第2章直流电机.ppt

1,第2章 直流电机,2,本 章 要 求,掌握直流发电机和直流电动机的工作原理。了解直流电机的结构、电枢绕组。熟练掌握并能正确使用直流电机的额定值。熟练掌握直流电机的励磁方式。搞清直流电机空载磁场，正确理解磁化曲线。正确理解电枢反应概念及其影响。正确理解电势及转矩公式，并能正确使用。了解直流电机的换向原理，掌握换向方法。,3,2.1 直流电机的工作原理；2.2 直流电机的结构、额定值及主要系列；2.3 直流电机的电枢绕组；2.4 直流电机的磁场；2.5 直流电机的感应电势和电磁转矩；2.6 直流电动机的运行原理；2.7 直流发电机的运行原理；2.8 直流电机的换向。,主要内容,4,2.1 直流电机的工作原理,概述直流电机的基本功能是实现直流电能和机械能的相互转换。直流电机调速范围广、平滑，具有良好的起动、制动和调速性能，因而一般应用于生产工艺要求较高的生产机械。直流发电机：机械能 直流电能直流电动机：直流电能 机械能,5,2.1.1直流电动机的工作原理,要解决的问题：,依据：电磁力定律,B磁密，l导体有效长度，i电流,直流电动机是怎样转起来的？,方向由左手定则判定,电磁力定律 产生力矩要两个必要条件：有一个磁场存在；导体中有电流,6,结论：只要两个线圈边在不同的极下能及时改变电流方向，即可使得直流电动机得到持续的同方向的电磁转矩，从而朝着同一方向连续旋转。由换向器和电刷来完成。,N-S极为一对在空间固定不动的磁极（可以是电磁铁也可以是永久磁铁）；两个磁极之间装着一个可以自由转动的铁磁材料制成的圆柱体（称为电枢），圆柱体上装有一个线圈ax。如图2-1所示。,当a导体在N极下，b导体在S极下时,产生的电磁转矩逆时针方向,当a导体在S极下，b导体在N极下时。,产生的电磁转矩顺时针方向,电枢摆动,图2-1直流电动机简化模型,磁极,电枢,7,目前位置：ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下,目前位置：cd线圈边在N极下，ab线圈边在S下,线圈中电流方向Aabc dB,电枢逆时针方向旋转,线圈中电流方向Adcb aB,电枢逆时针方向旋转,ab边:电流ab,电磁力方向逆时针cd边:电流cd,电磁力方向逆时针,ab边:电流b a,电磁力方向逆时针cd边:电流d c,电磁力方向逆时针,磁极,电枢,换向器,电刷(静止）,图2-2直流电动机工作原理,8,结论：（1）电刷和换向器装置将电刷外部的直流电流变成了线圈内部的交流电流，从而实现了换向。,（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到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器。,2.1.1直流电动机的工作原理,9,要解决的问题：,直流发电机是怎样发出电来的？,依据：电磁感应定律,方向由右手定则判定,B磁密，l导体有效长度，v电枢旋转的线速度,2.1.2直流发电机的工作原理,电磁感应定律产生电能要两个必要条件：有一个磁场存在；导体在磁场中有运动,10,目前位置：ab线圈边在S极下，cd线圈边在N下,线圈电势方向：abcd,电刷电势方向：A+；B-,ab边：感应电势（电流）a b cd边：感应电势（电流)c d,目前位置：ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下,ab边：感应电势（电流）ba cd边：感应电势（电流）dc,线圈电势方向：dcba,电刷电势方向：A+；B-,假设原动机拖动电枢逆时针恒速旋转,原动机拖动,原动机拖动,图2-3直流发电机的工作原理,11,（1）电刷和换向器装置将线圈内部的交流电势和电流变成了电刷外部的直流电势和电流，从而实现了换向；,（2）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。,2.1.2直流发电机的工作原理,结论：,12,作为直流电动机运行时，电刷两端接直流电源，轴上接机械负载，电动机将电能转换为机械能拖动机械负载运行；作为直流发电机运行时，则要用原动机拖动电枢运转，就可从电刷两端引出直流电势对电负载供电，发电机将机械能转换为电能。,同一台直流电机即可作为电动机也可作为发电机使用，只要改变外部条件即可。,2.1.3直流电机的可逆原理,这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。,13,2.2直流电机的结构、额定值,2.2.1直流电机的结构,直流电机的结构剖面图,1换向器；2电刷装置；3机座；4主磁极；5换向极；6端盖；7风扇；8电枢绕组；9电枢铁心,14,电机由两大部分组成:,2.2.1直流电机的结构,转子,定子,端盖,15,（1）主磁极：主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，主磁极铁心一般由1.01.