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1、1,第 3 章 直流电机的基本理论,3.1 直流电机的工作原理,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.3 直流电机的电枢绕组,3.4 电流电机的磁场,3.5 直流电动机的感应电动势和电磁转矩,3.6 直流电动机的稳定运行时的基本方程和工作特性,3.7 他励直流电动机的机械特性方程,3.8 直流发电机的稳态运行时的基本方程式和运行特性,3.9 直流电机的换向,2,1.直流发电机的工作原理, E , E ,输出 直流电,原动机,感应电动 势、电流,电磁转矩 （阻转矩）,做功,电磁关系,3.1 直流电机的工作原理,3,2.直流电动机的工作原理, U ,3.1 直流电机的工作原理,4,电刷,线圈边切
2、割磁感线会产生什么？,换向片,2.直流电动机的工作原理,3.1 直流电机的工作原理,5,直流电流,交流电流,电磁转矩 (拖动转矩),机械负载,反电动势,做功,电磁关系,2.直流电动机的工作原理,3.1 直流电机的工作原理,6,3.2 直流电机的基本结构和额定值,1.定子 (1) 主磁极 (2) 换向磁极 (3) 机座 (4) 端盖等,(a) 主磁极,(b) 机座,3.2.1 直流电机的基本结构,7,直流电机的定子,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.2.1 直流电机的基本结构,8,2. 转子（电枢）,(1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组,(3) 换向器 (4) 转轴与风扇,(a) 转子主体,
3、(b) 电枢钢片,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.2.1 直流电机的基本结构,9,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.2.1 直流电机的基本结构,10,电机装配图,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.2.1 直流电机的基本结构,11,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.2.1 直流电机的基本结构,12,1. 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(UN IN
4、 ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值(UN INN ) 。,3.2 直流电机的基本结构和额定值,3.2.2 直流电机的额定值,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。,13,3.3 直流电机的电枢绕组,3.3.1 有关技术名词,(1)元件。它是绕组的一个线圈，可以是多匝也可以是单匝。元件两个端子连接于两个换向片上。,(2)极距。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离（用槽数表示），Z/2p。式中：Z为电枢转子槽数；p为磁极对数。,(3)节距。绕组元件的宽度
5、及元件之间的连接规律用绕组的各种节距来表示，如右图所示。,第1节距y1。它是绕组元件的跨距，表示同一元件上层元件边与下层元件边之间的空间距离（用槽数表示）。为了使一个元件两个有效边中所产生的感应电动势大小相等或相差不多，使电动势叠加，那么元件的跨距应等于或约等于电机的极距。,14,3.3 直流电机的电枢绕组,3.3.1 有关技术名词,第2节距y2。第1元件下层元件边与第2元件上层元件边之间的空间距离（用槽数表示）。,合成节距y。直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离（用槽数表示）。,换向节距yk。元件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（用换向片表示）。,单叠绕组元件yk1
6、；单波绕组元件yky1+y2=y。,实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般采用双层绕组。,15,3.3 直流电机的电枢绕组,3.3.2 单叠绕组连接示例,一台直流电动机的绕组数据为极对数p2，槽数Z16，元件数S等于换向片数K和槽数Z，即ZSK16.,1.计算极距,电机极距为Z/2p16/4=4.,元件跨距为y1Z/2p16/4=4。跨4个槽距。,换向片的节距为yk1。,2.单叠绕组展开图,16,3.3 直流电机的电枢绕组,3.3.2 单叠绕组连接示例,2.单叠绕组展开图,N,N,S,S,17,3.3 直流电机的电枢绕组,3.3.2 单叠绕组连接示例,2.单叠绕组展开图,根据已确定的各
7、个节距，画出绕组的展开图的步骤如下：,第1步，画电枢槽。,第2步，安放磁极。让每个磁极宽度约为0.7，4个磁极均匀分布在各槽之上，并标出N、S极性。,第3步，画换向器。,第4步，连接电枢绕组。,第5步，确定每个元件边里导体感应电动势方向。,第6步，放置电刷。,18,3.3 直流电机的电枢绕组,3.3.2 单叠绕组连接示例,3.单叠绕组的并联支路图,19,3.4.1 直流电机的励磁方式,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,3.4 直流电机的磁场,20,3.4.2 直流电机的电枢反应,几何 中心线,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）,电枢
