電機(jī)學(xué)第二章直流電機(jī)(完美解析)

1、電機(jī)學(xué)Electric Machinery,（第2章 直流電機(jī)）,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,2.1.1 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)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)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)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：

2、IN，單位 A 額定勵(lì)磁電壓：UfN，單位 V 額定勵(lì)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 Nm 額定溫升：，單位,2.2 直流電機(jī)電樞繞組,基本特點(diǎn),單疊繞組,單波繞組,2.2.1 電樞繞組基本特點(diǎn),電樞繞組設(shè)計(jì)的基本要求 電動(dòng)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(diǎn),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

3、力線、感應(yīng)電動(dòng)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(diǎn),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= Zi,2.2.1 電樞繞組基本特點(diǎn),基本概念 第一節(jié)距y1：兩個(gè)元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示 極距：每個(gè)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(gè)極距 ，且為整數(shù)。 整距： y1= 短距： y1 ,2.2.1 電樞繞組基本特點(diǎn),基本概念 第二節(jié)距y2：與同一換向器相連的兩個(gè)元件，第一個(gè)元件的下元

4、件邊到第二個(gè)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; 合成節(jié)距y：串聯(lián)的兩個(gè)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(gè)元件相連的兩個(gè)換向器在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示。 y= yK,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,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,19,單疊繞組是把一個(gè)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,2.2.3 單波繞組,4極電機(jī) Z=Zi=S=K=15 單波左行短整距繞組,22,單波繞組

5、：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,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： 確保空載時(shí)通過正、負(fù)電刷引出的電動(dòng)勢最大； 被電刷短路的元件中的電動(dòng)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。,2.3 直流電機(jī)的磁場,磁場是電機(jī)實(shí)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(lì)磁繞組通入

6、直流電流或由產(chǎn)生。,2.3.1 直流電機(jī)按勵(lì)磁方式分類,他勵(lì)直流電機(jī) 并勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī) 復(fù)勵(lì)直流電機(jī),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(lì)磁磁場。,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(shí)交鏈與勵(lì)磁繞組和電樞繞組； 在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，實(shí)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

7、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1.151.25,2.3.2 直流電機(jī)的空載磁場,磁動(dòng)勢 F0 每對極勵(lì)磁磁動(dòng)勢 Nf 每極主極上的勵(lì)磁繞組匝數(shù) 主磁路結(jié)構(gòu) 五段式 兩個(gè)氣隙 兩個(gè)齒 兩個(gè)主極 一個(gè)定子軛 一個(gè)轉(zhuǎn)子軛,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,32,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,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)。,34,電刷位于幾何中性線上,35,電刷偏

8、離幾何中性線,直軸電樞磁動(dòng)勢,交軸電樞磁動(dòng)勢,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(diǎn)偏移； 不飽和時(shí)，每極磁通量不變； 飽和時(shí)，每極磁通量會減少。,38,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(lì)磁磁場起去磁或助磁的作用；,2.3.5 感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩,感應(yīng)電動(dòng)勢E：支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動(dòng)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。 為每極磁通量，空載時(shí)由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，負(fù)載時(shí)由勵(lì)磁電流和電樞電流共同產(chǎn)生。 CE為電動(dòng)勢常數(shù)CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。,2.4 直流

9、發(fā)電機(jī)的基本特性,2.4.1 基本方程,并勵(lì)發(fā)電機(jī)等效電路,2.4.1 基本方程,1、電動(dòng)勢平衡方程,電樞回路,Ub 電刷接觸電阻電壓降，0.3 1V,勵(lì)磁回路,電流方程,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(dòng)勢E與電樞電流Ia的乘積,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,2.4.2 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,1、空載特性 當(dāng) n=常值、I=0 時(shí)，U0=f (If)的關(guān)系曲線。,他勵(lì)發(fā)電機(jī)特性實(shí)驗(yàn)接線圖,2.4.2 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,1、空載特性,他勵(lì)發(fā)電機(jī)空載特性曲線,空載特性本質(zhì)上就是通過實(shí)驗(yàn)方法測定發(fā)電機(jī)實(shí)際的磁化曲線 空載

10、特性曲線測定均按他勵(lì)發(fā)電機(jī)接線方式，與電機(jī)的勵(lì)磁方式無關(guān),2.4.2 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,2、負(fù)載特性 當(dāng)n=常值、I=常值時(shí)，U=f (If)的關(guān)系曲線。,他勵(lì)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(gè)特性三角形EAU。,2.4.2 他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,3、外特性 當(dāng)n=常值、If=常值時(shí)，U= f (I) 的關(guān)系曲線。,他勵(lì)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(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,4、調(diào)節(jié)特性 當(dāng)n=常值、U=常值時(shí)， If =f (I)的關(guān)系曲線。,勵(lì)磁電流隨負(fù)

11、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(lì)磁電流增加的速率還要高于負(fù)載電流。,他勵(lì)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性曲線,2.4.3 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件和外特性,1、自勵(lì)過程與條件,并勵(lì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)接線,2.4.3 并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件和外特性,1、自勵(lì)過程與條件,并勵(lì)發(fā)電機(jī)自勵(lì)條件,電機(jī)有剩磁 勵(lì)磁繞組連接正確 勵(lì)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(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件和外特性,2、外特性 當(dāng)n=常值、If=常值時(shí)，U= f (I) 的關(guān)系曲線。,并勵(lì)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 復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn),復(fù)

