1、直流電機的工作原理和基本理論NSU一、直流電動機的工作原理NSUNS7.1 直流電機的工作原理一、直流電動機的工作原理NSUU電刷線圈邊切割磁感線會產生什么？換向片直流電流交流電流電磁轉矩(拖動轉矩)機械負載克 服反電動勢做功7.1 直流電機的工作原理 電磁關系換向旋轉NS二、直流發電機的工作原理NSE7.1 直流電機的工作原理E輸出直流電原動機感應電動勢、電流電磁轉矩（阻轉矩）做功 電磁 關系換向7.2 直流電機的基本結構一、主要部件1. 定子(1) 主磁極(2) 換向磁極(3) 機座(4) 端蓋等 直流電機的定子 (a) 主磁極 (b) 機座 直流電機的定子7.2 直流電機的基本結構 更多

2、的圖片 2. 轉子（電樞）(1) 電樞鐵心(2) 電樞繞組7.2 直流電機的基本結構(3) 換向器(4) 轉軸與風扇 直流電機的轉子 (a) 轉子主體 (b) 電樞鋼片 直流電樞繞組A B12345678A B1 2 3 48 7 6 57 6 5 48 1 2 3AB結論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。7.2 直流電機的基本結構A B12345678 直流電樞繞組電動機發電機兩匝元件7.2 直流電機的基本結構e e e ee e e eEA1 2 3 48 7 6 5BIae e e ee e e e1 2 3 48 7 6 5ABIaENSNS1234567891011121 2

3、 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 單疊繞組的展開圖 并聯支路對數：a = 2。 電刷的中心線對著磁極的中心線。A1A2B1B2n7.2 直流電機的基本結構3 6 4 7 5 811 8 10 7 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 單疊繞組的展開圖NSNS1234567891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 電刷的中心線對 著磁極的中心線： 電刷之間的電動 勢最大。 被電刷短接的元 件電動勢為零。 習慣稱 “電刷放在 幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線7.2 直流電機的基本結構7.2 直流電機的基本結構

4、直流電機的結構電樞7.2 直流電機的基本結構 電機裝配圖 更多的圖片 7.2 直流電機的基本結構 直流電機 更多的圖片 二、勵磁方式+Ua+Uf他勵并勵串勵復勵1. 直流電動機按勵磁方式分類7.2 直流電機的基本結構MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流發電機按勵磁方式分類自勵7.2 直流電機的基本結構他勵串勵復勵并勵GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI1. 額定電壓 UN 發電機的 UN ：指輸出電壓的額定值。 電動機的 UN ：指輸入電壓的額定值。2. 額定電流 IN 發電機的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動機的 IN ：指輸

5、入電流的額定值。3. 額定功率 PN 發電機的 PN ：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動機的 PN ：指輸出機械功率的額定值 (UN INN ) 。三、額定值7.2 直流電機的基本結構4. 額定轉速 nN5. 額定勵磁電壓 UfN6. 額定勵磁電流 IfN 額定狀態 ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態。 滿載狀態 ： 指 I = IN 的狀態。7.2 直流電機的基本結構NS7.3 直流電機的電樞反應幾何中心線 N S勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負載時的磁場）物理中心線 電樞反應：電樞磁通勢對主極磁場的影響。 電樞反應的影響 總磁場被扭歪了 幾何中心線與物

6、理中心線分開了, 電刷位置處的元件的 e0，增加換向困難。 一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少， 磁路不飽和時，每極磁通不變； 磁路飽和時，每極磁通減少，e 和T 相應減少。7.3 直流電機的電樞反應7.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1. 產生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： BlB = l極距7.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1. 產生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： 每根導線上電磁力所 形成的電磁轉矩： FRB = lBl極距RR 電樞繞組串聯總匝數： N 電

7、樞繞組并聯支路數：2a 總導體數： 2N 2a = 4aN 電樞的周長： 2R = 2p 電磁轉矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i p l= 4aN i p = 2ai 2pN 電樞電流 Ia7.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢2. 大小 T = CT IaCT 轉矩常數：3. 方向 由 和 Ia 共同決定。4. 性質 發電機： 電動機：T 與 n 方向相反，為制動轉矩。T 與 n 方向相同，為拖動轉矩。7.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢CT =2pN單位：Wb單位：A(Nm) 1. 產生 電樞旋轉 n 磁 場 2. 大小 每個導體：e = B l v 導體

