大学考研-电动与拖动课件-第7章直流电机的基本理论

LFChun制作大连理工大学电气工程系第7章直流电机的基本理论7.1直流电机的工作原理7.2直流电机的基本结构7.3直流电机的电枢反应7.4电流电机的电磁转矩和电动势7.5直流电动机的运行分析7.6直流电动机的功率和转矩7.7直流发电机的运行分析7.8直流发电机的功率和转矩第7章直流电机的基本理论7.1直流电机的工作原理7.2直流电机的基本结构7.3直流电机的电枢反应7.4电流电机的电磁转矩和电动势7.5直流电动机的运行分析7.6直流电动机的功率和转矩7.7直流发电机的运行分析7.8直流发电机的功率和转矩电机与拖动返回主页大连理工大学电气工程系NS－U＋7.1直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理NS第7章直流电机的基本理论＋U－大连理工大学电气工程系NS7.1直流电机的工作原理一、直流电动机的工作原理第7章直流电机的基本理论NS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片大连理工大学电气工程系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7.1直流电机的工作原理电磁关系换向Φ旋转大连理工大学电气工程系NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋7.1直流电机的工作原理－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Φ换向大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构一、主要部件1.定子(1)主磁极(2)换向磁极(3)机座(4)端盖等第7章直流电机的基本理论直流电机的定子(a)主磁极(b)机座大连理工大学电气工程系直流电机的定子7.2直流电机的基本结构更多的图片大连理工大学电气工程系2.转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组7.2直流电机的基本结构(3)换向器(4)转轴与风扇直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢钢片大连理工大学电气工程系直流电枢绕组AB12345678AB1234876576548123AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。7.2直流电机的基本结构AB12345678大连理工大学电气工程系直流电枢绕组电动机发电机两匝元件7.2直流电机的基本结构eeeeeeee＋－＋E－A12348765BIaeeeeeeee12348765AB＋－Ia＋E－大连理工大学电气工程系NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2单叠绕组的展开图※并联支路对数：a=2。※电刷的中心线对着磁极的中心线。A1A2B1B2n7.2直流电机的基本结构36'47'58'11'810'79'6912'101'112'5'24'13'12大连理工大学电气工程系单叠绕组的展开图NSNS12345678910111212356891112A1B1A2B2n※电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线7.2直流电机的基本结构大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构直流电机的结构电枢大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构电机装配图更多的图片大连理工大学电气工程系7.2直流电机的基本结构直流电机更多的图片大连理工大学电气工程系二、励磁方式+Ua－+Uf－他励并励串励复励1.直流电动机按励磁方式分类7.2直流电机的基本结构MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I大连理工大学电气工程系2.直流发电机按励磁方式分类自励7.2直流电机的基本结构他励串励复励并励GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I大连理工大学电气工程系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(UNIN)。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(UNINηN)。三、额定值7.2直流电机的基本结构大连理工大学电气工程系4.额定转速nN5.额定励磁电压UfN6.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。7.2直流电机的基本结构大连理工大学电气工程系NS7.3直流电机的电枢反应几何中心线NS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）物理中心线电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。第7章直流电机的基本理论大连理工大学电气工程系电枢反应的影响①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e≠0，增加换向困难。②一半磁极的磁通增加，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。7.3直流电机的电枢反应大连理工大学电气工程系7.4直流电机的电磁转矩和电动势一、电磁转矩1.产生电枢电流i磁场ΦF→T2.大小电磁力：F=Bli平均磁密：第7章直流电机的基本理论BlB=Φl极距大连理工大学电气工程系7.4直流电机的电磁转矩和电动势一、电磁转矩1.产生电枢电流i磁场ΦF→T2.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：FR第7章直流电机的基本理论B=ΦlBl极距R大连理工大学电气工程系R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Ia7.4直流电机的电磁转矩和电动势大连理工大学电气工程系2.