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1、第1章直流电机(2)第1页，共70页，编辑于2022年，星期日1.4.2 直流电机的空载磁场（主磁场）（励磁绕组单独作直流电机的空载磁场（主磁场）（励磁绕组单独作用）用）开路无电流开路无电流.无负载无负载第2页，共70页，编辑于2022年，星期日（只考虑一对极）（只考虑一对极）1.主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通定子磁轭定子磁轭励磁绕组励磁绕组电枢磁轭电枢磁轭主磁极主磁极第3页，共70页，编辑于2022年，星期日 磁路磁路：磁力线经过的路径：磁力线经过的路径。磁感应强度磁感应强度B(磁通密度磁通密度):描述磁介质中实际的描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量磁场强弱和方向的物理量(T)。磁场强度
2、磁场强度H:代表电流本身产生的磁场的强弱，反应了代表电流本身产生的磁场的强弱，反应了电流的励磁能力，与介质无关。电流的励磁能力，与介质无关。磁通磁通(动动)势势F:线圈匝数线圈匝数N和电流和电流I的乘积的乘积.磁通磁通 :穿过某一截面穿过某一截面S S的磁感的磁感应强度应强度B B 的通量，即穿过截面的通量，即穿过截面S S的磁力线根数称为磁感应通的磁力线根数称为磁感应通量，简称磁通量，简称磁通(Wb)第4页，共70页，编辑于2022年，星期日 主主磁磁路路：大大部部分分磁磁力力线线的的路路径径是是由由N 极极出出来来，经经气气隙隙进进入入电电枢枢齿齿部部，再再经经过过电电枢枢铁铁心心的的磁磁
3、扼扼到到另另一一个个部部分分的的电电枢枢齿齿，又又通通过过气气隙隙进进入入S 极极，再再经经定定子子磁磁扼扼回回到到原原来来的的N 极极。这这部部分磁路通过的磁通称为主磁通，磁路称为主磁路。分磁路通过的磁通称为主磁通，磁路称为主磁路。漏漏磁磁路路:还还有有一一小小部部分分磁磁感感应应线线，它它们们不不进进入入电电枢枢铁铁心心，直直接接经经过过相相邻邻的的磁磁极极或或者者定定子子磁磁扼扼形形成成闭闭合合回回路路这这部部分分磁磁通通称称漏漏磁磁通，所经过的磁路称为漏磁路通，所经过的磁路称为漏磁路.第5页，共70页，编辑于2022年，星期日主磁通主磁通漏磁通漏磁通?主磁通主磁通产生感应电动势和电磁转
4、矩产生感应电动势和电磁转矩磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁阻磁阻r=/0,硅钢片为硅钢片为700070001000010000第6页，共70页，编辑于2022年，星期日 2 2 O x N S B0 2.主磁场磁密（主磁场磁密（B）的分布波形）的分布波形磁场轴线磁场轴线 磁极轴线磁极轴线 第7页，共70页，编辑于2022年，星期日当励磁磁势一定时，气隙当励磁磁势一定时，气隙 越大（磁阻越大（磁阻 越大），气隙磁越大），气隙磁密密（磁通（磁通）越小；当电机制成以后气隙）越小；当电机制成以后气隙 为定值，为定值，励磁电励磁电流流 增加增加，气隙磁密，气隙磁密 增加，即增加，即磁通磁通 增加增加。励磁电流
5、励磁电流 增加，气隙磁密（磁通）增加，气隙磁密（磁通）一直增加一直增加?结论结论第8页，共70页，编辑于2022年，星期日3.磁化曲线磁化曲线 电机主磁通与励磁电流的关系电机主磁通与励磁电流的关系励磁电流较小时铁心不饱和，磁通势励磁电流较小时铁心不饱和，磁通势主要作用在气隙上主要作用在气隙上励磁电流较大时铁心饱和，磁励磁电流较大时铁心饱和，磁阻很大，阻很大，励磁电流与磁通是非励磁电流与磁通是非线性关系。线性关系。aINfIf 0field第9页，共70页，编辑于2022年，星期日1.4.3 直流电机的电枢磁场（负载磁场）（电枢绕组单独作直流电机的电枢磁场（负载磁场）（电枢绕组单独作用）用）电枢
6、磁通势：电枢电流产生的磁通势。电枢磁通势：电枢电流产生的磁通势。电枢磁场：电枢磁通势产生的磁场。电枢磁场：电枢磁通势产生的磁场。第10页，共70页，编辑于2022年，星期日1.磁密分布磁密分布 几何几何中性线中性线 直轴直轴d 交轴交轴q Fa 2 2 O x x Fa(x)Ba(x)电枢磁密在空间呈马鞍形分布电枢磁密在空间呈马鞍形分布第11页，共70页，编辑于2022年，星期日Ba 2 2 O x N S B0 B 将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为 零的点连接成的直线零的点连接成的直线物理中性线。物理中性线。物理物理 中性线中性线 1.4.4 合成磁场合成磁场
