电机学直流电动机精.ppt

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1、电机学直流电动机第1页，本讲稿共91页第第1616章章 直流电机直流电机直流电机用途和基本工作原理和结构直流电机用途和基本工作原理和结构直流电机的主要结构直流电机的主要结构直流电机的额定值直流电机的额定值第2页，本讲稿共91页161161直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构基本工作原理基本工作原理直流电机的用途：视频直流电机的用途：视频第3页，本讲稿共91页固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。的绕组。左图表示一台最简单的两极直流电机模左

2、图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极一对直流励磁的静止的主磁极N N和和S S，在，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由放置了由A A和和X X两根导体连成的电枢线圈，两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换

3、向器。换向器固定在转轴上，换向为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷放置着一对固定不动的电刷B1B1和和B2B2，当，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。刷与外电路接通。第4页，本讲稿共91页直流发电机直流发电机（1）线圈中的电动势和电）线圈中的电动势和电流都是交流电，通过换向流都是交流电，通过换向片及电刷作用产生的直流片及电刷作用产生的直流电动势及直流电流。电动势及直流电流。（2）感应电动势和电流的方）感应电动势和电流的方向始终一致。向始终一致。（3）电磁

4、电流产生的磁场在空）电磁电流产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场。间上是一个恒定不变的磁场。（4）电磁力制动性质与转子）电磁力制动性质与转子转向相反，原动机必须输入机转向相反，原动机必须输入机械功率克服电磁力矩制动作用械功率克服电磁力矩制动作用使转子恒速旋转产生电能。使转子恒速旋转产生电能。第5页，本讲稿共91页直流电动机直流电动机（1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 （交（交 流）流过。换向片和电刷起逆变作用。流）流过。换向片和电刷起逆变作用。（2）从空间上看，电枢电流产生的磁场是一个恒定磁场。）从空间上看，电枢电流产生的

5、磁场是一个恒定磁场。（3）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与）电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会产生感应电动势与 电枢电流方向相反。电枢电流方向相反。（4）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是驱动性质。）直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是驱动性质。归纳归纳：（：（1 1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。（2 2）电枢绕组的支路数（）电枢绕组的支路数（2a2a）永远是成对出现，这是由于磁极数）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)(2p)是一个偶数是一个偶数.注：注：a a支路对数支路对数；p p极对数极

6、对数（3 3）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接）为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。触。（4 4）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。）每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。第6页，本讲稿共91页16-2 直流电机的主要结构直流电机的主要结构第7页，本讲稿共91页二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能

7、转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。第8页，本讲稿共91页直流电机的组成直流电机的组成 铁心铁心 主磁极主磁极：建立主磁场：建立主磁场 机座：构成磁路、支撑机座：构成磁路、支撑 励磁绕组励磁绕组 定子定子 电刷电刷：整流和逆变的作用：整流和逆变的作用 铁心铁心

8、换向极：改善直流电机的换向换向极：改善直流电机的换向 端盖：构成磁路、防护端盖：构成磁路、防护 换向极绕组换向极绕组 电枢铁心：主磁路的组成部分又是电枢绕组支电枢铁心：主磁路的组成部分又是电枢绕组支 撑部分撑部分 转子转子 电枢绕组：产生感应电动势、电磁转矩、进行电枢绕组：产生感应电动势、电磁转矩、进行 能量转换能量转换 换向器：整流（发电机）、逆变（电动机）换向器：整流（发电机）、逆变（电动机）每部分都由电磁和机械部分组成，以满足电磁作用的条件。每部分都由电磁和机械部分组成，以满足电磁作用的条件。第9页，本讲稿共91页第10页，本讲稿共91页16-3 直流电机的额定值直流电机的额定值 在额定

9、状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作额定功率额定功率 PN：指电机在规定的额定状态下运行时电机的功率。：指电机在规定的额定状态下运行时电机的功率。直流发电机：直流发电机：PN是指从发电机引出端输出的电功率是指从发电机引出端输出的电功率 PNUNIN；直流电动机：直流电动机：PN是指从它的转轴上输出的机械功率是指从它的转轴上输出的机械功率 PNUNINN额定电压额定电压 UN：指额定状态下电机出线端的电压。：指额定状态下电机出线端的电压。额定电流额定电流 IN：指额定状态下电机出线端的电流。：指额定状态下电机出线端的电流。额定转速额定

