电机学第3章直流电机
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章7直流电动机的起动、调速和制动
调速的方法
U I a Ra n Ce
磁场控制
9 调励磁电流调速
电机学
调速 Speed Governing
调速：调节转速、转速控制 电动机调速的基本要求
– – – –
n nN n1 t1 O t
调速范围：D=nmax/nmin 平滑性 经济性
调速设备简单、可靠、操作方便
10
电机学
If
18
电机学
直流电动机的反接制动
方法
励磁回路不变，将加在电枢回路的电 压反接。
-U=Ea+Ia(Ra+RL) Ia=-(U+Ea)/(Ra+RL) 将产生很大的制动性质的电磁转矩。
原理
19
电机学
直流电动机的反接制动
+ U 电动
Q 制动 B n0
n A
Ra
Ia
RL I’a + Ea –
n Ia1
If3
ia
n0
O
If1>If2>If3
If2
If1 TeN Te
IaN n1 nN
O
Te=CTΦIa
n
13
t
电机学
串励电动机的调速
n n
TL
Rs1<Rs2<Rs3 Rs1 Rs3 O Rs2 Te O
TL U1>U2>U3 U1 U3 U2 Te
调速方式 改变Rs 改变U
14
主要优点 简单 转速可调低、可调高
他励和并励电动机的调速 ▲电枢回路串电阻调速
n
n0 RΩ=0
IaN nN n1
第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
第三章 直流电机习题解答3-1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？对发电机和电动机有什么不同？答：输出功率；对于电动机指轴上的输出机械功率，对于发电机指线段输出的电功率。
3-2. 一台p 对极的直流电机，采用单叠绕组，其电枢电阻为R ，若用同等数目的同样元件接成单波绕组时，电枢电阻应为多少？ 答：P 2R .解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：12R R P=,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。
3-3.直流电机主磁路包括哪几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分？答：(N 极)，气隙，电枢齿，电枢磁轭，下一电枢齿，气隙，（S 极），定子磁轭，（N 极）；主要消耗在气隙。
3-4. 在直流发电机中，电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，电枢反应的性质怎样？当电刷逆电枢旋转方向移动一角度，电枢反应的性质又是怎样？如果是电动机，在这两种情况下，电枢反应的性质怎样？答：当电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢磁动势外，还会产生直轴磁动势。
对于发电机，当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有去磁作用。
当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后，产生的交轴磁动势F aq 对主磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同，产生的直轴电动势F ad 有助磁作用。
如果是电动机，两种情况下的影响与发电机恰好相反。
3-5. 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流？为什么在稳态电压方程中不考虑元件本身的电感电动势？答：交流；因为在元件短距时，元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反，使得元件的平均电动势稍有降低。
但直流电机中不允许元件短距太大，所以这个影响极小，故一般不考虑。
第三章 直流电机(2-5)
3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间 的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。 4）结构材料：使电机各个零件构成一个整体，要 求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。 四、电机的发热： 任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热 的现象，我们已经学过了电工，那么，很显然， 这是损耗的出现所导致的结果。 1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升 而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度 之差，我们称之为温升。 电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况， 还与电机的工作方式有关：
铁心是导电的，交变的磁通也能在铁心中感 性电动势，并引起环流，这些环流在铁心内 部围绕磁通做涡流状流动，称为涡流。涡流 在铁心中引起的损耗称为涡流损耗
磁滞损耗和涡流损耗，总称铁心损耗
PFe CFe B f G
2 m 1.3
硅 钢 片 中 的 涡 流
B
八、能量守恒定律： 物理中的能量守恒定律在这里同样使用， 稳态运行时，
电刷A与B间的电动势波形