8、切割磁場線的線速度： 電動勢： E = 2N e 二、電動勢 ee E 7.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢v = n2R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602= 9.55 CT = 9.55 CE7.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢CT =2pNCE =4pN60 E = CE n CE 電動勢常數：CE =4 pN60單位：Wb單位：r/min(V) 3. 方向：由 和 n 共同決定。4. 性質 發電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。7.5 直流電動機的運行分析一、他勵電動機勵磁電壓 Uf If 電樞電壓 Ua Ia Tn

9、 E 1. 電壓平衡方程式勵磁電路： Uf = Rf If電樞電路： Ua = E + Ra IaEMIf+Uf+UaIa 穩態電樞電流 Ia 由誰確定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：負載不變 ( T 不變)，Ua (Ra) 變化時， Ia 變化否（設 不變）？Ua (或Ra) 瞬間 n 不變 E 不變Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不變 結論：Ia 的大小取決于負載的大小。 當 Ia= IaN 時為滿載，當 IaIaN 時為過載。 規定短時過載的最大電樞電流： Iamax =(1.5 2)IaN =MC IaN7.5 直流電動機的運行分析機械特

10、性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T 2. 轉速O nTn0當T 時， n 下降不多 硬特性。 勵磁電路斷電的后果 當 If = 0， =r 很小，n 不能突變，E 很小T = CTr Ia 仍有一定數值。Ia (1) 若 T TL n 飛車！ (2) T TL n n = 0 悶車！ 7.5 直流電動機的運行分析7.5 直流電動機的運行分析3. 轉向取決于電磁轉矩 T 的方向。 T 的方向取決于 和 Ia 的方向。磁場反向電樞反向+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM二、并勵電動機 并勵與他勵的區別:1. 輸入電壓 U = Ua =

11、Uf2. 輸入電流 I = Ia + If3. 輸入功率 P1 = UI = UIa + UIf7.5 直流電動機的運行分析Ia+UIIfM 【例】 某并勵直流電動機，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求該電機在額定狀態下運行時的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 勵磁電流 If 7.5 直流電動機的運行分析UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 電樞電流 Ia Ia = IN If = 0.35) A = 12.15 A (2) 電動勢

12、E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE =T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 電磁轉矩7.5 直流電動機的運行分析CE =EnN2153 000= = 0.071 7 三、串勵電動機7.5 直流電動機的運行分析1. 電壓 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 電流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=3. 轉矩 T = CT Ia(1)當 Ia 較小、磁路未飽和時， Ia，T Ia2 。 (2)當 Ia 較大、磁路已飽和時，常數， T Ia 。

13、EM Uf Ua+UIIfIa 即 T Iam (1m2) 與并勵電動機比較，有如下特點：(1) 對應于相同的T ， Ia 小。(2) 對應于允許的 Iamax ，能夠產生的 T 大， Tst 和 Tmax 較大。4. 轉速7.5 直流電動機的運行分析ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra + RfCECT2T(1) 當T = 0 時，Ia = If = 0， =r，n0 = (5 6) nN。(2) 當T 很小時，Ia 很小，磁路未飽和，T Ia n 迅速下降。 (3) 當T 很大時，Ia 很大，磁路已飽和，T Ia 基本不變 n下降較少。 7.5 直流電動機的運行分析5

14、. 應用(1) 特別適用于起重機 和電氣機車等運輸機械。(2) 不能在輕載或空載下運行。(3) 不能用皮帶輪傳動。串勵電動機的機械特性軟特性O nT四、復勵電動機1. 積復勵、差復勵。2. 機械特性(1) 有較大的Tst 。(2) 可以空載運行。并勵復勵7.5 直流電動機的運行分析MIaIf+UI串勵O nT7.6 直流電動機的功率和轉矩1. 功率平衡方程式(1) 輸入功率 P1 P1 = U I(2) 銅損耗 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 電磁功率 Pe Pe = P1 PCu 推導： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) I

15、aRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 Pe = E Ia 一、直流電動機的功率7.6 直流電動機的功率和轉矩Pe = E Ia = CE n Ia = T 260= CT n Ia 功率流程圖P1PCuPeP0P22. 轉矩平衡方程式 空載： T = T0 負載: T = T0 + T2 260T2n =(4) 空載損耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 輸出功率P2 P2 = Pe P0 = T27.6 直流電動機的功率和轉矩(6) 總損耗 Pal = PCu PFePmePad (7) 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal(8) 效率P2P1 = 100%二、直

16、流電動機的轉矩 T = T0 TL 【例】 一并勵電動機，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求該電機的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。 解：P2P1 = 100%6.2860= 6.81 500 W = 1 067.6 W Pe = P2P0 = 143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 375 WPal = P1P2 = (1 3751 067.6) W = 307.4 W7.6 直流電動機的功率和轉矩260P2= TLn 6.2860=

