電機(jī)學(xué)第5篇直流電機(jī)

第五篇直流電機(jī)

5/13/20241河海大學(xué)電氣工程學(xué)院直流電機(jī)

第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理

第二節(jié).直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

第三節(jié).直流電機(jī)的繞組*

第四節(jié).直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)

第六節(jié).感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

第七節(jié).直流電機(jī)的運(yùn)行原理

第八節(jié).直流電機(jī)的換向*5/13/20242河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第一節(jié).直流電機(jī)的

工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20243河海大學(xué)電氣工程學(xué)院一、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.皮－薩電磁力定理通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力：設(shè)大小：

方向：左手定則

第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20244河海大學(xué)電氣工程學(xué)院2.電磁力形成轉(zhuǎn)矩當(dāng)電流：a流入，x流出，逆時(shí)針受力A邊轉(zhuǎn)過中性面后，若電流不變，順時(shí)針受力交變的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子擺動(dòng)，而不轉(zhuǎn)第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20245河海大學(xué)電氣工程學(xué)院關(guān)鍵：換向：將流過線圈中的電流方向及時(shí)的加以變換。當(dāng)線圈通過中性面時(shí)，改變線圈中電流方向則轉(zhuǎn)矩方向不變。換向由換向器配合電刷進(jìn)行第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20246河海大學(xué)電氣工程學(xué)院二、直流發(fā)電機(jī)的工作原理本質(zhì)：導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)圖中：導(dǎo)體ab在N極下產(chǎn)生電勢(shì)：b→a

在S極下產(chǎn)生的電勢(shì)：a→b

輸出電勢(shì)為交流第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20247河海大學(xué)電氣工程學(xué)院關(guān)鍵：換向線圈與外電路在適當(dāng)位置交換連接。圖中：

A始終“＋”；B始終“－”電刷輸出：大小變化，方向不變的脈振磁勢(shì)。實(shí)質(zhì)：帶換向器的交流發(fā)電機(jī)?？赡嬖恚旱谝还?jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20248河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/20249河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)三、結(jié)構(gòu)兩大部分（定子、轉(zhuǎn)子）1.靜止部分——定子作用：(產(chǎn)生磁場(chǎng))組成：主磁極：鐵心＋線圈，線圈中通入勵(lì)磁電流(直流電)→主生磁場(chǎng)

換向極：位置：在兩主磁極之間；作用：改善換向機(jī)座：固定主磁極、換向極等；磁路的一部分電刷裝置：換向5/13/202410河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)動(dòng)部分——轉(zhuǎn)子（電樞）作用：產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)組成：電樞鐵心：作用：磁路，嵌放繞組材料：硅鋼片電樞繞組：主電路，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部件換向器：直流←→交流發(fā)電機(jī)中：繞組中的交流電勢(shì)→電刷上的直流電勢(shì)輸出電動(dòng)機(jī)中：輸入直流電流→繞組中的交流電流5/13/202411河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第一節(jié).直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)5/13/202412河海大學(xué)電氣工程學(xué)院5/13/202413河海大學(xué)電氣工程學(xué)院5/13/202414河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第二節(jié).直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)5/13/202415河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第二節(jié).直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定功率：額定電壓：額定電流：額定轉(zhuǎn)速：額定勵(lì)磁電壓：額定勵(lì)磁電流：勵(lì)磁方式5/13/202416河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202417河海大學(xué)電氣工程學(xué)院序電動(dòng)機(jī)：繞組中流過電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使線圈在磁場(chǎng)里轉(zhuǎn)動(dòng)，在線圈中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，吸收功率。電能機(jī)械能發(fā)電機(jī)：線圈在磁場(chǎng)里轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，換向引出后接負(fù)載，電流流過線圈產(chǎn)生制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩，吸收機(jī)械功率。機(jī)械能電能關(guān)鍵：電樞電樞表面開槽，槽內(nèi)放繞組：電樞繞組第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202418河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組二.繞組的基本形式元件：即一個(gè)繞組直流電機(jī)繞組為雙層繞組一個(gè)元件的兩個(gè)邊：一個(gè)邊放一個(gè)槽的上層，另一個(gè)邊放另一槽的下層。兩端子接在兩換向片上兩種基本形式：?jiǎn)委B繞組、單波繞組5/13/202419河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組