思考：如果没有换向器，电刷A、B间的电动势 波形是什么样的？
2、直流电动机的工作原理
在电动机中换向器和电刷的作用
换向器和电刷的共同作用是： 1、保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方 向，使电动机能连续的旋转。 2、将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电； 3、把外面不转的电路与转动的电路连接。 思考：若无换向器，会出现什么结果？
电刷
b
N
a c
S + U –
I F IE Fd Tn NhomakorabeaE
换向片
当直流电机运行于发电状态时，感应电动势 的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通 过电刷输出电能。
2. 电磁转矩 直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁 通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的 电磁转矩公式为 T=CT Ia
电机学第3章第1学期直流电机PPT课件
结构较复杂
直流电机
成本较高 可靠性稍差
使它的应用受到 限制
5
3.1 直流电机的工作原理及结构
1. 直流电动机的工作原理
电刷
＋ U －
N
S 换向片
N
＋
U
－
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
6
直流电机模型
磁极
产生旋转
支柱
半环形 金属环
7
直流电机模型
转轴
换向片
电刷
8
直流电机模型
转向 电流方向 换向片
线圈 磁极
③ 换向器 ④ 转轴与风扇
(a) 转子主体 直流电机的转子
19
(b) 电枢铁心冲片
20
21
电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分； 2、电枢绕组的支撑部件。
构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530 或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。
电枢绕组
作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用
电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。
（1）第一节距y1
一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称 为第一节距，用y1表示。
常采用短距绕组，可节省用铜。
y1
y1
Zi 2p
=整数
y1
整距绕组 短距绕组 长距绕组
+ Ia
If +
+ I Ia If
他 Ua
M
Uf
U
M
并
励－
－
－
励
+I
串U
励－
Ia
M
电机学第三章直流电机
3.2 直流电枢绕组
电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机 电能量转换的重要部件。
直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组和单波绕组。
t 实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般 e 采用双层绕组，也就是在槽中嵌放绕组时，上下层放 r 入不同的电枢绕组。 c 对电枢绕组的要求是 : e 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下， s 尽可能节省有色金属和绝缘材料；并且要结构简单、
2）直流发电机工作原理
E=Blv
方向：右手定则判定
电刷
+ E -
N S
tN
re+
cE
se -
S
换向片
改进上述结构，将线圈两端连接换向片，如图所示。换向 片与线圈一同旋转，电刷不动，则可得到直流电势。
2）直流发电机工作原理
secret
直流电势产生动画
2）直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理是基于电磁感应，电枢绕组相 对磁极运动产生交变感应电动势，换向器配合电刷的换向 作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。
右手定则
secret
由图可见所有N极下导体电流都是流向换向片，S下导体电流 流出换向片，2、3、4号元件电流方向从尾端指向头端。6、7、 8则相反，1、5号元件处于磁密为零处，电流为零。
2）单叠绕组展开图画法
第五步 确定元件感应电动势的方向
右手定则
secret
由图可见所有元件通过换向片串联后，感应电势彼此抵消。
+ Ia
If +
+ I Ia If
U
他
励－
+ 串U
电机学第五版第3章 直流电机
2.转矩方程
发电机情况下 电磁转矩为制动转矩，有
— 原动机的驱动转矩； — 电机本身的机械阻力转矩； — 为电磁转矩。 电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩，有
图3-29 直流电机的电磁转矩和外施转矩 a)发电机 b)电动机
— 电动机轴上的负载转矩。
3.电磁功率
电磁功率用 因
表示，则 ，得
发电机： 机械能 电动机： 电能
1.直流电动机的起动 2.直流电动机转速的调节 3.直流电动机的制动
1.直流电动机的起动
直流电动机常用的起动方法： （1）直接起动； （2）电枢回路接入变阻器起动； （3）降压起动。
图3-48 三点起动器 及其接线图
