第2章 直流电机PPT讲稿.ppt

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1、第2章 直流电机第1页，共81页，编辑于2022年，星期一简述简述n电流有交流和直流之分，因此电机也有直流电机和交流电流有交流和直流之分，因此电机也有直流电机和交流电机两大类。电机两大类。n直流电机具有调速性能好，启动转矩大的优点。直流电机具有调速性能好，启动转矩大的优点。n但其制造工艺复杂，生产成本高，维护较困难，可靠性但其制造工艺复杂，生产成本高，维护较困难，可靠性差等缺点。差等缺点。n目前在很多场合直流电机已被交流电机和电力电子装置目前在很多场合直流电机已被交流电机和电力电子装置取代，但仍然有其应用场合。取代，但仍然有其应用场合。第2页，共81页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 直

2、流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理问题的切入点：问题的切入点：载流导体在磁场中受到的力载流导体在磁场中受到的力(安培定律安培定律)B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)i 导体中的电流导体中的电流(A)l 导体的有效长度导体的有效长度(m)所谓电动机是将电能转换为机械能所谓电动机是将电能转换为机械能.直流电机可以分为直流电机可以分为直流电动机直流电动机和和直流发电机直流发电机。第3页，共81页，编辑于2022年，星期一（1 1）按照这种模式下，电枢将如何运动？）按照这种模式下

3、，电枢将如何运动？（2 2）如何解决这一问题？）如何解决这一问题？由电磁力产生转矩的过程：由电磁力产生转矩的过程：（1）线圈）线圈ax中通入直流电流时中通入直流电流时,电流从电流从a端端流入，从流入，从x端流出；端流出；（2）线圈边）线圈边a和和x上均受到电磁力，根据左上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。手定则确定力的方向。（3）这一对电磁力形成了作用于）这一对电磁力形成了作用于电枢电枢的一个的一个电磁转矩，将产生逆时针旋转。电磁转矩，将产生逆时针旋转。思考把这个装有线圈的铁质圆柱体称为电枢。BA第4页，共81页，编辑于2022年，星期一解决上述振荡问题的办法：解决上述振荡问题的办法：如

4、果能使如果能使S极下的电流始终流出；而极下的电流始终流出；而是是N极下的电流始终流入，则可以产生连极下的电流始终流入，则可以产生连续的转矩。从而使电枢向一个方向运动。续的转矩。从而使电枢向一个方向运动。因此绕组因此绕组ax在处于在处于AB位置时必须交位置时必须交换换一一次电流方次电流方向向。换向器换向器换向器的构成：换向器的构成：相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）与电枢连接在一起。每个与绕组的一相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）与电枢连接在一起。每个与绕组的一端相连，换向片与电枢一起旋转。端相连，换向片与电枢一起旋转。两个由石墨制成的电刷两个由石墨制成的电刷AB。当电枢旋转时，这种结构就能保证

5、当电枢旋转时，这种结构就能保证S极下的电流始终流入，而极下的电流始终流入，而N极下的电流极下的电流始终流出。始终流出。换向片电刷第5页，共81页，编辑于2022年，星期一（二）直流发电机的工作原理（二）直流发电机的工作原理发电机将机械能转换为电能发电机将机械能转换为电能问题的切入点：问题的切入点：运动导体在磁场中切割磁力线产生电动势运动导体在磁场中切割磁力线产生电动势B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)v 导体中切割磁力线的速度（导体中切割磁力线的速度（m/s）l 导体的有效长度导体的有效长度(m)第6页，共81页，编辑于2022年，星期一（1）用原动机拖动电枢逆时针方用原动机拖

6、动电枢逆时针方向恒速转动向恒速转动（原动机输入机械力（原动机输入机械力【机械功率机械功率】）（2）线圈边）线圈边ab和和cd以相同转速以相同转速顺顺次切割不同极性磁极次切割不同极性磁极下的磁场，下的磁场，线圈中产生了线圈中产生了交变的电动势交变的电动势；（机械能转换为电能）（机械能转换为电能）（3）换向器配合电刷对电流的）换向器配合电刷对电流的换向作用，电刷换向作用，电刷A、B端的电动势端的电动势为直流电动势。为直流电动势。（交流转换为直流）（交流转换为直流）Flash：电刷上的电刷上的电动势电动势第7页，共81页，编辑于2022年，星期一一台直流电机作为一台直流电机作为电动机运行电动机运行在

