项目二直流电机学习教案

会计学1第一页，共74页。任务一任务一 直流电机的基本工作原理和结构、电枢绕组直流电机的基本工作原理和结构、电枢绕组目的要求： 知识目标： 1.直流发电机和直流电动机的工作原理 ； 2.直流电机的主要结构和各部分的主要作用 ； 3.直流电机的铭牌及绕组的主要特点 。能力目标： 1.理解电机铭牌的参数并选择电机； 2.看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图 。知识点或技能点： 1. 直流电机工组原理； 2. 电机铭牌与绕线。重点难点：重点：1. 直流电机的工作原理； 2. 直流电机的名牌参数。难点：1、直流电机的工作原理； 2、直流电机的绕组。方法手段（含教具）： 本项目分为1个基本任务：直流电机的工作原理与结构 本模块实行多媒体讲解和演示实物，建议在多媒体教室和实验室完成课程。课外练习或训练： 1. 画出绕组图；2、读懂电动机的铭牌。授课(shuk)时间：第一周周五，1-2节第1页/共73页第二页，共74页。一、直流电机的工作一、直流电机的工作(gngzu)(gngzu)原理原理（一）直流发电机工作（一）直流发电机工作(gngzu)原理原理直流发电机是将机械能转变成电能直流发电机是将机械能转变成电能(dinnng)(dinnng)的旋的旋转机械。转机械。 右图为直流发电机的物理模右图为直流发电机的物理模型，型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端转子或电枢。线圈的首末端a a、d d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。动的电刷进行的。第2页/共73页第三页，共74页。 当原动机驱动电机转当原动机驱动电机转子子(zhun z)(zhun z)逆时针旋转逆时针旋转时，线圈时，线圈abcdabcd将感应电动将感应电动势。如右图，导体势。如右图，导体abab在在N N极下，极下，a a点高电位，点高电位，b b点低点低电位；导体电位；导体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电位，点高电位，d d点低电位；点低电位；电刷电刷A A极性为正，电刷极性为正，电刷B B极极性为负。性为负。第3页/共73页第四页，共74页。 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后，如右图后，如右图。0180 导体(dot)ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体(dot)cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。 与电刷与电刷A A接触的导体总是接触的导体总是(zn sh)(zn sh)位于位于N N极下，与电刷极下，与电刷B B接触的导体总是接触的导体总是(zn sh)(zn sh)位于位于S S极下极下, ,电刷电刷A A的极性总的极性总是是(zn sh)(zn sh)正的，电刷正的，电刷B B的极性总是的极性总是(zn sh)(zn sh)负的，在电刷负的，在电刷A A、B B两端可获两端可获得直流电动势。得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照(nzho)一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。第4页/共73页第五页，共74页。例例1-1 如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势如果前图中的直流发电机顺时针旋转，电刷两端的电动势极性有何变化？还有什么因素极性有何变化？还有什么因素(yn s)会引起同样的变化？会引起同样的变化？解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示解：直流发电机顺时针旋转时，由右手定则，图示线圈中感应电动势方向为线圈中感应电动势方向为a-b-c-d,通过换向片与电刷通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷极性为正，电刷A极性为负。极性为负。所以改变电枢所以改变电枢(din sh)转向，可改变电刷间输出转向，可改变电刷间输出电动势极性。电动势极性。由右手定则可知：决定(judng)感应电动势极性的因素有两个，一是改变电枢转向，二是磁场极性，因此改变磁场的极性也可使直流发电机的输出电动势极性改变。+-NS注意：注意：电枢转向和磁场极性只能改变其一。电枢转向和磁场极性只能改变其一。第5页/共73页第六页，共74页。（二）直流电动机工作（二）直流电动机工作(gngzu)原理原理 直流电动机是将电能(dinnng)转变成机械能的旋转机械。 把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极(zhngj)，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。 在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导体极下导体cdcd受力方向从左向右。该电磁力形受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的成逆时针方向的电磁转矩电磁转矩。当电磁。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。针方向旋转。第6页/共73页第七页，共74页。 当电枢旋转(xunzhun)到右图所示位置时 原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极下，受极下，受力方向从左向右，原力方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转转到到N N极下，受力方向从右向左。该电磁极下，受力方向从右向左。该电磁(dinc)(dinc)力形成逆时针方向的电磁力形成逆时针方向的电磁(dinc)(dinc)转矩。线圈在该电磁转矩。线圈在该电磁(dinc)(dinc)力形成的电磁力形成的电磁(dinc)(dinc)转矩转矩作用下继续逆时针方向旋转。作用下继续逆时针方向旋转。 与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一(dny)线圈，磁极也并非一对。第7页/共73页第八页，共74页。例例1-2 电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，电动机拖动的生产设备常需要作正转或反转运动，如电力机车如电力机车(din l j ch)的前行和倒退，就要求牵引电的前行和倒退，就要求牵引电动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转动机能正、反转。分析前图中的直流电动机如何能反转(顺时针旋转顺时针旋转)?