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧组成，铁心中的上部套有励磁绕组的部分称为极身，下面扩展的部分称为极靴。励磁绕组由绝缘铜线绕制而成，励磁绕组套在主磁极铁心上通以直流电流来建立磁场。整个主磁极用螺钉固定在机座上。(见图2-5a),1、定子部分,图2-5 主磁极和换向极,a)主磁极,b)换向极,16,定子:主磁极；换向磁极；机座；电刷,主磁极,换向磁极,N,SK,S,N,S,NK,SK,NK,17,（2）换向极 换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。如图2-5b）所示。,（3）机座 电机定子的外壳部分称为机座。机座的主体部分作为磁极间的通路，这部分称为磁轭。机座同时用来固定主磁极、换向极和端盖，起到整个电机的支撑和固定作用。,（4）电刷装置 电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。电刷装置由电刷、刷盒、刷杆座和铜丝辫等组成。,图2-6直流电机的电刷装置,2.2.1直流电机的结构,18,电刷,刷架,电刷,刷架,换向器,19,磁极,磁极组成,20,（1）电枢铁心 电枢铁心是主磁通磁路的主要部分，同时用来嵌放电枢绕组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心一般用0.5mm厚的硅钢片冲片叠压而成为一圆柱体，将其安装在转轴上。电枢的外圆开有电枢槽，槽内嵌入电枢绕组。,2、转子（电枢部分）,2.2.1直流电机的结构,（a）电枢铁心冲片（b）电枢铁心图2-7直流电机的电枢铁心冲片和铁心,21,转子:电枢铁芯;电枢绕组；换向器,电枢铁心,电枢铁心硅钢片(0.5mm),22,（2）电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电势，是电机进行能量转化的关键部件。电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的电路部分。,2、转子（电枢部分）,2.2.1直流电机的结构,23,转子下线,转子,24,（3）换向器 换向器的作用是把电枢绕组内部的交流电流转换为电刷间的直流电流。换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上。如图2-8所示。,（4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需要一定的强度和刚度，一般用圆钢加工而成。,2.2.1直流电机的结构,图2-8直流电机的换向器,25,（1）额定功率：电机按规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。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，额定功率则是指电刷输出端输出的电功率。,2.2.2 直流电机的额定数据,（3）额定电流：电机按规定的工作方式运行时，电枢绕组允许通过的最大电流。（并励机和复励机指得是总电流）,（2）额定电压：电枢绕组能够安全工作的最大电压。对于电动机是电刷输出端的输入电压；对于发电机是电刷输出端的输出电压。,26,（3）额定转速：在额定电压、额定电流、和输出额定功率运行时，电机的转速。,（4）额定效率：在额定条件下电机的输出功率与输入功率之比。,直流电动机：直流发电机：电动机轴上输出的额定转矩：,额定数据之间存在着如下关系：,（的单位为kw）,2.2.2 直流电机的额定数据,27,2.3 直流电机的电枢绕组,对电枢绕组的主要要求：正、负电刷间所感应的电势应尽量大；绕组所用的导线和绝缘材料尽可能节省；结构简单运行可靠。,2.3.1电枢绕组的一般知识,电枢绕组是机、电能量转换的核心部件，它是由绕组元件和换向片组成的闭合回路。,28,2.3 直流电机的电枢绕组,2.3.1电枢绕组的一般知识,1电枢绕组的元件 电枢绕组是由若干个线圈按照一定的规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈称为元件，一个元件有两个有效边，其匝数为NY，见图2-9a，其中一个有效边嵌放在电枢槽的上层，称为上层边；另一个有效边放在相距约一个极距的电枢槽的下层，称为下层边。电枢槽外的部分称为元件的端部，如图2-9b 所示。