5/13/202420河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組1.單疊繞組特點(diǎn)：?jiǎn)危涸蓚€(gè)端子聯(lián)接于相鄰兩個(gè)換向片上。

疊：后一繞組疊加在前一繞組上（向后移一個(gè)槽）

第一節(jié)距：元件跨距（槽數(shù)）

換向節(jié)距：上層元件邊與下層元件邊所聯(lián)接的兩個(gè)換向片間的距離。

5/13/202421河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組單疊繞組：yk=1第k+1元件的首端與第k元件末端連于一點(diǎn)，并連到第k個(gè)換向片上雙層繞組：元件數(shù)S＝換向片數(shù)K＝槽數(shù)Q繞組展開圖：上層元件邊（首端）－實(shí)線下層元件邊（末端）－虛線相鄰元件依次串聯(lián)，形成閉合回路。5/13/202422河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202423河海大學(xué)電氣工程學(xué)院例：直流電動(dòng)機(jī)，N極：磁力線進(jìn)入紙面S極：磁力線穿出紙面→：電磁轉(zhuǎn)矩方向編號(hào)：元件號(hào)＝元件上層邊所放槽號(hào)＝上層邊所邊換向片號(hào)；所有元件，從某一號(hào)換向片出發(fā)，繞過電樞一周，形成一閉合回路。第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202424河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202425河海大學(xué)電氣工程學(xué)院瞬間繞組連接電路圖要點(diǎn)：繞組順次連接四個(gè)支路：a=p四個(gè)元件被電刷短路：1,5,9,13不同極面下電流方向相反電刷A1、A2并聯(lián)，B1、B2并聯(lián)5/13/202426河海大學(xué)電氣工程學(xué)院?jiǎn)尾ɡ@組(了解)特點(diǎn)：繞組“一路向前走”一元件的兩端子所連兩換向片相距很遠(yuǎn)（即：）繞電樞一周后總的所跨過換向片數(shù)為即：聯(lián)接到起始換向片的后（或前）一個(gè)換向片，即比較：?jiǎn)委B繞組：一步一回頭，戀戀不舍單波繞組：大膽向前走，義無反顧第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202427河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第三節(jié).直流電機(jī)的繞組5/13/202428河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第四節(jié).直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)5/13/202429河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第四節(jié).直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)一.直流電機(jī)的勵(lì)磁方式主磁場(chǎng)（磁場(chǎng)磁場(chǎng)）：定子繞組通直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)方式：建立磁場(chǎng)的方式勵(lì)磁方式分類：

他勵(lì)：其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電

并勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)

串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)

復(fù)勵(lì)：兩個(gè)勵(lì)磁繞組5/13/202430河海大學(xué)電氣工程學(xué)院

圖1-21直流電機(jī)按勵(lì)磁方式分類

a)他勵(lì)b)并勵(lì)c)串勵(lì)d)復(fù)勵(lì)第四節(jié).直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)5/13/202431河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第四節(jié).直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)二.直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)空載

電動(dòng)機(jī)：無機(jī)械功率輸出發(fā)電機(jī)：無電功率輸出總之：電樞電流為零或者很小磁場(chǎng)分布

主磁通：穿過氣隙進(jìn)入定子繞組?；芈窔庀缎。偞艑?dǎo)率較大

漏磁通：不穿過氣隙，僅與轉(zhuǎn)子繞組交鏈?；芈房臻g大，總磁導(dǎo)率較小

5/13/202432河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第四節(jié).直流電機(jī)的勵(lì)磁方式及磁場(chǎng)5/13/202433河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第五節(jié)、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)*5/13/202434河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第五節(jié)、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)一、電樞磁通勢(shì)空載時(shí)：氣隙磁場(chǎng)僅由勵(lì)磁磁通勢(shì)產(chǎn)生帶負(fù)載后：電樞繞組流過的電流在電機(jī)形成的磁通勢(shì)。氣隙磁場(chǎng)＝勵(lì)磁磁通勢(shì)＋電樞磁通勢(shì)5/13/202435河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第五節(jié)、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)二、電樞反應(yīng)：電樞磁勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)的影響。電樞磁場(chǎng)磁力線分布圖（簡(jiǎn)化）電刷是電樞表面電流分布的分界線