大小T=CTΦIaCT转矩常数：3.方向由Φ和Ia共同决定。4.性质发电机：电动机：T与n方向相反，为制动转矩。T与n方向相同，为拖动转矩。7.4直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pN单位：Wb单位：A(N·m)大连理工大学电气工程系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二、电动势e→∑e→E7.4直流电机的电磁转矩和电动势v=n2R60=2NBlv=2N··l·n2p60Φl=n2p60=Φn4pN60大连理工大学电气工程系CTCE=602=9.55CT=9.55CE7.4直流电机的电磁转矩和电动势CT=2pNCE=4pN60E=CEΦnCE电动势常数：CE=4pN60单位：Wb单位：r/min(V)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。大连理工大学电气工程系7.5直流电动机的运行分析一、他励电动机励磁电压Uf→If→Φ电枢电压Ua→Ia↓→T→n→E1.电压平衡方程式励磁电路：Uf=RfIf电枢电路：Ua=E+RaIa第7章直流电机的基本理论EMIf+Uf－+Ua－Ia大连理工大学电气工程系稳态电枢电流Ia由谁确定？T=CTΦIa，Ua=E+RaIa例如：负载不变(T不变)，Ua(Ra)变化时，Ia变化否（设Φ不变）？Ua(或Ra)瞬间n不变E不变Ia→T→T＜TLE←n↓Ia←T←T=TL←Ia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=αMCIaN7.5直流电动机的运行分析大连理工大学电气工程系机械特性ECEΦn=Ua－RaIaCEΦ=UaCEΦ=－RaCECTΦ2T2.转速OnTn0当T时，n下降不多——硬特性。励磁电路断电的后果当If=0，Φ=Φr很小，n不能突变，E很小→T=CTΦrIa仍有一定数值。→Ia(1)若T＞TL→n→飞车！(2)T＜TL→n→n=0→闷车！7.5直流电动机的运行分析大连理工大学电气工程系7.5直流电动机的运行分析3.转向取决于电磁转矩T的方向。T的方向取决于Φ和Ia的方向。磁场反向电枢反向+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－M大连理工大学电气工程系二、并励电动机并励与他励的区别:1.输入电压U=Ua=Uf2.输入电流I=Ia+If3.输入功率P1=UI=UIa+UIf7.5直流电动机的运行分析Ia+U－IIfM大连理工大学电气工程系【例7.5.1】某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628Ω，Ra=0.41Ω。求该电机在额定状态下运行时的：(1)If；(2)Ia；(3)E；(4)T。解：(1)励磁电流If7.5直流电动机的运行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢电流IaIa=IN－If=(12.5－0.35)A=12.15A(2)电动势EE=UN－RaIa=(220－0.41×12.15)V=215V大连理工大学电气工程系CTΦ=9.55CEΦ=0.685T=CTΦIa=0.685×12.15N·m=8.32N·m(4)电磁转矩7.5直流电动机的运行分析CEΦ=EnN2153000==0.0717大连理工大学电气工程系三、串励电动机7.5直流电动机的运行分析1.电压U=Ua+Uf=E+(Ra+Rf)I2.电流I=Ia=IfRa+RfU－E=CTΦT=3.转矩T=CTΦIa(1)当Ia较小、磁路未饱和时，Φ∝Ia，T∝Ia2。(2)当Ia较大、磁路已饱和时，Φ≈常数，T∝Ia。EM＋Uf－＋Ua－+U－IIfIa大连理工大学电气工程系即T∝Iam(1＜m＜2)与并励电动机比较，有如下特点：(1)对应于相同的T，Ia小。(2)对应于允许的Iamax，能够产生的T大，Tst和Tmax较大。4.转速7.5直流电动机的运行分析ECEΦn=U－(Ra+Rf)IaCEΦ=UCEΦ=－Ra+RfCECTΦ2T(1)当T=0时，Ia=If=0，Φ=Φr，n0=(5~6)nN。大连理工大学电气工程系(2)当T很小时，Ia很小，磁路未饱和，T→Ia→Φ→n迅速下降。(3)当T很大时，Ia很大，磁路已饱和，T→Ia→Φ基本不变→n下降较少。7.5直流电动机的运行分析5.应用(1)特别适用于起重机和电气机车等运输机械。(2)不能在轻载或空载下运行。(3)不能用皮带轮传动。串励电动机的机械特性软特性OnT大连理工大学电气工程系四、复励电动机1.积复励、差复励。2.机械特性(1)有较大的Tst。(2)可以空载运行。并励复励7.5直流电动机的运行分析MIaIf+U－I串励OnT大连理工大学电气工程系7.6直流电动机的功率和转矩1.功率平衡方程式(1)输入功率P1P1=UI(2)铜损耗PCuPCu=RaIa2＋RfIf2(3)电磁功率PePe=P1－PCu推导：UI=U(Ia＋If)=UaIa＋UfIf=(E＋RaIa)Ia＋RfIf2=EIa＋RaIa2＋RfIf2第7章直流电机的基本理论Pe=EIa一、直流电动机的功率大连理工大学电气工程系7.6直流电动机的功率和转矩Pe=EIa=CEΦnIa=TΩ260=CTΦnIa功率流程图P1PCuPeP0P22.转矩平衡方程式空载：T=T0负载:T=T0+T2260T2n=(4)空载损耗P0P0=PFe＋Pme＋Pad(5)输出功率P2P2=Pe－P0=T2Ω大连理工大学电气工程系7.6直流电动机的功率和转矩(6)总损耗Pal=PCu＋PFe＋Pme＋Pad(7)功率平衡方程式P1－P2=Pal(8)效率P2P1=×100%二、直流电动机的转矩T=T0＋TL大连理工大学电气工程系【例7.6.1】一并励电动机，UN=110V，IN=12.5A，nN=1500r/min，TL=6.8N·m，T0=0.9N·m。求该电机的P2、Pe、P1、Pal和。解：P2P1=×100%6.2860=×6.8×1500W=1067.6WPe=P2＋P0=(1067.6＋143.3)W=1208.9WP1=UNIN=110×12.5W=1375WPa