2/561(2)外特性U=f(Ia)當If=IfN，n=nN時，U與Ia的關系曲線下降原因：U=Ea-IaRa電樞反應去磁，使Ea減小內阻Ra有壓降(主要)電壓變化的程度用U表示，稱為電壓變化率※他勵電機ΔU=(5~10)%OIa

UU0UNIN2023/2/562當n

=nN，U=UN時：

If=f(Ia)OIIf

IfNIaN（3）調節(jié)特性（4）效率特性

=×100%P2P1※小型發(fā)電機：N=70%~90%

中大型發(fā)電機：N=91%~96%當n

=nN，U=UN時：

=f(P2)2023/2/5632.并勵直流發(fā)電機的自勵與外特性GIIaU

IfEa問題：Ea

→

？

→

Ea

？

(1)并勵直流發(fā)電機的自勵

主磁極必須有剩磁r

r→Er→Ifr→

與r方向相同→Ea＞Er與r方向相反→Ea＜Er勵磁電流產生的磁通必須與剩磁同方向r→Er→Ifr→Ea＞Er→