,图2-9电枢绕组的元件,(c),(a),(b),29,电枢绕组的元件及在槽内的放置情况,a)元件；b)元件在槽内的放置；c)实槽与虚槽,1元件边；2首端；3末端；4有效部分；5端接部分；6元件边,30,一个元件有两根引出线，称为首端和尾端，它们分别接到两个换向片上，而每个换向片又与不同元件的两根引出线相连接，所以整个电枢绕组的元件数S应等于换向片数K，即 S=K每个元件有两个有效边，而每电枢槽分上下两层嵌放两个有效边，所以元件数S应等于电枢的槽数Z，即 S=Z,2.3.1电枢绕组的一般知识,31,把一个上层边和一个下层边看成一个虚槽，虚槽数与实槽数的关系为 Zu=Uz=S=K相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆的对应弧长表示的距离，称为极距，当用槽数表示时，有（2-5）若用长度表示时，有（2-6）式中，D为电枢铁心的外直径，单位为mm。,2.3.1电枢绕组的一般知识,32,表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据称为节距。（1）第一节距Y1 Y1是同一个元件的两个元件边的距离，一般用槽数表示，为了使每个元件的感应电动势最大，应接近或等于极距，有 式中，是使Y1凑成整数的一个分数。,2节距,2.3.1电枢绕组的一般知识,（2-7）,33,称为整距线圈 称为短距线圈 称为长距线圈 短距线圈和整距线圈多被采用，长距线圈因为端部长，用铜多而造成浪费，很少被采用。,2.3.1电枢绕组的一般知识,34,（4）换向器的节距：同一线圈的两个出线端所接换向片之间的距离。,（3）合成节距：直接相连的两个元件的对应边的距离。,（2）第二节距：连接同一个换向片的两个元件边之间的距离。,2.3.1电枢绕组的一般知识,按照电枢绕组的连接规律不同，直流电机的电枢绕组主要可分为：单叠绕组、单波绕组和混合绕组等。下面重点介绍常用的单叠绕组。,35,2.3.2单叠绕组,所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，构成一个闭合回路。所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上。,连接规律:,36,2.3.2单叠绕组,同一元件的两个出线端分别接至相邻的换向片上；,连接特点:,相邻的两个元件的对应边接至相邻的换向片上。,上式中：+1为右行（见右图），-1为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，很少采用。,37,例2-1 一台直流电机的绕组数据为：极对P=2，槽数Z=16，换向片数K=16，试设计单叠绕组连接图。,1单叠绕组的展开图（1）计算节距,解：,为了得到最大感应电势，取整距绕组。,2.3.2单叠绕组,38,绘制绕组展开图,所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿（图中为第16槽与第1槽间的1个齿）的中间切开，并展开成平面的联接图。作图步骤如下：第一步 先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。第二步 放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7,4个磁极均匀放置在电枢槽之上，并标上N、S极性。假定N极的磁力线进入纸面，S极的磁力线从纸面穿出。,39,第三步 画16个小方块代表换向片，并标上号码，为了作图方便，使换向片宽度等于槽与槽之间的距离。为了能联出形状对称的元件，换向片的编号应与槽的编号有一定对应关系。第四步 联绕组。为了便于联接，将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相联接的换向片号码编得一样，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相联接。这样当1号元件的上层边放在1号槽（实线）并与1号换向片相联后，因为y1=4，则1号元件的下层边应放在第5号槽（1+y1=5）的下层（虚线）；因y=yk=1，所以1号元件的末端应联接在2号换向片上（1+yk=2）。一般应使元件左右对称，这样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。,40,第五步 确定每个元件边里导体感应电动势的方向。图中，所考虑的是发电机，箭头表示电枢旋转方向，即自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，即在N极下的导体电动势是向下，在 极下是向上的。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该处气隙磁密为零，所以不感应电动势。第六步 放电刷。在直流电机里，电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数一样多。对本例来说，就是四组电刷 A1、B1、A2、B2，它们均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度等于每一个换向片的宽度。