第2章直流电机的基本理论

7.1直流电机的工作原理7.2直流电机的基本结构7.3直流电机的电枢反应7.4电流电机的电磁转矩和电动势7.5直流电动机的运行分析7.6直流电动机的功率和转矩7.7直流发电机的运行分析7.8直流发电机的功率和转矩第二章直流电机的基本理论2.1直流电机的工作原理2.2直流电机的基本结构2.3直流电机的电枢反应2.4电流电机的电磁转矩和电动势2.5直流电动机的运行分析2.6直流电动机的功率和转矩2.7直流发电机的运行分析2.8直流发电机的功率和转矩返回主页电机与拖动NS－U＋2.1直流电机的工作原理1.直流电动机的工作原理NS第2章直流电机的基本理论＋U－NS2.1直流电机的工作原理1.直流电动机的工作原理第2章直流电机的基本理论NS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载Φ旋转克服反电动势做功2.1直流电机的工作原理电磁关系NS2.直流发电机的工作原理NS－E＋2.1直流电机的工作原理－E＋输出直流电换向原动机感应电动势、电流Φ电磁转矩（阻转矩）做功电磁关系2.2直流电机的基本结构1.主要部件(1)定子①主磁极②换向磁极③机座④端盖等第2章直流电机的基本理论直流电机的定子(a)主磁极(b)机座直流电机的定子2.2直流电机的基本结构更多的图片(2)转子（电枢）①电枢铁心②电枢绕组2.2直流电机的基本结构③换向器④转轴与风扇直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢钢片直流电枢绕组AB12345678AB1234876576548123AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。AB12345678eeeeeeee12348765AB直流电枢绕组电动机＋－E发电机＋－IaeeeeeeeeE两匝元件2.2直流电机的基本结构A12348765BIaNSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2单叠绕组的展开图※并联支路对数：a=2。※电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2n2.2直流电机的基本结构36'47'58'11'810'79'6912'101'112'5'24'13'12单叠绕组的展开图NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线2.2直流电机的基本结构2.2直流电机的基本结构直流电机的结构电枢2.2直流电机的基本结构电机装配图更多的图片2.2直流电机的基本结构直流电机更多的图片M2.励磁方式If+Ua－Ia+Uf－他励并励串励复励(1)直流电动机按励磁方式分类2.2直流电机的基本结构M+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－IG(2)直流发电机按励磁方式分类自励2.2直流电机的基本结构GIa+Ua－他励串励复励并励Ia+U－IfIGGIfIa+U－I+U－IfIIaIf+Uf－(1)额定电压UN发电机的UN：指输出电压的额定值。电动机的UN：指输入电压的额定值。(2)额定电流IN发电机的IN：指输出电流的额定值。电动机的IN：指输入电流的额定值。(3)额定功率PN发电机的PN：指输出电功率的额定值(UNIN)。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(UNINηN)。3.额定值2.2直流电机的基本结构(4)额定转速nN(5)额定励磁电压UfN(6)额定励磁电流IfN※额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。※满载状态：指I=IN的状态。2.2直流电机的基本结构NS2.3直流电机的电枢反应几何中心线NS励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中性线电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。第2章直流电机的基本理论电枢反应的影响①总磁场被扭歪了几何中心线与物理中心线分开了,电刷位置处的元件的e≠0，增加换向困难。②一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，磁路不饱和时，每极磁通不变；磁路饱和时，每极磁通减少，e和T相应减少。2.3直流电机的电枢反应2.4直流电机的电磁转矩和电动势1.电磁转矩(1)产生电枢电流i磁场ΦF→T(2)大小电磁力：F=Bli平均磁密：第2章直流电机的基本理论BlB=Φl极距2.4直流电机的电磁转矩和电动势1.电磁转矩(1)产生电枢电流i磁场ΦF→T(2)大小电磁力：F=Bli平均磁密：每根导线上电磁力所形成的电磁转矩：FR第2章直流电机的基本理论B=ΦlBl极距RR电枢绕组串联总匝数：N电枢绕组并联支路数：2a总导体数：2N·2a=4aN电枢的周长：2R=2p电磁转矩：T=4aN·FR=4aN··Blip=4aN··lipΦl=4aN··Φip=·Φ·2ai2pN电枢电流Ia2.4直流电机的电磁转矩和电动势(2)大小T=CTΦIaCT转矩常数：(3)方向由Φ和Ia共同决定。(4)性质发电机：电动机：T与n方向相反，为制动转矩。T与n方向相同，为拖动转矩。2.4直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pN单位：Wb单位：A(N·m)(1)产生电枢旋转n磁场Φ(2)大小每个导体：e=Blv导体切割磁场线的线速度：电动势：E=2Ne2.电动势e→∑e→E2.4直流电机的电磁转矩和电动势v=n2R60=2NBlv=2N··l·n2p60Φl=n2p60=Φn4pN60CTCE=602=9.55CT=9.55CE2.4直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pNCE=4pN60E=CEΦnCE电动势常数：CE=4pN60单位：Wb单位：r/min(V)(3)方向：由Φ和n共同决定。