電機學(xué)第二章直流電機(完美解析)

電機學(xué)第二章直流電機(完美解析)第1頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1概述直流電機工作原理直流電機額定值直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件第2頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1直流電機工作原理第3頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機整體結(jié)構(gòu)第4頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機主磁極與換向極第5頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機機座第6頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機電樞沖片和電樞繞組第7頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機換向器第8頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件直流電機電刷裝置第9頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3直流電機的額定值額定功率：PN，單位W或kW額定電壓：UN，單位V額定電流：IN，單位A額定勵磁電壓：UfN，單位V額定勵磁電流：IfN，單位A額定轉(zhuǎn)速：nN，單位r/min額定效率：

N額定轉(zhuǎn)矩：TN，單位N·m額定溫升：

，單位第10頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2直流電機電樞繞組基本特點單疊繞組單波繞組第11頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1電樞繞組基本特點電樞繞組設(shè)計的基本要求電動勢大，波形好電流大，產(chǎn)生并承受的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩大結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠便于維修換向性能好電樞繞組類型疊繞組：單疊繞組和復(fù)疊繞組波繞組：單波繞組和復(fù)波繞組蛙繞組：疊繞組與波繞組的組合第12頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1電樞繞組基本特點基本概念繞組元件：兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件邊：放在槽中切割磁力線、感應(yīng)電動勢的有效邊。上（下）元件邊：放在某一槽上（下）層。端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。第13頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1電樞繞組基本特點基本概念槽內(nèi)每層元件邊數(shù)：u槽數(shù)Z與虛槽數(shù)Zi：Zi

=uZ元件數(shù)S、換向片數(shù)K與虛槽數(shù)Zi：S=K=Zi第14頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1電樞繞組基本特點基本概念第一節(jié)距y1：兩個元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示極距

：每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離，或相鄰兩主極間的距離，用弧長或虛槽數(shù)表示。y1應(yīng)接近一個極距

，且為整數(shù)。整距：y1=

短距：y1<

長距：y1>

第15頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1電樞繞組基本特點基本概念第二節(jié)距y2：與同一換向器相連的兩個元件，第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，也常用虛槽數(shù)表示。疊繞組，y2

<0；波繞組，y2

>0;合成節(jié)距y：串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示。y=y1+y2換向器節(jié)距yK：與每個元件相連的兩個換向器在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示。y=yK第16頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月17第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yK單疊繞組元件

右行左行單波繞組元件

右行第17頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2單疊繞組4極電機，

Z=Zi=S=K=16單疊右行整距繞組第18頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月19單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)成一條支路第19頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月20并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，并聯(lián)支路對數(shù)a=2電刷放置第20頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3單波繞組4極電機Z=Zi=S=K=15單波左行短整距繞組第21頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月22單波繞組：所有處于同極性下的元件串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路第22頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月23并聯(lián)支路數(shù)等于2，并聯(lián)支路對數(shù)a=1

電刷放置位置第23頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)

直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。

直流電機電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。在直流電機中，通常用a

表示并聯(lián)支路對數(shù)；單疊繞組，a=p，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機極對數(shù)；單波繞組，a=1，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1。電刷放置的一般原則：確?？蛰d時通過正、負電刷引出的電動勢最大；被電刷短路的元件中的電動勢為零；端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。第24頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3直流電機的磁場磁場是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的媒介。主極磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生主極磁場也可由勵磁繞組通入直流電流或由產(chǎn)生。

第25頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1直流電機按勵磁方式分類

他勵直流電機并勵直流電機串勵直流電機復(fù)勵直流電機第26頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2直流電機的空載磁場

空載磁場（主磁場）：電樞電流Ia=0，僅由If建立的勵磁磁場。第27頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2直流電機的空載磁場

磁通：空載是電機中的磁場是對稱分布的，分為兩部分

主磁通：經(jīng)氣隙、電樞、相鄰主極下的氣隙、主極鐵芯、定子磁軛閉合。主磁通同時交鏈與勵磁繞組和電樞繞組；在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機電能量交換；用