7、直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转机械旋转，输出机械能；，输出机械能；电能转换为机械能电能转换为机械能发电机运行发电机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。作为直流电源，输出电能。机械能转为电能机械能转为电能注意：注意：不要孤立的看待发电机和电动机问题不要孤立的看待发电机和电动机问题视频：视频：直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机系统系统第8页，共81页，编辑于2022年，星期一旋旋旋旋转转转转电电电电机机机机定定定定子子

8、子子转转转转子子子子气气隙隙二、直流电机的结构二、直流电机的结构第9页，共81页，编辑于2022年，星期一（一）直流电机的静止部分（定子）（一）直流电机的静止部分（定子）1 1、主磁极、主磁极2 2、换向极、换向极1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3、机座、机座用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。又作为磁路的一部分。主磁极铁心用11.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。第10页，共81页，编辑于2022年，星期一4、电刷装置、电刷装置1刷握刷握2电刷电刷3压紧弹簧压紧弹簧4 4铜丝辫

9、铜丝辫第11页，共81页，编辑于2022年，星期一第12页，共81页，编辑于2022年，星期一（二）直流电机的转动部分（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心、电枢铁心a)电枢铁心冲片电枢铁心冲片b)电枢铁心电枢铁心2、电枢绕组、电枢绕组由许多按一定规律连接的线由许多按一定规律连接的线圈组成。圈组成。1槽楔槽楔2线圈绝缘线圈绝缘3导体导体4 4层间绝缘层间绝缘5 5槽绝缘槽绝缘6 6槽底绝缘槽底绝缘由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动将导致铁耗，为了减小铁耗，电枢铁心常用0.5mm厚的硅钢片的冲片叠压而成。电枢绕组是由许多按照一定规律连接的线圈组成，它是直流电机电路的主要部分，是通过电流和感应产生电

10、动势以实现机电能量转换的关键部件。第13页，共81页，编辑于2022年，星期一3、换向器、换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1换向片换向片2连接片连接片将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交流电流。第14页，共81页，编辑于2022年，星期一第15页，共81页，编辑于2022年，星期一第16页，共81页，编辑于2022年，星期一第17页，共81页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：1 1、额定功率、额定功率PN(kW)2 2、额定电压、额定电压UN(V)3 3、

11、额定电流、额定电流IN(A)4 4、额定转速、额定转速nN(r/min)5 5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN(V)6 6、励磁方式、励磁方式直流电机的额定有四个方面的考虑，（直流电机的额定有四个方面的考虑，（1）功率；（）功率；（2）电气方面；（）电气方面；（3）机械方面；（）机械方面；（4）磁场方面。）磁场方面。第18页，共81页，编辑于2022年，星期一额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额

12、定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速第19页，共81页，编辑于2022年，星期一对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式励磁方式 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。厂编号等。第20页，共81页，编辑于2022年，星期一西门子公司的一台电机的铭牌西门子公司的一台电机的铭牌额定功率额定功率7457W7457W额定转速额定转速1180r/min1180r/

13、min额定电压额定电压500V500V额定电流额定电流17A17A励磁方式：并励励磁方式：并励励磁电流：励磁电流：1.4/2.8A1.4/2.8A励磁电阻励磁电阻166166欧姆欧姆绝缘等级绝缘等级F F工作制：连续工作制：连续最高环境温度：最高环境温度：4040度度励磁电压励磁电压300/150V300/150V第21页，共81页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 直流电机的绕组直流电机的绕组 对绕组的要求：对绕组的要求：一、能够通过规定的电流；产生足够的电动势；一、能够通过规定的电流；产生足够的电动势；二、尽可能节省铜和绝缘材料，并且结构简单、运行可靠。二、尽可能节省铜和绝缘材料，并且

14、结构简单、运行可靠。电机是以磁场为介质实现机电能量转换的电气设备。电机是以磁场为介质实现机电能量转换的电气设备。那么，对那么，对电机最基本的考核标准电机最基本的考核标准是什么？是什么？答案：答案：能量转换能力能量转换能力。在单位时间内，尽可能在小的。在单位时间内，尽可能在小的体积内实现多的能量转换（体积内实现多的能量转换（比功率概念比功率概念）。）。能量转换能力采用哪几个物理量描述？能量转换能力采用哪几个物理量描述？第22页，共81页，编辑于2022年，星期一一、简单的绕组一、简单的绕组1-21-2、3-43-4、5-65-6、7-87-8分别分别构成构成4 4个线圈个线圈 右图只是说明原理的