10、转速 nN：指额定状态下运行时转子的转速，单位：指额定状态下运行时转子的转速，单位r/min。额定励磁电流额定励磁电流 If：指电机在额定状态时的励磁电流值。：指电机在额定状态时的励磁电流值。当实际电流大于额定电流时，称为过载或超载，长期会影响寿命（过当实际电流大于额定电流时，称为过载或超载，长期会影响寿命（过热）；热）；当实际电流小于额定电流时，称为欠载或轻载，容量不能充分利用，会当实际电流小于额定电流时，称为欠载或轻载，容量不能充分利用，会降低效率；降低效率；当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。又叫额定负载状态当实际电流等于额定电流时，称为满载运行。又叫额定负载状态长期欠载运行将造成电

11、机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。作性能等比较好。第11页，本讲稿共91页额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电

12、流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。第12页，本讲稿共91页第17章 直流电机的运行原理17.1 直流电机的电枢绕组17.2 直流电机的磁场和电枢反应17.3 直流电机的换向17.4 电枢绕组的感应电动势和电磁转矩17.5 直流电机的基本方程式第13页，本讲稿共91页171 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的电路部分，是实现机电能量转换的枢钮。电枢绕组是直流电机的电路部分，是实现机电能量转换的枢钮。直流电机的电枢绕组分为五种形式直流电机的电枢绕组分为五种形式单叠绕组单叠绕组、复叠绕组、复

13、叠绕组、单波绕组单波绕组、复波绕组、蛙形绕组。、复波绕组、蛙形绕组。基本术语：基本术语：绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。绕组元件：指两端分别与两片换向片接触的单匝或多匝线圈。电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。电枢绕组：由许多结构相同的绕组元件构成的。元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有效边是指元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有效边是指线圈的直线部分。线圈的直线部分。端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下层

14、边，上、下层边：从工艺上考虑，一个线圈在嵌线时必须使一个有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。另一个有效边必须在上层边。槽数槽数Z=Z=元件数元件数S=S=换向片数换向片数K K极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示 p p为主磁极极对数为主磁极极对数 第14页，本讲稿共91页基本术语：基本术语：第一节矩第一节矩y1:元件的两条有效边在电枢表面上所元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节矩。用槽数来表示。所以跨的距离称为第一节矩。用槽数来表示。所以y1是一个整数。当是一个整数。当y1=，为整矩绕组，当，为整矩绕组，当y1 为为短

15、矩绕组。因为短矩绕组有利于换向，尚能节省短矩绕组。因为短矩绕组有利于换向，尚能节省部分端部用铜，故常被采用。部分端部用铜，故常被采用。为小于为小于1的分数。的分数。第二节矩第二节矩y2:在相串连的两个元件中，第一个在相串连的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为第二节矩表面上所跨的距离，称为第二节矩y2，用槽，用槽数表示。数表示。合成节矩合成节矩y：相串连的两个元件的对应边在电枢：相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节矩表面所跨的距离，称为合成节矩y。用槽数表示。用槽数表示。换向器节矩换向器节矩yk

16、:每个元件的首末两端所连接的每个元件的首末两端所连接的两片换向片在换向器表面上的距离，用换向片两片换向片在换向器表面上的距离，用换向片数表示。注：换向器的节距总是等于合成节矩。数表示。注：换向器的节距总是等于合成节矩。y=yk 单波绕组单叠绕组第15页，本讲稿共91页单单叠叠绕组绕组单叠绕组：相邻联接的两个单叠绕组：相邻联接的两个元件互相交错地重叠。多个元件互相交错地重叠。多个相邻元件依次串联，同时每相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依次焊接到个元件的引线端依次焊接到相邻的换向片上最后形成闭相邻的换向片上最后形成闭合回路。合回路。整个绕组成折叠式前整个绕组成折叠式前进进y=yk=1y=yk

17、=1时绕组向右移动；时绕组向右移动；y=yk=-1y=yk=-1时绕组向左移动；时绕组向左移动；（用铜量较多，很少采用）（用铜量较多，很少采用）换向片数换向片数=元件数元件数=单迭绕组的槽单迭绕组的槽数数第16页，本讲稿共91页电枢绕组的特点电枢绕组的特点第一节距第一节距全部元件通过换向器连接成一个闭合回全部元件通过换向器连接成一个闭合回路，由于沿回路中各元件的电动势之和路，由于沿回路中各元件的电动势之和为零，所以不会产生环流为零，所以不会产生环流电枢绕组为双层绕组，电枢绕组为双层绕组，S=K=ZS=K=Z直流电机的电刷数目等于主磁极数直流电机的电刷数目等于主磁极数2P2P。安放电刷的原则：几

