華中科技大學(xué)-電機(jī)學(xué)-第二章-直流電機(jī)-課件

電機(jī)學(xué)

ElectricMachinery（第2章直流電機(jī)）電機(jī)學(xué)

ElectricMachinery（第2章直流2.1概述直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)額定值直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件2.1概述直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)額定值直流電機(jī)的主2.1.1直流電機(jī)工作原理2.1.1直流電機(jī)工作原理2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)整體結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)整體結(jié)構(gòu)2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)主磁極與換向極2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)主磁極與換向極2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)機(jī)座2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)機(jī)座2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)電樞沖片和電樞繞組2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)電樞沖片和電樞繞組2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)換向器2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)換向器2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)電刷裝置2.1.2直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機(jī)電刷裝置2.1.3直流電機(jī)的額定值額定功率：PN，單位W或kW額定電壓：UN，單位V額定電流：IN，單位A額定勵磁電壓：UfN，單位V額定勵磁電流：IfN，單位A額定轉(zhuǎn)速：nN，單位r/min額定效率：

N額定轉(zhuǎn)矩：TN，單位N·m額定溫升：

，單位2.1.3直流電機(jī)的額定值額定功率：PN，單位W或kW2.2直流電機(jī)電樞繞組基本特點單疊繞組單波繞組2.2直流電機(jī)電樞繞組基本特點單疊繞組單波繞組2.2.1電樞繞組基本特點電樞繞組設(shè)計的基本要求電動勢大，波形好電流大，產(chǎn)生并承受的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩大結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠便于維修換向性能好電樞繞組類型疊繞組：單疊繞組和復(fù)疊繞組波繞組：單波繞組和復(fù)波繞組蛙繞組：疊繞組與波繞組的組合2.2.1電樞繞組基本特點電樞繞組設(shè)計的基本要求2.2.1電樞繞組基本特點基本概念繞組元件：兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件邊：放在槽中切割磁力線、感應(yīng)電動勢的有效邊。上（下）元件邊：放在某一槽上（下）層。端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。2.2.1電樞繞組基本特點基本概念2.2.1電樞繞組基本特點基本概念槽內(nèi)每層元件邊數(shù)：u槽數(shù)Z與虛槽數(shù)Zi：Zi

=uZ元件數(shù)S、換向片數(shù)K與虛槽數(shù)Zi：S=K=Zi2.2.1電樞繞組基本特點基本概念2.2.1電樞繞組基本特點基本概念第一節(jié)距y1：兩個元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示極距

：每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離，或相鄰兩主極間的距離，用弧長或虛槽數(shù)表示。y1應(yīng)接近一個極距

，且為整數(shù)。整距：y1=

短距：y1<

長距：y1>

2.2.1電樞繞組基本特點基本概念2.2.1電樞繞組基本特點基本概念第二節(jié)距y2：與同一換向器相連的兩個元件，第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，也常用虛槽數(shù)表示。疊繞組，y2

<0；波繞組，y2

>0;合成節(jié)距y：串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示。y=y1+y2換向器節(jié)距yK：與每個元件相連的兩個換向器在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示。y=yK2.2.1電樞繞組基本特點基本概念17第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yK單疊繞組元件

右行左行單波繞組元件

右行17第一節(jié)距y1單疊繞組元件右行左行單波繞組元件右行2.2.2單疊繞組4極電機(jī)，

Z=Zi=S=K=16單疊右行整距繞組2.2.2單疊繞組4極電機(jī)，19單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)成一條支路19單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)成一條支路20并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，并聯(lián)支路對數(shù)a=2電刷放置20并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，并聯(lián)支路對數(shù)a=22.2.3單波繞組4極電機(jī)Z=Zi=S=K=15單波左行短整距繞組2.2.3單波繞組4極電機(jī)22單波繞組：所有處于同極性下的元件串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路22單波繞組：所有處于同極性下的元件串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路23并聯(lián)支路數(shù)等于2，并聯(lián)支路對數(shù)a=1

電刷放置位置23并聯(lián)支路數(shù)等于2，并聯(lián)支路對數(shù)a=1小結(jié)

