電機學

ElectricMachinery（第2章直流電機）電機學

ElectricMachinery（第2章直流2.1概述直流電機工作原理直流電機額定值直流電機的主要結構部件2.1概述直流電機工作原理直流電機額定值直流電機的主2.1.1直流電機工作原理2.1.1直流電機工作原理2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機整體結構2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機整體結構2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機主磁極與換向極2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機主磁極與換向極2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機機座2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機機座2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機電樞沖片和電樞繞組2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機電樞沖片和電樞繞組2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機換向器2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機換向器2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機電刷裝置2.1.2直流電機的主要結構部件直流電機電刷裝置2.1.3直流電機的額定值額定功率：PN，單位W或kW額定電壓：UN，單位V額定電流：IN，單位A額定勵磁電壓：UfN，單位V額定勵磁電流：IfN，單位A額定轉速：nN，單位r/min額定效率：N額定轉矩：TN，單位N·m額定溫升：，單位2.1.3直流電機的額定值額定功率：PN，單位W或kW2.2直流電機電樞繞組基本特點單疊繞組單波繞組2.2直流電機電樞繞組基本特點單疊繞組單波繞組2.2.1電樞繞組基本特點電樞繞組設計的基本要求電動勢大，波形好電流大，產生并承受的電磁力和電磁轉矩大結構簡單，連接可靠便于維修換向性能好電樞繞組類型疊繞組：單疊繞組和復疊繞組波繞組：單波繞組和復波繞組蛙繞組：疊繞組與波繞組的組合2.2.1電樞繞組基本特點電樞繞組設計的基本要求2.2.1電樞繞組基本特點基本概念繞組元件：兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件邊：放在槽中切割磁力線、感應電動勢的有效邊。上（下）元件邊：放在某一槽上（下）層。端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。2.2.1電樞繞組基本特點基本概念2.2.1電樞繞組基本特點基本概念槽內每層元件邊數：u槽數Z與虛槽數Zi：Zi

=uZ元件數S、換向片數K與虛槽數Zi：S=K=Zi2.2.1電樞繞組基本特點基本概念2.2.1電樞繞組基本特點基本概念第一節距y1：兩個元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數表示極距：每個主磁極在電樞表面占據的距離，或相鄰兩主極間的距離，用弧長或虛槽數表示。y1應接近一個極距，且為整數。整距：y1=

短距：y1<

長距：y1>

2.2.1電樞繞組基本特點基本概念2.2.1電樞繞組基本特點基本概念第二節距y2：與同一換向器相連的兩個元件，第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，也常用虛槽數表示。疊繞組，y2

<0；波繞組，y2

>0;合成節距y：串聯的兩個元件對應邊在電樞表面的跨距，用虛槽數表示。y=y1+y2換向器節距yK：與每個元件相連的兩個換向器在換向器表面的跨距，用換向片數表示。y=yK2.2.1電樞繞組基本特點基本概念17第一節距y1第二節距y2合成節距y換向節距yK單疊繞組元件

右行左行單波繞組元件

右行17第一節距y1單疊繞組元件右行左行單波繞組元件右行2.2.2單疊繞組4極電機，

Z=Zi=S=K=16單疊右行整距繞組2.2.2單疊繞組4極電機，19單疊繞組是把一個主極下的元件串聯成一條支路19單疊繞組是把一個主極下的元件串聯成一條支路20并聯支路數等于極數，并聯支路對數a=2電刷放置20并聯支路數等于極數，并聯支路對數a=22.2.3單波繞組4極電機Z=Zi=S=K=15單波左行短整距繞組2.2.3單波繞組4極電機22單波繞組：所有處于同極性下的元件串聯起來構成一條支路22單波繞組：所有處于同極性下的元件串聯起來構成一條支路23并聯支路數等于2，并聯支路對數a=1