8、反应：,电枢磁通势对主极磁场的影响。,3.4 直流电机的磁场,21,电枢反应的影响, 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 e0，增加换向困难。 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。,3.4.2 直流电机的电枢反应,3.4 直流电机的磁场,22,3.5.1 电枢绕组的电动势,3.5 直流电机的电磁转矩和电动势,23,3.5 直流电机的电磁转矩和电动势,3.5.2 电枢绕组的电磁转矩,fav = Bav l ia,每根导线上电磁力所形成的电磁转矩：T=favR,Ia为电枢总电流；ia
9、为支路电流；R电枢半径。,24,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,励磁电压 Uf If,电枢电压 Ua Ia, T,n,励磁电路： Uf = Rf If,3.6.1 直流电动机稳态运行的基本方程式,以他励电动机为例,1. 电压平衡方程式,电枢电路： Ua = E + Ra Ia,25,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.6.1 直流电动机稳态运行的基本方程式,2. 转矩平衡方程式,TT0+TL,3. 功率平衡方程式,P1UaIa+UfIf（Ea+IaRa）Ia+UfIfEaIa+Ia2Ra+UfIfPM+pCua+pCuf,电动机输入功率P1为,电磁功率,
10、电枢回路铜损耗,励磁回路铜损耗,26,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.6.1 直流电动机稳态运行的基本方程式,3. 功率平衡方程式,电动机输入功率P1为,铁损耗,机械损耗,附加损耗,机械功率,P1,PM,P2,pCu,P0pFe+ pm+ ps,27,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.6.1 直流电动机稳态运行的基本方程式,已知一台他励直流电动机的数据为PN75kW，UN220V，IN383A，nN1500r/min,电枢回路总电阻Ra0.0192，忽略磁路饱和的影响。求额定运行时：,（1）电磁转矩；（2）输出转矩； （3）输入功率；（4）效率。,
11、解：,本题求解方法不唯一。,思路1：利用PT关系式计算。,思路2：利用求取CE和CT的方法计算。,电枢感应电动势为：EaUNINRa220-3830.0192212.646V,电磁功率为：PMEaIN212.64638381443W,电磁转矩为：TPM/9.55 PM/n 9.55(81443/1500)518.5Nm,输出转矩为：T2PN/9.55 PM/n 9.55(75000/1500)477.5Nm,28,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.6.1 直流电动机稳态运行的基本方程式,输入功率为：P1UIN 22038384260W,效率为：P2/P1 75000/84
12、26089%,3.6.2 直流电动机的工作特性,1.并励直流电动机的工作特性,1）转速特性nf（Ia）,转速特性是指UUN，IfIfN时，转速与电枢电流之间变化的关系。,29,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.6.2 直流电动机的工作特性,1.并励直流电动机的工作特性,2）转矩特性nf（Ia）,转矩特性是指UUN，IfIfN时，转矩与电枢电流之间变化的关系。,3）效率特性f（Ia）,效率特性是指UUN，IfIfN时，效率与电枢电流之间变化的关系。,P0pFe+pm+ps不变损耗,P0pcu时效率最高,Ia,n,0,n,T,30,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工
13、作特性,3.6.2 直流电动机的工作特性,2.串励直流电动机的工作特性,1）转速特性nf（Ia）,转速特性是指UUN时，转速与电枢电流之间变化的关系。,假设磁路没有饱和，则有,31,3.6 直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.6.2 直流电动机的工作特性,2.串励直流电动机的工作特性,2）转矩特性Tf（Ia）,转矩特性是指UUN时，转矩与电枢电流之间变化的关系。,3）效率特性f（Ia）,同并励电动机。,与并励电动机相比，串励电动机的优点：,对于相同的转矩变化量，串励电动机的电枢电流变化量小；,对于允许最大的电枢电流，串励电动机可以产生较大的电磁转矩。,32,3.6 直流电动机稳态运