15、示意图。它的缺点是：右图只是说明原理的示意图。它的缺点是：随随着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。着电枢的转动，始终只有一个线圈有电流。这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或这样的话，材料没有充分利用，产生的总转矩或电势均很小。电势均很小。考虑一个事实：考虑一个事实：N N极和极和S S极下的磁场方向是一极下的磁场方向是一致的。因此若能将致的。因此若能将3 34 4、7 78 8线圈通以线圈通以1 12 2线线圈中类似的电流，那么就可以增加电机的利用圈中类似的电流，那么就可以增加电机的利用率。率。（1 1）1 12 2、3 34 4、7 78 8串连在一起；串连在一起；（2 2）1 12

16、 2、3 34 4、7 78 8并连在一起；并连在一起；第23页，共81页，编辑于2022年，星期一解决办法：解决办法：用用4 4个换向片将个换向片将4 4个线圈都连接起来个线圈都连接起来，成为一个闭合，成为一个闭合绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连绕组，两个不同的元件边连接一个换向片。每个元件的两个元件边连接接2 2个不同的换向片。共用了个不同的换向片。共用了4 4个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。个换向片，节省了材料，提高了输出转矩。第24页，共81页，编辑于2022年，星期一第25页，共81页，编辑于2022年，星期一第26页，共81页，编辑于2022年，星

17、期一第27页，共81页，编辑于2022年，星期一二、绕组的基本形式二、绕组的基本形式第一节距（第一节距（y y1 1）：元件元件的跨距（一个元件边到另一个元件边的跨距（一个元件边到另一个元件边的距离，常用所跨的槽数表示）称为的距离，常用所跨的槽数表示）称为第一节距第一节距,其值经常等于其值经常等于或者接近一个或者接近一个极距极距。换向器节距（换向器节距（y yc c）：上层元件边与下层元件边所连接的两个：上层元件边与下层元件边所连接的两个换向片之间的距离称为换向片之间的距离称为换向器节距换向器节距。绕组的每个线圈的两个端子各接在一个换向片上，它是绕组的一个单元，称为元件。每个主磁极在电枢圆弧上

18、所分得的弧长。经常采用电枢槽数或者机械角度表示。y y1 1y yc c第28页，共81页，编辑于2022年，星期一（一）单叠绕组（一）单叠绕组一台直流电机绕组数据为：一台直流电机绕组数据为：极对数：极对数：p p2 2；槽数槽数 Q Q1616；元件数元件数S S槽数槽数Q Q换向片数换向片数K K1616；第一节距：第一节距：y y1 14 4换向器节距：换向器节距：y yc c1 1单叠绕组的特点是单叠绕组的特点是元件的两个端子连接于相邻的两个换向片元件的两个端子连接于相邻的两个换向片。第29页，共81页，编辑于2022年，星期一y yc c=2-1=1=2-1=1y y1 15-1=4

19、5-1=4第30页，共81页，编辑于2022年，星期一1、2号元件是叠放在1号元件上方（错开了一个槽），叠绕组2、yc 1，单叠绕组第31页，共81页，编辑于2022年，星期一电流流向：电流流向：A1A11 1号换向片号换向片1 1上上5 5下下2 2上上6 6下下3 3上上7 7下下4 4上上8 8下下5 5号换向片号换向片B1B1A1A11 1号换向片号换向片4 4下下1616上上3 3下下1515上上2 2下下1414上上1 1下下1313上上1414号号换向片换向片B2B2A2A29 9号换向片号换向片9 9上上1313下下1010上上1414下下1111上上1515下下1212上上1

20、616下下1313号换向片号换向片B2B2A1A19 9号换向片号换向片1212下下8 8上上1111下下7 7上上1010下下6 6上上9 9下下5 5上上5 5号换号换向片向片B1B1第32页，共81页，编辑于2022年，星期一当电机运行时，依次被短路的线圈是当电机运行时，依次被短路的线圈是1 12 2，5 56 6，9 91010，13131414。并联支路对数：并联支路对数：a ap p（并联支路对数等于极对数）（并联支路对数等于极对数）第33页，共81页，编辑于2022年，星期一（二）单波绕组（二）单波绕组一台直流电机绕组数据为：一台直流电机绕组数据为：极对数：极对数：p p2 2；

