電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)直流電機(jī)的基本理論和分解

1、電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)直流電機(jī)的基本理論和分解3.2 直流電機(jī)的銘牌和額定值3.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.3 直流電機(jī)的電樞繞組3.4 電流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)返回主頁第3章 直流電機(jī)為了能建立一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行簡單的分類如下：第3章 直流電機(jī)的基本理論3.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)電樞3.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)3.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī) 更多的圖片 一、主要部件1. 定子(1) 主磁極(2) 換向極(3) 機(jī)座(4) 端蓋等直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的定子 (a) 主磁極 (b) 機(jī)座 直流電機(jī)的定子3.1.1 直流電機(jī)的基

2、本結(jié)構(gòu) 更多的圖片 2. 轉(zhuǎn)子（電樞）(1) 電樞鐵心(2) 電樞繞組3.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(3) 換向器(4) 轉(zhuǎn)軸與風(fēng)扇 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子 (a) 轉(zhuǎn)子主體 (b) 電樞鋼片 3.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 電機(jī)裝配圖 更多的圖片 NS3.1.2 直流電機(jī)的工作原理一、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電機(jī)的工作原理NSUU電刷線圈邊切割磁感線會(huì)產(chǎn)生什么？換向片直流電機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)工作原理小結(jié)根據(jù)上述原理，可以看出直流電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：（1）直流電動(dòng)機(jī)將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出；（2）電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動(dòng)作用；（3）利用換向器和電刷，直流電動(dòng)機(jī)將輸入的直流電流逆變成導(dǎo)體中的交變電流；（4

3、）直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢方向相反。直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩)機(jī)械負(fù)載克 服反電動(dòng)勢做功3.1.2 直流電機(jī)的工作原理 電磁關(guān)系換向旋轉(zhuǎn)NS二、直流發(fā)電機(jī)的工作原理NSE3.1.2 直流電機(jī)的工作原理E輸出直流電原動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢、電流電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功 電磁 關(guān)系換向3.1.2 直流電機(jī)的發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)工作原理小結(jié) 根據(jù)原理分析，可以看出直流發(fā)電機(jī)有如下特點(diǎn)：（1）直流發(fā)電機(jī)將輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出；（2）利用換向器和電刷，直流發(fā)電機(jī)將導(dǎo)體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；（3）直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢方向相同。（4）電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用。一臺(tái)直流電機(jī)原則上

4、既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界不同的條件。3.2 直流電機(jī)的銘牌和額定值3.2 直流電機(jī)的銘牌和額定值直流電機(jī)的銘牌型號(hào)為Z2-91的直流電機(jī)是一臺(tái)機(jī)座號(hào)為9、電樞鐵心為短鐵心的第2次改型設(shè)計(jì)的直流電機(jī)。機(jī)座號(hào)表示直流電機(jī)電樞鐵心外直徑的大小，共有1-9個(gè)機(jī)座號(hào)，機(jī)座號(hào)數(shù)越大，直徑越大。電樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種，1表示短鐵心，2表示長鐵心。3.2.2 直流電機(jī)的額定值3.2 直流電機(jī)的銘牌和額定值1. 額定電壓 UN 發(fā)電機(jī)的 UN ：指輸出電壓的額定值。 電動(dòng)機(jī)的 UN ：指輸入電壓的額定值。2. 額定電流 IN 發(fā)電機(jī)的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動(dòng)

5、機(jī)的 IN ：指輸入電流的額定值。3. 額定功率 PN 發(fā)電機(jī)的 PN ：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動(dòng)機(jī)的 PN ：指輸出機(jī)械功率的額定值 (UN INN ) 。3.2.2 直流電機(jī)的額定值1.額定轉(zhuǎn)速 2.勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流 電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩為 直流電樞繞組A B12345638A B1 2 3 48 3 6 53 6 5 48 1 2 3AB結(jié)論：整個(gè)電樞繞組通過換向片連成一個(gè)閉合回路。3.3 直流電機(jī)的電樞繞組A B12345638 直流電樞繞組電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)兩匝元件3.3 直流電機(jī)的電樞繞組e e e ee e e eEA1 2 3 48 3 6 5BIae