7、磁路饱和磁路饱和几何几何中性线中性线 电角度电角度第12页，共70页，编辑于2022年，星期日电枢反应的概念：电枢反应的概念：电枢磁场对主极磁场的影响。电枢磁场对主极磁场的影响。1.4.5 电枢反应电枢反应 电枢反应的结果电枢反应的结果 气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用：气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用：电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。磁路不饱和时，每极下的磁通量不变；磁路不饱和时，每极下的磁通量不变；磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。物理中性线偏离了几何中性线：物理中性线偏离了几何中性线：对发电机：顺着
8、电枢旋转方向偏移；对发电机：顺着电枢旋转方向偏移；对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。第13页，共70页，编辑于2022年，星期日1.4.7 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式励磁方式：对励磁绕组如何供电，产生励磁磁通势而产生励磁方式：对励磁绕组如何供电，产生励磁磁通势而产生主磁场主磁场。第14页，共70页，编辑于2022年，星期日MMIfIa 他励他励 并励并励 串励串励 复励复励 1.直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类I If Ia Ua Uf U MMU I Ia UI If If Ia 第15页，共70页，编辑于2022年，星期日2.直流发电
9、机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类GI Uf Ua If Ia 分为他励和自励。分为他励和自励。GI Ia U If GIa If I U GIa U If I 他励他励 串励（自励）串励（自励）并励（自励）并励（自励）复励（自励）复励（自励）第16页，共70页，编辑于2022年，星期日1.5 直流电机的电动势和电磁转矩直流电机的电动势和电磁转矩1.5.1 感应电动势感应电动势Ea直流发电机运行时，电枢元件在磁场中运动，产生切割电动直流发电机运行时，电枢元件在磁场中运动，产生切割电动势；直流电动机运行时，电枢元件切割主极磁场，也会产生势；直
10、流电动机运行时，电枢元件切割主极磁场，也会产生感应电动势。感应电动势。电枢电动势是指直流电机正、负电电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电势。刷之间的感应电势。第17页，共70页，编辑于2022年，星期日每条支路的感应电动势。每条支路的感应电动势。一条支路所有元件的感应一条支路所有元件的感应电动势的和。电动势的和。一条支路各个元件的感应电一条支路各个元件的感应电动势的瞬时值不等。动势的瞬时值不等。一个元件的感应电动势平均值，一个元件的感应电动势平均值，再乘以支路元件数。再乘以支路元件数。1 2 3 48 7 6 5ABIae e e e e e e e E第18页，共70页，编辑于202
11、2年，星期日1.一个元件的平均电动势一个元件的平均电动势Ea1法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律电角速度电角速度每极磁通每极磁通:第19页，共70页，编辑于2022年，星期日2.一条支路的平均电动势一条支路的平均电动势Ean(电枢感应电动势电枢感应电动势)1.感应电动势的大小与磁通、转速成正比感应电动势的大小与磁通、转速成正比电动势常数电动势常数2.只考虑感应电动势的大小，未考虑其方向。电动机只考虑感应电动势的大小，未考虑其方向。电动机和发电机方向相反。和发电机方向相反。armaturearmature第20页，共70页，编辑于2022年，星期日1.5.2 电磁转矩电磁转矩Tem 无论是直流