12、勵(lì)發(fā)電機(jī)：勵(lì)磁繞中既含有并勵(lì)繞組，又含有串勵(lì)繞組的直流發(fā)電機(jī)，包括積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)（并勵(lì)繞組其主要作用）和差復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)（串勵(lì)繞組其主要作用）,復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)接線,2.4.3 復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn),復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性,復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性曲線,2.5 直流電動(dòng)機(jī)的基本特性,2.5.1 基本方程,并勵(lì)電動(dòng)機(jī)等效電路,2.5.1 基本方程,1、電動(dòng)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,勵(lì)磁回路電壓方程 Rf=rf+rj勵(lì)磁回路總電阻 電流方程,2.5.1 基本方程,動(dòng)態(tài)情況下的電動(dòng)勢平衡方程 電樞回路 勵(lì)磁回路,2.5.1 基本方程,2、功率平衡方程 電功率平衡

13、方程 電磁功率 電樞銅耗 勵(lì)磁繞組銅耗,2.5.1 基本方程,3、轉(zhuǎn)矩平衡方程 穩(wěn)態(tài) 動(dòng)態(tài),2.5.2 工作特性,工作特性電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)的工作特性因勵(lì)磁方式而異。 工作特性通常用實(shí)驗(yàn)方法確定。,2.5.2 工作特性,1、并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 工作特性實(shí)驗(yàn)電路,2.5.2 工作特性,（1）并勵(lì)電動(dòng)機(jī)速率特性n = f ( P2 )（2）并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性Tem = f ( P2 ) （3）并勵(lì)電動(dòng)機(jī)效率特性 = f ( P2 ) 工作特性實(shí)驗(yàn)電路,2.5.2 工作特性,2、串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作特性接線,2.5.2 工作特性,2、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)

14、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作特性,2.5.2 工作特性,3、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作特性實(shí)驗(yàn)電路,2.5.3 機(jī)械特性,直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性：在U=UN=常值時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系曲線n=f (Tem)。并勵(lì)電動(dòng)機(jī),2.5.3 機(jī)械特性,串勵(lì)電動(dòng)機(jī),2.6 直流電力傳動(dòng),電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),直流電機(jī)的調(diào)速,直流電機(jī)的起動(dòng),直流電機(jī)的制動(dòng),2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),電力傳動(dòng)的定義：用各種電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，電力傳動(dòng)也稱為電力拖動(dòng)。直流電力傳動(dòng)是由直流電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。,2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),運(yùn)動(dòng)方程,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,對于均勻圓柱體,對于同心圓柱體,2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基

15、礎(chǔ),1、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,2、直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運(yùn)行條件 穩(wěn)定運(yùn)行：電機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械組成的拖動(dòng)機(jī)組已運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速，若外界短時(shí)擾動(dòng)（負(fù)載突變）使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化在擾動(dòng)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(yùn)行是穩(wěn)定的，否則為 不穩(wěn)定運(yùn)行。,2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運(yùn)行條件 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)機(jī)組的機(jī)械特性,2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運(yùn)行條件 不穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)機(jī)組的機(jī)械特性,2.6.1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運(yùn)行條件 當(dāng)機(jī)組n0時(shí)，有T=Tem-TL0，使機(jī)組速度自行上升；即可使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。 即負(fù)載機(jī)械特性曲線的切線斜率要大于

16、電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線的切線斜率。,2.6.2 直流電機(jī)的起動(dòng),電動(dòng)機(jī)起動(dòng)問題的引出 機(jī)械系統(tǒng)：電動(dòng)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(dòng)瞬間n=0，E=0，Ra很小，因此起動(dòng)電流很大。 起動(dòng)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的沖擊。因此，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)限制起動(dòng)電流非常必要。,2.6.2 直流電機(jī)的起動(dòng),電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法 直接起動(dòng)：只限于小容量電動(dòng)機(jī)。 電樞回路串電阻起動(dòng)：通過增大電樞回路電阻達(dá)到降低起動(dòng)電流的目的，完成起動(dòng)后將起動(dòng)電阻切除。 降壓起動(dòng)：抑制起動(dòng)電流最為有效，同時(shí)可節(jié)約能量。,2.6.3 直流電機(jī)的調(diào)速,直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣、平滑、經(jīng)濟(jì)的調(diào)速特性，常見的調(diào)速方式有： 電樞回路串電阻調(diào)速：增加電樞回路損耗，效率低，只適合降速調(diào)節(jié)。 改變勵(lì)磁電流調(diào)速：幾乎不影響電動(dòng)機(jī)效率，但只適合升速調(diào)節(jié)。 改變端電壓調(diào)速：轉(zhuǎn)速既可上升也可下降，配合勵(lì)磁調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍更寬，是一種普遍應(yīng)用的調(diào)速方式。,2.6.4 直流電機(jī)的制動(dòng),電機(jī)制動(dòng)包括機(jī)械制動(dòng)和電磁制動(dòng) 機(jī)械制動(dòng)：由機(jī)械方式產(chǎn)生的制動(dòng)力矩