(4)性质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1.他励电动机励磁电压Uf→If→Φ电枢电压Ua→Ia↓→T→n→EE(1)电压平衡方程式励磁电路：Uf=RfIf电枢电路：Ua=E+RaIa第2章直流电机的基本理论+Ua－IaIf+Uf－稳态电枢电流Ia由谁确定？T=CTΦIa，Ua=E+RaIa例如：负载不变(T不变)，Ua(Ra)变化时，Ia变化否（设Φ不变）？Ua(或Ra)瞬间n不变E不变Ia→T→T＜TLE←n↓Ia←T←T=TL←Ia不变←结论：Ia的大小取决于负载的大小。当Ia=IaN时为满载，当Ia＞IaN时为过载。※规定短时过载的最大电枢电流：Iamax=(1.5~2)IaN=αMCIaN2.5直流电动机的运行分析机械特性ECEΦn=Ua－RaIaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T(2)转速OnTn0当T时，n下降不多——硬特性。励磁电路断电的后果当If=0，Φ=Φr很小，n不能突变，E很小→T=CTΦrIa仍有一定数值。→Ia①若T＞TL→n→飞车！②T＜TL→n→n=0→闷车！2.5直流电动机的运行分析2.5直流电动机的运行分析(3)转向取决于电磁转矩T的方向。T的方向取决于Φ和Ia的方向。M+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－磁场反向电枢反向2.并励电动机并励与他励的区别:(1)输入电压U=Ua=Uf(2)输入电流I=Ia+If(3)输入功率P1=UI=UIa+UIf2.5直流电动机的运行分析MIa+U－IIf【例7.5.1】某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求该电机在额定状态下运行时的：(1)If；(2)Ia；(3)E；(4)T。解：(1)励磁电流If2.5直流电动机的运行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(2)电动势EE=UN－RaIa=(220－0.41×12.15)V=215VCTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)电磁转矩2.5直流电动机的运行分析CEΦ=EnN2153000==0.0717E3.串励电动机＋Ua－＋Uf－2.5直流电动机的运行分析M+U－IIfIa(1)电压U=Ua+Uf=E+(Ra+Rf)I(2)电流I=Ia=IfRa+RfU－E=CTΦT=(3)转矩T=CTΦIa①当Ia较小、磁路未饱和时，Φ∝Ia，T∝Ia2。②当Ia较大、磁路已饱和时，Φ≈常数，T∝Ia。即T∝Iam(1＜m＜2)与并励电动机比较，有如下特点①对应于相同的△T，△Ia小。②对应于允许的Iamax，能够产生的T大，Tst和Tmax较大。(4)转速2.5直流电动机的运行分析ECEΦn=U－(Ra+Rf)IaCEΦ=UCEΦ=－Ra+RfCECTΦ2T①当T=0时，Ia=If=0，Φ=Φr，n0=(5~6)nN。②当T很小时，Ia很小，磁路未饱和，T→Ia→Φ→n迅速下降。③当T很大时，Ia很大，磁路已饱和，T→Ia→Φ基本不变→n下降较少。7.5直流电动机的运行分析(5)应用①特别适用于起重机和电气机车等运输机械。②不能在轻载或空载下运行。③不能用皮带轮传动。串励电动机的机械特性软特性OnT4.复励电动机(1)积复励、差复励。(2)机械特性①有较大的Tst。②可以空载运行。并励复励2.5直流电动机的运行分析MIaIf+U－I串励OnT2.6直流电动机的功率和转矩1.功率平衡方程式（并励）(1)输入功率P1P1=UI(2)铜损耗PCuPCu=RaIa2＋RfIf2(3)电磁功率PePe=P1－PCu推导：UI=U(Ia＋If)=UaIa＋UfIf=(E＋RaIa)Ia＋RfIf2=EIa＋RaIa2＋RfIf2第2章直流电机的基本理论Pe=EIa2.6直流电动机的功率和转矩Pe=EIa=CEΦnIa=TΩ260=CTΦnIa功率流程图P1PCuPeP0P22.转矩平衡方程式空载：T=T0负载:T=T0+T2260T2n=(4)空载损耗P0P0=PFe＋Pme＋Pad(5)输出功率P2P2=Pe－P0=T2Ω【例7.6.1】一并励电动机，UN=110V，IN=12.5A，nN=1500r/min，TL=6.8N·m，T0=0.9N·m。求该电机的P2、Pe、P1、Pal和。解：P2P1=×100%6.2860=×6.8×1500W=1067.6WPe=P2＋P0=(1067.6＋143.3)W=1208.9WP1=UNIN=110×12.5W=1375WPal=P1－P2=(1375－1067.6)W=307.4W2.6直流电动机的功率和转矩260P2=TLn6.2860=×0.9×1500W=143.3W260P0=T0n1067.61375=×100%=77.64%GIa+Ua－If+Uf－2.7直流发电机的运行分析1.他励发电机第2章直流电机的基本理论外电源Uf→If→ΦE→n原动机→电枢→Ua(1)空载运行励磁电路：If=UfRf励磁电路总电阻电枢电路：Ia=0，Ua=U0=E调节Rf→If可变→Φ可变→E可变→Ua可变。EU0=E=f(If)空载特性OIfU0Er剩磁感应电动势(2)负载运行输出电压:U=Ua输出电流:I=Ia电压平衡方程式U=Ua=E－RaIa当IaRaIaE(电枢反应)Ua外特性U=f(I)n=nNIa=0OIUn=nNIf=IfNINUNU0n=nNIf=常数2.7直流发电机的运行分析空载特性外特性电压调整率VR=U0－UNUN×100%(5%~10%)调整特性当n=nN，U=UN时：If=f(I)OIIfIfNIN2.7直流发电机的运行分析调整特性【例7.7.1】一他励直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ保持不变，求1000r/min时的空载电压U0和900r/min时的满载电压U。解：在nN和UN时的电枢电流9001000E'=EU0=E=Ua＋RaIaN=(230＋0.4×43.5)V=247V在Φ保持不变时