[工学]第2章直流电机的基本理论.ppt

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1、NSU2.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理NSUNS2.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理NSUU电刷电刷线圈边切割磁感线会产生什么线圈边切割磁感线会产生什么？换向片换向片直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)换向换向机械机械负载负载旋转旋转克克 服服反电反电动势动势 电磁关系电磁关系NS2. 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理NSEE输出输出直流电直流电换向换向原动机原动机感应电动感应电动势、电流势、电流电磁转矩电磁转矩（阻转矩）（阻转矩）做功做功 电

2、磁电磁 关系关系2.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构1. 主要部件主要部件(1) 定子定子主磁极主磁极换向磁极换向磁极机座机座端盖等端盖等 直流电机的定子直流电机的定子 (a) 主磁极主磁极 (b) 机座机座 直流电机的定子直流电机的定子7.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 更多的图片更多的图片 (2) 转子（电枢）转子（电枢） 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 转轴与风扇转轴与风扇 直流电机的转子直流电机的转子 (a) 转子主体转子主体 (b) 电枢钢片电枢钢片 直流电枢绕组直流电枢绕组A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48

3、1 2 3AB结论：结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。A B12345678e e e ee e e e1 2 3 48 7 6 5AB 直流电枢绕组直流电枢绕组电动机电动机E发电机发电机Iae e e ee e e eE两匝元件两匝元件A1 2 3 48 7 6 5BIaNSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图 并联支路对数：并联支路对数：a = 2。 电刷的中心线对着磁极的中心线。电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2

4、n3 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图NSNS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 电刷的中心线对电刷的中心线对 着磁极的中心线：着磁极的中心线： 电刷之间的电动电刷之间的电动 势最大。势最大。 被电刷短接的元被电刷短接的元 件电动势为零。件电动势为零。 习惯称习惯称 “电刷放在电刷放在 几何中心线位置几何中心线位置”。磁极中心线磁极中心线几何中心线几何中心线 直流电机的结构直流电机的结构电枢电枢 电机装配图电机装配图

5、更多的图片更多的图片 直流电机直流电机 更多的图片更多的图片 M2. 励磁方式励磁方式If+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励(1) 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UIG(2) 直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类自自励励GIa+Ua他他励励串串励励复复励励并并励励Ia+UIfIGGIfIa+UI+UIfIIaIf+Uf(1) 额定电压额定电压 UN 发电机的发电机的 UN ：指输出电压的额定值。：指输出电压的额定值。 电动机的电动机的 UN ：指输入电压的额定值。：指输入电压的额定值。(2) 额定电流额定电流

6、IN 发电机的发电机的 IN ：指输出电流的额定值。：指输出电流的额定值。 电动机的电动机的 IN ：指输入电流的额定值。：指输入电流的额定值。(3) 额定功率额定功率 PN 发电机的发电机的 PN ：指输出电功率的额定值：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值：指输出机械功率的额定值 (UN INN ) 。3. 额定值额定值(4) 额定转速额定转速 nN(5) 额定励磁电压额定励磁电压 UfN(6) 额定励磁电流额定励磁电流 IfN 额定状态额定状态 ： 指指 U、I、P、n 均为额定值的状态。均为额定值的状态。 满载状态满载状态 ： 指指

7、 I = IN 的状态。的状态。NS2.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应几何几何中心线中心线 N S励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）物理物理中心线中心线电枢磁场电枢磁场合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）物理物理中性线中性线 电枢反应：电枢反应： 电枢磁通势对主极磁场的影响。电枢磁通势对主极磁场的影响。 电枢反应的影响电枢反应的影响 总磁场被扭歪了总磁场被扭歪了 几何中心线与物理中心线分开了几何中心线与物理中心线分开了, 电刷位置处的元件的电刷位置处的元件的 e0，增加换向困难。，增加换向困难。 一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，一半磁极的磁通增加，一半磁极的

8、磁通减少， 磁路不饱和时，每极磁通不变；磁路不饱和时，每极磁通不变； 磁路饱和时，磁路饱和时，每极磁通减少，每极磁通减少，e 和和T 相应减少。相应减少。2.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势1. 电磁转矩电磁转矩(1) 产生产生 电枢电流电枢电流 i 磁磁 场场 F T (2) 大小大小 电磁力：电磁力： F = B l i 平均磁密：平均磁密： BlB = l极距极距2.4 直流电机的电磁转矩和电动势直流电机的电磁转矩和电动势1. 电磁转矩电磁转矩(1) 产生产生 电枢电流电枢电流 i 磁磁 场场 F T (2) 大小大小l 电磁力：电磁力： F = B l i l