14、行时的基本方程式和工作特性,3.6.2 直流电动机的工作特性,3.复励直流电动机的工作特性,积复励、差复励。,(1) 有较大的Tst 。 (2) 可以空载运行。,机械特性,33,3.7 他励直流电动机的机械特性方程式,一台他励直流电动机的额定数据为PN17kW，UN220V，nN1000r/min，IN92A，电枢绕组的电阻Ra0.2，电刷压降2Ub2V。试计算：,（1）电动机的额定电磁转矩。,（2）理想空载转速和实际空载转速。,（3）电动机的输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3电阻，求电动机转速。,34,3.7 他励直流电动机的机械特性方程式,解：,（1）,（2）,理想空载转速为
15、,额定输出转矩为,空载转矩为,空载电流为,实际空载转速为,（3）,35,以他励直流发电机为例,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.1 直流发电机稳态运行时的基本方程式,1.电压平衡方程式,2.转矩平衡方程式,3.功率平衡方程式,36,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.1 直流发电机稳态运行时的基本方程式,一台四极复励直流发电机的额定数据为PN6kW，UN220V，nN1450r/min，电枢绕组的电阻Ra750.92，并励回路电阻Rf75177，电刷压降2Ub2V，空载损耗P0pFe+pm+ps355W。试求额定负载下的电磁功率、电磁转矩及效率
16、。,解：,37,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.1 直流发电机稳态运行时的基本方程式,电磁转矩为,额定负载时发电机的输入功率为,效率为,38,1.他励直流发电机,外电源Uf If ,n,原动机,电枢,Ua,励磁电路 总电阻,Ia = 0， Ua = U0 = E,调节Rf,If 可变, 可变,E 可变, Ua可变。,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,（1）空载运行,励磁电路：,电枢电路：,U0 = E = f (If ),空载特性,39,Er,剩磁感应 电动势,输出电压: U = Ua 输出电流: I = Ia 电
17、压平衡方程式 U = Ua = ERa Ia,当 Ia,Ra Ia,外特性,n = nN If = IfN,空载特性,负载特性,1.他励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,（1）负载运行,E (电枢反应),U = f (I ),40,电压调整率,( 5% 10% ),当 n = nN，U = UN 时： If = f ( I ),调整特性,1.他励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,（1）负载运行,调整特性,41,(1) 主磁极必须有剩磁r ：,r,Er,Ifr,EEr,
18、与r 方向相同,EEr,与r 方向相反,(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EEr, IfIfr, ,E , E 与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。,2.并励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,E ? E ?,自励过程与条件,42,当 Rf Rk 时， E Er ， 能够自励。 当 Rf = Rk 时， E不确定，不能自励。 当 Rf Rk 时， EEr，不能自励。,场阻线：,场阻线的斜率：,= RaRf,RfRk,2.并励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.
19、2 直流发电机的运行分析,(3) 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,43,天津理工大学电气工程系,负载运行分析,I = Ia If U = Ua = Uf Ua = E RaIa,U = f ( I ),并励,(1)负载增加时，U 下降较快。 VR 20%,外特性,2.并励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,44,(2) 外特性有拐弯现象。,RL I (Ia) U ,RL U If , E (较大幅度) U 的下降比 RL的减少得更快,RL U I , RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。
20、,(3) 稳态短路电流不大。,负载运行分析,2.并励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,45,1. 分为积复励和差复励 2. 对于积复励发电机 (1) 平复励发电机 当 I = IN 时的 UN = U0 。 (2) 过复励发电机 当 I = IN 时的 UNU0 。 (3) 欠复励发电机 当 I = IN 时的 UN U0 。,3. 复励直流发电机,3.8 直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性,3.8.2 直流发电机的运行分析,46,3.9 直流电机的换向,3.9.1 直流电机的换向过程,47,3.9 直流电机的换向,3.9.2 直流电机的直线换向、延迟换向、超越换向,3.9.3 改善换向的方法,3.9.4 环火与补偿绕组,