电机与拖动-第2章直流电机原理教学内容.ppt

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1、电机与拖动-第2章直流电机原理第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 直流电机结构图直流电机结构图端盖端盖 端盖端盖 磁轭磁轭 主磁极主磁极励磁绕组励磁绕组 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 电刷装置电刷装置轴轴 轴承轴承 风扇风扇 换向极绕组换向极绕组 换向磁极换向磁极 2022/11/122第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理1.1.定子定子定子定子(statorstator)产生磁场和作电机的机械支撑产生磁场和作电机的机械支撑2022/11/123第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机

2、原理直流电机原理 主磁极主磁极 机座机座 主磁极铁心主磁极铁心 励磁励磁 绕组绕组 绝缘绝缘 框架框架 电枢铁心电枢铁心 螺栓螺栓 机座机座 换向极换向极 主磁极主磁极 主磁极和机座主磁极和机座 2022/11/124第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理换向极和电刷换向极和电刷 换向极绕组换向极绕组 换向极铁心换向极铁心 铜丝辫铜丝辫 压紧弹簧压紧弹簧 电刷电刷 刷握刷握 2022/11/125第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.2.转子转子转子转子(rotorrotor)(电枢电枢电枢电枢armaturearmatu

3、re)电枢铁心和绕组电枢铁心和绕组 换向器换向器 转轴和风扇转轴和风扇 2022/11/126第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.1.2 2.1.2 直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机工作原理 电动机工作原理电动机工作原理 NSAXUiaiaffT TememNSUXAiaiaf ffT Temem线圈边中电流不改变方向，则平均线圈边中电流不改变方向，则平均 Tem=0。2022/11/127第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 电动机工作原理电动机工作原理 NSAXB1B1B2B2换向片换向片

4、电刷电刷 UiaiaffT TememNSUXB1B1B2B2AiaiaffT Temem电刷和换向片的作用是什么？电刷和换向片的作用是什么？线圈边切割磁力线会产生什么？线圈边切割磁力线会产生什么？eaeaeaea2022/11/128第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 有磁场，电源通过电有磁场，电源通过电刷和换向器向电枢绕组刷和换向器向电枢绕组通入直流电。根据电磁通入直流电。根据电磁力定律，直流电动机电力定律，直流电动机电枢绕组产生电磁力矩，枢绕组产生电磁力矩，驱动机械负载。同时，驱动机械负载。同时，根据电磁感应定律，电根据电磁感应定律，电枢绕组内部也产

5、生感应枢绕组内部也产生感应电势电势反电动势反电动势反电动势反电动势。输。输。输。输入的直流电能克服反电入的直流电能克服反电入的直流电能克服反电入的直流电能克服反电动势，通过气隙磁场做动势，通过气隙磁场做动势，通过气隙磁场做动势，通过气隙磁场做功，功，功，功，电能转换成机械能。电能转换成机械能。电能转换成机械能。电能转换成机械能。2022/11/129第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理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 反电反电动势动势做功做功 电动机的电磁关系电动机的电磁关系

6、外加电源外加电源电刷和换向器电刷和换向器电枢绕组内部电枢绕组内部气隙磁场气隙磁场转子转子2022/11/1210第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理NST T1 1AXeaeaB2B2B1B1EaB1B1XANST T1 1B2B2eaeaEa电刷和换向片的作用是什么？电刷和换向片的作用是什么？载流导体在磁场中会产生什么？载流导体在磁场中会产生什么？f ff ff ff f 直流发电机直流发电机 2022/11/1211第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 原动机拖动转子旋转，根据电磁感应定律，直流发电机电原动机拖动转子旋

7、转，根据电磁感应定律，直流发电机电枢绕组产生感应电势，同时，根据电磁力定律，旋转的电枢绕枢绕组产生感应电势，同时，根据电磁力定律，旋转的电枢绕组切割磁场，也产生电磁转矩组切割磁场，也产生电磁转矩与旋转方向相反与旋转方向相反与旋转方向相反与旋转方向相反。2022/11/1212第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形 0B t 2 3 A X 0eXA t NS0AX+e0eB1B2 t 2022/11/1213第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 每极下有每