21、槽数槽数 Q Q1515；元件数元件数S S槽数槽数Q Q换向片数换向片数K K1515；第一节距：第一节距：y y1 13 3换向器节距换向器节距:y:yc c=(K-1)/p=7=(K-1)/p=7 单波绕组的规律是将相距大约两个极距，在磁场中位置差不多的对应单波绕组的规律是将相距大约两个极距，在磁场中位置差不多的对应元件连接起来。元件连接起来。第34页，共81页，编辑于2022年，星期一y yc c=8-1=7=8-1=7y y1 14-1=34-1=3第35页，共81页，编辑于2022年，星期一第36页，共81页，编辑于2022年，星期一电流流向：电流流向：A1A15 5号换向片号换向

22、片5 5上上8 8下下1212上上1515下下4 4上上7 7下下1111上上1414下下3 3上上6 6下下1010上上1313下下2 2上上5 5下下1212号换向片号换向片B1B1A2A21212号换向片号换向片4 4上上7 7下下1111上上1414下下3 3上上6 6下下1010上上3 3下下1515上上1515号换向片号换向片B2B2第37页，共81页，编辑于2022年，星期一单波绕组单波绕组不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。的位置差不多相对应的元件连接起来。第38页，共81页，

23、编辑于2022年，星期一当电机运行时，依次被短路的线圈是当电机运行时，依次被短路的线圈是1 18 8，5 56 6，9 91010，13131414。并联支路对数：并联支路对数：a a1 1第39页，共81页，编辑于2022年，星期一直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复复叠绕组、复波绕组、混合绕组波绕组、混合绕组等等。第40页，共81页，编辑于2022年，星期一第四节第四节 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场直流电机存在两种电流：直流电机存在两种电流：（1 1）励磁电流；）

24、励磁电流；（2 2）电枢电流。）电枢电流。励磁方式励磁方式，是为了研究这两种电流之间的关系。，是为了研究这两种电流之间的关系。第41页，共81页，编辑于2022年，星期一+-他励式他励式+-并励式并励式第42页，共81页，编辑于2022年，星期一+-串励式串励式复励式复励式+-并励绕组串励绕组第43页，共81页，编辑于2022年，星期一按照上面的描述，存在如下四种情况：按照上面的描述，存在如下四种情况：1 1、他励直流电机、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电。其他直流电源对励磁绕组供电。2 2、并励直流电机、并励直流

25、电机励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组与电枢绕组并联。3 3、串励直流电机、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。4 4、复励直流电机、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。另一个与电枢绕组串联。复励式直流电机又分为积复励和差复励两种。复励式直流电机又分为积复励和差复励两种。自励直流电机第44页，共81页，编辑于2022年，星期一二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场直流电机存在两种电流（直流电机存在两种电流（1）励磁电流；（）励磁电流；（2）电枢电流。这两种电流都）电枢电流。这两种电流都会产生磁场。那么

26、什么可以称为会产生磁场。那么什么可以称为空载磁场空载磁场呢？呢？直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。由励磁磁动势单独建立的磁场。电机的功率可以从两个方面认识：（1）Pei，（2）PTe当电流为零或者很小时，（1）等于零，（2）中Te也很小或者为零绝大部分磁通同时交链主磁极绕组和电枢绕组，称为主磁通0。一部分磁通仅交链励磁绕组，称为漏磁通。第45页，共81页，编辑于2022年，星期一气隙中主磁场磁通密度的分布气隙中主磁场磁通密度的分布极靴的宽度小于一个极距。在磁极轴线下气隙较小，在极尖处气隙较大。在磁极轴线下