9、平均磁密：平均磁密：l 每根导线上电磁力所每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩：形成的电磁转矩： FRB = lBl极距极距R Rl 电枢绕组串联总匝数：电枢绕组串联总匝数： Nl 电枢绕组并联支路数：电枢绕组并联支路数：2al 总导体数：总导体数： 2N 2a = 4aNl 电枢的周长：电枢的周长： 2 R = 2p l 电磁转矩：电磁转矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i p l= 4aN i p = 2ai 2pN 电枢电流电枢电流 Ia(2) 大小大小 T = CT IaCT 转矩常数：转矩常数：(3) 方向方向 由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。

10、(4) 性质性质 发电机：发电机： 电动机：电动机：T 与与 n 方向相反，为制动转矩。方向相反，为制动转矩。T 与与 n 方向相同，为拖动转矩。方向相同，为拖动转矩。CT =2pN 单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm) (1) 产生产生 电枢旋转电枢旋转 n 磁磁 场场 (2) 大小大小l 每个导体：每个导体：e = B l vl 导体切割磁场线的线速度：导体切割磁场线的线速度：l 电动势：电动势： E = 2N e 2. 电动势电动势 ee E v = n2 R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602 = 9.55 C

11、T = 9.55 CECT =2pN CE =4pN60 E = CE n CE 电动势常数：电动势常数：CE =4 pN60单位：单位：Wb单位：单位：r/min(V) (3) 方向：方向：由由 和和 n 共同决定。共同决定。(4) 性质性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。发电机为电源电动势；电动机为反电动势。M2.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析1. 他励电动机他励电动机励磁电压励磁电压 Uf If 电枢电压电枢电压 Ua Ia T n E E(1) 电压平衡方程式电压平衡方程式励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： Ua = E + Ra Ia

12、+UaIaIf+Uf 稳态电枢电流稳态电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra IaIa 的大小取决于负载的大小。的大小取决于负载的大小。机械特性机械特性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T (2) 转速转速O nTn0当当T 时，时， n 下降不多下降不多 硬特性硬特性。 励磁电路断电的后果励磁电路断电的后果 当当 If = 0， =r 很小，很小，n 不能突变，不能突变，E 很小很小T = CTr Ia 仍有一定数值。仍有一定数值。Ia 若若 T TL n 飞车！飞车！ T TL n n = 0 闷车！闷车！ (3) 转

13、向转向取决于电磁转矩取决于电磁转矩 T 的方向。的方向。 T 的方向取决于的方向取决于 和和 Ia 的方向。的方向。M+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+Uf磁磁场场反反向向电电枢枢反反向向2. 并励电动机并励电动机 并励与他励的区别并励与他励的区别:(1) 输入电压输入电压 U = Ua = Uf(2) 输入电流输入电流 I = Ia + If(3) 输入功率输入功率 P1 = UI = UIa + UIfMIa+UIIf 【例例7.5.1】 某并励直流电动机，某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf =

14、 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定状态下运行时的：。求该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解：解： (1) 励磁电流励磁电流 If UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 电枢电流电枢电流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE = 0.685T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩电磁转矩

15、CE =EnN2153 000= = 0.071 7 E3. 串励电动机串励电动机 Ua Uf M+UIIfIa(1) 电压电压 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I(2) 电流电流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=(3) 转矩转矩 T = CT Ia当当 Ia 较小、磁路未饱和时，较小、磁路未饱和时， Ia，T Ia2 。当当 Ia 较大、磁路已饱和时，较大、磁路已饱和时， 常数，常数， T Ia 。 即即 T Iam (1m2) 与并励电动机比较，有如下特点与并励电动机比较，有如下特点 对应于相同的对应于相同的T ，Ia 小。小。 对应于允许的对应于

16、允许的 Iamax ，能够产生的，能够产生的 T 大，大， Tst 和和 Tmax 较大。较大。(4) 转速转速ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra + RfCECT2T 当当T = 0 时，时，Ia = If = 0， =r， n0 = (5 6) nN。 当当T 很小时，很小时，Ia 很小，很小，磁路未饱和，磁路未饱和，T Ia n 迅速下降。迅速下降。 当当T 很大时，很大时，Ia 很大，很大，磁路已饱和，磁路已饱和，T Ia 基本不变基本不变 n下降较少。下降较少。 (5) 应用应用 特别适用于起重机特别适用于起重机 和电气机车等运输机械。和电气机车等运输机械。