2.直流电动机转速的调节
从直流电动机的转速公式
可知，调速方法有两种： (1)电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。 (2)磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
式中 令
为电枢绕组的总导体数， 为平均气隙磁密，
为并联支路对数。
则上式改写为
将
代入上式得出
1.电枢绕组的感应电动势
电动势公式 ：
式中：
— 每极的总磁通量；
— 电动势常数；
— 电动势公式。
2.电枢的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距
为
式中， — 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩
3.串励电动机的运行特性
串励电动机的特点是，电 枢电流、线路电流和励磁 电流三者相等
图3-42 串励电动机 的接线图
3.串励电动机的运行特性
图3-43 串励电动机的工作特性
3.串励电动机的运行特性
图3-44 串励电动机的机械特性
《机电传动控制》第五版课后习题答案
第3章直流电机的工作原理及特性习题3.1 为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？答案：直流电动机工作时，（1）电枢绕组中流过交变电流，它产生的磁通当然是交变的。
这个（2）变化的磁通在铁芯中产生感应电流。
铁芯中产生的感应电流，在（3）垂直于磁通方向的平面内环流，所以叫涡流。
涡流损耗会使铁芯发热。
为了减小这种涡流损耗，电枢铁芯采用彼此绝缘的硅钢片叠压而成，使涡流在狭长形的回路中，通过较小的截面，以（4）增大涡流通路上的电阻，从而起到（5）减小涡流的作用。
如果没有绝缘层，会使整个电枢铁芯成为一体，涡流将增大，使铁芯发热。
因此，如果没有绝缘，就起不到削减涡流的作用。
习题3.4 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势E ＝E1，如负载转矩TL ＝常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？答案：∵当电动机再次达到稳定状态后，输出转矩仍等于负载转矩，即输出转矩T ＝T L ＝常200aae e ae m ae m e e R U n I K K R U n E K n T K I n n n K K K U T K =Φ=−ΦΦ=∴=Φ−Φ∴−∆=Φ=ΦQ Q 又当T=0a aU E I R =+数。
又根据公式（3.2）， T ＝K t ФI a 。
∵励磁磁通Ф减小，T 、K t 不变。
∴电枢电流I a 增大。
再根据公式（3.11），U ＝E ＋I a ·R a 。
∴E=U －I a ·R a 。
又∵U 、R a 不变，I a 增大。
∴E 减小即减弱励磁到达稳定后，电动机反电势将小于E 1。
习题3.8 一台他励直流电动机的铭牌数据为：P N ＝5.5KW ，U N ＝110V ，I N ＝62A ，n N ＝1000r/min ，试绘出它的固有机械特性曲线。
（1）第一步，求出n 0 （2）第二步，求出（T N ，n N ）答案：根据公式（3.15），（1-1）Ra ＝（0.50~0.75）(N N N I U P −1)NN I U我们取Ra ＝0.7(N N N I U P −1)NN I U， 计算可得，Ra ＝0.24 Ω 再根据公式（3.16）得，（1-2） Ke ФN ＝（U N －I N Ra ）/n N =0.095 又根据（1-3） n 0＝U N /（Ke ФN ），计算可得，n 0＝1158 r/min 根据公式（3.17），（2-1） T N ＝9.55NNn P ， 计算可得，T N ＝52.525 N ·M 根据上述参数，绘制电动机固有机械特性曲线如下：3.10一台他励直流电动机的技术数据如下：P N =6.5KW ，U N =220V ， IN=34.4A ， n N =1500r/min ， R a =0.242Ω，试计算出此电动机的如下特性：①固有机械特性；②电枢附加电阻分别为3Ω和5Ω时的人为机械特性；③电枢电压为U N /2时的人为机械特性； ④磁通φ=0.8φN 时的人为机械特性；并绘出上述特性的图形。
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接触。 • （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。
2直流电机的主要结构
电刷盒
3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。 • 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。 • 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；先串在并是长复励。如果Fs（串）和Ff（并）方向一 致，称为积复励；如果两者方向相反称为差复励。
4直流电机的额定值
指轴上输出 的机械功率
电动机
额定功率PN
额定条件下电机
发电机
指电刷间输出的 额定电功率
所能提供的功率
额定电压U N 在额定工况下，电机
（2）从空间上看，电枢电流产生的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
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。