27、磁密B较大，在极尖处磁密B较小。可以看出，由于气隙中的磁密B不是均匀分布的，这就为工程分析带来了麻烦。第46页，共81页，编辑于2022年，星期一磁化曲线磁化曲线在电机的工程问题中，往往不关心气隙中磁密的分布，而更加关心一个极距内磁通的多少。第47页，共81页，编辑于2022年，星期一直流电机励磁曲线的演化直流电机励磁曲线的演化气隙磁通0是由励磁绕组的总磁动势Nfif产生的，磁通与磁动势的关系曲线被称为电机的磁化曲线。电枢电动势ea0正比气隙磁通，可用某一角速度下电机的电动势来表示磁化曲线。磁动势较小时，电机铁心未饱和，此时磁通主要由气隙的磁阻决定。电枢电动势ea0表示为励磁电流if的曲线，这

28、种关系可以不关心电机设计细节，通过外部测量获得。第48页，共81页，编辑于2022年，星期一三、直流电机负载时的磁场及电枢反应三、直流电机负载时的磁场及电枢反应（1 1）与空载不同，直流电机带上负载以）与空载不同，直流电机带上负载以后，在电枢中必将产生电流后，在电枢中必将产生电流i ia a，有电流，有电流就存在磁动势。这个磁动势称为就存在磁动势。这个磁动势称为电枢磁电枢磁动势动势。（2 2）此时的电机气隙磁场是由励磁）此时的电机气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。磁动势和电枢磁动势共同产生的。电电枢磁动势对气隙磁场的影响称为枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢电枢反应反应。第49页，共

29、81页，编辑于2022年，星期一安培环路：逆时针方向忽略磁路中铁心部分地磁压降，有：H1l1+H2l2=Nyia规定磁动势穿出为正.Faxy0.5NyiaFaxy0.5Nyia第50页，共81页，编辑于2022年，星期一第51页，共81页，编辑于2022年，星期一每个台阶高度为每个台阶高度为 Nyia元件为单层元件，元件为单层元件，N电枢绕组的总导体数，电枢绕组的总导体数，N Ny y每个元件的匝数每个元件的匝数S S元件数元件数p p极对数极对数极距极距DaDa电枢直径电枢直径幅值的计算：幅值的计算：每个极下的元件边数为每个极下的元件边数为 ，在每个元件边处出现一次跳变，因此上半部分阶梯数为

30、在每个元件边处出现一次跳变，因此上半部分阶梯数为每个阶梯幅值为每个阶梯幅值为Nyia，因此三角波幅值为因此三角波幅值为电枢表面的单位周长内的安培导体数，称为线负荷线负荷。电机设计中一个非常重要的参数。第52页，共81页，编辑于2022年，星期一如果忽略铁心内的磁压降，则可以求出电枢磁动势产生的磁密沿电如果忽略铁心内的磁压降，则可以求出电枢磁动势产生的磁密沿电枢表面分布的曲线：枢表面分布的曲线：在两级的中间部位，虽然电枢磁动势Fax出现峰值，但是由于这里的气隙较大，因此电枢电动势产生的磁密Bax相对较小。Bax呈马鞍型分布。第53页，共81页，编辑于2022年，星期一电枢磁场电枢磁场Bax主磁场

31、主磁场B0 x负载时气隙磁密负载时气隙磁密Bx电枢反应对直流电机磁场的影响：电枢反应对直流电机磁场的影响：（1 1）负载时气隙磁场发生了畸）负载时气隙磁场发生了畸变。图中所示为电动机情形。在变。图中所示为电动机情形。在电动机电动机中物理中心线中物理中心线逆着旋转方逆着旋转方向偏移向偏移。在。在发电机发电机中则中则顺着电机顺着电机旋转方向偏移旋转方向偏移。（2 2）呈去磁特性。）呈去磁特性。电枢反应将会使磁路中的部分磁电枢反应将会使磁路中的部分磁势增加，部分磁势减小，总的说势增加，部分磁势减小，总的说来，增加的磁势等于减小的磁势。来，增加的磁势等于减小的磁势。但考虑到电机中铁磁磁路的饱和性，但考

32、虑到电机中铁磁磁路的饱和性，磁势的减小能够导致磁密显著减小，磁势的减小能够导致磁密显著减小，但磁势的增大无法导致磁密显著增大。但磁势的增大无法导致磁密显著增大。主极产生的空载磁场B0 x分布电枢磁动势产生的电枢磁场Bax分布两者直接加和后的产生的气隙磁场Bx分布两者直接加和并考虑铁心饱和后的产生的气隙磁场Bx分布通过电枢表面气隙磁密Bx等于零的线为物理中心线，空载时物理中心线与几何中心线是重合的。负载时物理中心线与几何中心线不再重合。中间存在一个位移角。第54页，共81页，编辑于2022年，星期一主极产生的磁场电枢电流产生的磁场合成后的磁场请问：这是发电机还是电动机运行？第55页，共81页，编