電樞磁通勢(shì)軸線總是與電刷軸線重合，與磁極軸線垂直。5/13/202436河海大學(xué)電氣工程學(xué)院三、電樞反應(yīng)作用（兩磁場(chǎng)合成）主磁極磁場(chǎng)分布曲線：電樞磁場(chǎng)分布曲線：沿電樞表面逐點(diǎn)相加，合成磁場(chǎng)分布曲線第五節(jié)、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)5/13/202437河海大學(xué)電氣工程學(xué)院四、電樞反應(yīng)的影響（結(jié)果）比較：可見：1.負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了畸變

物理中性線不再與幾何中性線重合2.呈去磁作用由于磁阻變化的非線性，負(fù)載時(shí)每極磁通比空載時(shí)略有減少。第五節(jié)、直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)5/13/202438河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第六節(jié)

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算5/13/202439河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第六節(jié)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算一.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算指一條支路的電勢(shì)，即電刷間電勢(shì)

推導(dǎo)過程從略，僅給出推導(dǎo)思路每極磁通一個(gè)元件經(jīng)過一個(gè)極面的時(shí)間T對(duì)瞬時(shí)電勢(shì)在時(shí)間T內(nèi)積分得：感應(yīng)電勢(shì)平均值乘每支路的元件數(shù)得：支路電動(dòng)勢(shì)其中：電勢(shì)常數(shù)氣隙磁密與導(dǎo)線中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)5/13/202440河海大學(xué)電氣工程學(xué)院不計(jì)飽和影響，式中Kf為比例常數(shù)式中為機(jī)械角度

即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea的大小與每極磁通（合成磁通）和電樞轉(zhuǎn)速乘積成正比；如不計(jì)飽和影響，它與勵(lì)磁電流If和電樞機(jī)械角速度乘積成正比。第六節(jié)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算5/13/202441河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第六節(jié)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算二.電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算設(shè)氣隙中某處徑向磁密為，元件中電流為ia,則此處元件所受電磁力為一個(gè)極距內(nèi)積分得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：其中：轉(zhuǎn)矩常數(shù)5/13/202442河海大學(xué)電氣工程學(xué)院不計(jì)飽和的影響，式中即：電磁轉(zhuǎn)矩Tem的大小與每極磁通（合成磁通）和電樞電流Ia的乘積成正比，如不計(jì)飽和影響。它與勵(lì)磁電流If乘積成正比第六節(jié)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算5/13/202443河海大學(xué)電氣工程學(xué)院第七節(jié)直流電機(jī)的運(yùn)行原理5/13/202444河海大學(xué)電氣工程學(xué)院一·直流電機(jī)的基本方程式電動(dòng)勢(shì)平衡方程式（并勵(lì)電動(dòng)機(jī)）

式中：

分別表示電源電壓、電樞繞組端電壓與勵(lì)磁繞組端電壓分別表示電樞電流、勵(lì)磁繞組電流

分別表示電樞回路電阻（含電刷、換向器接觸電阻）、勵(lì)磁回路電阻

分別表示電樞回路電感、勵(lì)磁回路電感機(jī)械角速度5/13/202445河海大學(xué)電氣工程學(xué)院

直流電機(jī)的電磁系統(tǒng)一·直流電機(jī)的基本方程式5/13/202446河海大學(xué)電氣工程學(xué)院穩(wěn)態(tài)：則電路中的電磁量與機(jī)械量不是時(shí)間的函數(shù)，有：發(fā)電機(jī)運(yùn)行電磁功率、電樞電流方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同。穩(wěn)態(tài)一·直流電機(jī)的基本方程式5/13/202447河海大學(xué)電氣工程學(xué)院2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式任一瞬間轉(zhuǎn)矩必須平衡：電動(dòng)機(jī)：電磁轉(zhuǎn)矩Tem＝輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩T2＋空載轉(zhuǎn)矩T0＋慣性轉(zhuǎn)矩即：穩(wěn)定后（轉(zhuǎn)速恒定）則：電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為一·直流電機(jī)的基本方程式5/13/202448河海大學(xué)電氣工程學(xué)院發(fā)電機(jī)在發(fā)電機(jī)中，原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T1，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：穩(wěn)定時(shí)一·直流電機(jī)的基本方程式5/13/202449河海大學(xué)電氣工程學(xué)院3.功率平衡方程式并勵(lì)電動(dòng)機(jī)輸入電功率：P1=UI勵(lì)磁損耗pCuf(勵(lì)磁回路的電功率Uif,消耗于電阻Rf中)電樞銅耗pCua,電刷接觸損耗pc輸入電動(dòng)機(jī)的電功率P1－上述損耗＝轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率的電磁功率：Pem=Eia從輸出看：一·直流電機(jī)的基本方程式5/13/202450河海大學(xué)電氣工程學(xué)院