6、 e e ee e e e1 2 3 48 3 6 5ABIaENSNS1234563891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 單疊繞組的展開圖 并聯(lián)支路對(duì)數(shù)：a = 2。 電刷的中心線對(duì)著磁極的中心線。A1A2B1B2n3.3 直流電機(jī)的電樞繞組3 6 4 3 5 811 8 10 3 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 單疊繞組的展開圖NSNS1234563891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 電刷的中心線對(duì) 著磁極的中心線： 電刷之間的電動(dòng) 勢最大。 被電刷短接的元 件電動(dòng)勢為零。 習(xí)慣

7、稱 “電刷放在 幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線3.3 直流電機(jī)的電樞繞組二、勵(lì)磁方式+Ua+Uf他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)1. 直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類3.3 直流電機(jī)的電樞繞組MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流發(fā)電機(jī)按勵(lì)磁方式分類自勵(lì)3.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)他勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)并勵(lì)GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI4. 額定轉(zhuǎn)速 nN5. 額定勵(lì)磁電壓 UfN6. 額定勵(lì)磁電流 IfN 額定狀態(tài) ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態(tài)。 滿載狀態(tài) ： 指 I = IN 的狀態(tài)。3.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)NS3.3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

8、幾何中心線 N S勵(lì)磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負(fù)載時(shí)的磁場）物理中心線 電樞反應(yīng)：電樞磁通勢對(duì)主極磁場的影響。第3 章 直流電機(jī)的基本理論 電樞反應(yīng)的影響 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 e0，增加換向困難。 一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少， 磁路不飽和時(shí)，每極磁通不變； 磁路飽和時(shí)，每極磁通減少，e 和T 相應(yīng)減少。3.3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)3.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢一、電磁轉(zhuǎn)矩1. 產(chǎn)生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： 第3 章 直流電機(jī)的基本理論BlB = l極距3

9、.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢一、電磁轉(zhuǎn)矩1. 產(chǎn)生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： 每根導(dǎo)線上電磁力所 形成的電磁轉(zhuǎn)矩： FR第3 章 直流電機(jī)的基本理論B = lBl極距RR 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(dǎo)體數(shù)： 2N 2a = 4aN 電樞的周長： 2R = 2p 電磁轉(zhuǎn)矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i p l= 4aN i p = 2ai 2pN 電樞電流 Ia3.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢2. 大小 T = CT IaCT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)：3. 方向 由 和 Ia 共

10、同決定。4. 性質(zhì) 發(fā)電機(jī)： 電動(dòng)機(jī)：T 與 n 方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。T 與 n 方向相同，為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢CT =2pN單位：Wb單位：A(Nm) 1. 產(chǎn)生 電樞旋轉(zhuǎn) n 磁 場 2. 大小 每個(gè)導(dǎo)體：e = B l v 導(dǎo)體切割磁場線的線速度： 電動(dòng)勢： E = 2N e 二、電動(dòng)勢 ee E 3.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢v = n2R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602= 9.55 CT = 9.55 CE3.4 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)勢CT =2pNCE =4pN60 E

11、 = CE n CE 電動(dòng)勢常數(shù)：CE =4 pN60單位：Wb單位：r/min(V) 3. 方向：由 和 n 共同決定。4. 性質(zhì) 發(fā)電機(jī)為電源電動(dòng)勢；電動(dòng)機(jī)為反電動(dòng)勢。3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析一、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓 Uf If 電樞電壓 Ua Ia Tn E 1. 電壓平衡方程式勵(lì)磁電路： Uf = Rf If電樞電路： Ua = E + Ra Ia第3 章 直流電機(jī)的基本理論EMIf+Uf+UaIa 穩(wěn)態(tài)電樞電流 Ia 由誰確定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：負(fù)載不變 ( T 不變)，Ua (Ra) 變化時(shí)， Ia 變化否（設(shè) 不變）？Ua (或Ra)

12、瞬間 n 不變 E 不變Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不變 結(jié)論：Ia 的大小取決于負(fù)載的大小。 當(dāng) Ia= IaN 時(shí)為滿載，當(dāng) IaIaN 時(shí)為過載。 規(guī)定短時(shí)過載的最大電樞電流： Iamax =(1.5 2)IaN =MC IaN3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析機(jī)械特性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T 2. 轉(zhuǎn)速O nTn0當(dāng)T 時(shí)， n 下降不多 硬特性。 勵(lì)磁電路斷電的后果 當(dāng) If = 0， =r 很小，n 不能突變，E 很小T = CTr Ia 仍有一定數(shù)值。Ia (1) 若 T TL n 飛車！ (2) T TL n n = 0

