直流電機的基本理論

直流電機的基本理論第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系NS－U＋7.1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－第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系NS7.1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？換向片第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)機械負載克服反電動勢做功7.1直流電機的工作原理

電磁關(guān)系換向Φ旋轉(zhuǎn)第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系NS二、直流發(fā)電機的工作原理NS－E＋7.1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(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功

電磁關(guān)系Φ換向第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)一、主要部件1.定子(1)主磁極(2)換向磁極(3)機座(4)端蓋等第7章直流電機的基本理論

直流電機的定子(a)主磁極(b)機座第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

直流電機的定子7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)

更多的圖片第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系2.轉(zhuǎn)子（電樞）(1)電樞鐵心(2)電樞繞組7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)(3)換向器(4)轉(zhuǎn)軸與風扇

直流電機的轉(zhuǎn)子(a)轉(zhuǎn)子主體(b)電樞鋼片第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

直流電樞繞組AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)AB12345678第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

直流電樞繞組電動機發(fā)電機兩匝元件7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)eeeeeeee＋－＋E

－A1

2

3

48

7

6

5BIaeeeeeeee1

2

3

48

7

6

5AB＋－Ia＋E

－第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系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。A1A2B1B2n7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)36'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

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?！晳T稱“電刷放在幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)

直流電機的結(jié)構(gòu)電樞第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)

電機裝配圖

更多的圖片第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)

直流電機

更多的圖片第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系二、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7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系2.直流發(fā)電機按勵磁方式分類自勵7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)他勵串勵復勵并勵GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系1.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。2.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。3.額定功率PN

發(fā)電機的PN

：指輸出電功率的額定值(UNIN)

。電動機的PN

：指輸出機械功率的額定值

(UNINηN)

。三、額定值7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系4.額定轉(zhuǎn)速nN5.額定勵磁電壓UfN6.額定勵磁電流IfN※

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)。7.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系NS7.3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第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

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。7.3直流電機的電樞反應第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.4直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢一、電磁轉(zhuǎn)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：

第7章直流電機的基本理論BlB=Φl極距第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.4直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢一、電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩：FR第7章直流電機的基本理論B=ΦlBl極距R第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系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(zhuǎn)矩：

T=4aN

·FR=4aN··B

lip

=4aN··

lip

Φl=4aN··Φi

p

=·Φ·2ai

2pN

電樞電流Ia7.4直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系2.大小

T=CTΦIaCT轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。T與n方向相同，為拖動轉(zhuǎn)矩。7.4直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢CT=2pN單位：Wb單位：A(N·m)第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系1.產(chǎn)生電樞旋轉(zhuǎn)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→E7.4直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電動勢v=n2R60=2NBlv=2N··

l·n

2p

60Φl=n2p60=Φn4pN60第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系CTCE=602=9.55CT

=

9.55CE7.4直流電機的電磁轉(zhuǎn)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。第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.5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第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

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(shè)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(jié)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=αMCIaN7.5直流電動機的運行分析第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系機械特性ECEΦn=Ua－Ra

IaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T2.轉(zhuǎn)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！7.5直流電動機的運行分析第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.5直流電動機的運行分析3.轉(zhuǎn)向取決于電磁轉(zhuǎn)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第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系二、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+UIf7.5直流電動機的運行分析Ia+U－IIfM第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系【例】

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If7.5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(2)電動勢EE=UN－RaIa

=(220－0.41×12.15)V=215V第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa

=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)電磁轉(zhuǎn)矩7.5直流電動機的運行分析CEΦ=EnN2153000==0.0717第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系三、串勵電動機7.5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(zhuǎn)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第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

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(zhuǎn)速7.5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。第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系(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。

7.5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O(shè)nT第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系四、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7.5直流電動機的運行分析MIaIf+U－I串勵OnT第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.6直流電動機的功率和轉(zhuǎn)矩1.功率平衡方程式(1)輸入功率P1

P1

=

U

I(2)銅損耗PCuPCu=

RaIa2＋RfIf2(3)電磁功率PePe

=P1－PCu

推導：U

I

=

U(

Ia＋If

)=

UaIa＋UfIf

=(E＋RaIa

)Ia＋RfIf2

=E

Ia＋RaIa2＋RfIf2

第7章直流電機的基本理論Pe=

E

Ia

一、直流電動機的功率第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.6直流電動機的功率和轉(zhuǎn)矩Pe

=

E

Ia=

CEΦnIa

=TΩ260=

CTΦnIa

功率流程圖P1PCuPeP0P22.轉(zhuǎn)矩平衡方程式空載：T

=

T0

負載:T

=

T0+T2260T2n=(4)空載損耗P0

P0

=PFe＋Pme＋Pad(5)輸出功率P2

P2

=Pe－P0

=

T2Ω第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.6直流電動機的功率和轉(zhuǎn)矩(6)總損耗Pal

=PCu＋PFe＋Pme＋Pad(7)功率平衡方程式

P1－P2

=Pal(8)效率P2P1

=×100%二、直流電動機的轉(zhuǎn)矩T

=T0＋TL第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系【例】

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=307.4W7.6直流電動機的功率和轉(zhuǎn)矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1067.61375=×100%=77.64%第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.7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第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

U0

=E=f(If)

空載特性O(shè)IfU0Er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)7.7直流發(fā)電機的運行分析空載特性外特性第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系

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

IfNIN7.7直流發(fā)電機的運行分析調(diào)整特性第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系【例】

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=222V7.7直流發(fā)電機的運行分析U=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系二、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。7.7直流發(fā)電機的運行分析GEIfIaI第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系當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＞Rk7.7直流發(fā)電機的運行分析第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系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%7.7直流發(fā)電機的運行分析E＋Ua－IfIaIG第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系(2)外特性有拐彎現(xiàn)象。OIUU0他勵并勵I(lǐng)NUNRL

→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。7.7直流發(fā)電機的運行分析第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系【例】

例7.7.1中的他勵發(fā)電機，勵磁繞組的電阻為100Ω。轉(zhuǎn)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

7.7直流發(fā)電機的運行分析01234If/AE/V300200100第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系應串聯(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

7.7直流發(fā)電機的運行分析第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系*三、串勵發(fā)電機1.

基本關(guān)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)7.7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第五十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系四、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I(lǐng)N平復勵欠復勵差復勵7.7直流發(fā)電機的運行分析OIUUNGIIaIf+U－第五十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日大連理工大學電氣工程系7.8直流發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩一、直流發(fā)電機的功率1.輸入功率P1:2.空載損耗P0:3.電磁功率Pe:4.銅損耗PCu:5.輸出功率P2:P1=T1ΩP0=PFe＋Pme＋PadPe=P1－

P0

=TΩ=EIaPCu=R