8、极下有 3 个串联线圈时的电动势波形个串联线圈时的电动势波形 0 e t 2 3 2022/11/1214第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 电磁关系电磁关系 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和电流势和电流 电磁转矩电磁转矩 (阻转矩阻转矩)做功做功 气隙磁场气隙磁场电枢绕组内部电枢绕组内部机械能机械能电刷和换向器电刷和换向器转子转子2022/11/1215第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.1.3 2.1.3 直流电机额定值直流电机额定值直流电机额定值直流电机额定值1.铭牌铭牌直流电动

9、机直流电动机型号型号Z395产品编号产品编号7001结构类型结构类型励磁方式励磁方式他励他励功率功率30kW励磁电压励磁电压220V电压电压220V工作方式工作方式连续连续电流电流160.5A绝缘等级绝缘等级定子定子B转子转子B转速转速750r/min重量重量685kg标准编号标准编号JB110468出厂日期出厂日期 年年 月月2022/11/1216第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理额定电压额定电压额定电压额定电压 U UN N(V)(V)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

10、入电压的额定值。额定电流额定电流额定电流额定电流 I IN N(A)(A)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。额定功率额定功率额定功率额定功率 P PN N(kW)(kW)发电机的发电机的 PN：指：指输出输出电功率的额定值。电功率的额定值。电动机的电动机的 PN：指：指输出输出机械功率的额定值。机械功率的额定值。额定转速额定转速额定转速额定转速 n nN N(r/min)(r/min)2.2.额定值额定值额定值额定值 2022/11/1217第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机

11、原理直流电机原理额定励磁电压额定励磁电压额定励磁电压额定励磁电压 U UfNfN(V)(V)额定励磁电流额定励磁电流额定励磁电流额定励磁电流 I IfNfN(A)(A)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 I=IN 的状态。的状态。例例21一台一台Z2型直流发电机，型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW，N90，求该发电机的额定电流和额定输入功率求该发电机的额定电流和额定输入功率例例22一台直流电动机，一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，N84，求该电动机的额定电流

12、和额定输入功率求该电动机的额定电流和额定输入功率2022/11/1218第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 Z2系列是普通中小型直流电机。系列是普通中小型直流电机。lZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。机、起重机、升降机、电铲等。l其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。的手册中查到。2.2.直流电机的型号和系列直流电机的型号和系列直流电机的型号和系列直流电机的型号和系列 国产直流电机的系列产品

13、代号采用大写汉语拼音字母表示，型国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表表示直流电动机、第二次改进设计型，示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，表示机座号，7后面的后面的2表示长铁心（表示长铁心（2号表示长铁心，号表示长铁心，1号表示短铁心）。号表示短铁心）。2022/11/1219第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.22.2电机的电枢绕组和磁场电机的电枢绕组和磁场电机的电枢绕组和磁场电机的电枢绕组和磁场2.2.1 2.2

14、.1 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组1.1.绕组的基本概念绕组的基本概念绕组的基本概念绕组的基本概念 单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。(1)(1)元件元件元件元件 是构成电枢绕组的基本是构成电枢绕组的基本 单元，其两端分别与两单元，其两端分别与两 片换向片相连的单匝或片换向片相连的单匝或 多匝线圈。多匝线圈。后端接后端接 上元件边上元件边 前端接前端接 下元件边下元件边 2022/11/1220第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理

15、直流电机原理(2)(2)叠绕组和波绕组叠绕组和波绕组叠绕组和波绕组叠绕组和波绕组 叠绕元件叠绕元件 波绕元件波绕元件 元件边元件边(有效边有效边)匝数为匝数为1 1的是单匝元件，匝数大于的是单匝元件，匝数大于1 1的是多匝元件。由于的是多匝元件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个下层嵌放多个(设为设为u个个)元件边。元件边。将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则

