01直流电机.

直流电机1.直流电机基本工作原理2.直流电机基本结构3.直流电机电枢绕组4.直流电机中的磁场5.直流电动机的基本方程及运行特性6.直流发电机的基本方程及运行特性电机及拖动技术直流电机一、直流电动机的工作原理左手定则：判断通电指导线在磁场中受力方向；右手定则：判断感应电流的方向。NSNS＋U－＋U－电刷换向片直流电机电磁关系在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用：①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；②把外面不转的电路与转动的电路联接。直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)机械负载克服反电动势做功换向Φ旋转直流电机直流发电机的工作原理NSNS－E＋－E＋直流电机电磁关系输出直流电原动机感应电动势、电流电磁转矩（阻转矩）做功Φ换向换向器和电刷的共同作用：①将线圈中的交流电动势整流成电刷间的直流电动势；②把转动的电路与外面不转的电路相连接。直流电机二、直流电机基本结构主要部件：1.定子部分（1）主磁极。（2）换向极。（3）机座。（4）电刷装置等。(a)主磁极(b)机座直流电机2.转子部分（1）电枢铁芯（2）电枢绕组（3）换向器等(a)转子主体(b)电枢钢片直流电机三、直流电枢绕组AB12345678AB1234876576548123ABAB12345678结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。直流电机电动机发电机eeeeeeee＋－＋E－A12348765BIaeeeeeeee12348765AB＋－Ia＋E－直流电机单叠绕组的展开图例如：已知一台直流电机，Z=S=K=12，2P=4，接成单叠绕组，下面绘制展开图。NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2nA1A2B1B236'47'58'11'810'79'6912'101'112'5'24'13'12直流电机直流电机铭牌数据直流电机额定值1.额定电压(UN,V)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,A)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,kW)发电机的PN：指输出电功率的额定值(PN=UN*IN*10-3)。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(PN=UN*IN*ηN*10-3)。4.额定转速(nN,r/min)：电机在UN,IN,PN情况下运行时，电机的转速。直流电机型号例如，直流电机的型号为Z2-72，其中各符号的含义为：Z-一般用途的中小型直流电机；2-第二次改型设计；7-表示机座号(其值为1~9，号数越大，电机直径越大)；2-表示铁芯长度顺序号(1为短铁芯，2为长铁芯)。Z3，Z4系列是一般用途中小型直流电机的新产品，与Z2系列相比，体积小，质量轻，转动惯量小，调速范围较大，适用于给静止的整流电源供电。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。直流电机四、直流电机的电枢反应1.直流电机的励磁方式+Ua－+Uf－他励并励串励复励MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I直流电机积复励与差复励直流电机2.直流电机空载磁场空载即电机不带负载空转、对外无功率输出的运行状态。直流电机BNS空载磁场气隙磁密分布曲线直流电机电机空载磁化特性0较大时，铁磁材料出现饱和现象，磁位降迅速增大，使磁化曲线离开气隙线弯曲呈非线性。0较少时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；直流电机3.直流电机负载时的磁场直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中的磁动势由励磁电流If产生的励磁磁动势Ff和电枢电流Ia产生的电枢磁动势Fa共同建立。直流电机电枢反应直流电机负载时，电枢磁势对主极磁场的影响。电枢反应的主要影响1)使气隙磁场发生畸变，半个磁极下磁场削弱，半个磁场下磁场加强；2)气隙磁场的畸变是物理中性线偏离几何中性线；3)考虑磁路饱和时，有去磁作用。直流电机直流电机4.电磁转矩和感应电动势(1)电磁转矩1)产生电枢电流i磁场Φ2)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：FRF→TB=ΦlBl极距R直流电机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Ia直流电机电磁转矩大小T=CTΦIa(N·m)其中CT为转矩常数。3)方向由Φ和Ia共同决定。4)性质发电机：T与n方向相反，为制动转矩。电动机：T与n方向相同，为拖动转矩。直流电机(2)感应电动势1)产生电枢旋转n磁场Φ2)大小每个导体：e=Blv导体切割磁场线的线速度：电动势：E=2Ne=2NBlv→∑ee→Ev=n2R60=n2p60=2N··l·n2p60Φl=Φn4pN60直流电机E=CeΦn(V)其中Ce为常数。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。CT=2pNCe=4pN60CTCe=602=9.55CT=9.55Ce直流电机五、直流电动机的基本方程及运行特性1.他励直流电动机的基本方程EaMIf+Uf－+U－Ia励磁电压Uf→If→Φ电枢电压U→Ia↓→T→n→Ea1)电压平衡方程式励磁电路：Uf=RfIf电枢电路：U=Ea+RaIa直流电机稳态电枢电流Ia由谁确定？