12、电动机还是直流发电机，当电枢元件中无论是直流电动机还是直流发电机，当电枢元件中有电流时，在磁场中运动，会受到电磁力有电流时，在磁场中运动，会受到电磁力(转矩转矩)。第21页，共70页，编辑于2022年，星期日1.一根导体所受到的平均电磁力一根导体所受到的平均电磁力 2.每根导体产生的平均电磁转矩每根导体产生的平均电磁转矩 3.电枢表面电枢表面N根导体产生的电磁转矩根导体产生的电磁转矩Tem=NTav=N Bav lia D 2=N l l Ia 2a p =IapN2 a 转矩常数转矩常数第22页，共70页，编辑于2022年，星期日1.1.电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流。电磁转矩的大小
13、正比于每极磁通和电枢电流。2.只考虑只考虑电磁转矩电磁转矩的大小，未考虑其方向。电动的大小，未考虑其方向。电动机和发电机方向相反。机和发电机方向相反。第23页，共70页，编辑于2022年，星期日1.6 直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理1.6.1 直流电动机稳态基本方程式直流电动机稳态基本方程式(以他励电机为例以他励电机为例)TemT0+T2IfIaEaMGU+-+-UfnEa 反电动势反电动势直流电机的稳态是指电机的电直流电机的稳态是指电机的电压、电流、转矩和转速均保持压、电流、转矩和转速均保持不变的一种运行状态不变的一种运行状态第24页，共70页，编辑于2022年，星期日1.电压平衡
14、方程式电压平衡方程式 U=Ea+IaRaU=Ea+Iara+2Ub 直流电机作电动机运行时，感应电动势直流电机作电动机运行时，感应电动势 小于电源电小于电源电压压，即，即 。电枢电流。电枢电流 为正值，电流由电源流向电为正值，电流由电源流向电机，电功率机，电功率 为正，向电动机输入电功率。为正，向电动机输入电功率。第25页，共70页，编辑于2022年，星期日TemT0+T2IfIaEaMGU+-+-Ufn2.转矩平衡方程式转矩平衡方程式转矩平衡方程转矩平衡方程T em=T2+T0=TL+T0输出转矩输出转矩空载转矩空载转矩负载转矩负载转矩第26页，共70页，编辑于2022年，星期日3.功率平衡
15、方程式功率平衡方程式(1)输入功率输入功率U=Ea+Iara+2Ub 铜损耗铜损耗电磁功率电磁功率电刷损耗电刷损耗第27页，共70页，编辑于2022年，星期日(2)电磁功率电磁功率Pem=EaIa=Ce n Ia=Tem 2 60=CT n Ia 结论：结论：电电动动机机将将电电枢枢吸吸收收的的电电功功率率 EaIa 转转换换成成了了机机械械功功率率 Tem ，故故称称 EaIa 和和 Tem 为电磁功率。为电磁功率。结论：结论：功率转换的媒介是磁场。功率转换的媒介是磁场。第28页，共70页，编辑于2022年，星期日(3)输出功率输出功率P2根据转矩平衡方程根据转矩平衡方程等式两边同时乘以等式
16、两边同时乘以 空载损耗空载损耗电动机铭牌上的功率电动机铭牌上的功率第29页，共70页，编辑于2022年，星期日(4)(4)总方程总方程总损耗总损耗第30页，共70页，编辑于2022年，星期日(5)总损耗总损耗(6)效率效率第31页，共70页，编辑于2022年，星期日(7)功率流程图功率流程图功率流程图功率流程图P1pCua+pbPemp0P2第32页，共70页，编辑于2022年，星期日1.6.2 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性第33页，共70页，编辑于2022年，星期日1.他他(并并)励电动机励电动机U=Ea+IaRaEa=Ce nnIa0n0INnN nN(1)转速特性转速特性：n
17、=f(Ia）理想空载转理想空载转速速转速降转速降固有转速特性固有转速特性第34页，共70页，编辑于2022年，星期日(2)转矩特性：转矩特性：Tem=f(Ia）TemIa0(3)效率特性：效率特性：=f(Ia）Ia0 =maxmax第35页，共70页，编辑于2022年，星期日他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的工作特性第36页，共70页，编辑于2022年，星期日 【例例23】已知某并励直流电动机，已知某并励直流电动机，PN=22 kW,UN=220 V,IN=115 A,nN=1500 r/min,电枢电阻电枢电阻Ra=0.18 ，励磁电阻，励磁电阻 Rf628 。试求：。试求：(1)CE