16、总元件数Z等于实等于实槽数槽数Q；若每槽的上、下层各有；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：个元件边时，则有：Z=uQ=Qu，Qu为虚槽数。为虚槽数。2022/11/1221第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理(3)(3)节距节距节距节距 各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距表示各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距表示2022/11/1222第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理u第一节距第一节距y1 指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其

17、表达式为：表示。其表达式为：式中式中为把为把y1凑整的小于凑整的小于1的分数。的分数。当当=0，y1=（极距）称为整距元件；（极距）称为整距元件；当当0称为长距元件；当称为长距元件；当0称为短距元件，称为短距元件，实际电机中采用短距元件，可节省铜。实际电机中采用短距元件，可节省铜。u第二节距第二节距y2 指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与第二个元指两个相串联的元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边所跨的距离，用槽数表示。件的上层边所跨的距离，用槽数表示。2022/11/1223第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理u合成节距合成节距y 指直接串联的

18、两个元件的对应边所跨的距离。指直接串联的两个元件的对应边所跨的距离。u换相器节距换相器节距yk 指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间所跨的距指同一元件的两个出线端所接的两换相片之间所跨的距离，用换相片数表示。离，用换相片数表示。(4)(4)极距极距极距极距 相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，记作相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，记作 ，一，一般用槽数表示，即有般用槽数表示，即有：=Z 2p 电枢总槽数电枢总槽数 主磁极极对数主磁极极对数 2022/11/1224第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.2.单叠绕组连接单叠绕组连接单叠绕组连接单叠绕

19、组连接 单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。回路。例例23 以总元件数为以总元件数为6的电机为例，说明单叠绕组的联接。的电机为例，说明单叠绕组的联接。设设S（元件数）（元件数）=K（换相片数）（换相片数）=Z（槽数）（槽数）=6，u=1，2p=2，则，则合成节距合成节距y=1，极距，极距=第一节距第一节距y1=3，换相器节距，换相器节距yk=1（右行绕），（右行绕），第二节距第二节距y2=y1-y=3-1=2，

20、上述数据所表示的实际电机绕组安放，上述数据所表示的实际电机绕组安放如图。如图。2022/11/1225第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2022/11/1226第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 展开图虽然能反应电枢绕组联接规律，也能说明电机内部电磁展开图虽然能反应电枢绕组联接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。模型。无论电机有多少对无论电机有多少对磁极都只用磁极都只用N、S一对磁一对磁极表示，不画换相器，极

21、表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈的元件接触，一个圆圈代表一个元件。代表一个元件。2022/11/1227第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 电动机电动机 发电机发电机 e e e e e e e e EA1 2 3 48 7 6 5BIa 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。1 2 3 48 7 6 5ABIae e e e e e e e E电枢电流电枢电流支路电流支路电流并联支路对数并联支路对数a 一一一一个

22、串联支路上的导体数个串联支路上的导体数 N为电枢的全部导体数为电枢的全部导体数2022/11/1228第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理MM2.2.2 2.2.2 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 IfIa 他励他励 并励并励 串励串励 复励复励 1.1.直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类I If Ia Ua Uf U MMU I Ia UI If If Ia 2022/11/1229第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理

23、2.2.直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类GI Uf Ua If Ia 分为他励和自励。分为他励和自励。GI Ia U If GIa If I U GIa U If I 他励他励 串励（自励）串励（自励）并励（自励）并励（自励）复励（自励）复励（自励）2022/11/1230第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.2.3 2.2.3 直流电机的磁场直流电机的磁场直流电机的磁场直流电机的磁场 1.1.空载磁场空载磁场空载磁场空载磁场 直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载直流电机空载是指电机对

24、外无功率输出、不带负载空转的一种状态。空转的一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。机的磁场由励磁电流单独建立。2022/11/1231第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理气隙气隙电枢齿电枢齿转子铁心轭转子铁心轭主磁极铁心主磁极铁心定子铁心轭定子铁心轭主磁通主磁通漏磁通漏磁通主磁通主磁通漏磁通漏磁通主磁通主磁通产生感应电动势和电磁转矩产生感应电动势和电磁转矩2022/11/123

