電機與拖動基礎3章

第3章直流電機原理本章主要內(nèi)容1.直流電機工作原理2.直流電機的結構與型號3.直流電機的磁路4.直流電機的電樞繞組5.直流電機的電樞電動勢與電磁轉矩6.直流發(fā)電機的運行原理7.直流電動機的運行原理8.他勵直流電動機的的機械特性9.串勵和復勵直流電動機10.直流電機的換向3.1直流電機的用途及基本工作原理3.1.1直流電機的用途直流發(fā)電機：機械能直流電能直流電動機：直流電能機械能直流發(fā)電機直流電動機直流電動機的優(yōu)勢：

1）調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速

2）啟動、制動和過載轉矩大

3）易于控制，可靠性較高。用于對調(diào)速要求高的場合。城市電車電動自行車電動汽車造紙機直流電動機應用實例3.1.2基本工作原理交流發(fā)電機的模型N、S：主磁極線圈abcd：電樞K、L：滑環(huán)A、B：電刷磁場方向N→S原動機拖動電樞逆時針旋轉。n3.1.2基本工作原理直流發(fā)電機的工作原理用兩個相對放置的導電片(換向片)代替交流發(fā)電機的兩個滑環(huán)，電刷接觸的換向片始終是相同一側的線圈邊，所以N極一側的電刷得到的電壓始終是（+），S極一側的電刷得到的電壓始終是（-）。ABabdcabdcinF’FabdcnF’Fi3.1.2

基本工作原理直流電動機的工作原理直流電源通過靜止的電刷與隨電樞轉動的換向器的滑動接觸把直流電源轉換成電樞中的交流電，保證電樞轉矩的方向不變，電樞保持逆時針旋轉。線圈不由原動機拖動；電刷接直流電源；AB3.1.2基本工作原理直流電機的可逆性：一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是外界條件不同而已。如果用原動機拖動電樞恒速旋轉，就可以從電刷端引出直流電動勢而作為直流電源對負載供電；如果在電刷端外加直流電壓，則電動機就可以帶動軸上的機械負載旋轉，從而把電能轉變成機械能。這種同一臺電機能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。3.2

直流電機的主要結構與型號模型的改進：1.電樞，改用多線圈，相應換向器的改進。2.磁路，增加電樞鐵芯。3.可根據(jù)需要增加磁極對數(shù)。4.改進電機的換向等。3.2直流電機的主要結構與型號3.2.1主要結構3.2.1主要結構1.定子部分直流電機由定子、轉子兩大部分構成。定子的作用是產(chǎn)生主磁場和在機械上支撐電機，它主要由主磁極、機座、電刷、端蓋和軸承組成。機座：一是作為電機磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機械支承的作用。因此要求機座有好的導磁性能及足夠的機械強度與剛度。機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。1.定子部分主磁極：在大多數(shù)直流電機中，主磁極是電磁鐵，主磁極鐵心用1～1.5mm厚的低碳鋼板疊壓鉚合而成。整個磁極用螺釘固定在機座上。主極的作用是在定轉子之間的氣隙中建立磁場,使電樞繞組在此磁場的作用下感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉矩。1.定子部分電刷裝置：電刷的作用是把轉動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。換向極：換向極又稱附加極或間極,其作用是用以改善換向。換向極裝在相鄰兩主極之間，它也是由鐵心和繞組構成。2.轉子部分直流電機轉子部分：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風扇、轉軸和軸承等電樞鐵心：電機主磁路的一部分，用來嵌放電樞繞組的，為了減少電樞旋轉時電樞鐵心中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。2.轉子部分電樞繞組：電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應電動勢，從而實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵性部件。換向器：由許多換向片組成，每兩個換向片中間是絕緣片。換向片數(shù)與線圈元件數(shù)相同。3.端蓋：把定子和轉子連為一個整體，兩個端蓋分別固定在定子機座兩端，并支撐著轉子。電刷桿也固定在端蓋上。3.2.2電機的銘牌數(shù)據(jù)

1．額定容量（功率）PN（kW）2．額定電壓UN（V）；3．額定電流

IN（A）；4．額定轉速

nN（r／min）；5．勵磁方式和額定勵磁電流

IfN（A）。3.2.2電機的銘牌數(shù)據(jù)額定電壓UN、額定電流

IN：直流發(fā)電機，出線端輸出的電壓、電流的額定值；直流電動機，出線端輸入的電源的電壓電流的額定值；額定容量PN：對直流發(fā)電機來說，是指電刷端輸出的電功率的額定值，對直流電動機來說，是指軸上輸出的機械功率的額定值。所以，直流發(fā)電機的額定容量為：

