第02章-直流电机的基本理论(精品).ppt

《第02章-直流电机的基本理论(精品).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第02章-直流电机的基本理论(精品).ppt（21页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电电 机机 学学主讲教师：阎治安 第一篇第一篇直流电机直流电机第第2章章直流电机的基本理论直流电机的基本理论内内容容简简介介 直流电机的磁场直流电机的磁场:励磁方式、磁场分布、电枢反应励磁方式、磁场分布、电枢反应 直流感应电势：直流感应电势：电势公式、电势方程式电势公式、电势方程式 电磁转矩：电磁转矩：转矩公式、转矩平衡方程式转矩公式、转矩平衡方程式 功率与损耗功率与损耗 损耗分析、功率平衡方程式损耗分析、功率平衡方程式 1电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式一、定义一、定义直流电机励磁绕组的接线方式称为直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式励磁方式。实

2、质上就是。实质上就是励磁绕组励磁绕组和和电枢绕组电枢绕组如何联接。如何联接。二、分类二、分类除了除了永磁直流电机永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有外，直流电机的励磁方式有他励式他励式和和自励自励（串励、并励串励、并励和和复励复励）式。）式。2电电 机机 学学主讲教师：阎治安 他励式发电机他励式发电机nrf复励式发电机复励式发电机串励式电动机串励式电动机并励式电动机并励式电动机3电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-2空载时直流电机的磁场空载时直流电机的磁场一、直流电机的磁通路经（磁路）一、直流电机的磁通路经（磁路）主磁极主磁极1气隙气隙1电枢齿电枢齿1电枢轭电枢轭电枢齿电枢齿2气隙气隙2主磁

3、极主磁极2定子轭定子轭主磁极主磁极1气隙气隙1主磁极主磁极1电枢齿电枢齿1电枢轭电枢轭电枢齿电枢齿2气隙气隙2主磁极主磁极2定子轭定子轭4电电 机机 学学主讲教师：阎治安 二、空载磁通密度波形二、空载磁通密度波形q空载时空载时电枢电流电枢电流为为0 0，气隙气隙磁场磁场是由是由励磁电流励磁电流单独单独决定。决定。q磁极面下气隙较小且均匀，磁极面下气隙较小且均匀，磁密磁密较强且均匀。较强且均匀。q极面外，气隙迅速增大，极面外，气隙迅速增大，磁磁密密也迅速减弱，几何中性线处也迅速减弱，几何中性线处磁密磁密为为0 0。q空载空载气隙磁密气隙磁密沿电枢外圆的沿电枢外圆的分布用函数分布用函数B B0 0

4、（x x）表示；分表示；分析可知它是析可知它是平顶波平顶波。5电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-3负载时直流电机的磁场负载时直流电机的磁场电枢反应电枢反应电枢磁场电枢磁场对对主磁场主磁场的影响，被称为的影响，被称为电枢反应电枢反应。电枢反应电枢反应会影响电机的性能。会影响电机的性能。一、一、电枢磁势电枢磁势的分布的分布电枢磁势电枢磁势的分布与的分布与电枢电流电枢电流的分布有关。的分布有关。电枢电流的方向以电枢电流的方向以电刷连线来分界电刷连线来分界。电枢磁势的轴线电枢磁势的轴线总是与总是与两电刷的连线相两电刷的连线相重合。重合。当电刷与处于当电刷与处于几何中性线几何中性线上的导体相接触时，

5、电枢上的导体相接触时，电枢磁势的轴线在磁势的轴线在交轴交轴方向，称为方向，称为交轴电枢反应磁势交轴电枢反应磁势。NS6电电 机机 学学主讲教师：阎治安 设直轴线与电枢外圆的交点为设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距点，在距0点为点为x处作一闭合磁力线回路。处作一闭合磁力线回路。该闭路包围的电流数即为总磁势该闭路包围的电流数即为总磁势Fa。电枢表面单位长度上的安培导体数电枢表面单位长度上的安培导体数A称为电机的称为电机的线负荷线负荷。线负荷线负荷距距0点为点为x处，每个气隙的电枢反应磁处，每个气隙的电枢反应磁势为（忽略铁心中的磁势降）势为（忽略铁心中的磁势降）上式表达了电枢磁势的分布，将一对极上

6、式表达了电枢磁势的分布，将一对极的电枢磁势波形画出，将得到的电枢磁势波形画出，将得到三角波三角波。7电电 机机 学学主讲教师：阎治安 二、二、电枢磁势电枢磁势单独产生的单独产生的磁感应强度磁感应强度的分布：的分布：磁密磁密由由磁势磁势和和气隙磁阻气隙磁阻共同决定。共同决定。极面下极面下气隙气隙基本不变，基本不变，磁密磁密正比于正比于磁势磁势；两极之间的区域内，两极之间的区域内，气隙气隙变大，变大，磁密磁密迅速减小。一个周期的迅速减小。一个周期的磁密磁密波形呈波形呈马鞍形。马鞍形。三、三、电枢磁场电枢磁场与与励磁磁场励磁磁场（主磁场主磁场）的合成）的合成 电枢反应电枢反应 8电电 机机 学学主讲