25、2第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 Bav 0 B B B m产生主磁通产生主磁通 时整个闭合磁路所需的磁通势为时整个闭合磁路所需的磁通势为2022/11/1233第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定气隙线气隙线abc 磁化曲线磁化曲线 I00I0较小时铁心不饱和，磁通较小时铁心不饱和，磁通势主要作用在气隙上。势主要作用在气隙上。I0较大时铁心饱和，励磁电较大时铁心饱和，励磁电流与磁通是非线性关系。流与磁通是非线性关系。2022/1

26、1/1234第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.2.负载时的电枢磁动势负载时的电枢磁动势负载时的电枢磁动势负载时的电枢磁动势 几何几何中性线中性线 直轴直轴d 交轴交轴q Fa 2 2 O x x Fa(x)Ba(x)直流电机负载运行时，电枢电流直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为不为零，气隙中由电枢电流零，气隙中由电枢电流Ia产生电枢磁动势产生电枢磁动势Fa。2022/11/1235第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理3.3.电枢反应电枢反应电枢反应电枢反应 当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁动势。当电机带

27、负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁动势。电电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。把电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称会产生一定的影响。把电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为为电枢反应电枢反应(the armature reaction)。当电刷位于几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变当电刷位于几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移并使物理中性线偏移,当磁路饱和时有祛磁作用。当磁路饱和时有祛磁作用。直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增

28、加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应电枢反应。2022/11/1236第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理Ba 2 2 O x N S B0 B 将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为 零的点连接成的直线零的点连接成的直线物理中性线。物理中性线。N S 几何几何中性线中性线 物理物理 中性线中性线 2022/11/1237第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原

29、理直流电机原理直流电机原理2.32.3直流电机的感应电势和电磁转矩直流电机的感应电势和电磁转矩直流电机的感应电势和电磁转矩直流电机的感应电势和电磁转矩2.3.1 2.3.1 直流电机的感应电动势直流电机的感应电动势直流电机的感应电动势直流电机的感应电动势 1.1.感应电动势的产生感应电动势的产生感应电动势的产生感应电动势的产生B 电枢旋转电枢旋转 n磁磁 场场 ex ex Ea 2.2.感应电动势的大小感应电动势的大小感应电动势的大小感应电动势的大小(1)(1)每根导体的感应电动势每根导体的感应电动势每根导体的感应电动势每根导体的感应电动势 ex=Bxlv Bx 导体所在处的气隙磁密。导体所在

30、处的气隙磁密。l 导体的有效长度。导体的有效长度。v 导体切割磁场线的线速度。导体切割磁场线的线速度。2022/11/1238第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理=n pN 60a(2)(2)电枢电动势的大小电枢电动势的大小电枢电动势的大小电枢电动势的大小 设电枢总导体数为设电枢总导体数为 N，则每条支路的导体为则每条支路的导体为 ，故故v=n2 R60=n2p 60N 2a Ea=ex 1 N/2a=Bxlv 1 N/2a=lv Bx1 N/2a B Bav平均气隙磁密平均气隙磁密=lv Bav N 2a=l n 2p 60 l N 2a=Ce n 每极下

31、的磁通每极下的磁通 2022/11/1239第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 E=Ce n Ce 电动势常数。电动势常数。单位：单位：Wb 单位：单位：r/min(V)3.3.感应电动势的方向和性质感应电动势的方向和性质感应电动势的方向和性质感应电动势的方向和性质 方向：由方向：由 和和 n 共同决定。共同决定。性质：发电机为电源电动势；性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。电动机为反电动势。2022/11/1240第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理1.1.电磁转矩的电磁转矩的电磁转矩的电磁转矩的产生产生产生产

32、生 电枢电流电枢电流 ia 磁磁 场场 f Tem 2.2.电磁转矩的大小电磁转矩的大小电磁转矩的大小电磁转矩的大小 设电刷在几何中性线处，元件为整距。设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为同一极下每根导体受到的平均电磁力为 fav=Bavlia ia 导体中的电流导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转矩为每根导体受到的平均电磁转矩为 Tav=fav=Bav lia D 2 D 2 2.3.2 2.3.2 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 2022/11/1241第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机