T=CTΦIa，U=Ea+RaIa假设：负载不变(T不变)，Ua(Ra)变化时，Ia变化否（设Φ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=αMCIaNU(或Ra)瞬间n不变Ea不变Ia→T→T＜TLEa←n↓Ia←T←T=TL←Ia不变←直流电机2)转矩平衡方程式Tem=T0+T23)功率平衡方程式输入功率P1=UIa=(Ea+IaRa)Ia=EaIa+Ia2Ra=Pem+PCu其中，电磁功率Pem=EaIa=TemΩ=T0Ω+T2Ω=P0+P2P2：电动机轴上输出的机械功率；P0：电动机的空载损耗，包括机械损耗和铁损耗。P1=P2+PCu+Pmec＋PFe=P2+∑P∑P：直流电动机的总损耗。直流电机直流电机例题：已知一台永磁直流电动机的电枢电阻Ra=1.03Ω当在50V直流电源供电下空载运行时，电机转速为2100r/min，吸收电流是1.25A。试计算：（1）转矩常数CT’（CT’=CTF）；（2）电动机的空载损耗p0；（3）当转速为1700r/min以及电源电压为48V时，电动机的输出功率P2。直流电机解：（1）求转矩常数CT’感应电动势：转矩常数：（2）求空载损耗：空载损耗：VRIUEaaa7.4803.125.150rVnECaTmin/221.021007.4855.955.9WIEpaa6125.17.480直流电机（3）求输出功率在转速为1700r/min时，感应电动势：电枢电流Ia：电磁功率Pem：输出功率P2：VnCEea44.3917000232.0AREUIaaa31.803.144.3948WIEPaaem32831.844.39WpPPem2676132802直流电机2.他励直流电动机的工作特性1)转速n=f(T)EaCeΦn=U－RaIaCeΦ=UCeΦ=－RaCeCTΦ2T机械特性OnTn0T直流电机当T时，n下降不多。——硬特性思考：励磁电路断电的后果？If=0，Φ=Φr很小，n不能突变，E很小→T=CTΦrIa仍有一定数值。(1)若T＞TL→n→飞车！(2)若T＜TL→n→n=0→闷车！2)转矩特性Tem=f(Ia)由Tem=CTΦIa可知，Φ=ΦN不变，Tem与Ia成正比，转矩特性为过原点的直线。直流电机3)电动机的转向取决于电磁转矩Tem的方向，Tem的方向取决于Φ和Ia的方向。+Ua－IaIf+Uf－M磁场反向电枢反向+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－M直流电机4)效率特性η=f(Ia)效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，η=ƒ(Ia)的关系。式中总损耗为当不变损耗=可变损耗时，效率最高。aIUpPP112aaadFemCuaRIpppppp20直流电机直流电机2.他励直流直流发电机的基本方程式外电源Uf→If→Φ原动机→电枢→n1)电动势平衡方程式空载运行时励磁电路：电枢电路：Ia=0，U=U0=Ea+U－GIf+Uf－EaIaEa→UIf=UfRf调节Rf→If可变→Φ可变→Ea可变→U可变。直流电机空载特性U0=E=f(If)负载运行时输出电压:U=U输出电流:I=Ia电压平衡方程式:U=Ea－RaIa外特性：U=f(Ia)OIfU0Er剩磁感应电动势空载特性n=nNIa=0当IaRaIaEa(电枢反应)Un=nNIf=常数OIUn=nNIf=IfNINUNU0外特性直流电机2)转矩平衡方程式T1=Tem+T0发电机的转向由原动机决定，T1T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。3)功率平衡方程式从原动机输入的机械功率为P1=Pem+P0电磁功率Pem为aaaaaTemIEnIapNnIapNICTPFFF606022直流电机发电机输出功率P2为由于UIa=EaIa-Ia2Ra所以P2=Pem-PCu综上所述，功率平衡方程式为P1=Pem+P0=P2+PCu+P0直流电机3.并励直流发电机的自励Ea→Φ?Φ→Ea?自励条件(1)主磁极必须有剩磁Φr：(2)励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：＋U－GEaIfIaIΦr→Er→Ifr→Φ→Ea＞ErΦ与Φr方向相同→Ea＜ErΦ与Φr方向相反Φr→Er→Ifr→Ea＞Er→If＞Ifr→Φ→Ea···直流电机场阻线：场阻线的斜率：当RfRk时，EEr，能够自励。当Rf=Rk时，E不确定，不能自励。当RfRk时，E≈Er，不能自励。(3)励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If=EaRa＋Rf=Ra＋Rftan=EaIfOIfEaErRf=RkRf＜RkRf＞Rk直流电机例题：一台并励直流发电机数据为PN=82kW，UN=230VnN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259Ω，并励绕组内阻rf=22.8Ω，额定负载时，并励回路串入的调节电阻RfΩ=3.5Ω，一对电刷压降2ΔU=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。直流电机解：（1）求电磁功率励磁电流为额定负载电流为电枢电流为电枢电动势为ARrUIffNf75.85.38.22230AUPINNN52.35623010823AIIIfNa27.36575.852.356VURIUEaaNa5.2412029.027.3652302直流电机电磁功率为（2）求输入功率（3）求电磁转矩（4）求效率kWIEPaaem2.8827.3655.241kWpppPPadmFeem9182005.05.22.881mNnPTNem4.868970102.8855.955.93%1.90%1009182%10012PP直流电机六、直流电机的换向从前面分析直流电机工作原理可知，直流电机电枢绕组中的电动势和电流是交变的。电机运行时，元件会随电枢的运转从一条支路经过电刷换到另一条支路，元件电流改变方向，这一过程称为换向。直流电机直流电机1.直线换向如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时间均