17、不能在轻载或空载下运行。不能在轻载或空载下运行。 不能用皮带轮传动。不能用皮带轮传动。串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性软特性软特性O nT4. 复励电动机复励电动机(1) 积复励、差复励。积复励、差复励。(2) 机械特性机械特性 有较大的有较大的Tst 。 可以空载运行。可以空载运行。并励并励复励复励MIaIf+UI串励串励O nT7.6 直流电动机的功率和转矩直流电动机的功率和转矩1. 功率平衡方程式（并励）功率平衡方程式（并励）(1) 输入功率输入功率 P1 P1 = U I(2) 铜损耗铜损耗 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 电磁功率电磁功率 Pe Pe =

18、 P1 PCu 推导：推导： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) IaRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论Pe = E Ia Pe = E Ia = CE n Ia = T 2 60= CT n Ia 功率流程图功率流程图P1PCuPeP0P22. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 空载：空载： T = T0 负载负载: : T = T0 + T2 2 60T2n =(4) 空载损耗空载损耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 输出功率输出功率P2 P2 = Pe P0 = T2

19、【例例2.6.1】 一并励电动机，一并励电动机，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求该电机的求该电机的 P2 、Pe、P1 、Pal 和和 。 解：解：P2P1 = 100%6.2860= 6.81 500 W = 1 067.6 W Pe = P2P0 = (1 067.6143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 375 WPal = P1P2 = (1 3751 067.6) W = 307.4 W2 60P2= TLn 6.2860= 0.

20、91 500 W = 143.3 W 2 60P0= T0n 1 067.61 375= 100% = 77.64% GIa+UaIf+Uf2.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析1. 他励发电机他励发电机外电源外电源Uf If E n原动机原动机电枢电枢Ua (1) 空载运行空载运行励磁电路：励磁电路：If =UfRf励磁电路励磁电路总电阻总电阻电枢电路：电枢电路： Ia = 0， Ua = U0 = E调节调节RfIf 可变可变 可变可变 E 可变可变 Ua可变。可变。 E U0 = E = f (If ) 空载特性空载特性OIfU0Er剩磁感应剩磁感应电动势电动势(2) 负载运行

21、负载运行 输出电压输出电压: U = Ua 输出电流输出电流: I = Ia 电压平衡方程式电压平衡方程式 U = Ua = ERa Ia当当 Ia Ra Ia E (电枢反应电枢反应)Ua 外特性外特性 U = f (I )n = nNIa = 0OIUn = nNIf = IfNINUNU0n = nNIf = 常数常数7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析空载特性空载特性外特性外特性 电压调整率电压调整率VR =U0UNUN100% ( 5% 10% ) 调整特性调整特性 当当 n = nN，U = UN 时：时： If = f ( I )OI If IfNIN7.7 直流发电

22、机的运行分析直流发电机的运行分析调整特性调整特性 【例例2.7.1】 一他励直流发电机，一他励直流发电机， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通如果磁通 保保持不变，求持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压时的空载电压 U0 和和 900 r/min 时时的满载电压的满载电压 U 。 解：解：在在 nN 和和 UN 时的电枢电流时的电枢电流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在在 保持不变时，保持不变时， E n10103230= A =

23、 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V 7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V2. 并励发电机并励发电机EUaGIfIaI E ? E ? (1) 自励条件自励条件 主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r ：rErIfrEEr与与r 方向相同方向相同EEr与与r 方向相反方向相反 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 与与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。既应满足空载特性又应满足欧姆定律。7

24、.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析当当 Rf Rk 时，时， E Er ， 能够自励。能够自励。当当 Rf = Rk 时，时， E不确定，不能自励。不确定，不能自励。当当 Rf Rk 时，时， EEr，不能自励。，不能自励。 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线：场阻线的斜率：场阻线的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析(2) 运行分析运行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E Ra

25、IaI Ia RaIa E ( (电枢反应电枢反应) )Uf Ua 外特性外特性 U = f ( I )EUaGIfIaIn = nNRf = 常数常数OIUU0他励他励并励并励 负载增加时，负载增加时， U 下降较快。下降较快。 VR 20%7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析 外特性有拐弯现象。外特性有拐弯现象。OI UU0他励他励并励并励INUNRL I (Ia) U 低饱和磁路低饱和磁路RL U If E (较大幅度较大幅度) U 的下降比的下降比 RL的减少得更快的减少得更快 I = U / RLRL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = E

