電機(jī)與拖動-第2章直流電機(jī)原理

第2章直流電機(jī)原理2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.2直流電機(jī)的電樞繞組和磁場

2.3直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.4直流電動機(jī)運行原理2.5直流發(fā)電機(jī)運行原理2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理2.1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2023/2/52直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖端蓋

端蓋磁軛主磁極勵磁繞組

電樞鐵心電樞繞組換向器電刷裝置軸軸承風(fēng)扇換向極繞組換向磁極2023/2/531.定子(stator)產(chǎn)生磁場和作電機(jī)的機(jī)械支撐2023/2/54主磁極機(jī)座主磁極鐵心勵磁繞組絕緣框架電樞鐵心螺栓機(jī)座換向極主磁極主磁極和機(jī)座2023/2/55換向極和電刷換向極繞組換向極鐵心銅絲辮壓緊彈簧電刷刷握2023/2/562.轉(zhuǎn)子(rotor)

(電樞armature)電樞鐵心和繞組換向器轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇2023/2/572.1.2直流電機(jī)工作原理電動機(jī)工作原理

NSAX＋U－iaiaffTemNS－U＋XAiaiaffTem線圈邊中電流不改變方向，則平均Tem=0。2023/2/58電動機(jī)工作原理

NSAXB1B2換向片電刷＋U－iaiaffTemNS＋U－XB1B2AiaiaffTem電刷和換向片的作用是什么？

線圈邊切割磁力線會產(chǎn)生什么？

eaeaeaea2023/2/59有磁場，電源通過電刷和換向器向電樞繞組通入直流電。根據(jù)電磁力定律，直流電動機(jī)電樞繞組產(chǎn)生電磁力矩，驅(qū)動機(jī)械負(fù)載。同時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電樞繞組內(nèi)部也產(chǎn)生感應(yīng)電勢——反電動勢。輸入的直流電能克服反電動勢，通過氣隙磁場做功，電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。2023/2/510直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)換向機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)克服反電動勢做功電動機(jī)的電磁關(guān)系外加電源電刷和換向器電樞繞組內(nèi)部氣隙磁場轉(zhuǎn)子2023/2/511NST1AXeaeaB2B1－Ea＋B1XANST1B2eaea－Ea＋電刷和換向片的作用是什么？

載流導(dǎo)體在磁場中會產(chǎn)生什么？

ffff直流發(fā)電機(jī)

2023/2/512原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，直流發(fā)電機(jī)電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，同時，根據(jù)電磁力定律，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割磁場，也產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩——與旋轉(zhuǎn)方向相反。2023/2/513氣隙磁場的分布波形及線圈電動勢波形0Bt

23AX0eXAtNS0πAX×

+e－0eB1B2t2023/2/514每極下有3個串聯(lián)線圈時的電動勢波形0et

2

3

在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的共同作用：①將線圈中的交流電動勢整流成刷間的直流電動勢；②把轉(zhuǎn)動的電路與外面不轉(zhuǎn)的電路聯(lián)接。2023/2/515電磁關(guān)系輸出直流電換向原動機(jī)感應(yīng)電動勢和電流電磁轉(zhuǎn)矩

(阻轉(zhuǎn)矩)做功氣隙磁場電樞繞組內(nèi)部機(jī)械能電刷和換向器轉(zhuǎn)子2023/2/5162.1.3直流電機(jī)額定值1.銘牌直流電動機(jī)型號Z3－95產(chǎn)品編號7001結(jié)構(gòu)類型勵磁方式他勵功率30kW勵磁電壓220V電壓220V工作方式連續(xù)電流160.5A絕緣等級定子B轉(zhuǎn)子B轉(zhuǎn)速750r/min重量685kg標(biāo)準(zhǔn)編號JB1104－68出廠日期年月2023/2/517額定電壓UN(V)

發(fā)電機(jī)的UN

：指輸出電壓的額定值。電動機(jī)的UN

：指輸入電壓的額定值。額定電流IN(A)

發(fā)電機(jī)的

IN

：指輸出電流的額定值。電動機(jī)的IN

：指輸入電流的額定值。額定功率PN(kW)

發(fā)電機(jī)的PN

：指輸出電功率的額定值。

電動機(jī)的PN

：指輸出機(jī)械功率的額定值。額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)2.額定值2023/2/518額定勵磁電壓UfN(V)額定勵磁電流IfN(A)※

