第3章直流电机的基本理论

1.固有特性
n = f (T ) UaN, IfN, Ra
n n0 nN nM
N
M
N 点：额定状态。 M 点：临界状态。
2.人为特性
(1) 增加电枢电路电阻 时的人为特性 UN Ra＋Rr n=C Φ － C C Φ 2T E N E T N
O n n0
TM
T
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Ra' ＜ Ra" T
(Ra＋Rr) → 即机械特性变软。
3.5直流他励电动机的启动和调速
启动转矩
T st G T N I st
结论:由于电枢电阻Ra很小,额定电压 下直接启动的 启动电流很大。可达10—20倍额定电流。启动转矩 也很大。 2.降电枢电压启动 需要可调直流电源。
U st I st R a
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3.5直流他励电动机的启动和调速
电机与电气控制技术
第3章 机
直流电
3.1 直流电机的工作原理 3.2 直流电机的基本结构 3.3 直流电机的电枢反应
3.4 电流电机的电磁转矩和电动势 3.5 直流电动机的运行分析 3.6 直流电动机的功率和转矩 3.7 直流发电机的运行分析 3.8 直流发电机的功率和转矩
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第3 章 直流电机
3.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
N
N － U ＋
＋ U －
S
S
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第3 章 直流电机
3.1 直流电机的工作原理
一、直流电动机的工作原理
电刷 ＋ U －
N ＋ U －
N
S
换向片
S
线圈边切割磁感线会产生什么？
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第3 章 直流电机
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3.2 直流电机的基本结构
直流电机
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3.2 直流电机的基本结构
二、励磁方式
1. 直流电动机按励磁方式分类
+
他 励
Ia
M
If
+
Uf
+
I
Ia
M
If
并 励
Ua
U
－
+ I Ia
－
+
M
－
I
Ia
M
If
复
励
串 励
U
U
－
－
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A1
B1
A2
B2
着磁极的中心线： ① 电刷之间的电动 势最大。 ② 被电刷短接的元 件电动势为零。 ※ 习惯称 “电刷放在 几何中心线位置”。
几何中心线
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3.2 直流电机的基本结构
直流电机的结构
电枢
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3.2 直流电机的基本结构
电机装配图
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Ω电机角速度，Teme为驱动转矩，T2转轴上负载 转矩，T0空载转矩。
二、他励直流电动机的机械特性
当 Ua、Ra、If = 常数时： n = f (T ) —— 机械特性
U E a I a Ra
T = CTΦ Ia
E a= CEΦ n
Ra Ua － n= CECTΦ2 T CEΦ n= n0－αT
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3.4 直流电机的电磁转矩和电动势
二、电枢电动势
1. 产生 电枢旋转 n e →∑e →E 磁 场 Φ 2. 大小 每个导体：e = B l v
2R 2p 导体切割磁场线的线速度： v = n= n 60 60 电动势： E = 2N e = 2N B l v 2p 4pN Φ = 2N· · · l n= Φn 60 60 l
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第3 章 直流电机
3.3 直流电机的电磁转矩和电动势
一、电磁转矩
1. 产生 电枢电流 i F →T 磁 场 Φ 2. 大小 B 电磁力： F = B l i Φ 平均磁密：B = l 极距 每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩： FR
l
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第3 章 直流电机
3.4 直流电动机的运行原理与机械特性
一、直流电动机的基本方程
他励 1.电压平衡方程
U E a I a Ra
U-电枢电压
Ia-电枢电流
Ra-电枢电阻
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2.功率平衡方程
P1 = UI 吸收电功率 PCuf--励磁绕组铜耗
3.2 直流电机的基本结构
2. 直流发电机按励磁方式分类
+
他 励
If
G
Ia
+
Ua
If
Ia
G
I
+ U
并 励
Uf
－
If I +
－
自 励 I
－
Ia
串 励 G
If
Ia
G
+
U
U
复
励
－
－
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3.2 直流电机的基本结构
三、额定值
1. 额定电压 UN 发电机的 UN ：指输出电压的额定值。 电动机的 UN ：指输入电压的额定值。 2. 额定电流 IN 发电机的 IN ：指输出电流的额定值。 电动机的 IN ：指输入电流的额定值。 3. 额定功率 PN 发电机的 PN ：指输出电功率的额定值(UN IN ) 。 电动机的 PN ：指输出机械功率的额定值 (UN INηN ) 。
＋ Ia
Ua
Rr
M
If ＋
Uf －
n n0
a
b
c
Ra
电磁关系
直流 电流
换向
交流 电流
Φ
电磁转矩 (拖动转矩)
旋转
机械 负载
克服
反电 做功 动势
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第3 章 直流电机
二、直流发电机的工作原理
N － E ＋ － E ＋ 原动机 Φ 做功
N
S
S
电磁 关系
感应电动 输出 换向 势、电流 直流电
电磁转矩 （阻转矩）
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－
8
7
6
5
8
7
6
5
电动机
发电机
两匝元件
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3.2 直流电机的基本结构
单叠绕组的展开图
3 6' 4 7' 5 8'
B1 1 2 3 N 5 6 S 8 9 N 11 12 S A1
11' 8 10' 7 9' 6
A2
9 12' 10 1' 11 2'
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
O
(2)降低电枢电压时的人为特性
Ra Ua － n= CECTΦN2 T CEΦN Ua↓ →n0↓ 但 不变 →机械特性的硬度不变。
n n0 ' n0 " Ua' Ua" O T ＜ If" If' O T ＜
(3)减小励磁电流时的人为特性 Ra UN － n= CECTΦ2 T CEΦ If →Φ →n0 → →机械特性变软。
物理 中心线
N
N
几何 中心线
物理 中心线
S
S
励磁磁场 （空载磁场）
电枢磁场
合成磁场 （负载时的磁场）
电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。
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3.3 直流电机的电枢反应
电枢反应的影响 ① 总磁场被扭歪了 几何中心线与物理中心线分开了, 电刷位置处的元件的 e≠0，增加换向困难。 ② 一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少， 磁路不饱和时，每极磁通不变； 磁路饱和时，每极磁通减少，e 和T 相应减少。