電刷放置位置23并聯支路數等于2，并聯支路對數a=1小結

直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。

直流電機電樞繞組至少有2條并聯支路。在直流電機中，通常用a

表示并聯支路對數；單疊繞組，a=p，即并聯支路對數恒等于電機極對數；單波繞組，a=1，即并聯支路對數恒等于1。電刷放置的一般原則：確保空載時通過正、負電刷引出的電動勢最大；被電刷短路的元件中的電動勢為零；端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。小結直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。2.3直流電機的磁場磁場是電機實現機電能量轉換的媒介。主極磁場可由永久磁鐵產生主極磁場也可由勵磁繞組通入直流電流或由產生。

2.3直流電機的磁場磁場是電機實現機電能量轉換的媒介2.3.1直流電機按勵磁方式分類

他勵直流電機并勵直流電機串勵直流電機復勵直流電機2.3.1直流電機按勵磁方式分類2.3.2直流電機的空載磁場

空載磁場（主磁場）：電樞電流Ia=0，僅由If建立的勵磁磁場。2.3.2直流電機的空載磁場空載磁場（主磁場）：電樞電2.3.2直流電機的空載磁場

磁通：空載是電機中的磁場是對稱分布的，分為兩部分

主磁通：經氣隙、電樞、相鄰主極下的氣隙、主極鐵芯、定子磁軛閉合。主磁通同時交鏈與勵磁繞組和電樞繞組；在電樞繞組中產生感應電動勢，實現機電能量交換；用0表示。

漏磁通：經主極間的空氣或定子磁軛閉合。不穿過氣隙；不參與機電能量交換；用表示。

總磁通：為主磁通與漏磁通之和，用m表示。2.3.2直流電機的空載磁場磁通：空載是電機中的磁場是2.3.2直流電機的空載磁場

磁通間的關系

k—主極漏磁系數，一般取值1.15~1.252.3.2直流電機的空載磁場2.3.2直流電機的空載磁場

磁動勢F0—每對極勵磁磁動勢

Nf—每極主極上的勵磁繞組匝數主磁路結構—五段式兩個氣隙兩個齒兩個主極一個定子軛一個轉子軛2.3.2直流電機的空載磁場磁動勢2.3.2直流電機的空載磁場

主磁場分布

氣隙磁密為平頂波

2.3.2直流電機的空載磁場主磁場分布32磁化曲線

起始階段為直線

其延長線為氣隙線

鐵磁飽和導致磁化曲線的彎曲32磁化曲線

起始階段為直線

其延長線為氣隙線

鐵磁2.3.3直流電機的電樞磁場

電樞繞組中的電流產生的磁場。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。一般情況下，直流電機電樞磁場方向總是對準交軸，稱為交軸電樞反應。2.3.3直流電機的電樞磁場34電刷位于幾何中性線上34電刷位于幾何中性線上35電刷偏離幾何中性線直軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢35電刷偏離幾何中性線直軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢2.3.4直流電機的電樞反應

交軸電樞反應2.3.4直流電機的電樞反應交軸電樞反應交軸電樞反應對氣隙磁場的影響使磁場的零點偏移；不飽和時，每極磁通量不變；飽和時，每極磁通量會減少。交軸電樞反應對氣隙磁場的影響38直軸電樞反應38直軸電樞反應直軸電樞反應對氣隙磁場的影響直軸電樞磁場軸線與主機軸線重合；直軸電樞磁場對勵磁磁場起去磁或助磁的作用；直軸電樞反應對氣隙磁場的影響2.3.5感應電動勢和電磁轉矩

感應電動勢E：支路中各串聯元件感應電動勢的代數和。

電磁轉矩Tem：所有導體產生的電磁轉矩的代數和。Φ為每極磁通量，空載時由勵磁電流產生，負載時由勵磁電流和電樞電流共同產生。CE為電動勢常數CT為轉矩常數，與電機結構有關。2.3.5感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢E：支路中各串聯2.4直流發電機的基本特性2.4.1基本方程并勵發電機等效電路2.4直流發電機的基本特性2.4.1基本方程并勵發電機2.4.1基本方程1、電動勢平衡方程電樞回路Ub—電刷接觸電阻電壓降，0.3~1V勵磁回路電流方程2.4.1基本方程1、電動勢平衡方程電樞回路Ub—電2.4.1基本方程2、功率平衡方程