33、原理直流电机原理电枢直径为：电枢直径为：电枢电流与支路电流的关系为：电枢电流与支路电流的关系为：则则 D=2p ia=Ia 2a Tem=NTav=N Bav lia D 2=N l l Ia 2a p =IapN2 a(Nm)Tem=CT Ia CT 转矩常数。转矩常数。单位：单位：Wb单位：单位：A2022/11/1242第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理3.3.电磁转矩的方向和性质电磁转矩的方向和性质电磁转矩的方向和性质电磁转矩的方向和性质 方向：由方向：由 和和 Ia 共同决定。共同决定。性质：发电机为性质：发电机为制动转矩，制动转矩，Tem 与与

34、 n 方向相反方向相反。电动机为电动机为拖动转矩，拖动转矩，Tem 与与 n 方向相同。方向相同。4.4.电动势常数和转矩常数的关系电动势常数和转矩常数的关系电动势常数和转矩常数的关系电动势常数和转矩常数的关系 ，CT=pN 2 a Ce=pN 60a 因为因为 则则 问题问题如何使他励、并励、串励直流电动机反转如何使他励、并励、串励直流电动机反转？2022/11/1243第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.4.1 基本方程式基本方程式(以他励电机为例以他励电机为例)TemTL=T0+T2IfIaEaMGU+-+-Ufn1.1.电压方程电压方程电压方程电

35、压方程电枢回路电压电枢回路电压 U=Ea+IaRa励磁回路电压励磁回路电压2.2.转矩方程转矩方程转矩方程转矩方程电磁转矩电磁转矩转矩平衡方程转矩平衡方程T em=T2+T0输出转矩输出转矩空载转矩空载转矩稳定运行时稳定运行时T2+T0=TL2.42.4 直流电动机运行原理直流电动机运行原理直流电动机运行原理直流电动机运行原理2022/11/1244第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理3.3.功率功率功率功率(1)输入功率输入功率电压平衡方程电压平衡方程 U=Ea+IaRa等式两边同时乘以电源电流等式两边同时乘以电源电流I(他励电机的他励电机的IIa)(2)

36、电磁功率电磁功率2022/11/1245第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理(3)输出功率输出功率根据转矩平衡方程根据转矩平衡方程等式两边同时乘以等式两边同时乘以 空载损耗空载损耗铁损耗铁损耗机械损耗机械损耗(4)总损耗总损耗附加损耗附加损耗(5)效率效率2022/11/1246第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理(6)功率流程图功率流程图P1pCuPemp0P2电枢电流电枢电流2022/11/1247第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.4.2 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特

37、性 电动机的转速电动机的转速n、电磁转矩电磁转矩T、效率效率 与输出功率与输出功率P2 或或（Ia）的关系叫工作的关系叫工作特性特性。1.1.他他他他(并励并励并励并励)电动机电动机电动机电动机(1)转速特性转速特性：n=f(Ia）研究条件：研究条件：U=UN,If=IfN数学表达式数学表达式U=Ea+IaRa且且Ea=Ce nnIa0n0IaNnN转速变化率转速变化率他、并励电机他、并励电机 n=（28）%当当Ia 时，时，n 下降不多下降不多(硬特性硬特性)。2022/11/1248第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 励磁电路断电的后果励磁电路断电的后

38、果 当当 If=0，=r 很小，很小，n 不能突变不能突变 Ea 很小很小 Tem=CT r Ia 仍有一定数值。仍有一定数值。Ia 若若 Tem TL n (飞车飞车)若若TemTL n n=0(闷车闷车)(2)转矩特性：转矩特性：Tem=f(Ia）研究条件研究条件：U=UN，If=IfNO Tem Ia 若不计磁路饱和，则若不计磁路饱和，则 TemIa；若计及磁路饱和，则若计及磁路饱和，则 Tem 随着随着 Ia 的增加略有下降。的增加略有下降。2022/11/1249第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理(3)效率特性：效率特性：=f(P2）研究条件：研