18、何中性线上安放电刷的原则：几何中性线上单叠绕组：单叠绕组：y=yk=1,y=yk=1,且并联支路数且并联支路数a=Pa=P单波绕组：单波绕组：y=yk=y=yk=（k-1k-1）/p/p为整数为整数,a=1,a=1 第17页，本讲稿共91页一台一台4 4极极1616槽直流电机，换向片数槽直流电机，换向片数K=16K=16；元；元件数件数S=16S=16；试画出整距右行单叠绕组展开图。；试画出整距右行单叠绕组展开图。画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽，槽画出均匀分布的平行竖线代表电机各槽，槽数等于平行线数，每个槽有一条实线和一条数等于平行线数，每个槽有一条实线和一条虚线，分别表示上层边和下层边。

19、虚线，分别表示上层边和下层边。标出元件：画出第一个元件，跨从标出元件：画出第一个元件，跨从1515。展。展开图中可以把一个元件画成一匝。开图中可以把一个元件画成一匝。第一个元件的引出线端画出换向器的两根横第一个元件的引出线端画出换向器的两根横平行线，并标换向片号；换向片编号与上层平行线，并标换向片号；换向片编号与上层边槽号及元件号相同。边槽号及元件号相同。依次串联依次串联1616个元件。个元件。再画出各磁极再画出各磁极N N、S S、N N、S S。第18页，本讲稿共91页单叠绕组的展开图第19页，本讲稿共91页画电刷，电刷组数画电刷，电刷组数=主磁主磁极数极数,绕组的电刷中心线绕组的电刷中心

20、线在每个磁极的中心线上。在每个磁极的中心线上。即保证电刷必须与位即保证电刷必须与位于几何中线处的导体相于几何中线处的导体相接触。接触。画出电枢转向和电刷连线画出电枢转向和电刷连线此时的等效电路图，一条此时的等效电路图，一条主磁极对应一条支路，单主磁极对应一条支路，单叠绕组的支路数等于极数，叠绕组的支路数等于极数，这里为这里为4极，即有极，即有4个支路个支路a=p；电枢绕组的总电流；电枢绕组的总电流Ia=2a*ia(ia为各支路的电为各支路的电流即元件电流或元件中每流即元件电流或元件中每匝导体电流匝导体电流)第20页，本讲稿共91页单波绕组单波绕组：相邻联接的两个元件呈波浪形单波绕组的连接规律是

21、从某一换向片开始，把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周后，恰好回到开始换向片的相邻换向片上。然后，从该换向片开始，继续绕连，一直把全部元件联完，最后又回到开始出发的那个换向片，构成一个闭合回路。右行绕组端接交叉，且比左行绕组端接线略长，故波绕组常用左行绕组。对应元件边处于同极性主的磁极下，所以其合成节距应接近或等于一对极的距离，但不能正好等于二倍极距。（如果相等的话无法绕下去）第21页，本讲稿共91页画出画出4极极15槽单波左行绕组槽单波左行绕组展开图展开图 分析：合成节距分析：合成节距 y（k 1）/P（151）/27（槽）（左行）（槽）（左

22、行）第一节距第一节距 yZ/(2P)+=15/4-3/4=31（槽）（槽）采用短距绕组采用短距绕组(y1)第二节距第二节距 y2yy14（槽）；（槽）；小结：常用直流电机绕组小结：常用直流电机绕组型式的支路数型式的支路数2a。单叠绕组：单叠绕组：2a=2p；单波绕组：单波绕组：2a=2；双叠绕组：双叠绕组：2a=4p；双波绕组：双波绕组：2a 第22页，本讲稿共91页单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来组成一条支路，支起来组成一条支路，支路对数为路对数为1 1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2 2）当元件的几何

23、形）当元件的几何形状对称时，电刷在状对称时，电刷在换向器表面上的位换向器表面上的位置对准主磁极中心置对准主磁极中心线，支路电动势最线，支路电动势最大大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。第23页，本讲稿共91页172 172 直流电机的磁场和电枢反应直流电机的磁场和电枢反应直流电机的励磁方式直流电机的空载时的磁场直流电机的负载时磁场第24页，本讲稿共91页直流电机的励磁方式他励式：线端电流等于电枢电流，励磁电流独立值小。他励式：线端电流等于电枢