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)。[例2－1]一臺Z2型直流發(fā)電機(jī)，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW，N＝90％，求該發(fā)電機(jī)的額定電流和額定輸入功率[例2－2]一臺直流電動機(jī)，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，N＝84％，求該電動機(jī)的額定電流和額定輸入功率2023/2/519

Z2系列是普通中小型直流電機(jī)。ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機(jī)適用于軋鋼機(jī)、起重機(jī)、升降機(jī)、電鏟等。其他系列的直流電機(jī)型號、技術(shù)數(shù)據(jù)可從產(chǎn)品目錄或相關(guān)的手冊中查到。2.直流電機(jī)的型號和系列國產(chǎn)直流電機(jī)的系列產(chǎn)品代號采用大寫漢語拼音字母表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動機(jī)、第二次改進(jìn)設(shè)計型，“7”表示機(jī)座號，7后面的2表示長鐵心（2號表示長鐵心，1號表示短鐵心）。2023/2/5202.2電機(jī)的電樞繞組和磁場2.2.1直流電機(jī)電樞繞組1.繞組的基本概念單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、蛙繞組（疊繞和波繞混合繞組）。(1)元件是構(gòu)成電樞繞組的基本單元，其兩端分別與兩片換向片相連的單匝或多匝線圈。

后端接上元件邊前端接下元件邊2023/2/521(2)疊繞組和波繞組

疊繞元件波繞元件元件邊(有效邊)匝數(shù)為1的是單匝元件，匝數(shù)大于1的是多匝元件。由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個(設(shè)為u個)元件邊。將一個上層邊和一個下層邊在槽內(nèi)所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數(shù)Z等于實槽數(shù)Q；若每槽的上、下層各有u個元件邊時，則有：Z=uQ=Qu，Qu為虛槽數(shù)。2023/2/522(3)節(jié)距

各元件在電樞表面的幾何關(guān)系一般用元件的節(jié)距表示2023/2/523第一節(jié)距y1指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。其表達(dá)式為：式中ε為把y1湊整的小于1的分?jǐn)?shù)。當(dāng)ε=0，y1=τ（極距）稱為整距元件；當(dāng)ε>0稱為長距元件；當(dāng)ε<0稱為短距元件，實際電機(jī)中采用短距元件，可節(jié)省銅。

第二節(jié)距y2指兩個相串聯(lián)的元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊所跨的距離，用槽數(shù)表示。2023/2/524合成節(jié)距y指直接串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊所跨的距離。換相器節(jié)距yk指同一元件的兩個出線端所接的兩換相片之間所跨的距離，用換相片數(shù)表示。(4)極距相鄰兩個主磁極軸線之間的距離稱作極距，記作

，一般用槽數(shù)表示，即有：=Z2p

電樞總槽數(shù)主磁極極對數(shù)2023/2/5252.單疊繞組連接

單疊繞組是以相鄰元件依次串聯(lián)的聯(lián)接規(guī)律連成的，每個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩個換相片上，最后形成一閉合回路。[例2－3]以總元件數(shù)為6的電機(jī)為例，說明單疊繞組的聯(lián)接。設(shè)S（元件數(shù)）=K（換相片數(shù)）=Z（槽數(shù)）=6，u=1，2p=2，則合成節(jié)距y=1，極距τ=第一節(jié)距y1=3，換相器節(jié)距yk=1（右行繞），第二節(jié)距y2=y1-y=3-1=2，上述數(shù)據(jù)所表示的實際電機(jī)繞組安放如圖。

2023/2/5262023/2/527展開圖雖然能反應(yīng)電樞繞組聯(lián)接規(guī)律，也能說明電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系時，采用電機(jī)模型。無論電機(jī)有多少對磁極都只用N、S一對磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中性線處，并與位于幾何中性線處的元件接觸，一個圓圈代表一個元件。

2023/2/528電動機(jī)發(fā)電機(jī)eeeeeeee＋－EA1

2

3

48

7

6

5BIa結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。1

2

3

48

7

6

5AB＋－IaeeeeeeeeE電樞電流支路電流并聯(lián)支路對數(shù)a

一個串聯(lián)支路上的導(dǎo)體數(shù)