電磁功率：電樞繞組感應電動勢E與電樞電流Ia的乘積

2.4.1基本方程2、功率平衡方程

電磁功率：電樞繞組感應2.4.1基本方程3、轉矩平衡方程

轉矩平衡方程可由功率平衡方程得出2.4.1基本方程3、轉矩平衡方程

2.4.2他勵發電機的運行特性1、空載特性

當n=常值、I=0時，U0=f(If)的關系曲線。他勵發電機特性實驗接線圖2.4.2他勵發電機的運行特性1、空載特性

2.4.2他勵發電機的運行特性1、空載特性他勵發電機空載特性曲線空載特性本質上就是通過實驗方法測定發電機實際的磁化曲線空載特性曲線測定均按他勵發電機接線方式，與電機的勵磁方式無關2.4.2他勵發電機的運行特性1、空載特性他勵發電機空載特2.4.2他勵發電機的運行特性2、負載特性

當n=常值、I=常值時，U=f(If)的關系曲線。他勵發電機負載特性曲線空載特性與負載特性之間存在一個特性三角形—EAU。2.4.2他勵發電機的運行特性2、負載特性

當2.4.2他勵發電機的運行特性3、外特性

當n=常值、If=常值時，U=f(I)的關系曲線。他勵發電機外特性曲線外特性隨負載電流增大呈下降趨勢，是由電樞回路電阻壓降和電樞反應去磁效應引起的；機端電壓隨負載變化的程度用電壓調整率衡量2.4.2他勵發電機的運行特性3、外特性

當n=2.4.2他勵發電機的運行特性4、調節特性

當n=常值、U=常值時，If

=f(I)的關系曲線。勵磁電流隨負載電流增加而增加，以補償電樞反應的去磁作用。鐵磁材料的飽和，使勵磁電流增加的速率還要高于負載電流。他勵發電機調節特性曲線2.4.2他勵發電機的運行特性4、調節特性

當2.4.3并勵發電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

并勵發電機運行特性實驗接線2.4.3并勵發電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

2.4.3并勵發電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

并勵發電機自勵條件電機有剩磁勵磁繞組連接正確勵磁回路電阻小于臨界電阻不同轉速的臨界電阻2.4.3并勵發電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

2.4.3并勵發電機的自勵條件和外特性2、外特性

當n=常值、If=常值時，U=f(I)的關系曲線。并勵發電機外特性外特性下降快，有“拐彎”電壓調整率可達20%穩態短路電流小2.4.3并勵發電機的自勵條件和外特性2、外特性

2.4.3復勵發電機的特點復勵發電機：勵磁繞中既含有并勵繞組，又含有串勵繞組的直流發電機，包括積復勵發電機（并勵繞組其主要作用）和差復勵發電機（串勵繞組其主要作用）