13、悶車！ 3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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 和 Ia 的方向。磁場反向電樞反向+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM二、并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)與他勵(lì)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 + UIf3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析Ia+UIIfM 【例】 某并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求該電機(jī)在額定狀態(tài)

14、下運(yùn)行時(shí)的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 勵(lì)磁電流 If 3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 電樞電流 Ia Ia = IN If = 0.35) A = 12.15 A (2) 電動(dòng)勢 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE =T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 電磁轉(zhuǎn)矩3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析CE =EnN2153 000= = 0.031 3 三、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)3.5 直流電動(dòng)

15、機(jī)的運(yùn)行分析1. 電壓 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 電流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=3. 轉(zhuǎn)矩 T = CT Ia(1)當(dāng) Ia 較小、磁路未飽和時(shí)， Ia，T Ia2 。 (2)當(dāng) Ia 較大、磁路已飽和時(shí)，常數(shù)， T Ia 。EM Uf Ua+UIIfIa 即 T Iam (1m2) 與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)比較，有如下特點(diǎn)：(1) 對(duì)應(yīng)于相同的T ， Ia 小。(2) 對(duì)應(yīng)于允許的 Iamax ，能夠產(chǎn)生的 T 大， Tst 和 Tmax 較大。4. 轉(zhuǎn)速3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra

16、 + RfCECT2T(1) 當(dāng)T = 0 時(shí)，Ia = If = 0， =r，n0 = (5 6) nN。(2) 當(dāng)T 很小時(shí)，Ia 很小，磁路未飽和，T Ia n 迅速下降。 (3) 當(dāng)T 很大時(shí)，Ia 很大，磁路已飽和，T Ia 基本不變 n下降較少。 3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析5. 應(yīng)用(1) 特別適用于起重機(jī) 和電氣機(jī)車等運(yùn)輸機(jī)械。(2) 不能在輕載或空載下運(yùn)行。(3) 不能用皮帶輪傳動(dòng)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性軟特性O(shè) nT四、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)1. 積復(fù)勵(lì)、差復(fù)勵(lì)。2. 機(jī)械特性(1) 有較大的Tst 。(2) 可以空載運(yùn)行。并勵(lì)復(fù)勵(lì)3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析MIaIf+UI串勵(lì)O nT

17、3.6 直流電動(dòng)機(jī)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 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 電磁功率 Pe Pe = P1 PCu 推導(dǎo)： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) IaRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 第3 章 直流電機(jī)的基本理論P(yáng)e = E Ia 一、直流電動(dòng)機(jī)的功率3.6 直流電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩Pe = E Ia = CE n Ia = T 260= CT n Ia 功率流程圖P1PCuPeP0P22. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 空載： T = T0 負(fù)載:

18、T = T0 + T2 260T2n =(4) 空載損耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 輸出功率P2 P2 = Pe P0 = T23.6 直流電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩(6) 總損耗 Pal = PCu PFePmePad (3) 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal(8) 效率P2P1 = 100%二、直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T = T0 TL 【例】 一并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求該電機(jī)的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。 解：P2P1 = 100%6.2860= 6

19、.81 500 W = 1 063.6 W Pe = P2P0 = 143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 335 WPal = P1P2 = (1 3351 063.6) W = 303.4 W3.6 直流電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩260P2= TLn 6.2860= 0.91 500 W = 143.3 W 260P0= T0n 1 063.61 335= 100% = 33.64% 3.8 直流發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩一、直流發(fā)電機(jī)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 = T1P0 = PFePmePadPe = P1 P0= T = E Ia PCu = Ra Ia2Rf If2P2 = U I = Pe PCu260= T1n第3 章 直流電機(jī)的基本理論P(yáng)1Pme+ PadPFePePCuP2功率流程圖3.8 直流發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩6. 總損耗 Pal = PCu PFePmePad 3. 效率 = 100%P2P1二、直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)