,41,根据已确定的各节距，绘出绕组展开图，如图2-11所示。,2.3.2单叠绕组,图2-11 单叠绕组展开图,42,电刷安装原则：电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为4;被电刷短路的元件中感应电势应尽可能小，或由电 刷引出的元件串联电势应最大；各并联支路电势要平衡。,2.3.2单叠绕组,43,电刷安装位置：在磁极的中心线下,此时被短路的元件的两个有效边正好在两个主极之间的中性线位置(此中性线叫几何中性线)，该位置磁密几乎为零，因此两个有效边的感应电势几乎为0，该元件被电刷短路不会产生环流。,电刷放在主磁极的中心线下,相同极下的电刷连一起并引出两端。,2.3.2单叠绕组,图2-11 单叠绕组展开图,44,2单叠绕组的并联支路图,根据电枢绕组的展开图瞬间，可做出其电路图，如图2-13所示。,2.3.2单叠绕组,图2-13 单叠绕组的并联支路图,电枢输出总电势等于支路电势；电枢输出总电流等于各条支路电流之和。,45,结论：,（1）对于单叠绕组，电刷总是把上层边处于同一主磁极下的元件串联成一条支路，所以有几个极就有几条支路，即2a=2p。即 式中，a为支路对数，p为极对数。（2）电刷杆数等于极数。（3）电枢总电流Ia为支路电流ia的2a倍，即,2.3.2单叠绕组,46,1绕组节距,（1）第一节距（2）合成节距与换向器节距（3）第二节距,2.3.3单波绕组,47,2单波绕组展开图,设一台直流电动机2p=4，S=K=Z=15，联接成单波左行绕组。计算绕组节距得 为一短距绕组。和单叠绕组一样，画出绕组展开图,48,单波绕组元件联接顺序图,单波绕组展开图,49,3单波绕组电路图,50,4单波绕组的特点,（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数 a=1，与磁极对数 p 无关。（2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，正、负电刷间感应电动势最大。（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。,51,2.4 直流电机的磁场,2.4.1 直流电机的各种励磁方式,主磁极上励磁绕组通以直流电流而产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁方式是指励磁绕组的供电方式与电枢绕组的关系。按励磁方式的不同，励磁方式可以分为以下4种类型：,1、他励直流电机2、并励直流电机3、串励直流电机4、复励直流电机,52,2.4.1 直流电机的各种励磁方式,励磁绕组用其他的直流电源供电，与电枢绕组之间无电的联系。对于小容量电机，常采用永磁铁提供主磁场。永磁式直流电机也属于他励直流电机。,53,2.4.1 直流电机的各种励磁方式,励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组电压与电枢绕组电压相等，两者的电流之和等于总电流，即。,54,励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组电流与电枢绕组电流相等。,55,4、短复励直流电机,5、长复励直流电机,主磁极上装有两套绕组，一组与电枢绕组并联，称为并励绕组；一组与电枢绕组串联，称为串励绕组。,56,2.4.2 直流电机的空载磁场,空载：直流电机的空载是指电枢电流为零或近似为零的运行状态。这时的气隙磁场只是由主磁极的励磁绕组产生的，亦称为空载磁场，又称为主磁场。,1、主磁通和漏磁通,图2-17直流电机的空载磁场,空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。其磁通路径见图2-17,57,2.直流电机的空载磁化曲线直流电机的空载磁化曲线的定义：每极主磁通 与励磁电流 的关系，称为空载磁化曲线表示式为其曲线见图2-18。,2.4.2 直流电机的空载磁场,图2-18空载磁化曲线,结论:由于磁路有饱和现象，主磁通 与励磁电流 之间呈非线性关系。,58,结论：空载时气隙磁密分布为一礼帽形的平顶波，如图2-19中特性曲线B0 x所示。物理中性线与几何中性线重合。,2.4.2 直流电机的空载磁场,3.空载磁场气隙磁通密度分布曲线,图2-19空载时气隙磁密分布,59,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,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），称为电枢磁势。,负载时电枢绕组中有了电枢电流，此电流要在气隙中产生磁势，这时电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的。