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1、第3章 直流电机内容简介 直流电机的基本运行原理结构电磁关系数学模型（即基本方程式和等效电路）直流电动机和发电机运行特性的分析与计算。直流电机的图片直流电机的图片3.1 直流电机的基本运行原理与结构A、直流电机的基本运行原理图2.1 通电导体和线圈在磁场下的受力分析结论：结论：要产生有效的电磁转矩，必须确保要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体极下的导体中电流方向总是流出。中电流方向总是流出。在直流电动机中，上述任务是由机械式换向器和电刷来完成的。ISbNacdIFFTn电动机电动机+-直流直流电压电压AB没有电刷的情况没有电刷
2、的情况换向片换向片ISbNacdIFFTn电动机电动机AB+-ISbNacd电刷电刷IFFTn电动机电动机+-直流直流电压电压电刷与换向器配合电刷与换向器配合ABISbNacdIFFTn电动机电动机+-直流直流电压电压电刷与换向器配合电刷与换向器配合ABeSbNacdeFFTn发电机发电机没有电刷的情况没有电刷的情况+-AB换向片换向片eSbNacdeFFTn发电机发电机+-ABeSbNacd电刷电刷eFFTn发电机发电机+-电刷与换向器配合电刷与换向器配合ABeSbNacdeFFTn发电机发电机+-直流直流电压电压电刷与换向器配合电刷与换向器配合AB图2.2 直流电机的运行原理示意图结论：结
3、论：（1 1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流；部的电压和电流为直流；（2 2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器；到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器；（3 3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。n为
4、什么要使用电刷和换向器？换向片为什么要彼此绝缘？电刷和换向器的配合有什么问题？n电机可逆性原理n直流发电机电枢上有电磁转矩吗？什么性质？n直流电动机电枢上有感应电动势吗？n电枢上电流产生磁场吗？对主磁场有什么影响？B、直流电机的结构图2.3 直流电机的结构图1-机座 2-主磁极 3-励磁绕组 4-风扇 5-轴承 6-轴 7-端盖 8-换向极 9-换向极绕组10-端盖 11-电刷装置 12-换向器 13-电枢绕组 14-电枢铁心电 机 结 构（1）额定功率：定义为额定状态下的输出功率，用 表示；直流电机的额定数据直流电机的额定数据 对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率；对于发电机，额定
5、功率则是指定子侧绕组输出的电功率。（2）额定电压：定义为额定状态下的电压，用 表示；（3）额定电流：定义为额定状态下的电流，用 表示。（4）额定转速：定义为额定状态下的转速，用 表示；（5）额定效率：定义为额定条件下电机的输出功率与输入功率之比，用 表示。（6）额定励磁电压、额定励磁电流额定数据之间存在如下关系：对于直流电动机：对于直流发电机：（2-2）（2-1）3.23.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组A、对电枢绕组的要求 正、负电刷之间所感应的电势应正、负电刷之间所感应的电势应尽可能大尽可能大 节省材料、结构简单节省材料、结构简单 强度高（电、机械、热）强度高（电、机械、热）、运行
6、、运行可靠可靠B、直流电机的简单绕组结论:电枢绕组为闭合绕组;直流线圈基本上是整距线圈C、直流电枢绕组的基本型式a a、几个术语、几个术语分类：分类：叠绕组、波绕组、混合绕组叠绕组、波绕组、混合绕组(1)元件元件：即单个绕组，它是多匝线圈组成；：即单个绕组，它是多匝线圈组成；元件数元件数S(2)极距极距：一个主磁极在电枢表面所跨的距离一个主磁极在电枢表面所跨的距离/相邻两主极之间的相邻两主极之间的距离，用距离，用 表示；表示；(3)槽和虚槽槽和虚槽 槽数槽数Q、虚槽数、虚槽数Qu 元件数元件数S=换向片数换向片数K=虚槽数虚槽数Qu(4)第一节距第一节距 同一个元件的两条有效边在电枢同一个元件
7、的两条有效边在电枢表面上所跨的距离表面上所跨的距离 y1根据第一节距与极距的关系，绕组分为根据第一节距与极距的关系，绕组分为整距绕整距绕组、短距绕组组、短距绕组或或长距绕组长距绕组(5)合成节距合成节距 相串联的两个元件的对应元件边相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面所跨的距离在电枢表面所跨的距离 y 元件的连接次序和连接规律就取决于合成元件的连接次序和连接规律就取决于合成节距节距 叠绕和波绕的差别主要体现在合成节距上叠绕和波绕的差别主要体现在合成节距上(6)换向器节距换向器节距 在换向器表面上，同一个元在换向器表面上，同一个元件的两个出线端所接的两个换向片之间所件的两个出线端所接的两个换向
8、片之间所跨的距离跨的距离 yc 换向器节距换向器节距 yc=合成节距合成节距 y单叠绕组连接实例单叠绕组连接实例已知数据已知数据 p=2(4极极)S=K=Qu=16 (单叠绕组单叠绕组 Q=Qu，即转子，即转子16槽槽)步骤步骤 (1)计算数据计算数据 y和和y1 (2)画绕组展开图画绕组展开图 (3)放置磁极和电刷放置磁极和电刷y=yc=1n元件1 上元件边放在1号槽，下元件边就放在5号槽n元件2 上元件边放在2号槽，下元件边就放在6号槽 以此类推n单叠绕组的特点单叠绕组的特点3.33.3 直流电机的各种励磁方式与磁场直流电机的各种励磁方式与磁场3.3.1 直流电机的各种励磁方式励磁绕组的供