直流電機(jī)電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。

直流電機(jī)電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。在直流電機(jī)中，通常用a

表示并聯(lián)支路對數(shù)；單疊繞組，a=p，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機(jī)極對數(shù)；單波繞組，a=1，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1。電刷放置的一般原則：確?？蛰d時通過正、負(fù)電刷引出的電動勢最大；被電刷短路的元件中的電動勢為零；端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。小結(jié)直流電機(jī)電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。25單迭繞組和單波繞組的區(qū)別單迭繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同一極下的元件，形成一條支路。每增加一對主極就增加一對支路。2a＝2p。迭繞組并聯(lián)的支路數(shù)多，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)少，適應(yīng)于較大電流、較低電壓的電機(jī)。單波繞組：把全部上元件邊在相同極性下的元件相連，形成一條支路。整個繞組只有一對支路，極數(shù)的增減與支路數(shù)無關(guān)。2a＝2。波繞組并聯(lián)的支路數(shù)少，每條支路中串聯(lián)元件數(shù)多，適用于較高電壓、較小電流的電機(jī)。25單迭繞組和單波繞組的區(qū)別單迭繞組：先串聯(lián)所有上元件邊在同2.3直流電機(jī)的磁場磁場是電機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。主極磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生主極磁場也可由勵磁繞組通入直流電流或由產(chǎn)生。

2.3直流電機(jī)的磁場磁場是電機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介2.3.1直流電機(jī)按勵磁方式分類

他勵直流電機(jī)并勵直流電機(jī)串勵直流電機(jī)復(fù)勵直流電機(jī)2.3.1直流電機(jī)按勵磁方式分類2.3.2直流電機(jī)的空載磁場

空載磁場（主磁場）：電樞電流Ia=0，僅由If建立的勵磁磁場。2.3.2直流電機(jī)的空載磁場空載磁場（主磁場）：電樞電2.3.2直流電機(jī)的空載磁場

磁通：空載是電機(jī)中的磁場是對稱分布的，分為兩部分

主磁通：經(jīng)氣隙、電樞、相鄰主極下的氣隙、主極鐵芯、定子磁軛閉合。主磁通同時交鏈與勵磁繞組和電樞繞組；在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機(jī)電能量交換；用

0表示。

漏磁通：經(jīng)主極間的空氣或定子磁軛閉合。不穿過氣隙；不參與機(jī)電能量交換；用

表示。

總磁通：為主磁通與漏磁通之和，用

m表示。2.3.2直流電機(jī)的空載磁場磁通：空載是電機(jī)中的磁場是2.3.2直流電機(jī)的空載磁場

磁通間的關(guān)系

k

—主極漏磁系數(shù)，一般取值1.15~1.252.3.2直流電機(jī)的空載磁場2.3.2直流電機(jī)的空載磁場

磁動勢F0—每對極勵磁磁動勢

Nf—每極主極上的勵磁繞組匝數(shù)主磁路結(jié)構(gòu)—五段式兩個氣隙兩個齒兩個主極一個定子軛一個轉(zhuǎn)子軛2.3.2直流電機(jī)的空載磁場磁動勢2.3.2直流電機(jī)的空載磁場

主磁場分布

氣隙磁密為平頂波

2.3.2直流電機(jī)的空載磁場主磁場分布33磁化曲線

起始階段為直線

其延長線為氣隙線

鐵磁飽和導(dǎo)致磁化曲線的彎曲33磁化曲線

起始階段為直線

其延長線為氣隙線

鐵磁2.3.3直流電機(jī)的電樞磁場

電樞繞組中的電流產(chǎn)生的磁場。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。一般情況下，直流電機(jī)電樞磁場方向總是對準(zhǔn)交軸，稱為交軸電樞反應(yīng)。2.3.3直流電機(jī)的電樞磁場35電刷位于幾何中性線上35電刷位于幾何中性線上36電刷偏離幾何中性線直軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢36電刷偏離幾何中性線直軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢2.3.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

交軸電樞反應(yīng)2.3.4直流電機(jī)的電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響使磁場的零點偏移；不飽和時，每極磁通量不變；飽和時，每極磁通量會減少。交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響39直軸電樞反應(yīng)39直軸電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響直軸電樞磁場軸線與主機(jī)軸線重合；直軸電樞磁場對勵磁磁場起去磁或助磁的作用；直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

感應(yīng)電動勢E：支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動勢的代數(shù)和。

電磁轉(zhuǎn)矩Tem：所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。Φ為每極磁通量，空載時由勵磁電流產(chǎn)生，負(fù)載時由勵磁電流和電樞電流共同產(chǎn)生。CE為電動勢常數(shù)CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動勢E：支路中各串聯(lián)2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性2.4.1基本方程并勵發(fā)電機(jī)等效電路2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性2.4.1基本方程并勵發(fā)電機(jī)2.4.1基本方程1、電動勢平衡方程電樞回路

