東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院電機(jī)學(xué)第三章

1、 第三章第三章 直流電直流電機(jī)機(jī)緒論緒論3.1 直流電直流電機(jī)的工作機(jī)的工作原理和基原理和基本結(jié)構(gòu)本結(jié)構(gòu)3.2 空載空載和負(fù)載時(shí)和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)直流電機(jī)的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)3.3 直流直流電機(jī)的感電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)和電磁轉(zhuǎn)矩矩3.4 直流電機(jī)直流電機(jī)的基本方程的基本方程3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 直流電機(jī)是電機(jī)的主要類(lèi)型之一。直流電機(jī)自身有著顯著的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，但與交流電機(jī)相比自身又有著缺點(diǎn)缺點(diǎn)。近年來(lái)，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機(jī)性能的電機(jī)不斷涌現(xiàn)，使直流電機(jī)有被取代的趨勢(shì)。盡管如此，直流電機(jī)仍有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值!本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 1 1、直流電機(jī)

2、的工作原理和基本結(jié)構(gòu)、直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)2 2、說(shuō)明電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)、說(shuō)明電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng) 4 4、分析直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能、分析直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能3 3、導(dǎo)出電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩公式、導(dǎo)出電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩公式3.1 3.1 直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的工作原理一、直流電機(jī)的工作原理固定部分（定子）：固定部分（定子）：主磁極N和S；（如圖31）表示一臺(tái)直流電機(jī)。1 1、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）：旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）：電樞鐵心；電刷；電樞繞組AX(一個(gè)線(xiàn)圈)；換向器。定子與轉(zhuǎn)子之間為氣隙。2 2、直流發(fā)電

3、機(jī)的工作原理、直流發(fā)電機(jī)的工作原理 發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)：雖然線(xiàn)圈AX電動(dòng)勢(shì)是交流電動(dòng)勢(shì)， 但由于換向器的整流作用，電刷間的輸出電動(dòng)勢(shì) 卻是直流電動(dòng)勢(shì)。（圖3-2 a，圖3-2b）3 3、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)：在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并非直接1B2B加于線(xiàn)圈，而是通過(guò)電刷 、 和換向器再加到線(xiàn)圈變而同時(shí)改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終上的。所以，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改保持不變。4 4、脈動(dòng)的減小、脈動(dòng)的減小 電刷上的電動(dòng)勢(shì) (如圖33)。電樞繞組由多個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)而構(gòu)成的 ，實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：二、直流電機(jī)的二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)1 1、主磁

4、極、主磁極 構(gòu)成：構(gòu)成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組。 2 2、機(jī)座、機(jī)座 構(gòu)成：構(gòu)成：用厚鋼板彎成筒形焊成或鑄鋼件制成。作用：作用：建立主磁場(chǎng)。作用：作用：1、主磁路的一部分；2、電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。3 3、電樞鐵心、電樞鐵心作用：作用：1、主磁路的一部分；2、電樞繞組的支撐部件。 構(gòu)成：構(gòu)成：一般用厚0.5且沖有齒、槽的DR530 4 4、電樞繞組、電樞繞組作用：作用：直流電機(jī)的電路部分。 構(gòu)成：構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線(xiàn)繞成，上下層以及線(xiàn)圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊?；駾R510的硅鋼片疊壓 夾緊而成。5 5、換向器、換向器 作用：作用：整流（發(fā)電機(jī)）或逆變（電動(dòng)機(jī)）

5、。構(gòu)成：構(gòu)成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個(gè)圓筒片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個(gè)形環(huán)夾緊而6 6、電刷裝置、電刷裝置作用：作用：電樞電路的引出（或引入）裝置。構(gòu)成：構(gòu)成：電刷、刷盒、刷桿和連線(xiàn)等。構(gòu)成。三、三、 勵(lì)磁方式勵(lì)磁方式勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。直流電機(jī)按勵(lì)磁方式可分：他勵(lì)自勵(lì) 7 7、換向極、換向極構(gòu)成：構(gòu)成：由鐵心和繞組組成。作用：作用：改善換向。復(fù)勵(lì)式復(fù)勵(lì)式( (圖圖3-5d3-5d) ) ： 裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一為與電1 1、他勵(lì)式、他勵(lì)式（如圖如圖3-5a3-5a） 其勵(lì)磁繞組由其他電源供電，勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連。2 2、自勵(lì)式、自勵(lì)式發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) ：利用自身發(fā)出的