17、 0.91 500 W = 143.3 W 260P0= T0n 1 067.61 375= 100% = 77.64% 7.7 直流發電機的運行分析一、他勵發電機外電源Uf If E n原動機電樞Ua 1. 空載運行勵磁電路：If =UfRf勵磁電路總電阻電樞電路： Ia = 0， Ua = U0 = E調節RfIf 可變 可變E 可變 Ua可變。 +UaGIf+UfEIa U0 = E = f (If ) 空載特性OIfU0Er剩磁感應電動勢2. 負載運行 輸出電壓: U = Ua 輸出電流: I = Ia 電壓平衡方程式 U = Ua = ERa Ia當 IaRa IaE (電樞反應)U

18、a 外特性 U = f (I )n = nNIa = 0OIUn = nNIf = IfNINUNU0n = nNIf = 常數7.7 直流發電機的運行分析空載特性外特性 電壓調整率VR =U0UNUN100%( 5% 10% ) 調整特性 當 n = nN，U = UN 時： If = f ( I )OI If IfNIN7.7 直流發電機的運行分析調整特性 【例】 一他勵直流發電機， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra 。如果磁通 保持不變，求 1 000 r/min 時的空載電壓 U0 和 900 r/min 時的滿載電壓 U 。 解：在

19、 nN 和 UN 時的電樞電流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在 保持不變時， E n10103230= A = 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V 7.7 直流發電機的運行分析U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V二、并勵發電機Ua E ? E ? 1. 自勵條件(1) 主磁極必須有剩磁r ：rErIfrEEr與r 方向相同EEr與r 方向相反(2) 勵磁電流產生的磁通必須與剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 與

20、If 既應滿足空載特性又應滿足歐姆定律。7.7 直流發電機的運行分析GEIfIaI當 Rf Rk 時， E Er ， 能夠自勵。當 Rf = Rk 時， E不確定，不能自勵。當 Rf Rk 時， EEr，不能自勵。(3) 勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If場阻線：場阻線的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk7.7 直流發電機的運行分析2. 運行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI Ia RaIa E (電樞反應)Uf Ua 外特性 U = f ( I )n = nNRf

21、= 常數OIUU0他勵并勵(1) 負載增加時， U 下降較快。 VR 20%7.7 直流發電機的運行分析EUaIfIaIG(2) 外特性有拐彎現象。OI UU0他勵并勵INUNRL I (Ia) U 低飽和磁路RL U If E (較大幅度) U 的下降比 RL的減少得更快 I = U / RLRL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 較小。(3) 穩態短路電流不大。7.7 直流發電機的運行分析 【例】 例7.7.1 中的他勵發電機，勵磁繞組的電阻為 100。轉速為 1 000 r/min 時的空載特性如圖所示。今將它改作并勵發電機運行。問勵磁電路

22、內應串聯多大的電阻才能獲得 230 V 的空載電壓和滿載電壓？ 解：空載運行時EIfRf = U0 = ERa If E 查空載特性得： If = 1.5 A 時 E = 230 V 根據 E = ( RaRf ) If可得2301.5= = 153.3 7.7 直流發電機的運行分析01 2 3 4 If /AE/V300200100應串聯的電阻為： R = Rf100 100) = 53.3 若要滿載電壓為230 V，則需 E = 247 V。再查空載特性得： If = 2 A 時 E = 247 V 根據 UN = Rf If可得2302= ( 100 ) = 15 01 2 3 4 If

23、 /AE/V300200100UNIfR = 100 7.7 直流發電機的運行分析*三、串勵發電機1. 基本關系 I = Ia = If U = Ua Uf = E ( RaRf ) I2. 外特性空載時，I = Ia = If = 0 = r ，E = Er 負載時，I (If) U I (If) 7.7 直流發電機的運行分析OIUEr外特性 磁路飽和E不再增加電阻壓降 U 。 G+UIfIIa四、復勵發電機1. 分為積復勵和差復勵2. 對于積復勵發電機(1) 平復勵發電機 當 I = IN 時的 UN = U0 。(2) 過復勵發電機 當 I = IN 時的 UNU0 。(3) 欠復勵發電機 當 I = IN 時的 UN U0 。他勵并勵過復勵IN平復勵欠復勵差復勵7.7 直流發電機的運行分析OIUUNGIIaIf+U7.8 直流發電機的功率和轉矩一、直流發電機的功率1. 輸入功率 P1 :2. 空載損耗 P0 :3. 電磁功率 Pe :4. 銅損耗 PCu :5. 輸出功率 P2 :P1 = T1P0 = PFePmePadPe = P1 P0= T = E Ia PC