9、电方式励磁绕组的供电方式注意励磁绕组的绕制注意励磁绕组的绕制和连接和连接3.3.2 空载时 直流电机的磁场空载：直流电机的空载是指电枢电流(或输出功率)为零的运行状态。主磁场：仅由定子励磁磁势（或安匝）单独产生的磁场称为主磁场，亦即空载时的总磁场（或气隙磁场）；A A、空载主磁场的分布、空载主磁场的分布或很小或很小注意经过的路径注意经过的路径极掌极掌极掌极掌极心极心极心极心励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组机座机座机座机座转子转子转子转子直流电机的磁极和磁路直流电机的磁极和磁路直流电机的磁极和磁路直流电机的磁极和磁路S SN N+N N+S S+3.3.3 负载时 直流电机的电枢反应磁场A A、
10、电枢反应与电枢反应磁势的性质、电枢反应与电枢反应磁势的性质电枢磁势电枢磁势：直流电机负载后的电枢电流所产生的磁势（或安匝数），称为直流电机负载后的电枢电流所产生的磁势（或安匝数），称为电枢磁势。电枢磁势。电枢反应电枢反应：电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应，相应的电枢磁势又电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应，相应的电枢磁势又称为称为电枢反应磁势电枢反应磁势。直流电枢磁势的特点直流电枢磁势的特点：电枢磁势与定子直流励磁磁势相互垂直；电枢磁势与定子直流励磁磁势相互垂直；电枢磁势与定子励磁磁势一样相对定子静止电枢磁势与定子励磁磁势一样相对定子静止 不动。不动。电枢磁势单独作用所产生的电枢磁场分布图电
11、枢磁势单独作用所产生的电枢磁场分布图考虑磁路考虑磁路饱和饱和的情况的情况3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩3.4.1 电枢绕组的电枢绕组的感应电感应电动动势势每根导体的瞬时电势为：导体沿圆周的线速度为：每根导体的平均电势为：每条支路即正、负电刷之间的感应电势为：式中，为电势常数，为每极下的磁通。结论：直流电机正、负电刷之间的感应电势与转子转速以及每极的磁通成正比。3.4.2 3.4.2 电枢的电枢的电磁转矩电磁转矩每根导体所产生的电磁力和电磁转矩分别为：微元dx上的导体所产生的电磁转矩为：每极下的电磁转矩为：总电磁转矩为：式中，为转矩系数。结论：直流电机所产生的电磁转矩与电枢电流以及每极的磁通
12、成正比。直流电机电磁转矩的性质直流电机电磁转矩的性质直流电机的电磁转矩与电机结构、气隙磁通及电枢直流电机的电磁转矩与电机结构、气隙磁通及电枢电流有关。电流有关。发电机发电机是制动性质的转矩（与电机转速反向）是制动性质的转矩（与电机转速反向）电动机电动机是驱动性质的转矩（与电机转速同向）是驱动性质的转矩（与电机转速同向）3.5 直流电机的基本方程和功率流程图1、当直流电机作发电机运行、当直流电机作发电机运行a、电压平衡方程式、电压平衡方程式 假定直流发电机的正方向如图所示（又称为发电机惯例发电机惯例）。直流发电机的暂（动）态电压平衡方程式变为：其稳态运行时的电势平衡方程式为：他励并励串励b、转矩
13、平衡方程式、转矩平衡方程式直流发电机暂态和稳态运行时的动力学方程式分别为：2.2.当直流电机作电动机运行当直流电机作电动机运行 根据图中各物理量的假定正方向（即电动机惯例电动机惯例），得暂（动）态电压平衡方程式为：一旦电动机稳态运行，则可获得直流电动机的稳态电压平衡方程式为：a、电压平衡方程式、电压平衡方程式b b、转矩平衡方程式、转矩平衡方程式 根据牛顿第二定律和图中假定的正方向，得直流电动机暂态运行时的动力学方程式为：稳态时，机械角速度 =常数，则稳态运行时的动力学方程式变为：他励并励串励C、直流电机的电磁功率直流发电机：从机械功率转化为电功率的那一部分功率直流电动机：从电功率转化为机械功
14、率的那一部分功率电磁功率Pem是能量形态变化的基础。D、直流电机的功率流程图以并励直流电动机为例加以说明。由KCL得：于是，输入电功率为：(2-32)考虑到 ，则式（2-32）变为：经过气隙的电磁功率为：又电磁转矩：，于是有：其中，机械轴上的输出功率为：；空载损耗 ；同样的过程，可得并励直流发电机的功率流程图如下图所示。例题：一台并励直流发电机，例题：一台并励直流发电机，PN=20KW，UN=230V，nN=1500r/min,电枢回路总电阻电枢回路总电阻Ra=0.156,励磁回路总电阻励磁回路总电阻Rf=73.3，额定，额定负载时的机械损耗和铁耗负载时的机械损耗和铁耗pmec+pfe=1KW
15、,设附设附加损耗加损耗pad=0.01PN求：额定运行时电枢回路和励磁回路的铜耗、求：额定运行时电枢回路和励磁回路的铜耗、电磁功率、电磁转矩和效率。电磁功率、电磁转矩和效率。作业：一台并励直流电动机，一台并励直流电动机，UN=220V，额定电枢电，额定电枢电流流 IaN=75A，nN=1000r/min,电枢回路总电阻电枢回路总电阻Ra=0.26,励磁回路总电阻励磁回路总电阻Rf=91，额定运行时机，额定运行时机械损耗械损耗pmec=198W，铁耗铁耗pfe=600W,不计不计附加损耗附加损耗求：额定运行时电枢回路铜耗、励磁回路的铜耗、求：额定运行时电枢回路铜耗、励磁回路的铜耗、电磁功率、输出功率、电磁转矩、输出转矩、效率。电磁功率、输出功率、电磁转矩、输出转矩、效率。