0表示。

漏磁通：經(jīng)主極間的空氣或定子磁軛閉合。不穿過氣隙；不參與機電能量交換；用

表示。

總磁通：為主磁通與漏磁通之和，用

m表示。第28頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2直流電機的空載磁場

磁通間的關(guān)系

k

—主極漏磁系數(shù)，一般取值1.15~1.25第29頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2直流電機的空載磁場

磁動勢F0—每對極勵磁磁動勢

Nf—每極主極上的勵磁繞組匝數(shù)主磁路結(jié)構(gòu)—五段式兩個氣隙兩個齒兩個主極一個定子軛一個轉(zhuǎn)子軛第30頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2直流電機的空載磁場

主磁場分布

氣隙磁密為平頂波

第31頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月32磁化曲線

起始階段為直線

其延長線為氣隙線

鐵磁飽和導(dǎo)致磁化曲線的彎曲第32頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3直流電機的電樞磁場

電樞繞組中的電流產(chǎn)生的磁場。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。一般情況下，直流電機電樞磁場方向總是對準交軸，稱為交軸電樞反應(yīng)。第33頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月34電刷位于幾何中性線上第34頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月35電刷偏離幾何中性線直軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢第35頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.4直流電機的電樞反應(yīng)

交軸電樞反應(yīng)第36頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響使磁場的零點偏移；不飽和時，每極磁通量不變；飽和時，每極磁通量會減少。第37頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月38直軸電樞反應(yīng)第38頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響直軸電樞磁場軸線與主機軸線重合；直軸電樞磁場對勵磁磁場起去磁或助磁的作用；第39頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

感應(yīng)電動勢E：支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動勢的代數(shù)和。

電磁轉(zhuǎn)矩Tem：所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。Φ為每極磁通量，空載時由勵磁電流產(chǎn)生，負載時由勵磁電流和電樞電流共同產(chǎn)生。CE為電動勢常數(shù)CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)。第40頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4直流發(fā)電機的基本特性2.4.1基本方程并勵發(fā)電機等效電路第41頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1基本方程1、電動勢平衡方程電樞回路

Ub—電刷接觸電阻電壓降，0.3~1V勵磁回路電流方程第42頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1基本方程2、功率平衡方程

電磁功率：電樞繞組感應(yīng)電動勢E與電樞電流Ia的乘積

第43頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1基本方程3、轉(zhuǎn)矩平衡方程

轉(zhuǎn)矩平衡方程可由功率平衡方程得出第44頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性1、空載特性

當(dāng)n=常值、I=0時，U0=f(If)的關(guān)系曲線。他勵發(fā)電機特性實驗接線圖第45頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性1、空載特性他勵發(fā)電機空載特性曲線空載特性本質(zhì)上就是通過實驗方法測定發(fā)電機實際的磁化曲線空載特性曲線測定均按他勵發(fā)電機接線方式，與電機的勵磁方式無關(guān)第46頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性2、負載特性

當(dāng)n=常值、I=常值時，U=f(If)的關(guān)系曲線。他勵發(fā)電機負載特性曲線空載特性與負載特性之間存在一個特性三角形—

EAU。第47頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性3、外特性

當(dāng)n=常值、If=常值時，U=f(I)的關(guān)系曲線。他勵發(fā)電機外特性曲線外特性隨負載電流增大呈下降趨勢，是由電樞回路電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)引起的；機端電壓隨負載變化的程度用電壓調(diào)整率衡量第48頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性4、調(diào)節(jié)特性

當(dāng)n=常值、U=常值時，If

=f(I)的關(guān)系曲線。勵磁電流隨負載電流增加而增加，以補償電樞反應(yīng)的去磁作用。鐵磁材料的飽和，使勵磁電流增加的速率還要高于負載電流。他勵發(fā)電機調(diào)節(jié)特性曲線第49頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

并勵發(fā)電機運行特性實驗接線第50頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性1、自勵過程與條件

并勵發(fā)電機自勵條件電機有剩磁勵磁繞組連接正確勵磁回路電阻小于臨界電阻不同轉(zhuǎn)速的臨界電阻第51頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性2、外特性