24、电流，励磁电流独立值小。并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。并励式：线端电流等于电枢电流加上励磁电流。串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。串励式：线端电流等于电枢电流等于励磁电流。复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。先并复励式：每个主磁极上套有两个励磁绕组，分为长复励和短复励。先并后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联）为短复励；后串（并联绕组先与电枢绕组并联然后在与串联绕组串联）为短复励；先串在并是长复励。如果先串在并是长复励。如果FsFs（串）和（串）和FfFf（并）方向一致，称为积复励；（并）方向一致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。

25、如果两者方向相反称为差复励。第25页，本讲稿共91页 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励磁磁动势为：第26页，本讲稿共91页 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用

26、，它只是增没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路第27页，本讲稿共91页 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大

27、小和形状。大小和形状。几何中性线极靴极身（a）气隙形状 磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。直流电机空载时的磁场第28页，本讲稿共91页 空载时的气隙磁通密度为空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图一平顶波，如下图(b)(b)所示。所示。空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁

28、通的分布情况，如右图布情况，如右图(c)(c)所示。所示。第29页，本讲稿共91页 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中 A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。第30页，本讲稿共91页直流电机负载时的磁场直流电机接上负载时，气隙磁场由主磁极的励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。规定：磁力线由电枢出来进入定子绕组磁极时为正，当磁力线从定子磁极出来而进入电枢时为负。磁通密度在极下若气隙均匀，则Bax

29、正比于x；而在极间，气隙大，所以Bax很小，所以Bax为马鞍形磁密波。最后迭加得负载时气隙磁密波形。第31页，本讲稿共91页直流电机的电枢反应 负载时，电枢电流所生的磁动势对气隙中主磁场产生影响，称为电枢反应。气隙磁场发生畸变.在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。第32页，本讲稿共91页直流电机电枢反应特点使气隙磁场发生畸变，电动机前极尖磁场被加强后极尖磁场减弱，发电机刚相反使物理中性线（气隙中各点磁密为零的连线）偏移。电动机逆向对磁通的影响。电刷在

30、几何中性线上时，磁路不饱和时与空载时一样，磁路饱和时有电枢反应有去磁作用。第33页，本讲稿共91页交轴和直轴电枢反应当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad；即FaFadFad交轴电枢反应：使主磁场的波形畸变。直流发电机，前极端（去磁），后极端（增磁）；。直流电动机，前极端（增磁），后极端（去磁）。直轴电枢反应：电刷偏移方向 直流发电机 直流电动机 顺转向偏 去磁 增磁 逆转向偏 增磁 去磁第34页，本讲稿共91页1 1 换向概述换向概述 173直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于为了分析方便假定换向

31、片的宽度等于电刷的宽度。电刷的宽度。直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时支路时,元件里的电流方向改变，即元件里的电流方向改变，即换向换向。电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元接触时，元件件1 1的被短路，电流被分流。的被短路，电流被分流。电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为元件11 2第35页，本讲稿共91页 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到

32、一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周换向周期期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过

33、程。第36页，本讲稿共91页2 2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：自感电动势 和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。是阻碍换向的。换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。第37页，本讲稿共91页一、直线换向当 时换向元件电流随时间线性变化。当 时换向元

34、件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当 时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向延迟换向超越换向第38页，本讲稿共91页3 改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。产生火花。改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，

35、增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势第39页，本讲稿共91页小结1 换向过程 直线换向时，直流电机不会产生火花。如果换向元件中电动势为零，则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。2 换向元件中的感应电动势 电抗电动势er；旋转电动势ea3 电刷下产生火花的电磁原因 在上面两种合成电动势的作用下，在换向元件经电刷短路而成的闭合回路中产生环流。然后能量以火花的形式放出。4 火花的危害 火花会损坏电刷和换向器表

36、面；同时又干扰附近的电子仪器和设备。第40页，本讲稿共91页改善换向的方法 改善换向、减少火花就要使合成电势为零，方法就是装换向极。换向极的作用：在换向元件处建立一个磁动势。其一部分用来抵消电枢反应磁动势，其余部分用来建立磁场BK，换向元件切割BK产生ek，其方向与er相反，使换向元件的合成电动势为零。成为直线换向消除火花。对换向极的要求：（1）换向极应装在几何中性线处 （2）换向极的极性应使所生的磁感应强度与电枢反应的磁动势的方向相反 （3）换向极绕组必须与电枢绕组相串联，而且换向磁路为不饱和。环火及其防止 1环火的概念 电位差火花：当换向片间电压超过一定数值时，换向片间便会产生火花。称为。