18、 N、CT N；(2)电磁转矩电磁转矩 Tem；(3)额定输出转矩额定输出转矩 T2；(4)空载转矩空载转矩T0；(5)理想空载转速理想空载转速 n0 与实际空载转速与实际空载转速 n 0。解：解：(1)第37页，共70页，编辑于2022年，星期日第38页，共70页，编辑于2022年，星期日2.串励电动机串励电动机M+-UIIf和并励电动机的本质区别？和并励电动机的本质区别？随随IaIa变化变化第39页，共70页，编辑于2022年，星期日（1）转速特性）转速特性n=f(Ia）直线直线nIa0双曲线双曲线aINfIf 0第40页，共70页，编辑于2022年，星期日串励直流电动机绝对不允许空载或轻
19、载运行串励直流电动机绝对不允许空载或轻载运行?剩磁？剩磁？第41页，共70页，编辑于2022年，星期日（2）转矩特性）转矩特性Tem=f(Ia）Tem=CT Ia轻载时轻载时=kIaTem=CTkIa2TIa0重载时重载时=常数常数Tem=CT Ia第42页，共70页，编辑于2022年，星期日3.复励电动机复励电动机M-UIIaIf串励励磁绕组串励励磁绕组匝数少，导线粗，匝数少，导线粗，电阻小电阻小并励励磁绕组，匝并励励磁绕组，匝数多，导线细，电数多，导线细，电阻大阻大 两个励磁绕组磁通势方向相同两个励磁绕组磁通势方向相同称为称为积复励电动机积复励电动机.两个励磁绕组磁通势方向相反两个励磁绕组
20、磁通势方向相反称为差复励电动机称为差复励电动机.第43页，共70页，编辑于2022年，星期日转速特性转速特性第44页，共70页，编辑于2022年，星期日1.7 直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理1.7.1 直流发电机基本方程式直流发电机基本方程式(以并励电机为例以并励电机为例)并励直流电机并励直流电机M+-UI=Ia-If第45页，共70页，编辑于2022年，星期日1.电压平衡方程电压平衡方程在发电机状态运行时，电枢感应电动势在发电机状态运行时，电枢感应电动势 必须大于电源电必须大于电源电压压 ，电枢电流为正，即电流由电机流向电网，电功率为，电枢电流为正，即电流由电机流向电网，电功率为正
21、，表示电机向电网输出电功率。正，表示电机向电网输出电功率。第46页，共70页，编辑于2022年，星期日2.转矩平衡方程转矩平衡方程当发电机输出功率增加时，输出电流当发电机输出功率增加时，输出电流Ia增大增大、Tem增大，增大，必须加大外力矩必须加大外力矩T1才能维持正常运转才能维持正常运转。发电机发电机转矩平衡方程为转矩平衡方程为：发电机必须有外力矩发电机必须有外力矩T1，才能维持正常运转才能维持正常运转。其中其中：发电机中的电磁发电机中的电磁转矩为制动转矩，转矩为制动转矩，与驱动转矩方向相反。与驱动转矩方向相反。第47页，共70页，编辑于2022年，星期日3.功率平衡方程功率平衡方程(1)机
22、械功率平衡方程机械功率平衡方程机械功率机械功率电磁功率电磁功率空载损耗空载损耗其中其中：摩擦损耗摩擦损耗铁损耗铁损耗附加损耗附加损耗第48页，共70页，编辑于2022年，星期日(2)电磁功率平衡方程电磁功率平衡方程 外力矩为了克服制动转矩（电磁和空载转矩）提外力矩为了克服制动转矩（电磁和空载转矩）提供机械力矩（功率）；并部分转换成了电磁功率传给供机械力矩（功率）；并部分转换成了电磁功率传给了电枢了电枢。第49页，共70页，编辑于2022年，星期日P1=T1 pFepmpadpcufpbpcuaPem=Tem =EaIaP2=UI(3)功率分配图功率分配图第50页，共70页，编辑于2022年，星
23、期日5.效率效率第51页，共70页，编辑于2022年，星期日1.7.2 直流发电机运行特性直流发电机运行特性 U、I、If之间的函数关系：（之间的函数关系：（n=nN）第52页，共70页，编辑于2022年，星期日1.他励发电机他励发电机(1)空载特性空载特性U0=f(If)U0，U0=f(If)曲线与电机磁曲线与电机磁化曲线化曲线 =f(If)相似相似剩磁电压剩磁电压额定工作点额定工作点第53页，共70页，编辑于2022年，星期日(2)外特性外特性U=f(Ia)，（，（Ia=I）UIaINU0UN0U=Ea-IaRa电枢反应去磁，使电枢反应去磁，使Ea减小减小内阻内阻Ra有压降有压降 (主要主
24、要)电压变化的程度用电压变化的程度用 U表示，称表示，称为电压变化率为电压变化率他励电机他励电机 U=(510)%第54页，共70页，编辑于2022年，星期日(3)调节特性调节特性If=f(Ia)aINfIf 0U=Ea-IaRa第55页，共70页，编辑于2022年，星期日2.并励发电机特性并励发电机特性(1)自励条件自励条件有剩磁有剩磁 r 电机转电机转EaIf 问题问题发电机何时建立起一个稳定的直流电压？该电压为多大发电机何时建立起一个稳定的直流电压？该电压为多大？正反馈正反馈励磁绕组与电枢绕组的联接必须正确励磁绕组与电枢绕组的联接必须正确第56页，共70页，编辑于2022年，星期日(2)