,要解决的问题：负载时由电枢电流单独产生 的磁密在气隙下是如何分布的？,电枢反应：电枢磁势对主磁极气隙磁场的影响，称为电枢反应。,60,图2-20电枢磁场,当电刷位于几何中性线时，电枢磁势所产生的磁场（方向用右螺旋定则判定）如图2-20中虚线所示。,结论：电枢磁势的轴线在几何中性线处，与主磁极励磁磁势轴线垂直，故称励磁磁势轴线为直轴，电枢磁势轴线为交轴。,1、直流电机的电枢磁场,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,61,1、单个元件所产生的电枢磁势 一个整距元件所产生的磁动势Fa为以两个极距 为周期，幅值为 的矩形波。如图2-21b所示。,图2-21一个元件产生的磁势,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,a),b),62,2、多个元件所产生的电枢磁势,若每对极下有若干个元件均匀分布，每个元件产生的磁动势仍为矩形波，若干个元件产生的磁势为这些矩形波叠加而成的阶梯波，为了分析简单起见，可近似认为这一阶梯波为一三角波Fax。三角波磁动势的最大值在几何中性线处，主磁极中线处磁势为零。见图2-22中特性Fax。,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,63,2、多个元件所产生的电枢磁势,图2-22电枢反应磁势与磁密分布,电枢气隙磁密Bax的分布波形呈马鞍形，见图2-22中特性Bax。,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,64,2、直流电机负载时的气隙合成磁场,负载时的气隙合成磁场是主磁极励磁磁势和电枢反应磁势共同作用产生的。,要解决的问题：合成磁场是如何分布的？电枢反应的结果是什么？,直流电机负载后的气隙磁势为：,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,65,2、直流电机负载时的气隙合成磁场,当不考虑磁路饱和时：则根据叠加原理得合成气隙磁场为：，一个极下增加的和减少的磁力线数量相同，气隙每极下总的磁通量不变。,由于气隙磁场畸变的影响，使磁密为零的物理中性线偏移几何中性线一个小角度，对于直流发电机为顺转向偏移，对于直流电动机为逆转向偏移。,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,66,2、直流电机负载时的气隙合成磁场,当考虑磁路饱和时：在增磁的半个磁极下，由于饱和的影响，磁阻增大，磁通不能增加很多，故磁通增加后的数量比不饱和时少；而在减磁的半个磁极下，磁通减少较多。因此，电枢反应的结果是负载后每极下总的磁通量比空载时要少。而且电枢电流越大，这个现象越严重。,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,67,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,图2-23直流电机的电枢反应,68,2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场,（1）气隙磁场发生畸变，半个磁极下的磁场增加，半个磁极下磁场削弱。物理中性线偏移几何中性线角度，对于直流发电机是顺转向偏 移；对于电动机是逆转向偏移。（2）当磁路饱和时，每极总磁通量减少，具有去磁作用。,结论：,69,电刷位于几何中线上时的电枢反应（交轴）,（1）在磁路不饱和时，使气隙磁场发生畸变。每一磁极下，因为电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强，并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度。（2）磁路饱和时，对主磁场起去磁作用，即使每一极的磁通量减小。总之，a 磁场被扭曲，物理中线偏离几何中线；b 如果磁路饱和，则有去磁作用。,70,电刷偏离几何中线上时的电枢反应,在几何中线 以内部分产生交轴电枢反应（与电刷在几何中线上时相同），而在几何中线以外部分为直（顺）轴电枢反应。a 如果电机作为电动机运行，电刷顺着电枢旋转方向从几何中线上移动一个距离，则直轴电枢反应起增磁作用；如果是逆着电枢旋转方向移动，则电枢反应起去磁作用。b 如果电机作为发电机运行，则情况正好相反。但发电机为了保持端电压不变，负载时必须增加主极的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁作用。,71,2.5直流电机的电枢感应电动势和电磁转矩,2.5.1直流电机的电枢感应电动势,直流电机的感应电枢指正负电刷间的感应电动势。推导思路：先求出一根导体在一个极距范围内切割磁力线所产生的平均电动势E1，再乘上一个支路内的总导体数，即可得到每条支路的感应电动势，也就是正负电刷之间的电动势Ea。