N為電樞的全部導(dǎo)體數(shù)2023/2/529MM2.2.2直流電機(jī)的勵磁方式IfIa他勵并勵串勵復(fù)勵1.直流電動機(jī)按勵磁方式分類IIfIaUaUfU

MMU

IIaUIIfIfIa2023/2/5302.直流發(fā)電機(jī)按勵磁方式分類GIUfUaIfIa分為他勵和自勵。GIIaU

IfGIaIfIU

GIaU

IfI他勵串勵（自勵）并勵（自勵）復(fù)勵（自勵）2023/2/5312.2.3直流電機(jī)的磁場1.空載磁場

直流電機(jī)空載是指電機(jī)對外無功率輸出、不帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。直流電機(jī)空載時，勵磁繞組內(nèi)有勵磁電流，電動機(jī)電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機(jī)電樞電流為零，這時電機(jī)的磁場由勵磁電流單獨建立。2023/2/532氣隙電樞齒轉(zhuǎn)子鐵心軛主磁極鐵心定子鐵心軛主磁通漏磁通主磁通漏磁通主磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩主磁通和漏磁通2023/2/533

Bav0BBBm產(chǎn)生主磁通時整個閉合磁路所需的磁通勢為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布2023/2/534電機(jī)主磁通與勵磁電流的關(guān)系可以計算或?qū)嶒灉y定氣隙線abc

磁化曲線磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布I00I0較小時鐵心不飽和，磁通勢主要作用在氣隙上。I0較大時鐵心飽和，勵磁電流與磁通是非線性關(guān)系。2023/2/5352.負(fù)載時的電樞磁動勢幾何中性線直軸d交軸qFa22OxxFa(x)Ba(x)直流電機(jī)負(fù)載運行時，電樞電流Ia不為零，氣隙中由電樞電流Ia產(chǎn)生電樞磁動勢Fa。2023/2/5363.電樞反應(yīng)

當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，電樞繞組流過電流，出現(xiàn)電樞磁動勢。電樞磁動勢對主磁極產(chǎn)生的磁場有影響，故對電機(jī)的運行性能也會產(chǎn)生一定的影響。把電樞磁動勢對勵磁磁動勢產(chǎn)生的影響稱為電樞反應(yīng)(thearmaturereaction)。當(dāng)電刷位于幾何中性線時，電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變并使物理中性線偏移,當(dāng)磁路飽和時有祛磁作用。直流電機(jī)負(fù)載運行時主磁極的一端磁通增加，另一端磁通減少，使氣隙磁場的分布發(fā)生扭斜，氣隙磁密過零的地方偏離了幾何中心線，呈現(xiàn)不均勻分布，出現(xiàn)了電樞反應(yīng)。2023/2/537Ba

22OxNSB0B

※

將通過圓心和電樞圓周上徑向磁密為零的點連接成的直線——物理中性線。NS幾何中性線物理中性線2023/2/5382.3直流電機(jī)的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.3.1直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢1.感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生B電樞旋轉(zhuǎn)n磁場ex→ex

→Ea2.感應(yīng)電動勢的大小(1)每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢

ex

=Bxlv※

Bx——導(dǎo)體所在處的氣隙磁密。

l——導(dǎo)體的有效長度。

v——導(dǎo)體切割磁場線的線速度。2023/2/539=npN60a(2)電樞電動勢的大小

設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為N，則每條支路的導(dǎo)體為，故v=n2R60=n2p60N2aEa=ex1N/2a

=

Bxlv1N/2a

=lv

Bx1N/2a

BBav平均氣隙磁密=lvBavN2a=ln

2p

60

lN2a=Cen每極下的磁通2023/2/540

E=Cen

※

Ce

——電動勢常數(shù)。單位：Wb單位：r/min(V)3.感應(yīng)電動勢的方向和性質(zhì)

方向：由

和n共同決定。

性質(zhì)：發(fā)電機(jī)為電源電動勢；電動機(jī)為反電動勢。2023/2/5411.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生電樞電流ia