7、教师：阎治安 在一个极距内相加时，一半极距内在一个极距内相加时，一半极距内磁密磁密加强，另一半极距内加强，另一半极距内磁密磁密减弱。减弱。实际上由于饱和，使得实际上由于饱和，使得每极磁通每极磁通总体上有所减少。总体上有所减少。磁场发生了磁场发生了畸变畸变，0 0点点发生了位移。发生了位移。(交轴）电枢反应的影响：交轴）电枢反应的影响：1 1、气隙磁场发生畸变气隙磁场发生畸变 对发电机而言前极端去磁、对发电机而言前极端去磁、后极端增磁；后极端增磁；对电动机而言则为前极端对电动机而言则为前极端增磁、后极端去磁增磁、后极端去磁。2 2、此反应会使某一支路、此反应会使某一支路的电势分布不均匀（如图示）

8、。的电势分布不均匀（如图示）。9电电 机机 学学主讲教师：阎治安 四、补偿绕组四、补偿绕组为了减少电枢反应的影响，在磁极表面的槽中安装补偿绕组；补偿绕组与电枢绕组串联；补偿绕组导体电流的方向与其对应的极面下的电枢电流的方向相反。10电电 机机 学学主讲教师：阎治安 五、直轴电枢反应五、直轴电枢反应 如果将电刷位置逆时针移动如果将电刷位置逆时针移动角，则角，则电枢磁势电枢磁势可分为两部分可分为两部分直轴电枢磁势直轴电枢磁势F Fad ad；交轴电枢磁势交轴电枢磁势F Faqaq。直轴电枢磁势直轴电枢磁势的性质是：的性质是：v对对发电机发电机来说，电刷来说，电刷顺转向顺转向偏移时为偏移时为去磁去磁

9、，逆转向逆转向偏移时为偏移时为增磁增磁；v对对电动机电动机来说，电刷来说，电刷顺转向顺转向偏移时为偏移时为增磁增磁，逆转向逆转向偏移时为偏移时为去磁去磁。11电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-42-4 电枢绕组中的电枢绕组中的感应电势感应电势 当电枢以一定的转速n n 向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线感应电势。由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之和。本节将推导感应电势的计算公式。NxB(x)Bp导体有效长度为导体有效长度为l切割磁力线的速度为切割磁力线的速度为：x处导体感应电势为处导体感应电势为：导体总数为导体总数为N，每一支

10、路导体数为每一支路导体数为N/(2a)则支路电势即电刷间电势为：则支路电势即电刷间电势为：12电电 机机 学学主讲教师：阎治安 Ce为为电势的结构常数电势的结构常数。可见。可见感应电势感应电势正比于正比于每极磁通每极磁通量和转子量和转子转速转速。这。这一一感应电势感应电势公式把电量公式把电量Ea、机械量机械量n、磁场量磁场量联系起来了。联系起来了。励磁绕组示意图（他励或并励）：励磁绕组示意图（他励或并励）：直流电机的电路包括直流电机的电路包括电枢支路电枢支路和和励磁支路励磁支路。在分析直流电机时，最好先根据在分析直流电机时，最好先根据励磁方式励磁方式画出电机的电路连线。画出电机的电路连线。13

11、电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-5直流电机的直流电机的电势平衡电势平衡方程式方程式一、一、直流发电机直流发电机的电势平衡方程的电势平衡方程发电机的特点：发电机的特点：Ea和和Ia同方向；同方向；Ea比比U大；大；T为制动转矩。为制动转矩。除了电阻压降除了电阻压降IaRa外，外，还要考虑电刷压降还要考虑电刷压降Us电势平衡方程为电势平衡方程为Ea=IaRa+2Us+U二、二、直流电动机直流电动机的电势平衡方程的电势平衡方程电动机的特点：电动机的特点：Ea和和Ia反方向；反方向；U比比Ea大；大；T为拖动转矩。为拖动转矩。转子一旦旋转，就有转子一旦旋转，就有电势电势存在。存在。因电势因电势与