,以发电机为例：,72,如图2-24所示，一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密所产生的感应电动势的平均值为,设电枢的外直径为Da，则电枢的外圆周长为,2.5.1直流电机的电枢感应电动势,图2-24每极下气隙合成磁密分布和导体的感应电动势,（2-15）,73,将上式代入中，可得线速度表达式为,又知每极下的总磁通量为平均磁密BAV与每极面积的乘积，即,2.5.1直流电机的电枢感应电动势,图2-24每极下气隙合成磁密分布和导体的感应电动势,（2-16）,从而有,（2-17）,74,将式（2-16）及式（2-17）代入式（2-15），可得,每条支路的总导体数为,电枢绕组的感应电势为,2.5.1直流电机的电枢感应电动势,（2-18）,（2-19）,式中，称为直流电机的电势常数。,结论：对于已经制造好的电机，电枢感应电势Ea与每极磁通及转速n成正比。当及n中任一个参量方向改变时，Ea的方向跟着改变。,75,推导思路：先求出一根导体所产生的平均电磁转矩TAV，再乘上电枢绕组的总导体数N，即可到电机的电磁转矩Tem。,2.5.2直流电机的电磁转矩,图2-25每极下气隙合成磁密分布和电磁转矩,如图2-25所示，一根导体所在处受到电磁力的大小为,以电动机为例：,76,2.5.2直流电机的电磁转矩,图2-25每极下气隙合成磁密分布和电磁转矩,一根导体所受到的平均电磁力为,设电枢总电流为Ia，则支路电流为，又设电枢外直径为Da，一根导体所受电磁力形成的电磁转矩的大小为,77,式中 称为直流电机转矩常数。,结论：对于已经制造好的电机，电磁转矩Tem与每极磁通及电枢电流Ia成正比。当及Ia中任一个参量的方向改变时，Tem的方向跟着改变。,2.5.2直流电机的电磁转矩,当电枢绕组总导体数为N时，则电机的电磁转矩为,（2-21）,因此只要气隙中有磁通，电枢绕组中有电流就会有电磁转矩。,78,电枢感应电势 和电磁转矩 两个公式对于直流发电机和直流电动机都适用。,对于直流发电机，与 同方向，与 反方向，为阻转矩；,对于直流电动机，与 反方向，为反电动势，与 同方向，为拖动转矩。,2.5.2直流电机的电磁转矩,对于同一台电机，电势常数和转矩常数之间具有确定的关系：,从而得,79,由图2-26，用基尔霍夫电压定律得：,稳态运行,1、电压平衡方程式,结论：直流电机在电动机运行状态下的电枢电动势总小于电枢端电压。,2.6.1直流电动机的基本方程式,动态运行,2.6直流电动机的运行原理,（a）动态（b）稳态图2-26他励直流电动机的电路和机械联接示意图,80,2、转矩平衡方程式,根据牛顿第二定律得：,稳态运行,结论：电动机稳定运行时，电磁转矩等于负载转矩与 空载转矩之和。,动态运行,2.6.1直流电动机的基本方程式,（2-28）,（2-27）,81,3、功率平衡方程式,以并励直流电动机为例：,电磁功率为:,由图2-27得，输入功率为：,电枢电路的铜耗为：,将式（2-28）两边乘以机械角速度，得,2.6.1直流电动机的基本方程式,图2-27 并励直流电动机的电路,82,其对应功率为,式中：机械轴上的输出功率；,空载损耗；,当电机运行时，电枢铁心在直流磁场中受到反复磁化，产生磁滞损耗和涡流损耗，两者之和为铁耗；,机械损耗,实际中还存在着杂散损耗（附加损耗）。由磁场畸变和齿槽效应等引起的。,2.6.1直流电动机的基本方程式,转动部分的摩擦损耗和自扇冷式的电机的风阻损耗等；,直流电机的铁耗,83,功率流程图如图2-28所示。其效率为,图2-28并励直流电动机的功率流程图,综合上述关系可得：,2.6.1直流电动机的基本方程式,（2-32）,84,2.6.2并励直流电动机的工作特性,定义：直流电动机的工作特性定义为：，且电枢回路无外接电阻条件下，电动机的转速n，电磁转矩Tem，运行效率分别与电枢电流Ia的关系。,85,2.6.2并励直流电动机的工作特性,定义：当并励直流电动机的、时，转速n与电枢电流Ia的关系被称为转速特性，即,1、转速特性,将电动势公式 代入电压平衡方程式 中，整理得,图2-29并励直流电动机的工作特性,转速特性曲线如图2-29中特性1所示。,86,其中，为理想空载转速；为转速特性的斜率。,结论：如果忽略电枢反应的影响，转速特性是一条略向下垂的直线。如果负载较重时，考虑电枢反应的去磁作用的影响，随着Ia的增加，磁通将减少，转速特性将被抬高，甚至出现上翘的现象（如虚线所示），这将影响电动机的稳定运行。,2.6.2并励直流电动机的工作特性,87,2、转矩特性,定义：当直流电动机的，时，电磁转矩与电枢电流的关系被称为转矩特性,即,结论：不计饱和时，Tem成Ia正比，转矩特性为直线；计饱和时：Ia较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线而往下弯曲。