磁場f→Tem

2.電磁轉(zhuǎn)矩的大小設(shè)電刷在幾何中性線處，元件為整距。(1)同一極下每根導(dǎo)體受到的平均電磁力為

fav

=Bavlia※

ia——導(dǎo)體中的電流。每根導(dǎo)體受到的平均電磁轉(zhuǎn)矩為

Tav=

fav=

BavliaD

2D

22.3.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

2023/2/542電樞直徑為：

電樞電流與支路電流的關(guān)系為：則D=2p

ia=Ia

2aTem=

NTav=N

BavliaD

2=Nl

lIa

2ap

=IapN2a(N·m)

Tem=CTIa

※

CT

——轉(zhuǎn)矩常數(shù)。單位：Wb單位：A2023/2/5433.電磁轉(zhuǎn)矩的方向和性質(zhì)

方向：由

和Ia共同決定。

性質(zhì)：發(fā)電機(jī)為制動轉(zhuǎn)矩，Tem

與n方向相反。電動機(jī)為拖動轉(zhuǎn)矩，Tem

與n方向相同。4.電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系，CT=pN2aCe=pN60a因為則問題如何使他勵、并勵、串勵直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)？2023/2/5442.4.1基本方程式(以他勵電機(jī)為例)TemTL=T0+T2IfIaEaMGU+-+-Ufn1.電壓方程電樞回路電壓

U=Ea+IaRa勵磁回路電壓2.

轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡方程Tem=T2+T0輸出轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行時T2+T0=TL2.4直流電動機(jī)運行原理2023/2/5453.功率(1)輸入功率電壓平衡方程

U=Ea+IaRa等式兩邊同時乘以電源電流I(他勵電機(jī)的I＝Ia)(2)電磁功率2023/2/546(3)輸出功率根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程等式兩邊同時乘以空載損耗鐵損耗機(jī)械損耗(4)總損耗附加損耗(5)效率2023/2/547(6)功率流程圖P1pCuPemp0P2當(dāng)忽略空載損耗不計，Tem=TL，電動機(jī)的電樞電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和磁通決定電樞電流2023/2/5482.4.2直流電動機(jī)的工作特性

電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、效率與輸出功率P2或（Ia）的關(guān)系叫工作特性。1.他(并勵)電動機(jī)(1)轉(zhuǎn)速特性：n=f(Ia）①研究條件：U=UN,If=IfN②數(shù)學(xué)表達(dá)式U=Ea+IaRa且Ea=CennIa0n0IaNnN③轉(zhuǎn)速變化率他、并勵電機(jī)n=（2~8）%當(dāng)Ia

時，n下降不多(硬特性)。2023/2/549勵磁電路斷電的后果當(dāng)If=0，

=r

很小，n不能突變→Ea

很小

→Tem=

CTrIa

仍有一定數(shù)值。

→

Ia

①若Tem

＞TL→n

(飛車)②若Tem＜TL→n

→n=0(悶車)(2)轉(zhuǎn)矩特性：Tem=f(Ia）研究條件：U=UN，If=IfNOTemIa

①若不計磁路飽和，則Tem∝Ia；②若計及磁路飽和，則

Tem隨著

Ia的增加略有下降。2023/2/550(3)效率特性：=f(P2）研究條件：U=UN，If=IfNIa0PCu－可變損耗；p0－不變損耗；當(dāng)它們相等時效率最大

2023/2/551【例2－4】

已知某并勵直流電動機(jī)，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,電樞電阻Ra=0.18，勵磁電阻Rf＝628。試求：(1)CeN、CTN

；(2)電磁轉(zhuǎn)矩Tem；(3)額定輸出轉(zhuǎn)矩T2；(4)空載轉(zhuǎn)矩T0；(5)理想空載轉(zhuǎn)速n0與實際空載轉(zhuǎn)速n0。解：(1)2023/2/5522023/2/5532.串勵電動機(jī)特點是I=If=Ia，主磁通隨負(fù)載電流Ia的變化而變化。MU

IUf

IfUa

Ia(1)轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)電機(jī)空載或輕載運行，Tem=0If=Ia≈0(很小)串勵直流電動機(jī)絕對不允許空載或輕載運行2023/2/554他勵電動機(jī)的與Ia無關(guān)，而串勵電動機(jī)If=Ia，

