直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析

直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

直流電機(jī)是電機(jī)的主要類(lèi)型之一。直流電機(jī)自身有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，但與交流電機(jī)相比自身又有著缺點(diǎn)。近年來(lái)，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機(jī)性能的電機(jī)不斷涌現(xiàn)，使直流電機(jī)有被取代的趨勢(shì)。盡管如此，直流電機(jī)仍有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值!第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章主要內(nèi)容(Themaincontentofthischapter

)

1、直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)(Dcmotorsworkprincipleandbasicstructure

)2、說(shuō)明電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)(Explainthemotormagnetomotiveforceandthemagneticfield

)4、分析直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能(Analysisofdcmotorsteady-stateoperationperformance

)3、導(dǎo)出電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩公式(Exportmotorelectromotiveforceandelectromagnetictorqueformula

)第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

(Dcmotorsworkprincipleandbasicstructure

)一、直流電機(jī)的工作原理(Theworkingprincipleofdcmotor)固定部分（定子）(Fixedpart(stator))：主磁極N和S；（如圖3－1）表示一臺(tái)直流電機(jī)。1、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)(Thestructureofthedcmotor

)旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）(Rotatingpart(rotor))：電樞鐵心；電刷；電樞繞組AX(一個(gè)線(xiàn)圈)；換向器。定子與轉(zhuǎn)子之間為氣隙。第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、直流發(fā)電機(jī)的工作原理

(Theworkingprincipleofdcgenerator)

發(fā)電機(jī)(generator

)：雖然線(xiàn)圈AX電動(dòng)勢(shì)是交流電動(dòng)勢(shì)，但由于換向器的整流作用，電刷間的輸出電動(dòng)勢(shì)卻是直流電動(dòng)勢(shì)。（圖3-2a，圖3-2b）第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

(Theworkingprincipleofdcmotor)

電動(dòng)機(jī)(motor)：在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并非直接加于線(xiàn)圈，而是通過(guò)電刷、和換向器再加到線(xiàn)圈變而同時(shí)改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終上的。所以，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改保持不變。第6頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、脈動(dòng)的減小(Pulsatingreduce)

電刷上的電動(dòng)勢(shì)(如圖3－3)。電樞繞組由多個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)而構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)方法(implementmethod):第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

(Thebasicstructureofdcmotor)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子氣隙第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、主磁極

(mainmagneticpole)

構(gòu)成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組。

2、機(jī)座(enginebase)

構(gòu)成：用厚鋼板彎成筒形焊成或鑄鋼件制成。作用：建立主磁場(chǎng)。作用：1、主磁路的一部分；2、電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、電樞鐵心(armaturecore)

作用：1、主磁路的一部分；2、電樞繞組的支撐部件。

構(gòu)成：一般用厚0.5㎜且沖有齒、槽的DR530

4、電樞繞組(armaturewinding)作用：直流電機(jī)的電路部分。

構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線(xiàn)繞成，上下層以及線(xiàn)圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊?；駾R510的硅鋼片疊壓夾緊而成。第10頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5、換向器(commutator)

作用：整流（發(fā)電機(jī)）或逆變（電動(dòng)機(jī)）。構(gòu)成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個(gè)圓筒片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個(gè)形環(huán)夾緊而6、電刷裝置(brushgear)作用：電樞電路的引出（或引入）裝置。構(gòu)成：電刷、刷盒、刷桿和連線(xiàn)等。構(gòu)成。第11頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、勵(lì)磁方式(ExcitingType)勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。直流電機(jī)按勵(lì)磁方式可分：他勵(lì)(separateexcitation)自勵(lì)(self-excitation)

7、換向極(commutatingpole)構(gòu)成：由鐵心和繞組組成。作用：改善換向。第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一復(fù)勵(lì)式(compound-wound

)(圖3-5d)：裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵(lì)繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵(lì)繞組。1、他勵(lì)式(separateexcitationtype)（如圖3-5a）

其勵(lì)磁繞組由其他電源供電，勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連。2、自勵(lì)式(self-excitationtype)發(fā)電機(jī)(generator)：利用自身發(fā)出的電流勵(lì)磁；

電動(dòng)機(jī)(motor)：勵(lì)磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。并勵(lì)式(Shunttype)(圖3-5b)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；串勵(lì)式(Seriestype)(圖3-5c)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；第13頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、直流電機(jī)的額定值

(theratingvalueofDcmotor)

（1）額定功率

：指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，

（2）額定電壓：指額定狀態(tài)下電樞出線(xiàn)端的電壓，以V表示。（3）額定電流：指電機(jī)運(yùn)行在時(shí)電機(jī)的線(xiàn)電流，以A表示。

（4）額定轉(zhuǎn)速：指額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min表示。

（5）額定勵(lì)磁電壓（僅對(duì)他勵(lì)電機(jī)）。

對(duì)電動(dòng)機(jī)，—輸出的機(jī)械功率；對(duì)發(fā)電機(jī)，—輸出的電功率。直流電機(jī)的額定值有：電機(jī)的輸出功率，以kW表示。第14頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)

(Noloadandloadwhenthemagneticfieldofdcmotor)一、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)

(如圖3-6)。

(Whenthereisnodcmotorofthemagneticfield

)：空載時(shí)的主磁極的磁通：主磁通：通過(guò)氣隙，并形成氣隙磁場(chǎng)。(mainflux

)b)主極漏磁通(Mainpoleleakagemagneticflux)

極矩：(moment)第15頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)

（介紹）

(thearmaturemagnetomotiveforceandarmaturereactionoftheload)電樞反應(yīng)：負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響。(armaturereaction)1、交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞反應(yīng)(Quadratureaxisarmaturemagnetomotiveforceandquadratureaxisarmaturereaction)