33、辑于2022年，星期一有限元方法计算的直流电机负载时气隙磁场的分布第56页，共81页，编辑于2022年，星期一第五节第五节 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算一、一、感应电动势的计算感应电动势的计算问题的提出：无论是电动机运行还是发电机运行，电枢问题的提出：无论是电动机运行还是发电机运行，电枢绕组中都会产生绕组中都会产生感应电动势感应电动势。发电机发出的功率为发电机发出的功率为P Peiei电动机吸收的功率为电动机吸收的功率为P Peiei第57页，共81页，编辑于2022年，星期一旋转电角度旋转电角度以后以后与与2 22 2绕组所交链的磁通由绕组所交链的磁通由变为变为 n-

34、n-电机转速（电机转速（r/minr/min）p-p-电机极对数电机极对数第58页，共81页，编辑于2022年，星期一若若22线圈共有线圈共有Ny匝，在这一过程中产生的匝，在这一过程中产生的平均电动势平均电动势为：为：每条支路串联的元件数每条支路串联的元件数为为因此因此每条支路平均电动势每条支路平均电动势为为绕组的全部有效导体数绕组的全部有效导体数Z为为第59页，共81页，编辑于2022年，星期一Ce 为为电动势常数电动势常数若不计饱和影响，有若不计饱和影响，有其中其中Kf 为比例常数为比例常数感应电动势的计算公式为感应电动势的计算公式为当速度表示为当速度表示为机械角速度（机械角速度（rad/

35、S）电机学中一个重要的常数，它是转/分与弧度/秒之间的换算系数：60/2=9.551 弧度/秒9.55 转/分第60页，共81页，编辑于2022年，星期一二、二、电磁转矩的计算电磁转矩的计算为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中电磁转矩也可以表示为电磁转矩也可以表示为其中其中Gaf=CT Kf a为并联支路对数Z为总的有效导体数Ea=Cen=Ce 9.55CeCe 9.55 Ce CT n-转/分，rad/秒第61页，共81页，编辑于2022年，星期一第六节第六节 直流电机的运行原理直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式一、直流电机的基本方程式（一）电动势平衡方程式（一）电动势平

36、衡方程式电动机情形电动机情形对于并励电动机对于并励电动机若电动机处于稳态运行若电动机处于稳态运行第62页，共81页，编辑于2022年，星期一发电机情形发电机情形若电动机处于稳态运行若电动机处于稳态运行第63页，共81页，编辑于2022年，星期一几点注意事项：几点注意事项：1 1 直流电机内存在两种电流，两套绕组，为什么这些绕组之直流电机内存在两种电流，两套绕组，为什么这些绕组之间没有耦合？间没有耦合？电枢绕组轴线电枢绕组轴线励磁绕组轴线励磁绕组轴线由于这两套绕组是互相垂直的，其互感为零由于这两套绕组是互相垂直的，其互感为零因此直流电机的两套绕组之间不存在耦合，所因此直流电机的两套绕组之间不存在

37、耦合，所有参量可以独立控制。这是直流电机易于控制有参量可以独立控制。这是直流电机易于控制的根本原因。的根本原因。第64页，共81页，编辑于2022年，星期一（二）转矩平衡方程式（二）转矩平衡方程式对于电动机：对于电动机：稳态运行时稳态运行时其中其中T2为负载制动转矩，为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩。为空载损耗转矩。对于发电机：对于发电机：其中其中T1为原动机拖动转矩。为原动机拖动转矩。稳态运行时稳态运行时第65页，共81页，编辑于2022年，星期一（三）功率平衡关系（三）功率平衡关系输入电输入电功率功率P P1 1励磁损耗励磁损耗P PCufCuf电枢铜耗电枢铜耗P PCuaCua电刷接触