,2.6.2并励直流电动机的工作特性,由电磁转矩的公式 可作出转矩特性曲线，见图2-29中特性2。,88,3、效率特性,定义：当直流电动机的，时，效率与电枢电流的关系被称为效率特性，即。,结论：当电动机某负载时的可变损耗与不变损耗相等时，其效率最高。,2.6.2并励直流电动机的工作特性,（2-35）,不变损耗：励磁损耗、铁耗、机械损耗以及附加损耗之和；可变损耗：电枢铜耗。,根据式（2-35）可做出效率特性曲线，如图2-29中特性3所示。,89,2.6.3他励直流电动机的机械特性,定义：机械特性是指电动机的电磁转矩Tem和转速n的关系，即,他励直流电动机的电气原理图见图2-30，将基本方程式 及带入电压平衡方程式 中，整理得：,1、机械特性方程式,图2-30他励直流电动机的电气原理图,90,2.6.3他励直流电动机的机械特性,（2-37）,Tem=0时的转速，称作理想空载 转速；机械特性的斜率。,图2-30他励直流电动机的电气原理图,91,(4）对于固有特性有：,（1）转速降 越小，转速变化越小，特性越平，称电动机具有较硬的机械特性；反之，称电动机具有较软的机械特性。,(2)电机的理想空载转速:,(3)重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。,特点：,实际空载转速:,2.6.3他励直流电动机的机械特性,图2-31他励直流电动机的机械特性,其特性曲线见图2-31.,92,定义：当、电枢回路不串外加电阻（）时的机械特性称为电动机的固有机械特性，又称为自然机械特性。其方程式为,特点：（1）因为R较小，所以较小，特性较硬。（2）当，后面要讨论的人为机械特性一般没有此结论。,2、固有机械特性,2.6.3他励直流电动机的机械特性,（2-38）,93,3、人为机械特性特性定义:不同时满足、及 时的机械特性称为人为机械特性。,（1）电枢回路串接电阻的人为特性,保持、，改变电枢回路串接的电阻的值，可得到电枢回路串接电阻的人为机械特性方程式为,2.6.3他励直流电动机的机械特性,94,图2-32电枢串电阻时的机械特性,结论：电枢回路串接电阻的人为特性为一组通过的n0射线，处于固有特性的下方，且R 越大特性越陡。,2.6.3他励直流电动机的机械特性,其特性曲线如图2-32所示。,95,（2）降低电枢电压,保持、电枢回路不串接电阻（），只改变电枢电压 时，可得到降低电枢电压的人为机械特性方程式为,结论：降低电枢电压的人为特性为一组与固有特性平行下移的特性曲线，且处于固有特性的下方。,图2-33降低电枢电压时的机械特性,2.6.3他励直流电动机的机械特性,其特性曲线见图2-33。,96,（3）减弱每极磁通,保持、电枢回路不串接电阻（），只改变磁通 时，可得到减弱磁通的人为机械特性方程式为,图2-34减弱磁通时的机械特性,结论：降低磁通的人为特性为一组处于固有特性的上方，且比固有特性软的特性曲线。,2.6.3他励直流电动机的机械特性,其特性曲线如图2-34所示。,97,关于堵转电流和堵转转矩：,堵转转矩：与磁通成正比。,堵转电流：不变；,当磁通改变时,当负载较大时弱磁降速,一般情况下，弱磁升速,2.6.3他励直流电动机的机械特性,(a)堵转电流时的转速特性(b)堵转转矩时的机械特性图2-35弱磁时的堵转电流和堵转转矩,98,根据铭牌数据，便可以绘制他励直流电动机的固有机械特性。具体方法是：（1）求出理想空载点；（2）求出额定运行点。通过上述两点绘制直线即可获得固有机械特性。,2.6.3他励直流电动机的机械特性,4、机械特性的绘制,99,理想空载转速：,估算：,额定运行点处的额定转矩：,同样的方法可求出控制参数改变后的人工机械特性。,上式中：,总损耗,2.6.3他励直流电动机的机械特性,100,2.6.4串励直流电动机的机械特性,图2-39串励直流电动机的电气原理图,当负载较轻、磁路未饱和时，磁通与励磁电流成正比，即，于是有,串励直流电动机的电气原理图如图2-39所示，其特点是电枢电流Ia就是励磁电流 If，即,（2-46）,101,2.6.4串励直流电动机的机械特性,图2-39串励直流电动机的电气原理图,串励机的电压平衡方程式为,将 代入上式中，得转速特性为,将式（2-46）代入上式中，得,102,当负载较重、磁路饱和时，近似不变。此时，转速随转矩的增加线性下降，与他励机的机械特性相似。串励直流电动机机械特性曲线如图2-40所示。,图2-40串励直流电动机的机械特性,警示：串励直流电动机不允许轻载或空载运行!,特点：（1）当电枢电流不大，磁路没有饱和时，转速随着电枢电流的增加而迅速减小；当电枢电流较大时，磁路趋于饱和，磁通近似为常数，特性为一略向下垂的直线。（2）当串励机空载或轻载运行时，电动机的转速将很高，导致“飞车”现象，使电动机受到严重的损害，,2.6.4串励直流电动机的机械特性,103,根据基尔霍夫第二定律，依照图2-43（a）（b）所示的正方向，可列出直流发电机动态和稳态时的电压平衡方程式。