第3章 直流电机原理2解剖

※ E 与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。
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场阻线：
If
=
E Ra＋Rf
场阻线的斜率：
E
Q
tan =
E If
2pN CT =
CE =
4pN 60
CT CE
=
60 2
= 9.55
CT = 9.55 CE
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3.8 直流发电机的运行分析
3.8.1、他励发电机
外电源Uf →If →Φ 原动机 →电枢 →n
E →Ua
1. 空载运行
励磁电路： If =
Uf Rf
+ If Uf
电枢电路：
励磁电路
Ia = 0， Ua = U0 =总E电阻
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空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之 间的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算 得到。
Φ0
膝点
饱和部分
直线，不 饱和部分
F0’ Fδ’
Ff
k
F0' F'
(约1.1~1.35)
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3.6.2 负载时直流电机的磁场―电枢反应
直流电机负 载后，电枢绕组 有电流通过，简 称电枢磁场。
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磁路从气隙1出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气 隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1
4
5
B
极距
l
空载时磁密分布波形呈平 顶波的原因是：
在主极直轴附近的气隙 较小，并且气隙均匀，磁 阻小，即此位置的主磁场 较强，在此位置以外，气 隙逐渐增大，主群场也逐 渐减弱，到两极之间的几 何中线处时，磁密等于0。
CT 转矩常数：
单位：A
2pN CT =
3. 方向
由Φ 和 Ia 共同决定。 4. 性质
发电机： T 与 n 方向相反，为制动转矩。
电动机： T 与 n 方向相同，为拖动转矩。
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3.7.1 直流电机的感应电势
1. 产生
电枢旋转 n 磁场Φ
e →∑e →E
2. 大小
每个导体：e = B l v
Ra Ia E (电枢反应)
外特性
U
=
f
(I
)
n If
= =
常nN数
UN
Ua
O
n = nN If = IfN
IN
外特性
I
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电压调整率
VR =
U0－UN UN
×100% ( 5% ~ 10% )
调整特性 当 n = nN，U = UN 时：
If = f ( I )
If
IfN
O
I
IN
调整特性
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电枢磁场对 主磁场的影响就 称为电枢反应。
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直流电机负载时磁场
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直流电机的电枢反应
电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立 的气隙磁场的影响。
具体表现：
• 使气隙磁场分布发生畸变； • 使物理中性线位移（空载时，电机物理中
性线与几何中性线重合；负载时，物理中 性线发生偏转； • 呈去磁作用
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3.7 直流电机的感应电势和电磁转矩
电枢绕组并联支路数：2a
总导体数： 2N·2a = 4aN
电枢的周长： 2R = 2p
电磁转矩：
T = 4aN ·FR
p
= 4aN · ·B l i
p
= 4aN· p
Φ
l
·l i
R
= 4aN · ·Φ i 2pN
电枢电流 Ia
= ·Φ · 2ai
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2. 大小
单位：Wb
T = CTΦ Ia (N·m)
导体切割磁场线的线速度：
v=
2R 60
n=
2p
60
n
电动势：
E = 2N e = 2N B l v
= 2N·Φl
2p
·l ·60
n
4pN = 60
Φn
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单位：Wb
E = CEΦ n (V)
CE 电动势常数：
单位：r/min
4 pN
CE = 60
3. 方向：由Φ 和 n 共同决定。
4. 性质
发电机为电源电动势；电动机为反电动势。
+ Ia
E NF
E
U –
F S
直流发电机模型
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电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
直流电动机模型
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3.7.1 直流电机的电磁转矩
1. 产生
电枢电流 i 磁 场Φ
F →T
2. 大小
电磁力： F = B l i
平均磁密：B =
Φ
l
每根导线上电磁力所
B
极距
形成的电磁转矩： FR
l
R
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电枢绕组串联总匝数： N
【例7.7.1】 一他励直流发电机， PN = 10 kW，
UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4Ω。如果磁通 Φ 保 持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压 U0 和 900 r/min 时 的满载电压 U 。
解：在 nN 和 UN 时的电枢电流
IaN =
PN Ua
=
10×103 230
A
=
43.5
A
U0 = E = Ua＋Ra IaN
= (230＋0.4×43.5) V = 247 V
在Φ 保持不变时， E ∝ n
900 E' = 1 000
U = E'－Ra IaN = (222－ 0.4×43.5) V = 205 V
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
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3.6 直流电机的磁场
3.6.1 空载时直流电机的磁场
空载时负载电流为零，此时电机内部的 磁场是由励磁绕组通过电流产生的磁势 决定。
空载时的磁场用函数Bo（x）表示；空载 磁通密度沿转子外圆周长方向的变化情 况即空载磁密的分布波形呈平顶波。
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3.8.2、并励发电机
I
E →Φ ?
Φ→E? 1. 自励条件
If
Ia
＋
G E
Ua
(1) 主磁极必须有剩磁Φr ：
－
Φr→Er →Ifr →Φ
Φ与Φr 方向相同 →E＞Er Φ与Φr 方向相反 →E＜Er
(2) 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：
Φr →Er →Ifr →E＞Er→ If＞Ifr→Φ →E ···
－
Ia +
G
E
Ua
－
调节Rf →If 可变 →Φ 可变 →E 可变 → Ua可变。
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空载特性
U0 =
E
=
f
(If )
n Ia
= =
n0N
2. 负载运行
输出电压: U = Ua 输出电流: I = Ia 电压平衡方程式
U0
剩磁感应 电动势
Er
If
O
空载特性
U = Ua = E－Ra Ia
U U0
当 Ia
3.5 直流电机的励磁方式
励磁方式
定义： 直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方
式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电 枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励 磁方式。
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根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。