當(dāng)n=常值、If=常值時，U=f(I)的關(guān)系曲線。并勵發(fā)電機外特性外特性下降快，有“拐彎”電壓調(diào)整率可達20%穩(wěn)態(tài)短路電流小第52頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3復(fù)勵發(fā)電機的特點復(fù)勵發(fā)電機：勵磁繞中既含有并勵繞組，又含有串勵繞組的直流發(fā)電機，包括積復(fù)勵發(fā)電機（并勵繞組其主要作用）和差復(fù)勵發(fā)電機（串勵繞組其主要作用）

復(fù)勵發(fā)電機實驗接線第53頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3復(fù)勵發(fā)電機的特點復(fù)勵發(fā)電機外特性

復(fù)勵發(fā)電機外特性曲線第54頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5直流電動機的基本特性2.5.1基本方程

并勵電動機等效電路第55頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1基本方程1、電動勢平衡方程

電樞回路電壓方程

電樞繞組電勢

Ra—電樞回路總等效電阻

第56頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1基本方程

勵磁回路電壓方程

Rf=rf+rj—勵磁回路總電阻

電流方程

第57頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1基本方程

動態(tài)情況下的電動勢平衡方程

電樞回路

勵磁回路

第58頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1基本方程2、功率平衡方程

電功率平衡方程

—電磁功率—電樞銅耗—勵磁繞組銅耗第59頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1基本方程3、轉(zhuǎn)矩平衡方程

穩(wěn)態(tài)

動態(tài)第60頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2工作特性

工作特性—電動機運行時轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Tem和效率

與負載P2的關(guān)系曲線。

直流電動機的工作特性因勵磁方式而異。

工作特性通常用實驗方法確定。第61頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2工作特性1、并勵電動機

工作特性實驗電路

第62頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2工作特性（1）并勵電動機速率特性——n=f(P2)

（2）并勵電動機轉(zhuǎn)矩特性——Tem=f(P2)

（3）并勵電動機效率特性——

=f(P2)

工作特性實驗電路

第63頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2工作特性2、串勵電動機

串勵電動機工作特性接線第64頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2工作特性2、串勵電動機

串勵電動機工作特性第65頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2工作特性3、復(fù)勵電動機

復(fù)勵電動機工作特性實驗電路第66頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.3機械特性直流電動機機械特性：在U=UN=常值時，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系曲線n=f(Tem)。

并勵電動機

第67頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.3機械特性

串勵電動機

第68頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6直流電力傳動

電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)直流電機的調(diào)速直流電機的起動直流電機的制動第69頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)電力傳動的定義：用各種電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械，產(chǎn)生運動，電力傳動也稱為電力拖動。直流電力傳動是由直流電動機來實現(xiàn)的。

第70頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)運動方程

轉(zhuǎn)動慣量對于均勻圓柱體

對于同心圓柱體

第71頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)1、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動慣量2、直線運動系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動慣量第72頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

穩(wěn)定運行：電機與生產(chǎn)機械組成的拖動機組已運行于某一轉(zhuǎn)速，若外界短時擾動（負載突變）使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化在擾動消失后能隨之消失，即機組能自行恢復(fù)到原來的速度，則稱機組的運行是穩(wěn)定的，否則為不穩(wěn)定運行。第73頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

穩(wěn)定運行時機組的機械特性第74頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

不穩(wěn)定運行時機組的機械特性第75頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定運行條件

當(dāng)機組

n>0時，有T=Tem-TL<0，使機組速度自行下降；當(dāng)機組

n<0時，有T=Tem-TL>0，使機組速度自行上升；即可使機組穩(wěn)定運行。

即負載機械特性曲線的切線斜率要大于電動機機械特性曲線的切線斜率。第76頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.2直流電機的起動電動機起動問題的引出

機械系統(tǒng)：電動機產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩克服機組的靜止摩擦轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩以及負載轉(zhuǎn)矩。

電氣系統(tǒng)：起動瞬間n=0，E=0，Ra很小，因此起動電流很大。

起動電流大將導(dǎo)致：電網(wǎng)電壓突然降低；電機本身遭受巨大電磁力的沖擊。因此，電動機起動時限制起