NDJ3盘式直流电机结构原理磁场方程起动调速.

中原工学院电机学1第三章:直流电动机的稳态分析中原工学院电机学2直流电机•直流电能机械能•优点:–电动机:起动,调速性能好–发电机:供电质量好•缺点:–结构复杂,成本高,可靠性差•前景–与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，直流电机使用受到限制–但仍有一定的理论价值和实用价值机械能电能中原工学院电机学3直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值中原工学院电机学4一、盘型电机结构•直流电机–电枢•电枢绕组–电刷–支路•电流方向–主磁极•励磁绕组SN定子转子气隙桶型铁心+缠绕导线中原工学院电机学5盘型电机特点•主磁通与主磁路：–磁力线从N极通过气隙，到转子铁心，再越过气隙到S极，通过机壳闭合。•内腔：磁场被屏蔽，腔内导线起连接作用。•端部：导线处在磁场之外，也只起连接作用。•工作导体：只有表面导线处在磁场中，工作时起作用。中原工学院电机学6绕组及工作特点•电枢绕组首尾相连，构成一个闭合回路•（固定的）电刷把电枢绕组平分为两个支路•电枢的转动时，每个支路中导体不停发生变化，但每个支路中导体电流方向不变–每个极下导体中电流方向一致–电刷是电枢表面导体电流分界线中原工学院电机学7直流电动机原理•电刷接电源•导体中流过电流•电磁力（左手）•电动机转动i+-i电动机中原工学院电机学8直流发电机原理•转子在外力作用下转动•导体切割磁力线•导体产生电动势e+-e发电机中原工学院电机学9直流发电机原理•转子在外力作用下转动•导体切割磁力线•导体产生电动势•导体电流•电磁力e+-ie发电机中原工学院电机学10直流电动机原理•电刷接电源•导体中流过电流•电磁力（左手）•电动机转动•电动势e+-ii电动机中原工学院电机学11盘型电机-简化模型及电路模型•简化电机模型–电刷是电枢表面导体电流分界线•直流电机电路模型只关注外层边和主磁极中原工学院电机学12二、励磁方式•励磁方式：励磁绕组的通电方式•他励：两个独立电路，I=Ia–电机电压、电流；–电枢电压、电流；–励磁电压、电流•并励：电机电压U=励磁电压Uf•串励：电机电流I=励磁电流If•复励他励并励串励复励中原工学院电机学13三、直流电动机的额定值直流电机的额定值有：（1）额定功率：在铭牌规定的额定状态下运行时，电动机轴端输出的机械功率，以kW表示。（2）额定电压：指额定状态下电动机（电枢）出线两端的工作电压，以V表示。（3）额定电流：指电动机运行在额定时，电动机（电枢）出线上的线电流，以A表示。（4）额定转速：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min表示。（5）额定励磁电压（仅对他励电机）。中原工学院电机学14实际电机的电枢绕组•把导体的另一条边放在相临磁极下，以提高利用率。•一对导体边称为一个元件。中原工学院电机学15中原工学院电机学16四、直流电机的基本结构直流电机定子转子气隙中原工学院电机学17定子主磁极换向极机座电刷装置励磁绕组电刷中原工学院电机学18转子电枢铁心电枢绕组换向器轴中原工学院电机学19直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值•空载和负载时直流电机的磁场–为什么要研究电机内的磁场•机电能量转换的媒介–思路•空载时的磁场•负载时的磁场中原工学院电机学20一、空载时直流电机的磁场•空载运行:Ia≈0•空载时的磁场:–磁动势–主磁通→主磁场气隙磁场–漏磁通•磁场分布:忽略齿槽影响–极靴下–极靴范围以外–几何中性线处绕组元件位于气隙处b=f(x)中原工学院电机学21每极磁通Φldx(x)bdΦδl22ττδdx(x)blΦdxbδ=f(x)中原工学院电机学22二、负载时的电枢磁动势和电枢反应•电枢反应:–负载时磁动势=主极+电枢•理想电枢:电枢表面光滑,绕组为整距,构成绕组元件的导体均匀分布在电枢表面.•讨论顺序1、电刷位于几何中性线时的交轴电枢磁动势和交轴电枢反应2、电刷偏离几何中性线时的直轴电枢磁动势和直轴电枢反应Ia≠0中原工学院电机学231、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应•电刷位于几何中性线时的电枢磁动势.