• 归纳：（1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 • （2）电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)
为第二节矩y2，用槽数表示。
✓ 合成节矩y：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y。用槽数表示。
✓ 换 连向接器的节两矩片y换k向:每片个在元换件向的器首表末面两上端的所 距离，用换向片数表示。注：换向器 的节距总是等于合成节矩。y=yk
单波绕组
y y1 y2
单叠绕组
y y1 y2
体cd受力方向从左向右。该电磁
把电刷A、B接到直流电源 力形成逆时针方向的电磁转矩。
上，电刷A接正极，电刷B接负 当电磁转矩大于阻转矩时，电机
极。此时电枢线圈中将电流流过。转子逆时针方向旋转。
电刷
+ U
N I
I
–
S
换向片
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（交 流）流过。换向片和电刷起逆变作用。
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 当电流大于额定电流，称过载或超载，长期会 影响寿命(过热）； 当电流小于额定电流，称欠载或轻载，容量 不能充分利用，会降低效率； 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
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、工作性能等比较好。
第3章 直流电机
• 3.1直流电机的基本工作原理和结构 • 3.2直流电枢绕组 • 3.3直流电机磁场 • 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩 • 3.5直流电机基本方程 • 3.6直流电动机的运行特性 • 3.7直流电动机的起动、调速、制动 • 3.8直流电机的换向
3.1直流电机的基本工作原理和结构
2.单叠绕组
• 单叠绕组：相邻联接的两 个元件互相交错地重叠。 多个相邻元件依次串联， 同时每个元件的引线端依 次焊接到相邻的换向片上 最后形成闭合回路。整个 绕组成折叠式前进
• 直流电机的用途：视频 • 1基本工作原理
• 定子上有磁铁（主磁极）和电刷。
• 转子有环形铁心和铁心上的绕组。
• 左图表示一台最简单的两极直流电 机模型，
• 定子上，装设了一对直流励磁的静 止的主磁极N和S，
• 转子上装设电枢铁心。定子与转子 之间有一气隙。在电枢铁心上放置 电枢线圈，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。换向片之间互相绝缘， 由换向片构成的整体称为换向器。 换向器固定在转轴上，换向片与转 轴之间亦互相绝缘。
效边是指线圈的直线部分。 ✓ 端部（端接）：端部是指线圈非接触电枢铁心的那个部分。 ✓ 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。 ✓ 槽数Z=元件数S=换向片数K ✓ 极距：相邻两个主磁极轴线之间的距离。用槽数表示 p为主
磁极极对数
Z
2p
基本术语：
额定电流I N
出线端的平均电压
额定转速nN
发电机：是指输出额定电压；
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
电动机：是指输入额定电压。
行于额定功率时对应的转速.
额定励磁电流I fN
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流
电机铭牌上还标有其它数 据，如励磁电压、出厂日 期、出厂编号等。
✓ 第 表面一上节所矩y跨1:的元距件离的称两为条第有一效节边矩在。电用枢 槽 当 有数利y1来于<表换τ为示向短。，矩当尚绕y能1组节=。省τ，因部为为分短整端矩矩部绕绕用组组铜，， 故常被采用。ε为小于1的分数。
y1
Z 2p
第二节矩y2: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
上层边在电枢表面上所跨的距离，称
+ Ia
N
E
• （3）电磁电流产生的磁
场在空间上是一个恒定U 不
变的磁场。
• （4）电磁力制动性质与 –
S
转子转向相反，原动机必
须输入机械功率克服电磁
力矩制动作用使转子恒速
旋转产生电能。
直流电动机工作原理
在磁场作用下，N极性下导体
直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左，S 极下导
成机械能的旋转机械。
3.2 直流电机的电枢绕组
• 1.直流电机绕组的构成
• 电枢绕组是直流电机的电路部分，实现机电能量转换的枢钮。 • 直流电机电枢绕组分三种形式：叠绕组、波绕组、混合绕组。 ✓ 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。 ✓ 元件边：在电枢槽中，能与磁场作用产生电动势或转矩的有
• 在换向片上放置着一对固定不动的 电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢 线圈通过换向片和电刷与外电路接 通。
eXA 2 3
图3-2a 线圈电动势的波形
图3-2b 电刷间的电动势波形
直流发电机工作原理
• （1）线圈中的电动势和
电流都是交流电，通过换
向片及电刷作用产生的直
Байду номын сангаас
流电动势及直流电流。
E
• （2）感应电动势和电流 的方向始终一致。