39、究条件：U=UN，If=IfN Ia0PCu可变损耗可变损耗；p0不变损耗；当它们相等时不变损耗；当它们相等时效率最大效率最大 2022/11/1250第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理【例例24】已知某并励直流电动机，已知某并励直流电动机，PN=22 kW,UN=220 V,IN=115 A,nN=1500 r/min,电枢电阻电枢电阻Ra=0.18 ，励，励磁电阻磁电阻 Rf628 。试求：。试求：(1)Ce N、CT N；(2)电磁转矩电磁转矩 Tem；(3)额定输出转矩额定输出转矩 T2；(4)空载转矩空载转矩T0；(5)理想空载转速理想空载转速

40、n0 与实际空载转速与实际空载转速 n 0。解：解：(1)2022/11/1251第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2022/11/1252第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.2.串励电动机串励电动机串励电动机串励电动机 特点是特点是I=If=Ia，主主磁通随磁通随负载电流负载电流Ia的变化而变化。的变化而变化。MU I Uf If Ua Ia(1)转速特性转速特性n=f(Ia)电机空载或轻载运行，电机空载或轻载运行，Tem=0If=Ia0 (很小很小)串励直流电动机绝对不允许空载或轻载运行串励直流电动机绝对不允许空

41、载或轻载运行2022/11/1253第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理轻载时轻载时Ia较小，较小，转速与电枢电流是非线性关系转速与电枢电流是非线性关系转速与电枢电流是非线性关系转速与电枢电流是非线性关系nIa0双曲线双曲线重载时重载时Ia=If 较大，较大，近似不变近似不变转速与电枢电流是线性关系转速与电枢电流是线性关系转速与电枢电流是线性关系转速与电枢电流是线性关系直线直线 当当Ia 时，时，n 下降较多下降较多(软特性软特性)。2022/11/1254第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理(2)转矩特性转矩特性Tem=

42、f(Ia)根据根据Tem=CT Ia 轻载时轻载时=kIa抛物线抛物线TIa0重载时重载时=常数常数直线直线串励直流电动机适用于负载转串励直流电动机适用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较矩在较大范围内变化和要求有较大起动转矩及过载能力的生产机大起动转矩及过载能力的生产机械上。械上。2022/11/1255第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理3.3.复励电动机复励电动机复励电动机复励电动机M-UIIaIf串励励磁绕组串励励磁绕组匝数少，导线匝数少，导线粗，电阻小粗，电阻小并励励磁绕组，并励励磁绕组，匝数多，导线细，匝数多，导线细，电阻大电阻大两个励磁绕组磁通

43、势两个励磁绕组磁通势方向相同称为积复励电方向相同称为积复励电动机动机两个励磁绕组磁通两个励磁绕组磁通势方向相反称为差复势方向相反称为差复励电动机励电动机nIa0并励并励串励串励复励复励复励电动机的起动转复励电动机的起动转矩和过载能力大，可以矩和过载能力大，可以在空载和轻载状态下运在空载和轻载状态下运行。行。2022/11/1256第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理GI UIf Ia Uf 励励 磁磁 Uf If Ea n原动机原动机电枢电枢U1.1.电压平衡方程电压平衡方程电压平衡方程电压平衡方程 Uf=Rf If U=EaRaIaE调节调节Rf If 可

44、调可调 可调可调 Ea 可调可调 U可调。可调。2.2.转矩平衡方程转矩平衡方程转矩平衡方程转矩平衡方程 T1=TemT0 2.52.5 直流发电机运行原理直流发电机运行原理直流发电机运行原理直流发电机运行原理2.5.1 2.5.1 基本方程式基本方程式基本方程式基本方程式(以他励电机为例以他励电机为例以他励电机为例以他励电机为例)2022/11/1257第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理 当发电机当发电机P2增加时，输出电流增加时，输出电流Ia增大增大、Tem增大，必须增大，必须加大外力矩加大外力矩T1才能维持正常运转才能维持正常运转。当发电机空载运行时