38、损耗电刷接触损耗P Pc c电电磁磁功功率率P Pe e机械损耗机械损耗P Pmechmech铁心损耗铁心损耗P PFeFe机机械械功功率率P P2 2电动机情形：电动机情形：直流电动机电磁功率Pe,Pe=EaIaPeTe第66页，共81页，编辑于2022年，星期一输入机输入机械功率械功率P P1 1铁心损耗铁心损耗P Pe e机械损耗机械损耗P Pmechmech电枢铜耗电枢铜耗P PCuCu电电磁磁功功率率P Pe e电刷接触损耗电刷接触损耗P Pc c励磁损耗励磁损耗P PCufCuf电电功功率率P P2 2发电机情形：发电机情形：直流发电机电磁功率Pe,Pe=EaIaPeTe第67页，

39、共81页，编辑于2022年，星期一由于电枢电流便于测量，因此往往将工作特性表示为：由于电枢电流便于测量，因此往往将工作特性表示为：二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性条件条件:U=UN,If=IfN,电枢回路无外加电阻。电枢回路无外加电阻。特性特性:转速转速n，转矩，转矩Te，效率，效率和输出功率和输出功率P2的关系。的关系。转速特性转速特性转矩特性转矩特性效率特性效率特性第68页，共81页，编辑于2022年，星期一（一）并励直流电动机的工作特性（一）并励直流电动机的工作特性1.转速特性转速特性理想转速特性理想转速特性实际转速特性实际转速特性理想转速特性和实际转理想转速特性和实际转速特

40、性为什么不一致？速特性为什么不一致？思考思考提示：提示：1、从参数变化的角度思考？、从参数变化的角度思考？2、什么原因导致了、什么原因导致了的变化？的变化？当电机电流较大时，电枢反应表现出明显的去磁特性，从而使减小，磁通减小将会使（1）理想空载转速n0略微上升，（2）使转速曲线斜率减小。综合两方面的因素，设计时使得并励直流电机具有略微下降的转速特性。第69页，共81页，编辑于2022年，星期一2.转矩特性转矩特性当当U=UN,If=IfN时，时，Te=f(Ia)的关系曲线的关系曲线理想转速特性和实际转理想转速特性和实际转速特性为什么不一致？速特性为什么不一致？思考思考提示：提示：1、从参数变化

41、的角度思考？、从参数变化的角度思考？2、什么原因导致了、什么原因导致了的变化？的变化？理想转矩特性理想转矩特性实际转矩特性实际转矩特性第70页，共81页，编辑于2022年，星期一3.效率特性效率特性当当U=UN,If=IfN时，时，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线主磁通在电枢铁磁材料中交变所产生的损耗，分为磁滞损耗和涡流损耗。当电机主磁通和转速变化不大时，铁耗近似不变，因此这部分损耗也被称为不变损耗。机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗、电机通风散热引起的风阻损耗。在电机转速不变时，机械损耗也是大致不变的。励磁回路铜耗，一般可以忽略不计。电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电流流过时，产生的发热损耗。这一部

42、分损耗是随着电枢电流变化的，或者说输出功率变化的，因此也被称为可变损耗。电刷接触损耗。当电机可变损耗等于不变损耗时，电机的效率达到最高。一般电机的最高效率点出现在80的额定功率附近。第71页，共81页，编辑于2022年，星期一（二）串励直流电动机的工作特性（二）串励直流电动机的工作特性电动势平衡方程式电动势平衡方程式电动势公式电动势公式转矩平衡方程式转矩平衡方程式转矩公式转矩公式（其中，（其中，Rfc为串励绕组电阻，为串励绕组电阻，）串励直流电机中，串励直流电机中，IfIa串励直流电机当在负载很小时，电机的转速将会很高，容易导致转子出现机械损坏，因此串励直流电机不允许轻载运行。串励直流电机在启

43、动时，转速很低，端电压基本上靠励磁绕组和电枢绕组的电阻压降平衡，此时电枢电流很大。磁路饱和，因此磁通接近不变。根据TeCT Ia，可知串励直流电机带载启动能力很强。第72页，共81页，编辑于2022年，星期一（三）复励直流电动机的工作特性（三）复励直流电动机的工作特性第73页，共81页，编辑于2022年，星期一例例2-1、一台他励直流电动机的额定数据为：、一台他励直流电动机的额定数据为：电枢绕组的电阻电枢绕组的电阻电刷接触压降电刷接触压降设电动机原来在额定转速和额定负载设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试