PN=UNIN而直流電動機的額定功率為：

PN=UNINηNηN額定效率，是電動機額定輸出機械功率與電源輸入電功率之比。3.2.2電機的銘牌數(shù)據(jù)電動機軸上的輸出額定轉矩T2N：直流電動機運行時，若各個物理量都與它的額定值一樣，就稱為額定運行狀態(tài)過載運行：電樞電流超過額定值欠載運行：電樞電流小于額定值例題：一臺直流發(fā)電機，其額定功率PN=145kW，額定電壓UN=230V，額定轉速nN=1450r／min，額定效率ηN=90％，求該發(fā)電機的輸入功率P1及額定電流IN各為多少?解額定輸入功率額定電流例題：一臺直流電動機，其額定功率PN=160kW，額定電壓UN=220V，額定效率ηN=90％，額定轉速nN=1500r／min，求該電動機的輸入功率、額定電流及額定輸出轉矩各是多少?解額定輸入功率額定電流或額定輸出轉矩3.3磁路、空載氣隙磁密與磁化特性3.3.1直流電機的磁路絕大多數(shù)直流電機的主磁場都是由勵磁繞組通以直流勵磁電流產(chǎn)生的。空載：發(fā)電機出線端沒有電流輸出，電動機軸上不帶機械負載，即電樞電流為零的狀態(tài)。那么，這時的氣隙磁場，只由主極的勵磁電流所建立，所以直流電機空載時的氣隙磁場，又稱勵磁磁場。3.3.1直流電機的磁路當勵磁繞組流過勵磁電流If時，每極勵磁磁通勢：

Ff=IfNf

漏磁通：僅交鏈勵磁繞組本身，不進入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應電動勢及產(chǎn)生電磁轉矩。約有20%的主極漏磁通。

主磁通：經(jīng)過主磁極、氣隙、電樞齒及電樞磁軛、定子磁軛構成磁路，它同時與勵磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉矩，稱為主磁通主磁路漏磁路3.3.2

空載時氣隙磁通密度的分布波形電路歐姆定律磁路歐姆定律E+-IR1R2FΦRmRmδEFIΦRRm3.3.2

空載時氣隙磁通密度的分布波形簡化主磁路，根據(jù)磁路歐姆定律，磁管的磁通：Rmδ，Rmt，Rma，Rmm，Rmf分別為氣隙、電樞齒、電樞磁軛、主磁極和定子磁軛的磁阻。在磁路不飽和情況下，μ>>μ0

。有：3.3.2

空載時氣隙磁通密度的分布波形磁管氣隙段磁路的磁阻氣隙處的磁密：磁極中心磁密大，兩極極靴外磁密小，在兩極之間的幾何中心線處，磁密為零。3.3.3

空載磁化特性空載時Φ=f(Ff)或Φ=f(If)

稱為直流電機的空載磁化特性?？蛰d磁化特性具有飽和現(xiàn)象。0IfNIfΦΦNA在額定狀態(tài)下，電機往往工作在空載磁化特性開始拐彎的A點附近，這樣即可以獲得較大的磁通，又不致需要太大的勵磁磁動勢，從而可以節(jié)省鐵心和勵磁繞組的材料。3.3.4

直流電機的勵磁方式直流電機按勵磁方式（即獲得磁通Φ的方式）可分為M他勵式M并勵式M串勵式M復勵式永磁式M3.4

直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機的核心部分，在電機的機電能量轉換過程中起著重要的作用。電樞繞組是由多個形狀相同的繞組元件（線圈）以一定的規(guī)律連接起來的，Ny代表元件的匝數(shù)。一個元件不論匝數(shù)多少，只有兩個引出端：首端和尾端。各元件通過換向片彼此連接，一個元件的首端和另一個元件尾端接在同一個換向片上?？梢娫?shù)S等于換向片數(shù)K。S=K繞組元件3.4

直流電機的電樞繞組實槽數(shù)Z，一個實槽中的虛槽數(shù)u，總虛槽數(shù)Ze。

Ze=uZ=S=K用z代表電樞繞組的全部導體數(shù)，則有

z=2NyuZ=2NyZe·3.4.1

單疊繞組1.節(jié)距：（1）第一節(jié)距y1：同一個元件兩條邊之間的距離，以虛槽數(shù)計，總是整數(shù)。（2）合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk

：元件1與和它相連的元件2對應邊之間的跨距是y，用虛槽數(shù)表示。每個元件首、末端所連兩個換向片之間的跨距是yk，用換向片數(shù)來表示。單疊繞組y=yk=1。（3）第二節(jié)距y2：連至同一個換向片的兩個元件邊之間的距離，用虛槽數(shù)表示。單疊繞組：

y2=y1-y2.