25、空载特性空载特性ErifRfLfdif/dt1UU0AIf23电压稳定点电压稳定点临界电阻临界电阻第57页，共70页，编辑于2022年，星期日(3)并励发电机的自励条件并励发电机的自励条件有剩磁有剩磁；励磁绕组极性正确励磁绕组极性正确；励磁回路的总电阻必须小于相应转速下的临界电阻励磁回路的总电阻必须小于相应转速下的临界电阻自励过程：并励发电机的自励过程：并励发电机的电压从剩磁电压上升到额电压从剩磁电压上升到额定电压的过程定电压的过程U0If0AEr第58页，共70页，编辑于2022年，星期日(4)外特性外特性U=f(I)并励并励 U=（2030）%他励他励 U=（510）%1）U下降原因下降原
26、因 Ra压降压降 电枢反应去磁作用电枢反应去磁作用U=UfEaU他励他励U0INUI0并励并励U=Ea-(I+If)Ra第59页，共70页，编辑于2022年，星期日 【例例24】一台并励直流发电机一台并励直流发电机 UN=220 V，IN=76 A,nN=1500 r/min,电枢电阻电枢电阻 Ra=0.1，励磁电阻，励磁电阻 Rf 100 ，效率，效率 =86%。试求额定状态下的输入功率、电。试求额定状态下的输入功率、电 磁功率和电磁转矩。磁功率和电磁转矩。解：解：励磁电流为励磁电流为电枢电流为电枢电流为 电枢电动势为电枢电动势为 输入功率为输入功率为 第60页，共70页，编辑于2022年，
27、星期日电磁功率为电磁功率为 电磁转矩为电磁转矩为 第61页，共70页，编辑于2022年，星期日1.8 直流测速发电机直流测速发电机1 直流测速发电机的作用直流测速发电机的作用第62页，共70页，编辑于2022年，星期日磁路与电路的类比关系磁路与电路的类比关系第63页，共70页，编辑于2022年，星期日主磁通主磁通路径路径第64页，共70页，编辑于2022年，星期日 实际上空载工作点通常取在磁化实际上空载工作点通常取在磁化特性的拐弯处，磁动势增加，磁密增特性的拐弯处，磁动势增加，磁密增加得很少，磁动势减少，磁密跟着减加得很少，磁动势减少，磁密跟着减少。因此造成了少。因此造成了半个磁极范围内合成半
28、个磁极范围内合成磁密增加得很少，半个磁极范围内合磁密增加得很少，半个磁极范围内合成磁密减少得较多成磁密减少得较多,一个磁极下平均一个磁极下平均磁密减少磁密减少与空载的主极磁场相比，电与空载的主极磁场相比，电枢反应使合成磁场每极总磁通减少，枢反应使合成磁场每极总磁通减少，呈现去磁效应。呈现去磁效应。通过增加通过增加“补偿绕组补偿绕组”等方法可以消除电枢反应对主等方法可以消除电枢反应对主磁通的影响磁通的影响(略略)。磁路饱和原因磁路饱和原因 aINfIf 0第65页，共70页，编辑于2022年，星期日法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律电路中的感应电动势的大小，跟穿过这个电路电路中的感应电动势的大
29、小，跟穿过这个电路的磁通量的变化率成正比。的磁通量的变化率成正比。第66页，共70页，编辑于2022年，星期日电角度电角度=磁极对数磁极对数机械角机械角度度机械机械角度与角度与电角度电角度机械角度：空间几何角度机械角度：空间几何角度”，一周它恒等于，一周它恒等于360360度。度。电角度：电或磁信号完成一个完整的周期定义为电角度：电或磁信号完成一个完整的周期定义为360360度。度。第67页，共70页，编辑于2022年，星期日磁滞性和剩磁现象磁滞性和剩磁现象 铁磁材料中磁场铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场的变化落后于外磁场H的变化称的变化称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。剩磁剩磁矫顽力矫顽力BH0-HcBsHcBr磁滞回线磁滞回线第68页，共70页，编辑于2022年，星期日1.他励直流电动机他励直流电动机M+-U+-UfIIf2.并励直流电动机并励直流电动机M+-UIIf他励他励/并励相同并励相同第69页，共70页，编辑于2022年，星期日aINfIf 0-HcBH0BsHcBr第70页，共70页，编辑于2022年，星期日