,1、电压平衡方程式,2.7.1直流发电机的基本方程式,2.7直流发电机的运行原理,动态运行时：,（a）动态(b)稳态图2-43 直流发电机的电路和机械联结示意图,104,稳态运行时：,2.7.1直流发电机的基本方程式,2.7直流发电机的运行原理,（a）动态(b)稳态图2-43 直流发电机的电路和机械联结示意图,结论：直流电机在发电机运行状态下的电枢电动势总是大于电枢端电压。,105,2、转矩平衡方程式,根据牛顿第二定律得：,稳态运行时,动态运行时,2.7.1直流发电机的基本方程式,106,3、功率平衡方程式,图2-44为并励直流发电机的接线图（正方向按发电机惯例），发电机从原动机输入的机械功率为,电磁功率为：,图2-44并励直流电动机的电路和机械连接示意图,2.7.1直流发电机的基本方程式,107,由上式可知，与直流电动机一样，电磁功率具有机械功率性质又有电功率性质，其实质是机械功率转换成电能的那部分功率。,图2-44并励直流电动机的电路和机械连接示意图,2.7.1直流发电机的基本方程式,108,图2-45并励直流发电机的功率流程图,直流发电机功率流程图如图2-45所示：,综合以上式：,2.7.1直流发电机的基本方程式,直流发电机的效率为,109,2.7.2直流发电机的工作特性,1、空载特性,定义：当、时，端电压U与励磁电流If的关系被称为空载特性，即。,发电机的特性一般指发电机运行时，端电压U、负载电流I2、励磁电流If 这三个物理量之间的关系，保持其中的一个量不变，其余两个量就构成一种特性。,空载特性可以通过试验来测定。,110,2.7.2直流发电机的工作特性,空载特性试验接线图见图2-46。实验测得空载特性如图2-47所示。,图2-46 他励直流发电机试验接线图,图2-47 他励直流发电机空载特性,111,2、外特性,定义：当、时，端电压U与负载电流If的关系被称为外特性，即。,外特性可通过负载实验测得,如图2-48所示。,图2-48 直流发电机的外特性1积复励 2他励 3并励,2.7.2直流发电机的工作特性,对于他励和并励直流发电机，其电压平衡方程式为,112,分析:对他励直流发电机I2=Ia，影响端部电压随负载增加而下降的因素：负载电流增加，电阻压降增加；电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降。,对并励直流发电机，影响端部电压随负载增加而下降的因素：负载电流增加，电阻压降增加；电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降；随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感 应电势的进一步下降。并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发电机。,2.7.2直流发电机的工作特性,113,电压变化率：,定义：当、时，发电机由额定负载到空载时电压变化的数值对额定电压的百分比，即,是衡量发电机运行性能的一个重要数据，一般他励直流发电机的电压变化率约为,并励直流发电机的电压变化率约为。,发电机端电压随负载电流的增大而降低的程度用电压变化率来表示。,2.7.2直流发电机的工作特性,114,3、调节特性,定义：当、U2为常数时，励磁电流与负载电流的关系被称为调节特性，即。直流发电机的调节特性见图2-49.,图2-49 直流发电机调节特性,2.7.2直流发电机的工作特性,115,3、调节特性,调整特性是一条上升的曲线。由外特性可知，当负载电流I2增加时，发电机端电压下降。如需维持U为常值，I2增加时,要相应的增加 If 以补偿去磁的电枢反应和电枢回路电阻压降。,调节特性反映了负载变化时是如何通过调节励磁电流来保持端电压不变的。,2.7.2直流发电机的工作特性,116,(b)自励建压过程图2-50并励直流发电机的自励建压过程,要解决的问题：并励直流发电机不需要其他直流电源励磁，其励磁绕组是靠自身发出来的电压供电的，但当发电机工作之初，原动机拖动电枢转动，发电机还未发出电压，励磁绕组是如何获得电流并产生磁场，使得电枢绕组切割此磁场，最终发出所需要数值的端电压的？,2.7.3并励直流发电机的自励过程和自励条件,117,1、自励过程：发电机由原动机拖动至额定转速，假定发电机磁路里有一定的剩磁，当电枢旋转时，发电机电枢端点将有一个不大的剩磁电压Er，Er同时加在励磁绕组两端，便有一个不大的励磁电流通过，从而产生一个不大的励磁场。如励磁绕组接法正确，可使励磁磁场的方向与电机剩磁方向相同，使总磁通增加，感应电势亦增加，励磁电流随之增加，如此反复作用，空载端电压便自动建立起来。,(b)自励建压过程图2-50并励直流发电机的自励建压过程,2.7.3并励直流发电机的自励过程和自励条件,118,图2-50b中，曲线1为直流发电机的空载特性：；