45、，其转子的阻转矩只有当发电机空载运行时，其转子的阻转矩只有T0。转矩转矩平衡方程：平衡方程：T1=T0。当发电机负载运行时，其转子的阻（制动）转矩有当发电机负载运行时，其转子的阻（制动）转矩有T0和电磁转矩和电磁转矩Tem。转矩平衡方程为转矩平衡方程为：发电机必须有外力矩发电机必须有外力矩T1，才能维持正常运转才能维持正常运转。其中其中：2022/11/1258第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理3.3.功率平衡方程功率平衡方程功率平衡方程功率平衡方程 T1 =Tem T0 P1=PemP0 Pem=EaIa Pem=P2pCua p0=pFepmpad =

46、UaIaRaIa 2 输入功率输入功率 P1：电磁功率电磁功率 Pem：空载损耗空载损耗 P0:P1pm+padpFePempCua P2外力矩为了克服制动转矩外力矩为了克服制动转矩（Tem和和T0）提供机械力矩）提供机械力矩（功率）；并部分转换成了（功率）；并部分转换成了电磁功率传给了电枢电磁功率传给了电枢。2022/11/1259第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.5.2 2.5.2 直流发电机运行特性直流发电机运行特性直流发电机运行特性直流发电机运行特性 直流发电机中，物理量直流发电机中，物理量U（端电压）、（端电压）、Ia（电枢电流）、（电枢电流

47、）、If（励磁电流）两两间的关系称为（励磁电流）两两间的关系称为发电机发电机运行运行特性。特性。1.1.他励发电机他励发电机他励发电机他励发电机(1)空载特性空载特性U0=f(If)当当n=nN且且Ia=0时，时，U0与与If关系关系也等于也等于E0与与If 关系关系，即即 E0=f(If)O If U0 当励磁电流为零时的当励磁电流为零时的电压是什么电压？电压是什么电压？Er剩磁感应剩磁感应 电动势电动势2022/11/1260第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理(2)外特性外特性U=f(Ia)当当If=IfN，n=nN时，时，U与与Ia的关系的关系曲线下

48、降原因曲线下降原因：U=Ea-IaRa电枢反应去磁，使电枢反应去磁，使Ea减小减小内阻内阻Ra有压降有压降 (主要主要)电压变化电压变化的程度的程度用用 U表示，称为表示，称为电压变化率电压变化率他励他励电机电机U=(510)%O Ia U U0UNIN2022/11/1261第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理当当 n=nN，U=UN 时：时：If=f(Ia)O I If IfNIaN（3 3）调节特性）调节特性）调节特性）调节特性 （4 4）效率特性）效率特性）效率特性）效率特性 =100%P2P1 小型发电机：小型发电机：N=70%90%中大型发电机：

49、中大型发电机：N=91%96%当当 n=nN，U=UN 时：时：=f(P2)2022/11/1262第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理2.2.并励直流发电机的自励与外特性并励直流发电机的自励与外特性并励直流发电机的自励与外特性并励直流发电机的自励与外特性 GI Ia U If Ea问题：问题：Ea？Ea？(1)(1)(1)(1)并励直流发电机的自励并励直流发电机的自励并励直流发电机的自励并励直流发电机的自励 E主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁 r r r ErIfr 与与 r 方向相同方向相同 EaEr 与与 r 方向相反方向相反 EaEr E励磁电流产生

50、的磁通励磁电流产生的磁通 必须与剩磁同方向必须与剩磁同方向 r Er Ifr EaEr IfIfr Ea 发电机何时建立起稳定的直流电压？该电压为多大？发电机何时建立起稳定的直流电压？该电压为多大？If=E RaRf OIfEErIfrIf1If2IfQ2022/11/1263第第第第2 2章章章章 直流电机原理直流电机原理直流电机原理直流电机原理（磁场电阻线）（磁场电阻线）磁场电阻线的斜率：磁场电阻线的斜率：tan =RaRf Ea If OIf E Er Rf=Rk RfRk RfRkIf=Ea RaRf E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 当当n不变时，不变时