Ub—電刷接觸電阻電壓降，0.3~1V勵磁回路電流方程2.4.1基本方程1、電動勢平衡方程電樞回路Ub—電2.4.1基本方程2、功率平衡方程

電磁功率：電樞繞組感應(yīng)電動勢E與電樞電流Ia的乘積

2.4.1基本方程2、功率平衡方程

電磁功率：電樞繞組感應(yīng)2.4.1基本方程3、轉(zhuǎn)矩平衡方程

轉(zhuǎn)矩平衡方程可由功率平衡方程得出2.4.1基本方程3、轉(zhuǎn)矩平衡方程

2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性1、空載特性

當(dāng)n=常值、I=0時，U0=f(If)的關(guān)系曲線。他勵發(fā)電機(jī)特性實驗接線圖2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性1、空載特性

2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性1、空載特性他勵發(fā)電機(jī)空載特性曲線空載特性本質(zhì)上就是通過實驗方法測定發(fā)電機(jī)實際的磁化曲線空載特性曲線測定均按他勵發(fā)電機(jī)接線方式，與電機(jī)的勵磁方式無關(guān)2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性1、空載特性他勵發(fā)電機(jī)空載特2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性2、負(fù)載特性

當(dāng)n=常值、I=常值時，U=f(If)的關(guān)系曲線。他勵發(fā)電機(jī)負(fù)載特性曲線空載特性與負(fù)載特性之間存在一個特性三角形—

EAU。2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性2、負(fù)載特性

當(dāng)2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性3、外特性

當(dāng)n=常值、If=常值時，U=f(I)的關(guān)系曲線。他勵發(fā)電機(jī)外特性曲線外特性隨負(fù)載電流增大呈下降趨勢，是由電樞回路電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)引起的；機(jī)端電壓隨負(fù)載變化的程度用電壓調(diào)整率衡量2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性3、外特性

當(dāng)n=2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性4、調(diào)節(jié)特性

當(dāng)n=常值、U=常值時，If

=f(I)的關(guān)系曲線。勵磁電流隨負(fù)載電流增加而增加，以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用。鐵磁材料的飽和，使勵磁電流增加的速率還要高于負(fù)載電流。他勵發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性曲線2.4.2他勵發(fā)電機(jī)的運行特性4、調(diào)節(jié)特性

當(dāng)2.4.3并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

并勵發(fā)電機(jī)運行特性實驗接線2.4.3并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

2.4.3并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

并勵發(fā)電機(jī)自勵條件電機(jī)有剩磁勵磁繞組連接正確勵磁回路電阻小于臨界電阻不同轉(zhuǎn)速的臨界電阻2.4.3并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

2.4.3并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性2、外特性

當(dāng)n=常值、If=常值時，U=f(I)的關(guān)系曲線。并勵發(fā)電機(jī)外特性外特性下降快，有“拐彎”電壓調(diào)整率可達(dá)20%穩(wěn)態(tài)短路電流小2.4.3并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性2、外特性

2.4.3復(fù)勵發(fā)電機(jī)的特點復(fù)勵發(fā)電機(jī)：勵磁繞中既含有并勵繞組，又含有串勵繞組的直流發(fā)電機(jī)，包括積復(fù)勵發(fā)電機(jī)（并勵繞組其主要作用）和差復(fù)勵發(fā)電機(jī)（串勵繞組其主要作用）

復(fù)勵發(fā)電機(jī)實驗接線2.4.3復(fù)勵發(fā)電機(jī)的特點復(fù)勵發(fā)電機(jī)：勵磁繞中既含有并勵繞2.4.3復(fù)勵發(fā)電機(jī)的特點復(fù)勵發(fā)電機(jī)外特性

復(fù)勵發(fā)電機(jī)外特性曲線2.4.3復(fù)勵發(fā)電機(jī)的特點復(fù)勵發(fā)電機(jī)外特性

復(fù)勵發(fā)電機(jī)外特2.5直流電動機(jī)的基本特性2.5.1基本方程

并勵電動機(jī)等效電路2.5直流電動機(jī)的基本特性2.5.1基本方程

并勵電動機(jī)2.5.1基本方程1、電動勢平衡方程

電樞回路電壓方程

電樞繞組電勢

Ra—電樞回路總等效電阻

2.5.1基本方程1、電動勢平衡方程

電樞回2.5.1基本方程

勵磁回路電壓方程

Rf=rf+rj—勵磁回路總電阻

電流方程

2.5.1基本方程

勵磁回路電壓方程

2.5.1基本方程

動態(tài)情況下的電動勢平衡方程

電樞回路

勵磁回路

2.5.1基本方程

動態(tài)情況下的電動勢平衡方程2.5.1基本方程2、功率平衡方程

電功率平衡方程

—電磁功率—電樞銅耗—勵磁繞組銅耗2.5.1基本方程2、功率平衡方程

電功率平衡2.5.1基本方程3、轉(zhuǎn)矩平衡方程

穩(wěn)態(tài)