12、与电流电流方向方向相反相反。故电动机的感应电。故电动机的感应电势又叫势又叫反反电势电势。U=Ea+IaRa+2Us14电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-6电磁转矩电磁转矩在电动机中，电磁转矩是在电动机中，电磁转矩是拖动拖动转矩；而在发电机中则为转矩；而在发电机中则为阻力阻力转矩。转矩。一、公式推导一、公式推导NxB(x)Bp单个导体中的电流为单个导体中的电流为：x处导体电磁力为处导体电磁力为：每个导体产生的电磁转矩为（导体有效长度为每个导体产生的电磁转矩为（导体有效长度为l）：）：所有所有N个导体产生的电磁转矩为：个导体产生的电磁转矩为：C CT T为为结构常数结构常数。可见电磁转矩正比于

13、每极磁通量和电枢电流。可见电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。15电电 机机 学学主讲教师：阎治安 二、转二、转矩矩平平衡衡（稳态时）（稳态时）v对发电机来说，转轴上输入的是对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩机械转矩T1。T1克服各种克服各种阻力转矩（阻力转矩（如如摩擦，铁耗，风阻等）摩擦，铁耗，风阻等）T0后与负载后电枢电流后与负载后电枢电流Ia产生的电磁转矩产生的电磁转矩T相平衡相平衡:vT1=T0+Tv对于电动机来说，从电枢端输入电流并产生电磁转矩对于电动机来说，从电枢端输入电流并产生电磁转矩T,T克服各种阻力克服各种阻力转矩转矩T0后与机械负载转矩后与机械负载转矩T2相平衡相平衡:v

14、T=T0+T2 16电电 机机 学学主讲教师：阎治安 2-7直流电机的直流电机的损耗损耗和和功率平衡方程功率平衡方程一、损耗一、损耗机械损耗机械损耗pm：轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。这些损轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。这些损耗主要与耗主要与转速转速有关，转速变化不大时，基本为有关，转速变化不大时，基本为常量常量。铁心损耗铁心损耗pFe：电枢铁心中磁场电枢铁心中磁场交变交变，会产生，会产生涡流涡流损耗和损耗和磁滞磁滞损耗。损耗。铁铁耗耗近似与近似与磁密磁密的的平方平方及及转速转速的的1.2-1.5次方成正比。次方成正比。励磁损耗励磁损耗pf：pf=UfIf=If2R

15、fpm+pFe+pf 统称为统称为空载空载损耗损耗(不变损耗不变损耗)。负载损耗负载损耗（可变损耗可变损耗）：电枢回路电阻损耗pa=Ia2Ra；电刷接触压降损耗Pb=2UsIa总称铜耗总称铜耗pcu=pa+Pb杂散损耗杂散损耗p：齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等产生的铁耗等p=(0.51)%P2。17电电 机机 学学主讲教师：阎治安 二、发电机功率平衡方程二、发电机功率平衡方程 v功率流程图功率流程图：P1=PM+pm+pFe+p=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+p=P2+pv电磁功率电磁功率PM：可由可由机械功

16、率表示，也可由电功率表示的功率机械功率表示，也可由电功率表示的功率，它是它是能量形态变化的基础能量形态变化的基础。v效率效率机电18电电 机机 学学主讲教师：阎治安 三、电动机功率平衡方程三、电动机功率平衡方程v功率流程图功率流程图v功率平衡方程功率平衡方程P1=PM+pa+pb=P2+pm+pFe+p+pa+pb+pf=P2+pv电磁功率电磁功率PM：从从电功率电功率转化为转化为机械功率机械功率的那一部分功率。的那一部分功率。PM=EaIav效率效率v本章作业：本章作业：p36题题22,3,5,6,7电机动19电电 机机 学学主讲教师：阎治安 本章小结本章小结直流电机的主磁场一般由主极铁心上

17、的励磁绕组产生。励磁绕组与电枢回路之间的连接方式有：他励、并励、串励、复励。不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响。直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁路的情况。一般情况下，直流电机的空载磁通密度分布为平顶波。直流电机负载时，电枢磁场对主磁场的影响被称为电枢反应。交轴电枢反应使主磁场的波形发生畸变，而且会对主磁场产生去磁作用。当电刷偏离几何中性线时，还将产生去磁或者增磁的直轴电枢反应。20电电 机机 学学主讲教师：阎治安 本章小结（续）本章小结（续）发电机和电动机是直流电机的两种运行状态。在两种状态下，电枢绕组中均产生感应电势。直流电势的公式 Ea=Cen 表明感应电势的大小正比于转速及每极磁通。在发电机中EaU，在电动机中UEa。同样，直流发电机和电动机中均存在电磁转矩。其公式T=CTIa在发电机中，电磁转矩是制动转矩，在电动机中电磁转矩是拖动转矩。直流电机的电势平衡方程反映了电机电路中各种量之间的关系。功率平衡方程表明了输入功率、输出功率和各种损耗之间的关系。电磁功率 PM =T =Ea Ia 显示了机械功率和电磁功率之间的转换关系。21