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1、第3章 直流电机,内容简介,直流电机的基本运行原理结构电磁关系数学模型（即基本方程式和等效电路）直流电动机和发电机运行特性的分析与计算。,直流电机的图片,3.1 直流电机的基本运行原理与结构,A、直流电机的基本运行原理,图2.1 通电导体和线圈在磁场下的受力分析,结论： 要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体 中电流方向总是流出。在直流电动机中，上述任务是由机械式换向器和电刷来完成的。,I,S,b,N,a,c,d,T,n,电动机,+,-,直流电压,A,B,没有电刷的情况,换向片,I,S,b,N,a,c,d,T,n,电动机,A,B,+,-,I,S,b,N,a,
2、c,d,电刷,T,n,电动机,+,-,直流电压,电刷与换向器配合,A,B,I,S,b,N,a,c,d,T,n,电动机,+,-,直流电压,电刷与换向器配合,A,B,S,b,N,a,c,d,F,T,n,发电机,没有电刷的情况,+,-,A,B,换向片,S,b,N,a,c,d,F,T,n,发电机,+,-,A,B,e,S,b,N,a,c,d,电刷,e,F,F,T,n,发电机,+,-,电刷与换向器配合,A,B,e,S,b,N,a,c,d,e,F,F,T,n,发电机,+,-,直流电压,电刷与换向器配合,A,B,图2.2 直流电机的运行原理示意图,结论： （1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电
3、刷外部的电压和电流为直流； （2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器； （3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。,为什么要使用电刷和换向器？换向片为什么要彼此绝缘？电刷和换向器的配合有什么问题？ 电机可逆性原理 直流发电机电枢上有电磁转矩吗？什么性质？ 直流电动机电枢上有感应电动势吗？ 电枢上电流产生磁场吗？对主磁场有什么影响？,B、直流电机的结构,图2.3 直流电机的结构图,1-机座 2-主磁极 3-励磁绕组 4-风扇 5-轴承 6-轴 7-端盖 8-换向极
4、9-换向极绕组 10-端盖 11-电刷装置 12-换向器 13-电枢绕组 14-电枢铁心,电 机 结 构,（1）额定功率：定义为额定状态下的输出功率，用 表示；,直流电机的额定数据,对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率 ； 对于发电机，额定功率则是指定子侧绕组输出的电功率。,（2）额定电压：定义为额定状态下的电压，用 表示；,（3）额定电流：定义为额定状态下的电流，用 表示。,（4）额定转速：定义为额定状态下的转速，用 表示；,（5） 额定效率： 定义为额定条件下电机的输出功率与输入功率之比，用 表示。 （6） 额定励磁电压、额定励磁电流,额定数据之间存在如下关系： 对于直流电动机：
5、 对于直流发电机：,（2-2）,（2-1）,3.2 直流电机的电枢绕组,A、对电枢绕组的要求,正、负电刷之间所感应的电势应尽可能大 节省材料、结构简单 强度高（电、机械、热）、运行可靠,B、直流电机的简单绕组,结论: 电枢绕组为闭合绕组; 直流线圈基本上是整距线圈,C、直流电枢绕组的基本型式,a、几个术语,分类：叠绕组、波绕组、混合绕组,元件：即单个绕组，它是多匝线圈组成；元件数S 极距：一个主磁极在电枢表面所跨的距离/相邻两主极之间的距离，用 表示；,(3) 槽和虚槽 槽数Q 、虚槽数Qu 元件数S=换向片数K=虚槽数Qu (4) 第一节距 同一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离 y1
6、 根据第一节距与极距的关系，绕组分为整距绕组、短距绕组或长距绕组 (5) 合成节距 相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面所跨的距离 y 元件的连接次序和连接规律就取决于合成节距 叠绕和波绕的差别主要体现在合成节距上,(6) 换向器节距 在换向器表面上，同一个元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离 yc 换向器节距 yc = 合成节距 y,单叠绕组连接实例,已知数据 p=2 (4极) S=K=Qu=16 (单叠绕组 Q=Qu，即转子16槽) 步骤 (1) 计算数据 y和y1 (2) 画绕组展开图 (3) 放置磁极和电刷,y=yc=1,元件1 上元件边放在1号槽，下元件边就放在5号槽 元