動態(tài)2.5.1基本方程3、轉(zhuǎn)矩平衡方程

穩(wěn)態(tài)

2.5.2工作特性

工作特性—電動機(jī)運行時轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Tem和效率

與負(fù)載P2的關(guān)系曲線。

直流電動機(jī)的工作特性因勵磁方式而異。

工作特性通常用實驗方法確定。2.5.2工作特性

工作特性2.5.2工作特性1、并勵電動機(jī)

工作特性實驗電路

2.5.2工作特性1、并勵電動機(jī)

2.5.2工作特性（1）并勵電動機(jī)速率特性——n=f(P2)

（2）并勵電動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性——Tem=f(P2)

（3）并勵電動機(jī)效率特性——

=f(P2)

工作特性實驗電路

2.5.2工作特性（1）并勵電動機(jī)速率特性——n=f2.5.2工作特性2、串勵電動機(jī)

串勵電動機(jī)工作特性接線2.5.2工作特性2、串勵電動機(jī)

2.5.2工作特性2、串勵電動機(jī)

串勵電動機(jī)工作特性2.5.2工作特性2、串勵電動機(jī)

2.5.2工作特性3、復(fù)勵電動機(jī)

復(fù)勵電動機(jī)工作特性實驗電路2.5.2工作特性3、復(fù)勵電動機(jī)

2.5.3機(jī)械特性直流電動機(jī)機(jī)械特性：在U=UN=常值時，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系曲線n=f(Tem)。

并勵電動機(jī)

2.5.3機(jī)械特性直流電動機(jī)機(jī)械特性：在U=UN=常值時，2.5.3機(jī)械特性

串勵電動機(jī)

2.5.3機(jī)械特性

串勵電動機(jī)

2.6直流電力傳動

電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)直流電機(jī)的調(diào)速直流電機(jī)的起動直流電機(jī)的制動2.6直流電力傳動電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)直流電機(jī)的調(diào)速直流電2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)電力傳動的定義：用各種電動機(jī)作為原動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械，產(chǎn)生運動，電力傳動也稱為電力拖動。直流電力傳動是由直流電動機(jī)來實現(xiàn)的。

2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)電力傳動的定義：用各種電動機(jī)2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)運動方程

轉(zhuǎn)動慣量對于均勻圓柱體

對于同心圓柱體

2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)運動方程

轉(zhuǎn)動慣量對于均勻圓2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)1、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動慣量2、直線運動系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動慣量2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)1、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動慣量22.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

穩(wěn)定運行：電機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械組成的拖動機(jī)組已運行于某一轉(zhuǎn)速，若外界短時擾動（負(fù)載突變）使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化在擾動消失后能隨之消失，即機(jī)組能自行恢復(fù)到原來的速度，則稱機(jī)組的運行是穩(wěn)定的，否則為不穩(wěn)定運行。2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

穩(wěn)定運2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

穩(wěn)定運行時機(jī)組的機(jī)械特性2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

不穩(wěn)定運行時機(jī)組的機(jī)械特性2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

當(dāng)機(jī)組

n>0時，有T=Tem-TL<0，使機(jī)組速度自行下降；當(dāng)機(jī)組

n<0時，有T=Tem-TL>0，使機(jī)組速度自行上升；即可使機(jī)組穩(wěn)定運行。

即負(fù)載機(jī)械特性曲線的切線斜率要大于電動機(jī)機(jī)械特性曲線的切線斜率。2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

當(dāng)機(jī)組n2.6.2直流電機(jī)的起動電動機(jī)起動問題的引出

機(jī)械系統(tǒng)：電動機(jī)產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩克服機(jī)組的靜止摩擦轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

電氣系統(tǒng)：起動瞬間n=0，E=0，Ra很小，因此起動電流很大。

起動電流大將導(dǎo)致：電網(wǎng)電壓突然降低；電機(jī)本身遭受巨大電磁力