37、电磁性火花：电枢电流急剧加大时使换向严重延迟而引起电刷下较强的火花，称为。环火：两种火花共同作用下使电刷间形成跨越正负电刷间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围即环火。2防止环火的有效方法 装置补偿绕组。装在主极的极靴里且与电枢绕组串联。产生与电枢磁动势相反的磁动势。作用：使气隙磁场不在畸变，防止电位差火花；又对换向有利，避免环火。第41页，本讲稿共91页174 174 电枢绕组的感应电动势和电磁转矩电枢绕组的感应电动势和电磁转矩电枢绕组是整距，电刷在几何中性线上 1.直流电机的电枢电动势 电动势常数 2.直流电机的电磁转矩 转矩常数 第42页，本讲稿共91页直流电机的电磁功率 在电磁感应作用

38、下机械能与电能相互转换的功率称为电磁功率。第43页，本讲稿共91页175 175 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式1.直流电动机的基本方程式（并励电动机）Ea和Ia方向相反，为反动势。T的正方向和n转向相同，驱动转矩。制动转短和空载转矩均与n转向相反，为制动转矩。第44页，本讲稿共91页电动势平衡方程式电动势平衡方程式：转矩平衡方程式：转矩平衡方程式：直流电机稳态时T=T2+T0=TZ 稳定运行时电枢电流为，理想空载时TZ=0，即Ia=0；第45页，本讲稿共91页功率平衡方程式输入的电功率为输入的电功率为：电磁功率电磁功率PMPM为：为：电机的空载损耗：电机的空载损耗：第46页，本讲稿

39、共91页第18章 直流电机的运行特性18-1 直流电动机的运行特性18-2 直流电动机的调速18-3 直流电动机的制动第47页，本讲稿共91页二、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性指U=UN=常数，电枢回路中不串入外加电阻时，励磁电流保持不变的条件下，转速、转矩和效率等与输出功率之间的关系曲线，也可用电枢电流表示。并励电动机的工作特性（他励）并励电动机的工作特性（他励）1。转速特性：U=UN，R=0，If=IfN设磁通不变n曲线如图，若考虑磁通减少时，则转速有可能上升。第48页，本讲稿共91页2 2。转矩特性。转矩特性U=UN，R=0，If=IfNT=CMia 如果考虑去磁时，曲线下折。

40、3 3。效率特性。效率特性U=UN，R=0，If=IfN 其中 是不变损耗，而电枢回路的铜耗即可变损耗PCua=Ia2Ra；求最大效率时，对效率公式求导可得出当 时电机具有最大效率。注：电机通常被制成电机运行于额定状态时效率最高。他励电动机额定运行时总损耗 则估算电路总电阻的公式如下：第49页，本讲稿共91页串励电动机的工作特性串励电动机的工作特性1.转速特性U=UN，R=0，If=Ia特点（1）负载增加时，转速下降很快。当负载增加时，功率P2增加，UN是常数，Ia增大使磁通增大，同时IaR也增大，结果使转速减少。（2）负载很轻或空载时，转速n非常大，产生飞车现象。空载或轻载时Ia很小或趋于零

41、，磁通也很少，因些要足够的反电势来维持与UN相平衡，所以电机转速高，导致飞车现象，会损坏电机。规定：（1）串励电动机不允许在小于1520%额定负载的轻载情况下运行，也不充许空载。（2）不易采用皮带等易滑落和断裂的传动机构，而采用齿轮或直轴连动器来拖动。第50页，本讲稿共91页 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：磁电流呈线性关系。即：转速特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。他励电动机相同。当负载电流为零时，电机转速趋

42、于无穷当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。第51页，本讲稿共91页U=UN，R=0，If=Ia时T=f(Ia)特点：转矩随负载增加而很快上升T=CMKfIa*Ia=CMIa2 当磁路不饱和时，T与Ia的平方成正比。对起动和过载很好，有较大的起动转矩与过载能力。当磁路饱和时，即负载大时，If=Ia,T正比于Ia为一直线，过载时转速下降P2变化不大，轻载时转速上升。上述特点决定于串励直流电动机适用于电力机车(牵引机械和重载起动场合)等。3.效率特性(并励电动机)第52页，本讲稿共91页例 某并励直流电动机额定数据如下：PN=