單疊繞組的展開圖1.計算節(jié)距：y1=Ze/2p=4y＝y(tǒng)k＝1y2=y1-y=3計算節(jié)距畫繞組展開圖安放電刷和磁極極距τ：在電樞鐵心表面上，一個主磁極所占的距離。用槽數(shù)表示。實例：已知一臺電機的極數(shù)2P＝4，Ze＝S＝K＝16，畫出它的右行單疊繞組的展開圖。2.

單疊繞組的展開圖161234567891011121315141415234567891011121314161511615+－++－－NSNSSττττ電樞轉向A1A2B1B23.

單疊繞組元件連接次序56789101112131415161234123456789101112131415161整個繞組是一個閉合繞組上層元件邊下層元件邊y1yy24.

單疊繞組的并聯(lián)支路圖1)每個極下的元件組成一條支路,并聯(lián)支路對數(shù)a等于極對數(shù)p:a=p2)正負電刷間感應電動勢最大，被電刷短路的元件里感應的電動勢最小。3）電刷桿數(shù)等于極數(shù)。

3.4.2

單波繞組節(jié)距1）第一節(jié)距y1：與單疊繞組相同。2）合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk

：y=yk3）第二節(jié)距y2：2.

單波繞組的展開圖實例：2P＝4，Ze=S＝K＝15

單波繞組計算節(jié)距畫繞組展開圖安放電刷和磁極1.繞組數(shù)據(jù)計算2.

單波繞組的展開圖2.

單波繞組的展開圖從繞組展開圖可以看出，全部15個元件串聯(lián)而構成一個閉合回路的順序是：1815714613512411310291815714613512411310291512411310291815714613上層邊下層邊3.

單波繞組的并聯(lián)支路圖1815714613512411310291512411310291815714613上層邊下層邊單波繞組特點單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來組成一條支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路對數(shù)a與極對數(shù)p多少無關，永遠為1，即a＝1。

2.正負電刷間感應電動勢最大。3.電刷桿數(shù)等于極數(shù)。單疊繞組與單波繞組的比較在電機的極對數(shù)（大于1）、元件數(shù)以及導體截面積相同的情況下，單疊繞組并聯(lián)支路數(shù)多，是單波繞組的p倍，允許較大的總電流，每個支路里的元件數(shù)少，總電勢較低，適用于較低電壓較大電流的電機。單波支路對數(shù)始終為1，允許的總電流較小，每個支路里含有的元件數(shù)多，是單疊繞組的p倍，總電勢較高，所以適用于較高電壓、較小電流的電機。3.5

電樞電動勢與電磁轉矩3.5.1電樞電動勢電樞電動勢是指直流電機正、負電刷之間感應的電動勢，也是電樞繞組每個支路里的感應電動勢。一根導體的平均電動勢：電動勢常數(shù)電樞電動勢：例題3-3已知一臺l0kW、4極、2850r／min的直流發(fā)電機，電樞繞組是單波繞組，整個電樞總導體數(shù)為372。當發(fā)電機發(fā)出的電動勢Ea=250V時，求這時氣隙每極磁通量Φ。解已知這臺直流電機的極對數(shù)p=2，單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a=1，于是可以算出系數(shù)根據(jù)感應電動勢公式，氣隙每極磁通Φ為3.5.2

電磁轉矩一根導體所受的平均電磁力導體里流過的電流：一根導體所受的平均電磁轉矩T1電樞直徑：電樞總的電磁轉矩Ct=9.55Ce轉矩常數(shù)：例題3-4已知一臺四極直流電動機額定功率為l00kW，額定電壓為330V，額定轉速為730r／min，額定效率為0.915，單波繞組，電樞總導體數(shù)為186，額定每極磁通為5.98×l0-2Wb，求額定電磁轉矩。解轉矩常數(shù)額定電流額定電磁轉矩直流電機中的電樞電動勢和電磁轉矩電樞電動勢—輸出電動勢(與電樞電流同方向)電磁轉矩—制動(與轉速方向相反電樞電動勢—反電動勢(與電樞電流反方向）電磁轉矩—拖動(與轉速方向相同)。3.5.3