復勵發電機實驗接線2.4.3復勵發電機的特點復勵發電機：勵磁繞中既含有并勵繞2.4.3復勵發電機的特點復勵發電機外特性

復勵發電機外特性曲線2.4.3復勵發電機的特點復勵發電機外特性

復勵發電機外特2.5直流電動機的基本特性2.5.1基本方程

并勵電動機等效電路2.5直流電動機的基本特性2.5.1基本方程

并勵電動機2.5.1基本方程1、電動勢平衡方程

電樞回路電壓方程

電樞繞組電勢

Ra—電樞回路總等效電阻

2.5.1基本方程1、電動勢平衡方程

電樞回2.5.1基本方程

勵磁回路電壓方程

Rf=rf+rj—勵磁回路總電阻

電流方程

2.5.1基本方程

勵磁回路電壓方程

2.5.1基本方程

動態情況下的電動勢平衡方程

電樞回路

勵磁回路

2.5.1基本方程

動態情況下的電動勢平衡方程2.5.1基本方程2、功率平衡方程

電功率平衡方程

—電磁功率—電樞銅耗—勵磁繞組銅耗2.5.1基本方程2、功率平衡方程

電功率平衡2.5.1基本方程3、轉矩平衡方程

穩態

動態2.5.1基本方程3、轉矩平衡方程

穩態

2.5.2工作特性

工作特性—電動機運行時轉速n、電磁轉矩Tem和效率與負載P2的關系曲線。

直流電動機的工作特性因勵磁方式而異。

工作特性通常用實驗方法確定。2.5.2工作特性

工作特性2.5.2工作特性1、并勵電動機

工作特性實驗電路

2.5.2工作特性1、并勵電動機

2.5.2工作特性（1）并勵電動機速率特性——n=f(P2)

（2）并勵電動機轉矩特性——Tem=f(P2)

（3）并勵電動機效率特性——

=f(P2)

工作特性實驗電路

2.5.2工作特性（1）并勵電動機速率特性——n=f2.5.2工作特性2、串勵電動機

串勵電動機工作特性接線2.5.2工作特性2、串勵電動機

2.5.2工作特性2、串勵電動機

串勵電動機工作特性2.5.2工作特性2、串勵電動機

2.5.2工作特性3、復勵電動機

復勵電動機工作特性實驗電路2.5.2工作特性3、復勵電動機

2.5.3機械特性直流電動機機械特性：在U=UN=常值時，轉速n與電磁轉矩Tem之間的關系曲線n=f(Tem)。

并勵電動機

2.5.3機械特性直流電動機機械特性：在U=UN=常值時，2.5.3機械特性

串勵電動機

2.5.3機械特性

串勵電動機

2.6直流電力傳動

電力傳動系統基礎直流電機的調速直流電機的起動直流電機的制動2.6直流電力傳動電力傳動系統基礎直流電機的調速直流電2.6.1電力傳動系統基礎電力傳動的定義：用各種電動機作為原動機拖動生產機械，產生運動，電力傳動也稱為電力拖動。直流電力傳動是由直流電動機來實現的。

2.6.1電力傳動系統基礎電力傳動的定義：用各種電動機2.6.1電力傳動系統基礎運動方程

轉動慣量對于均勻圓柱體

對于同心圓柱體

2.6.1電力傳動系統基礎運動方程

轉動慣量對于均勻圓2.6.1電力傳動系統基礎1、多軸旋轉系統

轉動慣量2、直線運動系統

轉動慣量2.6.1電力傳動系統基礎1、多軸旋轉系統

轉動慣量22.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

穩定運行：電機與生產機械組成的拖動機組已運行于某一轉速，若外界短時擾動（負載突變）使轉速產生的變化在擾動消失后能隨之消失，即機組能自行恢復到原來的速度，則稱機組的運行是穩定的，否則為不穩定運行。2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

穩定運2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

穩定運行時機組的機械特性2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

不穩定運行時機組的機械特性2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

當機組n>0時，有T=Tem-TL<0，使機組速度自行下降；當機組n<0時，有T=Tem-TL>0，使機組速度自行上升；即可使機組穩定運行。

即負載機械特性曲線的切線斜率要大于電動機機械特性曲線的切線斜率。2.6.1電力傳動系統基礎穩定運行條件

當機組n2.6.2直流電機的起動電動機起動問題的引出

機械系統：電動機產生足夠大的電磁轉矩克服機組的靜止摩擦轉矩、慣性轉矩以及負載轉矩。

電氣系統：起動瞬間n=0，E=0，Ra很小，因此起動電流很大。

起動電流大將導致：電網電壓突然降低；電機本身遭受巨大電磁力的沖擊。因此，電動機起動時限制起動電流非常必要。