6、電流勵(lì)磁； 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) ：勵(lì)磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。并勵(lì)式并勵(lì)式( (圖圖3-5b3-5b) ) ： 勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；串勵(lì)式串勵(lì)式( (圖圖3-5c3-5c) ) ： 勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；樞并聯(lián)的并勵(lì)繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵(lì)繞組。四四 、直流電機(jī)的額定值、直流電機(jī)的額定值 （1）額定功率額定功率 ：指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)， （2）額定電壓額定電壓 ：指額定狀態(tài)下電樞出線(xiàn)端的電壓，以V表示。（3）額定電流額定電流 ：指電機(jī)運(yùn)行在時(shí)電機(jī)的線(xiàn)電流，以A表示。 （4）額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 ：指額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min表示。 （5）額定勵(lì)磁電壓額定勵(lì)磁電壓

7、（僅對(duì)他勵(lì)電機(jī)）。 對(duì)電動(dòng)機(jī)， 輸出的機(jī)械功率； 對(duì)發(fā)電機(jī)， 輸出的電功率。NPNPNPNUNINnfNU直流電機(jī)的額定值有：電機(jī)的輸出功率，以kW表示。3.2 3.2 空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)一一 、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)、空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng) ( (如圖如圖3-63-6) )。fpD 2：空載時(shí)的主磁極的磁通：a) 主磁通主磁通 ：通過(guò)氣隙，并形成氣隙磁場(chǎng)。b) 主極漏磁通主極漏磁通極矩：0二二 、負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)（介紹）、負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)（介紹）電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)：負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響。1、交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞反應(yīng)影響影響：

8、1）、引起氣隙磁場(chǎng)畸變，使電樞表面磁密等 2）、不計(jì)飽和時(shí)，交軸電樞反 應(yīng)既無(wú)增磁、 亦無(wú)去磁作用； 計(jì)及飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)具有一定的去磁零的位置（物理中性線(xiàn)）偏離幾何中性線(xiàn)。作用。2 2、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞反應(yīng)、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞反應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)：電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，電樞反應(yīng)為去磁； 電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，電樞反應(yīng)為增磁。電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)：與發(fā)電機(jī)的情況相反。3.3 3.3 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩 設(shè)氣隙磁場(chǎng)的分布（如圖37）所示，則每lvbe根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為blv一、電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一、電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)式中， 導(dǎo)體所在處的氣

9、隙磁密； 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度； 導(dǎo)體相對(duì)氣隙磁場(chǎng)的速度。電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為一條支路各串聯(lián)導(dǎo)體的 令 為平均氣隙磁密，則上式改寫(xiě)為 aZiaZaaxblvlvbE2121)(avBavaaBaZlvE2602npv將 代入上式得出電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，則電動(dòng)勢(shì)公式電動(dòng)勢(shì)公式 ：nCnapZlBaZpnEeaavaa60)(2602nCEealBav式中，apZCae60 每極的總磁通量； 電動(dòng)機(jī)常數(shù)； 電動(dòng)勢(shì)公式。電動(dòng)勢(shì)公式。 二二 、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 電樞表面任一點(diǎn)處的載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)距 為 式中， 該點(diǎn)處的氣隙磁密。 一個(gè)極下的載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)矩 應(yīng)為 式中， 氣隙平均磁密

10、。 cT2DlibTabpT22)(221DliBpZxbDliTaavapZiapa)(2121ipzaavxbpZBa整個(gè)電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩 則 為22DliBZpTTaavapepD2lBavaIiaa2 aTaaaavaeICIaZppaIlBZT22nCTTe 可得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為 再考慮到 eT 一、電壓方程 ；基本方程 二、轉(zhuǎn)矩方程 。 一、電壓方程一、電壓方程 1 1、他勵(lì)直流電機(jī)、他勵(lì)直流電機(jī) 直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電路圖（發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)） 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)： 則有 ； 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)： 則有 。IIaUEaaasaaRIUURIUE2UEaaaasaaRIEURIEU2 3.4 3.4