直流電機的電樞反應電樞磁通勢改變氣隙磁密分布及每極磁通量大小的現(xiàn)象稱為電樞反應。τBδ如磁路不飽和，總磁通量不變。但磁路飽和時，總磁通要降低，稱為去磁效應。3.6

直流發(fā)電機的運行原理3.6.1直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式各物理量正方向按發(fā)電機慣例EanT1T0TIaUIfUfΦ發(fā)電機慣例Ea=U+IaRaEa=CeΦnT=Ct

ΦIaT1=T+T0If=Uf/RfΦ=f(If,Ia)3.6.2

功率關系Ea=U+IaRa兩端同乘IaEaIa=UIa+I2aRa=P2+pCuaP2=UIa

電動機輸出給負載的電功率pCua=I2aRa總銅損耗（繞組、電刷與換向器）EaIaU3.6.2

功率關系T1=T+T0寫成

P1=PM+p0P1=T1原動機輸入的機械功率p0=T0=pm+pFe

空載損耗功率pm為機械摩擦損耗，pFe為鐵損耗PM=T

為電磁功率PM既是機械性質又是電性質的功率，反映了機械能轉換成電能的實質。3.6.2

功率關系綜合功率關系：P1=PM+p0=P2+pCua+pm+pFe他勵直流發(fā)電機的功率流程：p0=pm+pFepCua=Ia2RaP1=T1PM=T=EaIaP2=UIa總損耗：∑p=pm+pFe+pCua+ps雜散損耗發(fā)電機效率：解先計算額定電流勵磁電流電樞繞組電流例題3-5一臺額定功率PN=20kW的并勵直流發(fā)電機，它的額定電壓UN=230V，額定轉速超nN=1500r／min，電樞回路總電阻Ra=0.156Ω

，勵磁回路總電阻Rf=73.3Ω，已知機械損耗和鐵損耗pm+pFe=lkW，求額定負載情況下各繞組的銅損耗、電磁功率、總損耗、輸入功率及效率。(計算過程中，令P2=PN，附加損耗ps=0.01PN。)

電樞回路銅損耗勵磁回路銅損耗電磁功率總損耗輸入功率效率3.7直流電動機運行原理一臺他勵直流發(fā)電機在直流電網(wǎng)上并聯(lián)運行，電網(wǎng)電壓U保持不變，電機中各物理量的正方向為發(fā)電機慣例。若保持勵磁電流不變，輸入機械功率P1=0，由電機的功率和轉矩關系而此時由于機械慣性，n

不會立即變化知T1=0T1=T+T0P1=PM+p0直流電機的可逆原理由知轉速n

降低，Ea，Ia，T降低

由知Ea保持不變由知Ia保持不變因此保持不變Ea=CeΦnEa=U+IaRaT=Ct

ΦIa轉速降到某一數(shù)值n0時，

，Ia=0，T=0由于存在T0，電機繼續(xù)減速，n<n0

后發(fā)電機的輸出功率T<0電磁轉矩T

為負，與轉速方向相同，不再是制動性轉矩，而是拖動性轉矩。當轉速降低到某一數(shù)值，電磁轉矩與空載轉矩平衡，轉速n就不再降低，維持恒速運行，這時這種狀態(tài)的直流電機是電動機的運行狀態(tài)。以上過程可逆。3.7

直流電動機運行原理3.7.1他勵直流電動機穩(wěn)態(tài)運行的基本方程式各物理量正方向按電動機慣例EanTLTIaIfUf電動機慣例UU=Ea+IaRaEa=CeΦnT=CtΦIaT=T2+T0=TLIf=Uf/Rf,

Φ=f(If,Ia)3.7.2

他勵直流電動機的功率關系UIa=EaIa+I2aRa寫成

P1=PM+pCuaP1=UIa電源輸入的電功率PM=EaIa=P2+p0電磁功率

pCua=I2aRa電樞回路銅損耗T=T2+T0寫成PM=P2+p0P2=T2轉軸上輸出的機械功率p0=T0=pm+

pFe空載損耗EanTLTIaIfUf電動機慣例U3.7.2

他勵直流電動機的功率關系綜合功率關系：P1=PM+pCua=P2+pCua+pm+pFe他勵直流發(fā)電機的功率流程：p0=pm+pFepCua=Ia2RaP1=UIaPM=EaIa=T