R
3.4 直流电机的电磁转矩和电动势
电枢绕组串联总匝数： N 电枢绕组并联支路数：2a 总导体数： 2N· = 4aN 2a 电枢的周长： 2R = 2p 电磁转矩： T = 4aN · FR p = 4aN · · l i B p Φ P85 = 4aN· ·i l l p = 4aN · ·Φ i 电枢电流 Ia 2pN = ·Φ · 2ai
第3 章 直流电机
3.2 直流电机的基本结构
一、主要部件
1. 定子
(1) 主磁极
(2) 换向磁极 (3) 机座 (4) 端盖等
(a) 主磁极 (b) 机座
直流电机的定子
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3.2 直流电机的基本结构
直流电机的定子
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3.2 直流电机的基本结构
n n0 " n0'
第3 章 直流电机
3.5直流他励电动机的启动和调速
一、直流他励电动机的启动 1.全压启动 n=0,电枢绕组感应电 动势:Ea=GcФNn=0
+
Ua
Ia
M
If +
Uf
由电动势平衡方程： Ua = E + Ra Ia可知, 启动电流Ist为:
－
－
I st
U
N
Ra
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2. 转子（电枢）
(1) 电枢铁心 (2) 电枢绕组
(3) 换向器 (4) 转轴与风扇
(a) 转子主体 直流电机的转子
(b) 电枢钢片
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3.2 直流电机的基本结构
直流电枢绕组
2 1 3 4 8 1 2 3
A
8 7 1 A 8 7 2
B
5 7
A
B 4
6
3 4 B 6 5 A 7 8
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3.2 直流电机的基本结构
4. 额定转速 nN 5. 额定励磁电压 UfN 6. 额定励磁电流 IfN ※ 额定状态 ： 指 U、I、P、n 均为额定值的状态。 ※ 满载状态 ： 指 I = IN 的状态。
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第3 章 直流电机
四 直流电机的电枢反应
Q1 ＋ Ia Ua － RST1 Q2 RST2 M If ＋ Uf － O TL T2 (IL)(I2) n b2
a2
b1 b a1
(1) 起动过程
T1 (I1)
TM T (Ia) a
① 串联 (RST1+RST2) 起动： Ra2 = Ra＋RST1＋RST2 起动转矩 (电流)：T1 (I1) = (1.5 ~ 2.0) TN (IaN) ② 切除 RST2 ：Ra1 = Ra＋RST1 切换转矩 (电流)： T2 (I2) = (1.1 ~ 1.2) TL (IL)
6 1 2
5 3 B 6 5 4
结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。
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3.2 直流电机的基本结构
直流电枢绕组
1 2 3 4 1 2 3 4
Ia ＋
e e e e A ＋ E － B e e e e

Ia
－ ＋
e e e e A ＋ E － B e e e e
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3.4 直流电机的电磁转矩和电动势
单位：Wb
E = CEΦ n
CE 电动势常数：
(V)
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。 2pN CT = CT 60 = = 9.55 2 CE 4pN CE = 60 CT = 9.55 CE
A1
B1
A2
B2
B2
5' 2 4' 1 3' 12
※ 并联支路对数：a = 2。 ※ 电刷的中心线对着磁极的中心线。
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3.2 直流电机的基本结构
单叠绕组的展开图
磁极中心线 ※ 电刷的中心线对
1 2 3 N 5 6S 8 9N 11 12 S
n
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
PCua—电枢绕组铜耗
Pem= P1-(Pcua＋Pcuf)
功率流程图
P2= Pem-(Pmec＋Pfe+Pad)=Pem-P0
P2= P1-(Pcua+Pcuf+Pmec+Pmec＋Pfe+Pad)=P1-ΣP P0—空载损耗 ΣP—电机总损耗
3.转矩平衡方程
p2

p em

p0
T em T 2 T 0
3.电枢回路串电阻降压启动
（1）无级起动 起动时起动变阻器由最大电阻调至零。起动变阻器 的最大电阻 Ua RST = IST －Ra Ra 的估算公式 PN UaN－ I aN Rａ = IaN
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I st
U
N
R a R st
3.5直流他励电动机的启动和调速
（2）有级起动
加速
a2 点
切除Rst2 加速 b2 点 b1 点 瞬间 n 不变
加速 切除RST1 加速 p 点。 c1 点 c2 点 瞬间 n 不变
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3.5直流他励电动机的启动和调速
二、直流他励电动机的调速 Ua Ra n = C Φ － C C Φ2 T E E T
1、改变电枢电阻调速
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3.5直流他励电动机的启动和调速
③ 切除 RST1 ：Ra0 = Ra
Q1 ＋ Ia Ua RST1 Q2 RST2 If ＋ Uf
n p c 2 b2 a2 c1 b1 b a1 O TL T2 (IL)(I2) T1 (I1) TM a
c
M
－
－
T (Ia)
起动 a1 点


R
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3.4 直流电机的电磁转矩和电动势
2. 大小 CT 转矩常数：
单位：Wb
T = CTΦ Ia 2pN CT =
(N· m)
单位：A
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。