圖1-40功率圖5/13/202451河海大學(xué)電氣工程學(xué)院并勵(lì)發(fā)電機(jī)功率平衡關(guān)系為：

一·直流電機(jī)的基本方程式5/13/202452河海大學(xué)電氣工程學(xué)院定義：由于Ia測(cè)量方便，且Ia隨P2的增大而增大，也可表示為直流電動(dòng)機(jī)工作特性與勵(lì)磁方式有關(guān)二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5/13/202453河海大學(xué)電氣工程學(xué)院二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性直流電動(dòng)機(jī)有關(guān)公式（方程）如下：5/13/202454河海大學(xué)電氣工程學(xué)院

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性轉(zhuǎn)速特性：不計(jì)電樞反應(yīng)的去磁作用，為一個(gè)與Ia無關(guān)的常數(shù)。則轉(zhuǎn)速特性為：式中為理想空載轉(zhuǎn)速實(shí)際，Ia增加時(shí)，總有一定的去磁作。5/13/202455河海大學(xué)電氣工程學(xué)院圖1-41并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線圖圖1-42并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5/13/202456河海大學(xué)電氣工程學(xué)院轉(zhuǎn)矩特性：轉(zhuǎn)矩特性接近一條直線。效率特性：電機(jī)的效率為輸出功率P2與輸入功率之比(用百分值表示)，即：并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5/13/202457河海大學(xué)電氣工程學(xué)院各種損耗銅耗：消耗在電阻內(nèi)的損耗電樞回路中的銅耗勵(lì)磁回路的銅耗電刷接觸損耗正負(fù)電刷接觸電阻壓降（0.6~2V）可變損耗（隨Ia而變）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5/13/202458河海大學(xué)電氣工程學(xué)院鐵耗：包括渦流鐵耗和磁滯損耗。不變損耗。機(jī)械損耗：包括摩擦損耗、通風(fēng)損耗。在轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，也可認(rèn)為機(jī)械損耗是不變的。附加損耗：又稱雜散損耗。估算無補(bǔ)償繞組的直流電機(jī)，約額定容量的1%；有補(bǔ)償繞組的直流電機(jī)，約額定容量的0.5%。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5/13/202459河海大學(xué)電氣工程學(xué)院對(duì)于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)由于U=UN,If=IfN，所以氣隙磁通基本保持不變轉(zhuǎn)速變化很小，所以pCuf,pFe,pmec都可認(rèn)為是不變的

如果不計(jì)附加損耗,則并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性5/13/202460河海大學(xué)電氣工程學(xué)院（一）空載運(yùn)行

1.空載特性：定義：等價(jià)于磁化曲線：三、直流發(fā)電機(jī)的特性5/13/202461河海大學(xué)電氣工程學(xué)院常用發(fā)電機(jī)的接線圖

a)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)b)并勵(lì)發(fā)電機(jī)

c)

復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)5/13/202462河海大學(xué)電氣工程學(xué)院2.并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓的建立并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)都是自勵(lì)發(fā)電機(jī)，它們不需要外部直流電源供給勵(lì)磁電流首先是在空載時(shí)建立電壓即所謂自勵(lì)，然后才能加以負(fù)載。5/13/202463河海大學(xué)電氣工程學(xué)院電機(jī)必須有剩磁。勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性正確（磁通方向一至，磁場(chǎng)增強(qiáng)）要使電機(jī)能順利地自勵(lì)建壓，還必須使rf<rfcr

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