P2=T2

總損耗：∑p=pm+pFe+pCua+ps電動機效率：3.7.3

直流電動機的工作特性轉速特性當U=UN，If=IfN時，n=f(Ia)的關系。U=Ea+IaRa

UN=EaN+IaRaEaN=CeΦNn=UN－IaRa當UN，IaN，nN時的勵磁電流當Ia↑，n↓。但Ra較小，n↓很小。nIan3.7.3

直流電動機的工作特性2.轉矩特性當U=UN，If=IfN時，T=f(Ia)的關系。nIanT,T電磁轉矩T與電樞電流Ia成正比。如果考慮電樞反應有去磁效應，隨著Ia的增大，T要略微減小。3.7.3

直流電動機的工作特性3.效率特性當U=UN，If=IfN時，η=f(Ia)的關系。nIanT,T∑p中，p0=pFe+pm不隨Ia變化，為不變損耗，電樞回路總銅耗pCua隨Ia2成正比，是可變損耗，η=f(Ia)曲線如圖所示。η，η直流電動機效率約為0.75~0.94，容量大的效率更高。令得pFe+pm=pCua=

Ia2Ra即當不變損耗等于可變損耗時，電機的效率最高。3.8

他勵直流電動機的機械特性3.8.1機械特性的一般表達式EanTLTIaIfUfUR他勵直流電動機的機械特性是指電動機加上一定的電壓U和一定的勵磁電流If

，并在電樞回路中串入電阻R，電磁轉矩與轉速之間的關系，即n=f(T)。電動機的機械特性是分析電動機起動、調(diào)速、制動的重要工具。3.8.1

機械特性的一般表達式機械特性n=f(T)的推導將T=CtΦIa，代入轉矩特性，考慮到電樞串電阻R可得：為理想空載轉速為機械特性的斜率3.8.2

固有機械特性當U=UN，Φ=ΦN

，R=0時的機械特性特點：1）n=f(T)為下斜直線，T↑，n↓；2）當T=0時，n0=UN/CeΦN為理想空載轉速，此時，Ia=0，E=UN

；0nTn0nNTNTs3.8.2

固有機械特性特點：3）Ra小，斜率

很小，特性較平，稱之為硬特性；（大的特性稱為軟特性）4）T＝TN時，?nN=n0-nN=TN為額定轉速差。nN約0.95n0，?nN約0.05n0；5）n=0，電機啟動，Ia=UN/Ra=IS，T=CtΦNIS＝TS，很大，約額定值的20倍。會燒壞換向器。以上為第一象限的情況：0<T<TS,0<n<n0,0<Ea<UN6）T>TS，n<0。在第Ⅳ象限。7）T<0，n>n0。在第Ⅱ象限，發(fā)電機狀態(tài)。0nTn0nNTNTsn=0：啟動電流；電磁轉矩（：啟動轉矩）例：如果則即因此3.8.2

固有機械特性他勵直流電動機固有機械特性是一條斜直線，跨越三個象限，特性較硬。機械特性只表征電動機電磁轉矩和轉速之間的函數(shù)關系，是電動機本身的能力，至于電動機具體運行狀態(tài)，還要看拖動什么樣的負載。固有機械特性是電動機最重要的特性，在此基礎上，很容易得到電動機的人為機械特性。3.8.3

人為機械特性1.電樞回路串電阻的人為機械特性UN，ΦN，電樞回路串R后的機械特性。n0Tn0RaR1<R2Ra+R1Ra+R2固有人為特點：n0不變，R增大，⊿n增大，特性變軟，一組放射形直線。若T為常數(shù)，⊿n（Ra+R）他勵直流電動機的電壓、勵磁電流、電樞回路電阻等改變后，其對應的機械特性稱為人為機械特性，主要有三種：3.8.3

人為機械特性2.改變電樞電壓的人為機械特性ΦN，R=0，改變U時的機械特性。nn0T0UNn01-n0U1U=0U=-UN特點：1）斜率不變，各條特性互相平行，T一定時，Δn不變，

；2）n0與U成正比。3.8.3

人為機械特性3.減小氣隙磁通量的人為