26、r ISC 较小。较小。 稳态短路电流不大。稳态短路电流不大。7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析 【例例7.7.2】 例例7.7.1 中的他励发电机，励磁绕组的中的他励发电机，励磁绕组的电阻为电阻为 100。转速为转速为 1 000 r/min 时的空载特性如图所示。时的空载特性如图所示。今将它改作并励发电机运行。问励磁电路内应串联多大的今将它改作并励发电机运行。问励磁电路内应串联多大的电阻才能获得电阻才能获得 230 V 的空载电压和满载电压？的空载电压和满载电压？ 解：解：空载运行时空载运行时EIfRf = U0 = ERa If E 查空载特性得：查空载特性得： If =

27、1.5 A 时时 E = 230 V 根据根据 E = ( RaRf ) If可得可得2301.5= = 153.3 7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析01 2 3 4 If /AE/V300200100应串联的电阻为：应串联的电阻为： R = Rf100 = (153.3 100) = 53.3 若要满载电压为若要满载电压为230 V，则需则需 E = 247 V。再查空载特性得：再查空载特性得： If = 2 A 时时 E = 247 V 根据根据 UN = Rf If可得可得2302= ( 100 ) = 15 01 2 3 4 If /AE/V300200100UNIfR

28、 = 100 7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析*3. 串励发电机串励发电机(1) 基本关系基本关系 I = Ia = If U = Ua Uf = E ( RaRf ) I(2) 外特性外特性空载时，空载时，I = Ia = If = 0 = r ，E = Er 负载时，负载时，I (If) U I (If) 7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析G+UIfIIaOIUEr外特性外特性 磁路饱和磁路饱和E不再增加不再增加电阻压降电阻压降 U 。 4. 复励发电机复励发电机(1) 分为积复励和差复励分为积复励和差复励(2) 对于积复励发电机对于积复励发电机 平复励发电机

29、平复励发电机 当当 I = IN 时的时的 UN = U0 。 过复励发电机过复励发电机 当当 I = IN 时的时的 UNU0 。 欠复励发电机欠复励发电机 当当 I = IN 时的时的 UN U0 。他励他励并励并励过复励过复励IN平复励平复励欠复励欠复励差复励差复励7.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析GIIaIf+UOIUUN7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩1. 直流发电机的功率（并励）直流发电机的功率（并励）(1) 输入功率输入功率 P1 :(2) 空载损耗空载损耗 P0 :(3) 电磁功率电磁功率 Pe :(4) 铜损耗铜损耗 PCu :(5) 输出功

30、率输出功率 P2 :P1 = T1P0 = PFePmePadPe = P1 P0= T = E Ia PCu = Ra Ia2Rf If2P2 = U I = Pe PCu2 60= T1n第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论P1Pme+ PadPFePePCuP2功率流程图功率流程图(6) 效率效率 = 100%P2P1 小型发电机：小型发电机： N = 70% 90% 中大型发电机：中大型发电机： N = 91% 96%7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩2. 直流发电机的转矩直流发电机的转矩T1 = T0 + T转矩平衡方程：转矩平衡方程：输入转矩输入转矩

31、 T1 ：空载转矩空载转矩 T0 ：电磁转矩电磁转矩 T ： P1 T1 = 7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩60 2 P1n= P0 T0 = 60 2 P0n= Pe T = 60 2 Pen= P2 = UI = 230100 W = 23 000 WIa = IIf = (1002) A =102 APCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W Pe = P2PCu = 25 540.8 W 【例例7.8.1】 一并励直流发电机，输出电压一并励直流发电机，输出电压 U = 230 V，输出电流，输出电流 I

32、 = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115，n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求发电机的输出功率求发电机的输出功率P2 、电磁转矩、电磁转矩 T、输入功率、输入功率 P1 和效率和效率 。 解：解：230115= A = 2 A URfIf = 7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩P0 = T0n2 60= 17.321 500 W 2 60 = 2 719.24 W P1 = PeP0 = (25 540.82 719.24) W = 28 260 W = 100%P2P1= 100% = 81.39% 23 00028 260直流电机直流电机7.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩 更多的图片更多的图片 直流电容电机直流电容电机 更多的图片更多的图片 直流电机直流电机 更多的图片更多的图片 LFChun 制作 练练 习习 题题v7.2.1v7.4.1v7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.5.6 7.5.7v7.6.1 7.6.2v7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.4v7.8.1 7.8.2 7.8.3* 以教师画勾的题为准。以教师画勾的题为准。第第7 章章 直流电机的基本理论直流电机的基本理论下一章下一章