與Ia符合磁化曲線關(guān)系.輕載時Ia較小，轉(zhuǎn)速與電樞電流是非線性關(guān)系nIa0雙曲線重載時Ia=If

較大，近似不變轉(zhuǎn)速與電樞電流是線性關(guān)系直線當(dāng)Ia

時，n下降較多(軟特性)。2023/2/555(2)轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(Ia)根據(jù)Tem=CTIa輕載時=kIa拋物線TIa0重載時=常數(shù)直線串勵直流電動機(jī)適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩在較大范圍內(nèi)變化和要求有較大起動轉(zhuǎn)矩及過載能力的生產(chǎn)機(jī)械上。2023/2/5563.復(fù)勵電動機(jī)M＋-UIIaIf串勵勵磁繞組匝數(shù)少，導(dǎo)線粗，電阻小并勵勵磁繞組，匝數(shù)多，導(dǎo)線細(xì)，電阻大兩個勵磁繞組磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵電動機(jī)兩個勵磁繞組磁通勢方向相反稱為差復(fù)勵電動機(jī)nIa0并勵串勵復(fù)勵復(fù)勵電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力大，可以在空載和輕載狀態(tài)下運行。2023/2/557GIUIfIaUf勵磁Uf→If→

Ea→n原動機(jī)→電樞→U1.電壓平衡方程Uf=

RfIf

U

=

Ea－RaIa

E調(diào)節(jié)Rf

→If

可調(diào)→

可調(diào)

→Ea

可調(diào)→U可調(diào)。2.轉(zhuǎn)矩平衡方程

T1=

Tem＋T02.5直流發(fā)電機(jī)運行原理2.5.1基本方程式(以他勵電機(jī)為例)2023/2/558

當(dāng)發(fā)電機(jī)P2增加時，輸出電流Ia增大、Tem增大，必須加大外力矩T1才能維持正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載運行時，其轉(zhuǎn)子的阻轉(zhuǎn)矩只有T0。轉(zhuǎn)矩平衡方程：T1=T0。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載運行時，其轉(zhuǎn)子的阻（制動）轉(zhuǎn)矩有T0和電磁轉(zhuǎn)矩Tem。轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

發(fā)電機(jī)必須有外力矩T1，才能維持正常運轉(zhuǎn)。其中：2023/2/5593.功率平衡方程T1

=

Tem

＋T0

P1=

Pem＋P0Pem=

EaIaPem=

P2＋pCuap0=

pFe＋pm＋pad=UaIa＋RaIa2輸入功率P1：電磁功率Pem

：

空載損耗P0:P1pm+padpFePempCuaP2※外力矩為了克服制動轉(zhuǎn)矩（Tem和T0）提供機(jī)械力矩（功率）；并部分轉(zhuǎn)換成了電磁功率傳給了電樞。2023/2/5602.5.2直流發(fā)電機(jī)運行特性

直流發(fā)電機(jī)中，物理量U（端電壓）、Ia（電樞電流）、If（勵磁電流）兩兩間的關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)運行特性。1.他勵發(fā)電機(jī)(1)空載特性U0=f(If)

當(dāng)n=nN且Ia=0時，U0與If關(guān)系也等于E0與If關(guān)系，即

E0=f(If)OIfU0當(dāng)勵磁電流為零時的電壓是什么電壓？Er剩磁感應(yīng)電動勢2023/2/561(2)外特性U=f(Ia)當(dāng)If=IfN，n=nN時，U與Ia的關(guān)系曲線下降原因：U=Ea-IaRa電樞反應(yīng)去磁，使Ea減小內(nèi)阻Ra有壓降(主要)電壓變化的程度用U表示，稱為電壓變化率※他勵電機(jī)ΔU=(5~10)%OIa

UU0UNIN2023/2/562當(dāng)n

=nN，U=UN時：

If=f(Ia)OIIf

IfNIaN（3）調(diào)節(jié)特性（4）效率特性

=×100%P2P1※小型發(fā)電機(jī)：N=70%~90%

中大型發(fā)電機(jī)：N=91%~96%當(dāng)n

=nN，U=UN時：

=f(P2)2023/2/5632.并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵與外特性GIIaU

IfEa問題：Ea

→

？

→

Ea

？

(1)并勵直流發(fā)電機(jī)的自勵

主磁極必須有剩磁r

r→Er→Ifr→

與r方向相同→Ea＞Er與r方向相反→Ea＜Er勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向r→Er→Ifr→Ea＞Er→