–磁场分布–直轴–交轴–交轴磁动势•电枢磁动势的空间分布–展开,–确定原点中原工学院电机学241、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应•电枢磁动势的空间分布,–导体中电流ia，总导体数Za–x处,沿磁力线选择闭合回路–磁动势分布:–电枢旋转时同样适用22-)(2Axx：fx：Aa气隙磁动势作用在磁路上的磁动势时三角形22xAFaqDiZ：Aaa单位长度安培导体数不计铁心磁位降中原工学院电机学251、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应•气隙磁场–极靴下–极间–马鞍形)()()(0xxfxbaaBHlF中原工学院电机学261、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应•合成磁场的求取–例图:电动机,顺时针旋转–主磁场–电枢磁动势分布,磁场–磁场叠加.电流方向中原工学院电机学27交轴电枢反应电枢反应作用：半个极下为增磁，半个极下为去磁的作用1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线，2）不计饱和时，交轴电枢反应（总）既无增磁、亦无去磁作用计及饱和时，交轴电枢反应（总）具有一定的去磁作用。增磁去磁中原工学院电机学28去磁作用对每极磁通Φ的影响ldx(x)bdΦδdxl22ττδdx(x)blΦdxbδ=f(x)中原工学院电机学29直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值•空载和负载时直流电机的磁场•直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势中原工学院电机学30电动机工作原理•工作原理–电枢导体中电流方向–左手定则：判断电磁力及电磁转矩方向–电机在电磁转矩作用下转动•电刷是电枢表面导体电流分界线–每个极下导体中电流方向一致且分布不变，电磁力及电磁转矩方向不变中原工学院电机学31直流电机的电磁转矩•一根导体的电磁转矩•一个极下导体合成电磁转矩•同名磁极下导体电流方向相同,磁极相同,合成电磁转矩方向、大小相同•异名磁极下导体电流方向相反,磁极相反,合成电磁转矩方向、大小也相同•总电磁转矩2DlibTazpTT1pepTT2TpTp中原工学院电机学32直流电机的电磁转矩•每根导体的电磁转矩为•一个极下导体数z，则一个极下导体的合成电磁转矩2DlibTaaTeICTτ22)(211DlizBDlizbzDlibTaavzazapaIiaa2aavaavpeIlBazppaIlpzBpTT))(22(2222每极磁通平均磁通密度常系数pD2Iaia中原工学院电机学33电动机工作原理•电动势判断–右手定则：判断电动势方向；电动势与电流方向相反（反电动势）–每个支路中导体电动势方向一致•电动机电路ei中原工学院电机学34电枢绕组的感应电动势电枢绕组有2a=条支路,每条支路元件相同每条支路所处磁场也对称相同每条支路的合成电动势方向相同,大小相同电机感应电动势即为一条支路电动势ee前后前后中原工学院电机学35•每根导体的感应电动势为•一条支路串联导体数z，则一条支路串联导体的电动势代数和lvzBlvzbzlvbEavzza11)(电枢绕组的感应电动势lvbenCEeaτpnDnv26060nlBpzpnlzBEavava))(602()260(每极磁通Φ平均磁通密度常系数n中原工学院电机学36•如何使电动机反向：A.改变主磁极；B.改变电枢电流；C.同时改变。