43、96KW，UN=440V，IN=255A，IfN=5A,nN=500r/min.电枢回路总电阻Ra=0.078,电枢反应忽略不计。试求：（1）额定运行时的输出转矩TN与电磁转矩T。（2）理想空载转速n0与实际空载转速n0。（3）于额定运行时突然在电枢回路中串入电阻R=0.122,R串入初瞬时的电枢电流与转速各为多少？（4）保持额定运行时总负载转矩不变，则串入R=0.122,R而稳定后的电枢电流与转速各为多少？第53页，本讲稿共91页电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、生产机械的分类一、生产机械的分类单机单轴系统：用一台电动机的转子轴直接拖动生产机械单机单轴系统：用一台电动机的转

44、子轴直接拖动生产机械运转的系统。运转的系统。单机多轴系统：单台电动机通过多根转轴带动生产机械。单机多轴系统：单台电动机通过多根转轴带动生产机械。多电动机系统：多台电动机带动一个或多个工作机构。多电动机系统：多台电动机带动一个或多个工作机构。MM第54页，本讲稿共91页 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。机转轴上的各种转矩。运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：可写出拖动系统的运动方程式：其

45、中 为系统的惯性转矩。第55页，本讲稿共91页运动方程的实用形式：运动方程的实用形式：系统旋转运动的系统旋转运动的三种状态三种状态1)当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当 或 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当 或 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。常把 或 称为动负载转矩,把 称为静负载转矩.第56页，本讲稿共91页生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性恒转矩负载特性特点：负载转矩恒定不变，与负载转速无关。1反抗性恒转矩负载特点：负载转矩的方向总是与运动方向相反，转矩的性质是反抗运动的制动性转矩。如机床刀架的平移运动、轧钢机、地铁列车等磨擦类型的负

46、载。2位能性恒转矩负载 特点：负载转矩的方向固定不变，并与转速的方向无关。如电梯、起重机、提升机等。第57页，本讲稿共91页二、恒功率负载特性特点：负载功率保持不变，所以有 即转矩与转速成反比。这类负载如机床的切削加工，粗加工时切削量大，用低转速；精加工时切削量小，用高转速，在整个过程中功率不变。三、通风机负载特性特点：此类负载负载转矩与转速的平方成正比，即 如通风机、水泵、油泵等。TLn第58页，本讲稿共91页四、电力拖动系统的稳定运行条件1电力拖动系统的平衡状态 当电动机的负载转矩n=f(TZ)和与机械特性n=f(T)相交。即T=TZ时，dn/dt=0,转速不变（静止或匀速），Ia=T/C

47、M维持不变，此时为拖动系统处于平衡状态。2电力拖动系统的稳定平衡状态 稳定平衡状态：原系统处于平衡状态，由于某种原因，偏离了平衡状态，但能够在新的条件下自动达到新的平衡或者外界扰动消失后，能够恢复到原来的平衡状态，称为系统稳定平衡状态，否则不稳定。电压突然变化时，转速不变，然后用T和TZ的大小来判定转速的升高和降低。来判断是否能回到 原来的平衡状态。第59页，本讲稿共91页(1)(1)必要条件必要条件:电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点点,即存在即存在(2)充分条件:在交点处,满足:。或者说,在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在第60页，

48、本讲稿共91页3电力拖动系统稳定运行的条件分析：设原来稳定运行在A点，受扰动作用离开原来的平衡点 nBC=nA+n；T=TA+T,TZ=TZA+TZ,(TA+T)(TZA+TZ)=(GD2/375)d(nA+n)/dt (dT/dn-dTZ/dn)n=(GD2/375)d(n)/dt解这个微分方程，两边取积分，当t=0n=nCe，此时n=nCee(dT/dn-dTZ/dn)375t/GD2 dT/dndTZ/dn时，n增大，系统不稳定。系统稳定的充要条件：电机的机械特性和负载特性必须有交点，且在交点处满足 第61页，本讲稿共91页判断方法：判断方法：1 1、根据定义，增加转速来进行判断、根据定

49、义，增加转速来进行判断2 2根据稳定的充要条件根据稳定的充要条件当恒转矩负载时，当恒转矩负载时，第62页，本讲稿共91页182 182 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 一、他励直流电动机的起动定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳态起动即 n=0，Ea=0 之瞬间，起动电流将很大。起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个动态过程。这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。直流电动机起动的原则（1）起动电流要小，使 。同时要求满

50、磁起动If=IfN。（2）起动转矩要大，使 。（3）起动设备简单可靠经济。第63页，本讲稿共91页 电动机的电动机的起动起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电电枢回路串电阻阻或或降低电枢电压降低电枢电压起动。起动。起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。小，所以起动电