7、件2 上元件边放在2号槽，下元件边就放在6号槽 以此类推,n,单叠绕组的特点,3.3 直流电机的各种励磁方式与磁场,3.3.1 直流电机的各种励磁方式,励磁绕组的供电方式,注意励磁绕组的绕制和连接,3.3.2 空载时 直流电机的磁场,空载： 直流电机的空载是指电枢电流(或输出功率)为零的运行状态。 主磁场： 仅由定子励磁磁势（或安匝）单独产生的磁场称为主磁场，亦即空载时的总磁场（或气隙磁场）；,A、空载主磁场的分布,或很小,注意经过的路径,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电机的磁极和磁路,3.3.3 负载时 直流电机的电枢反应磁场,A、电枢反应与电枢反应磁势的性质,电枢磁势： 直流电机负
8、载后的电枢电流所产生的磁势（或安匝数），称为 电枢磁势。 电枢反应： 电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应，相应的电枢磁势又 称为电枢反应磁势。,直流电枢磁势的特点： 电枢磁势与定子直流励磁磁势相互垂直； 电枢磁势与定子励磁磁势一样相对定子静止 不动。,电枢磁势单独作用所产生的电枢磁场分布图,考虑磁路饱和的情况,3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩,3.4.1 电枢绕组的感应电动势,每根导体的瞬时电势为：,导体沿圆周的线速度为：,每根导体的平均电势为：,每条支路即正、负电刷之间的感应电势为：,式中， 为电势常数， 为每极下的磁通。,结论： 直流电机正、负电刷之间的感应电势与转子转速以及每极的磁通成
9、正比。,3.4.2 电枢的电磁转矩,每根导体所产生的电磁力和电磁转矩分别为：,微元dx上的导体所产生的电磁转矩为：,每极下的电磁转矩为：,总电磁转矩为：,式中， 为转矩系数。,结论： 直流电机所产生的电磁转矩与电枢电流以及每极的磁通成正比。,直流电机电磁转矩的性质 直流电机的电磁转矩与电机结构、气隙磁通及电枢电流有关。 发电机是制动性质的转矩（与电机转速反向） 电动机是驱动性质的转矩（与电机转速同向）,3.5 直流电机的基本方程和功率流程图,1、当直流电机作发电机运行,a、电压平衡方程式,假定直流发电机的正方向如图所示（又称为发电机惯例）。,直流发电机的暂（动）态电压平衡方程式变为：,其稳态运
10、行时的电势平衡方程式为：,他励,并励,串励,b、转矩平衡方程式,直流发电机暂态和稳态运行时的动力学方程式分别为：,2. 当直流电机作电动机运行,根据图中各物理量的假定正方向（即电动机惯例），得暂（动）态电压平衡方程式为：,一旦电动机稳态运行，则可获得直流电动机的稳态电压平衡方程式为：,a、电压平衡方程式,b、转矩平衡方程式,根据牛顿第二定律和图中假定的正方向，得直流电动机暂态运行时的动力学方程式为：,稳态时，机械角速度 =常数，则稳态运行时的动力学方程式变为：,他励,并励,串励,C、直流电机的电磁功率,直流发电机：从机械功率转化为电功率的那一部分功率 直流电动机：从电功率转化为机械功率的那一部
11、分功率 电磁功率Pem是能量形态变化的基础。,D、直流电机的功率流程图,以并励直流电动机为例加以说明。,由KCL得：,于是，输入电功率为：,(2-32),考虑到 ，则式（2-32）变为：,经过气隙的电磁功率为：,又电磁转矩： ，于是有：,其中，机械轴上的输出功率为： ；空载损耗 ；,同样的过程，可得并励直流发电机的功率流程图如下图所示。,例题：一台并励直流发电机，PN=20KW，UN=230V，nN=1500r/min,电枢回路总电阻Ra=0.156,励磁回路总电阻Rf =73.3，额定负载时的机械损耗和铁耗pmec+pfe=1KW,设附加损耗pad=0.01PN 求：额定运行时电枢回路和励磁回路的铜耗、电磁功率、电磁转矩和效率。,作业：一台并励直流电动机，UN=220V，额定电枢电流 IaN =75A，nN=1000r/min,电枢回路总电阻Ra=0.26,励磁回路总电阻Rf = 91，额定运行时机械损耗pmec=198W，铁耗pfe=600W,不计附加损耗 求：额定运行时电枢回路铜耗、励磁回路的铜耗、 电磁功率、输出功率、电磁转矩、输出转矩、效率。,