判断主磁极极性判断电动机转向SN中原工学院电机学37•问题–图中两种电机是什么励磁方式–判断电机电流、电枢电流、励磁电流和电枢电动势方向IU-+EaIaIfIU-+EaIaIfIfIaEa+-UIIUf-+U-+EaIaIf中原工学院电机学38直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值•空载和负载时直流电机的磁场•直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势•直流电动机电压方程和功率方程中原工学院电机学39他励直流电动机电压方程特点：I=Ia；电流方向–电动势与电流关系：–正方向的规定:电动机惯例–电压方程saaURIEU2aaaRIEUasaaIURIR2电枢总电阻反向电枢电阻电刷压降中原工学院电机学40并励直流电机电压方程•并励直流电机特点：–电枢电压=励磁电压–电流方程：I=Ia+If•主回路电压方程•串励直流电机：–电枢电流=电机电流=励磁电流aaaRIEU中原工学院电机学41他励直流电动机的功率•输入功率•电磁功率:–为电动机电动势吸收的电功率•总机械功率TeΩ:–为电动机电磁转矩发出的机械功率•转换功率:•输出功率:aaaaaRIIEUIP21cua1PPIEPaaeeaaTIE02PPPe602nP0：克服机械摩擦、风阻、铁心损耗等所需的功率.空载机械损耗aaaRIEU中原工学院电机学42直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值•空载和负载时直流电机的磁场•直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势•直流电动机电压方程和功率方程•直流拖动的运动方程中原工学院电机学43运动方程•正方向规定–n为正常运行方向；–Te与n正方向相同；–T0、T2与n正方向相反。•运动方程•稳定运行条件之一dtdnGDdtdjTTe37520TTe02TTTeePT22PT00PT中原工学院电机学44直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值•空载和负载时直流电机的磁场•直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势•直流电动机电压方程和功率方程•直流拖动的运动方程•直流电动机工作特性和机械特性中原工学院电机学45并励电动机工作特性•工作特性–条件：U=UN，If=IfN时，n,Te,η=f(Ia)。•转速特性•分析:Ia增大时，影响电动机转速的因素–电枢电阻压降,使n↓–电枢反应去磁,使n↑–为稳定运行,使曲线稍微下降•转速调整率eaaeNeaCIRCUCEnaaaRIUE1000NNnnnnnNn0PN中原工学院电机学46并励电动机运行工作特性•注意事项–运行中，励磁绕组不允许断开.–如果断开，If=0，φ趋向于剩磁磁通，电枢电流增加，Te数值不大不小.–当T2为轻载时，TeT2+T0，电机一直加速，飞车;–当T2为重载时，TeT2+T0,停车，发热.aoreNaarNaRnCUREUIarTeICT0nT0T2eT中原工学院电机学47并励电动机工作特性•转矩特性–略微向上弯曲.•效率特性–电机效率特性都类似.2020PTTTTe中原工学院电机学48并励电动机机械特性•机械特性（转矩-转速特性）–额定电压UN,Rf为常值时,的n=f(Te)–不计磁饱和时,稍微下降的直线–考虑磁饱和时,下降程度趋小,(甚至可能是水平和上翘的)–一般称为硬特性(n变化不大)–拖动计算时一般按斜线计算eTeaeNeaTCCRCUCEn2eaaeNeaCIRCUCEnaTeICTekTnn0NeNCUn02NTeaCCRkn0中原工学院电机学49并励直流电动机固有机械特性和人为特性•固有机械特性：电压UN，电枢回路不串电阻，励磁电流为IfN时候的机械特性•人为机械特性：电压≠UN，电枢回路串电阻，励磁电流不为IfN三个条件中满足其中任一条件时候的机械特性中原工学院电机学50•电枢回路串电阻•降低电压•减弱磁通ekTnn0人为机械特性eTecaeNTCCRRCUn2eTeaeTCCRCUn2ekTnn0中原工学院电机学51直流电动机的稳态分析•直流电动机结构、励磁方式和额定值•空载和负载时直流电机的磁场•直流电动机工作原理、电磁转矩和电动势•直流电动机电压方程和功率方程•直流拖动的运动方程•直流电动机工作特性和机械特性•直流电动机稳态平衡与运行点中原工学院电机学52电力拖动系统稳定运行•正方向的确定：–n为正常运行方向；–Te与n