44、求损耗转矩）保持不变的情况下，试求（1）在电枢回路中突然串入电阻）在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743,求串入电阻最初瞬间和达求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使磁）减少电动机的励磁电流，使磁通通减少减少10%，当达到稳定时的电枢电，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？流和转速分别是多少？第74页，共81页，编辑于2022年，星期一解：解：（1）电枢回路中突然串入电阻）电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间，电机转速不发生变化，但电流最初瞬间，电机转速不发生变化，但电流发生变化。发生变化。进入新的稳态时，由

45、于负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不发生进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不发生变化变化额定运行时电机的反电动势为：额定运行时电机的反电动势为：思考：思考：（1）电源发出的功率是否变化？）电源发出的功率是否变化？（2）电机发出的电磁功率是否变化？）电机发出的电磁功率是否变化？（3）这两部分功率的差值到哪里去了？）这两部分功率的差值到哪里去了？（4）总结直流电动机调速的第一种方法，请问这种方法有什么缺点？）总结直流电动机调速的第一种方法，请问这种方法有什么缺点？第75页，共81页，编辑于2022年，星期一（2）磁通）磁通减少为原来的减少为原来的0.9由于负载转矩不变，电磁转矩不

46、会发生变化。由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。思考：思考：（1）电源发出的功率是否变化？）电源发出的功率是否变化？（2）电机发出的电磁功率是否变化？）电机发出的电磁功率是否变化？（4）总结直流电动机调速的第二种方法，请问这种方法有什么缺点？）总结直流电动机调速的第二种方法，请问这种方法有什么缺点？第76页，共81页，编辑于2022年，星期一他励直流发电机他励直流发电机 并励直流发电机并励直流发电机 复励直流发电机复励直流发电机三、直流发电机的工作特性三、直流发电机的工作特性第77页，共81页，编辑于2022年，星期一（一）空载运行（一）空载运行空载特性空载特性当他励直流发电机被原动机拖动

47、，当他励直流发电机被原动机拖动，n=nN 时，励磁绕组端加上励磁电压时，励磁绕组端加上励磁电压Uf,调节励磁电流调节励磁电流If0,得出空载特性曲线得出空载特性曲线U0=f(I0)。所以他励发电机的空载特性与电机的所以他励发电机的空载特性与电机的磁化特性非常一致。磁化特性非常一致。请注意这一点：此时励磁电流为零，但是电机的端电压部位零。请问这一现象是如何产生的？第78页，共81页，编辑于2022年，星期一2 并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机空载电压的建立原动机拖动发电机旋转。由于电机原动机拖动发电机旋转。由于电机剩磁剩磁的作用，产的作用，产生一个不大的电动势生一个不大的电

48、动势E E0r0r闭合励磁回路，闭合励磁回路，E E0r0r产生励磁电流，该电流将使电机产生励磁电流，该电流将使电机内部的磁场进一步增强（可能出现该电流产生的磁场内部的磁场进一步增强（可能出现该电流产生的磁场与剩磁相反，两者互相抵消）。与剩磁相反，两者互相抵消）。电机必须有剩磁。励磁回路电阻应小于临界电阻若励磁绕组回路的电阻较大，则建立起的电枢电压无法产生足够的励磁电流，若励磁绕组回路的电阻较大，则建立起的电枢电压无法产生足够的励磁电流，因此必须将励磁回路电阻限定在一定范围内。因此必须将励磁回路电阻限定在一定范围内。励磁绕组并联到电枢两端的极性必须正确第79页，共81页，编辑于2022年，星期

49、一（二）负载运行（二）负载运行 无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在n=nn=nN N 的条件的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化。1积复励发积复励发电机外特性；电机外特性；2他励发他励发电机外特性；电机外特性；3并励发并励发电机外特性；电机外特性；他励发电机负载增加：（1）电枢反应加剧，去磁作用变大；（2）电枢绕组电阻压降和电刷接触压降变大。并励发电机负载增加，除了以上两个原因外，还有电机电枢端电压降低，导致励磁电压减小，磁场进一步减弱。积复励发电机中的串励绕组，在负载加大时，能够提供更大的磁场，从而补偿磁通减小和电枢绕组压降，可以做到空载到负载没有压降。第80页，共81页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 结结 束束第81页，共81页，编辑于2022年，星期一