11、直流電機(jī)的基本方程直流電機(jī)的基本方程他勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁電流由其他電源單獨(dú)供電，故 。2 2、并勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電機(jī) 其電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)相同，但激磁UUffaIIIafIIIIIIsa 3 3、串勵(lì)直流電機(jī)、串勵(lì)直流電機(jī) 其電樞回路的電壓方程與他勵(lì)時(shí)亦相同，但因勵(lì) 另外，電壓方程應(yīng)加入串勵(lì)繞組的電阻壓降。電壓為電樞端電壓，即發(fā)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)：磁繞組與電樞繞組相串聯(lián)，有 。二、轉(zhuǎn)矩方程二、轉(zhuǎn)矩方程eTeTTT011T0T 為電磁轉(zhuǎn)矩。1 1、發(fā)電機(jī)情況下、發(fā)電機(jī)情況下 電機(jī)本身的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩； 原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有 電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。2T式中，20TTTe 2 2、電

12、動(dòng)機(jī)情況下、電動(dòng)機(jī)情況下電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有三、電磁功率三、電磁功率 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)： 機(jī)械能 轉(zhuǎn)化為電能 ； 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)： 電能 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 。 ePaaeIEP 602 neaaaaTIapZIE2eTaaIEaaIEeT電磁功率用 表示，則將 代入上式，得四、直流電機(jī)的可逆性四、直流電機(jī)的可逆性UEa 電機(jī)的可逆性：電機(jī)的可逆性：從原理上講，任何電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。UEa發(fā)電機(jī)、亦可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。3.5 3.5 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 fNfNIIUU,)(,2PfTne 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條，一條是工作一、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 1 1、

13、工作特性工作特性指 時(shí)， 。特性，另一條是轉(zhuǎn)矩特性（或稱(chēng)為機(jī)械特性）。)(2Pfn aeaeeaICRCUCEnn%1000NNnnnn（1 1）、）、轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 據(jù)轉(zhuǎn)速公式 得出轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整率 ： 注意：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開(kāi)。注意：并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開(kāi)。（2 2）、）、轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性 轉(zhuǎn)矩方程)(2PfTe2020PTTTTe)(2Pf（3 3）、）、效率特性效率特性并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的效率特性和其他電機(jī)相類(lèi)似。得出轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)。NUU fR)(eTfneeTaeTCCRCUn22 2、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 指 ，勵(lì)磁回路電阻 常值時(shí)，

14、。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系表達(dá)式為得特性曲線(xiàn)（如圖311）結(jié)論：硬特性結(jié)論：硬特性)(eTfn二二 、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 1 1、工作特性、工作特性IIIsaNUU )(,2PfTne)(,aeIfTnsesaasessesaaesaaKCRRIKCUIKCRRIUCRRIUn1)()(特點(diǎn)： 是指 時(shí)， 或 （圖形312）轉(zhuǎn)速公式 上式表明 曲線(xiàn)大致為一雙曲線(xiàn)。sR)(aIfn 式中 為串勵(lì)繞組的電阻。輕載時(shí)， 、 常值 ssIKsK22aTssTeICIKCT2aeIT 負(fù)載增加，磁路飽和， 常值 aTeICTaeIT 注意：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行。注意：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許

15、空載運(yùn)行。%10041NNnnnn （與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義相對(duì)比）。 2 2、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 是指 時(shí) 。 NUU)(eTfn由電壓方程可知 IRRnKCRRInCRRIEUsasesaesaaa)()()(其轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為：式中 。 ssIK于是電磁轉(zhuǎn)矩為 22)(sasesTsTaTRRnKCUKCIKCICT可得 )(1saesTseRRUTKCKCn（如圖3-13）結(jié)論：隨著轉(zhuǎn)矩的增加，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速結(jié)論：隨著轉(zhuǎn)矩的增加，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，是軟特性。下降，是軟特性。 三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)通常接為積復(fù)勵(lì)，其特性介于并勵(lì)和 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性（如圖3-14）。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)之間。 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜結(jié)構(gòu)較復(fù)雜直流電機(jī)直流電機(jī) 成本較高成本較高 使它的應(yīng)用受到使它的應(yīng)用受到 限制限制 可靠性較差可靠性較差 1.1.直流電動(dòng)機(jī)以其良好的直流電動(dòng)機(jī)以其良好的起動(dòng)性起動(dòng)性和和調(diào)速性能調(diào)速性能著稱(chēng)著稱(chēng)。2.2.直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)供電質(zhì)量供電質(zhì)量較好，常常作為勵(lì)磁電源。較好，常常作為勵(lì)磁電源。tOAX圖3-2a 線(xiàn)圈電動(dòng)勢(shì)的波形23XAe