影響：1）、引起氣隙磁場(chǎng)畸變，使電樞表面磁密等

2）、不計(jì)飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)既無(wú)增磁、亦無(wú)去磁作用；計(jì)及飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)具有一定的去磁零的位置（物理中性線(xiàn)）偏離幾何中性線(xiàn)。作用。第16頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞反應(yīng)(Directaxisarmaturemagnetomotiveforceanddirectaxisarmaturereaction

)發(fā)電機(jī)：電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，電樞反應(yīng)為去磁；(generator)

電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，電樞反應(yīng)為增磁。電動(dòng)機(jī)：與發(fā)電機(jī)的情況相反。(motor)第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.3直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩

(Dcmotoroftheinducedelectromotiveforceandelectromagnetictorque)

設(shè)氣隙磁場(chǎng)的分布（如圖3－7）所示，則每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為一、電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(Armaturewindinginductionelectromotiveforce)式中，—

導(dǎo)體所在處的氣隙磁密；—

導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度；—

導(dǎo)體相對(duì)氣隙磁場(chǎng)的速度。第18頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為一條支路各串聯(lián)導(dǎo)體的

令

為平均氣隙磁密，則上式改寫(xiě)為

將代入上式得出電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，則第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電動(dòng)勢(shì)公式：式中，—每極的總磁通量；—電動(dòng)機(jī)常數(shù)；—電動(dòng)勢(shì)公式。第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

二、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(theelectromagnetictorqueofDcmotor)

電樞表面任一點(diǎn)處的載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)距為式中，—該點(diǎn)處的氣隙磁密。

一個(gè)極下的載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)為式中，—?dú)庀镀骄琶堋?/p>

第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一整個(gè)電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩則為

可得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為

再考慮到第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

一、電壓方程；基本方程

二、轉(zhuǎn)矩方程。一、電壓方程(Voltageequation

)

1、他勵(lì)直流電機(jī)(separatelyexciteddcmachine)

直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電路圖（發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)）

發(fā)電機(jī)：則有

；

電動(dòng)機(jī)：則有

。3.4直流電機(jī)的基本方程(thebasicequationofDcmotor)他勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁電流由其他電源單獨(dú)供電，故。第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、并勵(lì)直流電機(jī)(ShuntDCMotor)

其電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)相同，但激磁

3、串勵(lì)直流電機(jī)(SeriesExcitedDCMotor)

其電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)亦相同，但因勵(lì)

另外，電壓方程應(yīng)加入串勵(lì)繞組的電阻壓降。電壓為電樞端電壓，即發(fā)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)：磁繞組與電樞繞組相串聯(lián)，有。第24頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、轉(zhuǎn)矩方程(Torqueequation)—為電磁轉(zhuǎn)矩。1、發(fā)電機(jī)情況下(Generatorcases)—電機(jī)本身的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩；—原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有第25頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一—電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。式中，

2、電動(dòng)機(jī)情況下(Motorcases)電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電磁功率(electromagneticpower)

發(fā)電機(jī)：

機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；電動(dòng)機(jī)：

電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

電磁功率用表示，則將代入上式，得第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、直流電機(jī)的可逆性

(thereversibilityofDcmotor)

電機(jī)的可逆性：從原理上講，任何電機(jī)既可作為

(Reversiblemotor)發(fā)電機(jī)運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)、亦可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.5直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

(dcmotoroftheoperationcharacteristic)

直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條，一條是工作一、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

(Shuntmotoroperatingcharacteristics)1、工作特性(performancecharacteristic)指時(shí)，。特性，另一條是轉(zhuǎn)矩特性（或稱(chēng)為機(jī)械特性）。第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）、轉(zhuǎn)速特性

(speedcharacteristic)據(jù)轉(zhuǎn)速公式得出轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整率：(Speedregulation)

注意：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開(kāi)。第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）、轉(zhuǎn)矩特性

(torquecharacteristics)

轉(zhuǎn)矩方程（3）、效率特性(efficiencycharacteristic

)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的效率特性和其他電機(jī)相類(lèi)似。得出轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)。第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性(Torque-speedcharacteristic)

指，勵(lì)磁回路電阻＝常值時(shí)，。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系表達(dá)式為得特性曲線(xiàn)（如圖3－11）結(jié)論：硬特性(Hardcharacteristics)第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

(theoperationcharacteristicofSeriesmotor)

1、工作特性(workingcharacteristic)特點(diǎn)：

是指時(shí)，或（圖形3－12）轉(zhuǎn)速公式第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

上式表明曲線(xiàn)大致為一雙曲線(xiàn)。

式中為串勵(lì)繞組的電阻。輕載時(shí)，、＝常值

負(fù)載增加，磁路飽和，常值

注意：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行。

(Seriesmotordoesnotallowno-loadoperation)第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義相對(duì)比）。

2、轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性(Torque-speedcharacteristic)

是指時(shí)。

由電壓方程可知其轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為：第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一式中。于是電磁轉(zhuǎn)矩為

可得

（如圖3-13）結(jié)論：隨著轉(zhuǎn)矩的增加，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，是軟特性。

(Withtheincreaseofthetorque,seriesmotorspeedquicklyFall,itissoftcharacteristic.)第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(Thecharacteristicsofthecompoundmotor)

復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)通常接為積復(fù)勵(lì)，其特性介于并勵(lì)和

復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性（如圖3-14）。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)之間。第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

結(jié)構(gòu)較復(fù)雜直流電機(jī)成本較高使它的應(yīng)用受到限制

可靠性較差