解：图中的电动机模型要顺时针旋转需获得一个顺时针方向(fngxing)的电磁转矩，由左手定则可知：电磁力的方向(fngxing)取决于磁场极性或导体中电流的方向(fngxing)，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性，二是改变电源电压极性使流过导体的电流方向(fngxing)改变。注意：两者只能改变注意：两者只能改变(gibin)其一，否则，直流电动机的转其一，否则，直流电动机的转向不变。向不变。-+ffn改变电源极性（导体电改变电源极性（导体电流方向）而反转示意图流方向）而反转示意图第8页/共73页第九页，共74页。（三）直流电机的可逆原理（三）直流电机的可逆原理(yunl) 一台电机既可作为(zuwi)发电机运行，又可作为(zuwi)电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。 从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为得到一个直流电动势作为(zuwi)电源，将机械能变为电能而成为发电电源，将机械能变为电能而成为发电机。机。第9页/共73页第十页，共74页。二、直流电机的基本(jbn)结构1-电枢(din sh)铁心 2-主磁极 3-励磁绕组 4-电枢(din sh)齿 5-换向极绕组 6-换向极铁心 7-电枢(din sh)槽 8-底座 9-电枢(din sh)绕组 10-极掌(极靴） 11-磁轭（机座）直流电机的结构图直流电机的径向(jn xin)剖面示意图第10页/共73页第十一页，共74页。静止部分静止部分:定定子子旋转部分旋转部分:转转子子中间有气隙中间有气隙电磁方面：产生磁场和构成电磁方面：产生磁场和构成(guchng)磁路。磁路。 机械方面：整个电机的支撑。机械方面：整个电机的支撑。作用(zuyng)主要部件：磁极、机座、换向极、电刷、轴承、端盖等作用感应电动势和产生电磁转矩，感应电动势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换从而实现能量的转换主要部件：电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴承和风扇等第11页/共73页第十二页，共74页。1、定子、定子(dngz)部分部分导磁和机械导磁和机械(jxi)支撑支撑机座机座(j zu)由磁极铁心和励磁绕组构成,磁极铁心由极身和极靴组成.主磁极主磁极产生磁场，产生磁场，N、S 相隔，用相隔，用p表示极对数表示极对数第12页/共73页第十三页，共74页。作用作用: :改善直流电机的换向，改善直流电机的换向，一般电机容量超过一般电机容量超过1kW1kW时均应时均应安装安装(nzhung)(nzhung)换向极。换向极。 安装安装(nzhung)(nzhung)在相邻两主磁在相邻两主磁极之间，用螺钉固定在机座上极之间，用螺钉固定在机座上。用整块钢制成，也可用厚用整块钢制成，也可用厚11.5mm厚钢板厚钢板(gngbn)或或硅钢片叠成硅钢片叠成1-刷握 2-铜丝(tn s)辫 3-压紧弹簧 4-电刷块（石墨材料）换换向向极极电电刷刷作用：作用：将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出 第13页/共73页第十四页，共74页。2、转子、转子(zhun z)部分部分材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心材料：为减小磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心(ti xn) (ti xn) 用用0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。缘层。 作用：通过磁通和嵌放电作用：通过磁通和嵌放电枢枢(din sh)绕组。绕组。电电枢枢铁铁心心铁心冲片铁心冲片第14页/共73页第十五页，共74页。电电枢枢(din sh)线线圈圈第15页/共73页第十六页，共74页。上层有效边上层有效边端接部分端接部分端接部端接部分分下层有效边下层有效边线圈首端线圈首端线圈尾端线圈尾端作用：用于产生感应电作用：用于产生感应电动势和通过电流，实现动势和通过电流，实现(shxin)机电能量的转机电能量的转换。换。电电枢枢(din sh)线线圈圈电枢绕组：电枢线电枢绕组：电枢线圈按一定规律连接圈按一定规律连接(linji)形成。其并形成。其并联支路对数用联支路对数用a表示表示。单叠绕组：单叠绕组：a=p单波绕组：单波绕组：a=1单波、单叠绕组联接示意图单波、单叠绕组联接示意图第16页/共73页第十七页，共74页。换向器换向器材料：采用导电性能好、硬度材料：采用导电性能好、硬度(yngd)大、大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。 作用：实现作用：实现(shxin)电刷内外电刷内外 交直流的转换。交直流的转换。由许多燕尾状的铜片间由许多燕尾状的铜片间隔隔(jin g)绝缘云母片绝缘云母片而成而成第17页/共73页第十八页，共74页。主极极靴和电枢间主极极靴和电枢间的间隙的间隙(jin x)。不均匀。不均匀。3、气隙、气隙作用：保证了电机作用：保证了电机的转子的正常旋转的转子的正常旋转(xunzhun)，又，又是磁路的重要组成是磁路的重要组成部分。部分。小型小型(xioxng)(xioxng)电电机气隙约为机气隙约为0.70.75mm5mm；大型电机气隙可达；大型电机气隙可达5 510mm 10mm 。第18页/共73页第十九页，共74页。三、直流电机的铭牌三、直流电机的铭牌(mngpi)(mngpi)数据数据电机电机(dinj)型号型号铭牌铭牌(mngpi)数据主要有：数据主要有：额定功率额定功率额定电压额定电压额定电流额定电流额定转速额定转速额定励磁电流额定励磁电流励磁方式励磁方式出厂数据如出厂编号、出厂日期等出厂数据如出厂编号、出厂日期等第19页/共73页第二十页，共74页。第20页/共73页第二十一页，共74页。Z 27 2 一般用途直流电机一般用途直流电机 第二次改型设计(shj) 机座机座(j zu)号号 电枢铁心电枢铁心(ti xn)长度长度1 1、电机型号、电机型号1号为短铁心，号为短铁心，2 号为长铁心号为长铁心1号最小，号最小，12 号最大号最大型号表明电机所属的系列及主要特性型号表明电机所属的系列及主要特性。知道了型号，可从相关手册中查出。知道了型号，可从相关手册中查出电机的许多技术数据。电机的许多技术数据。第21页/共73页第二十二页，共74页。2、额定值、额定值(1)额定功率额定功率PN PN(kw) 是指在规定的工作条件下，长期运行允许输是指在规定的工作条件下，长期运行允许输出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电出的功率。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。动机，则是指轴上输出的机械功率。(2)额定电压额定电压(diny)N UN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压出额定功率时的端电压(diny)；对电动机来说，是指所规定的正常工；对电动机来说，是指所规定的正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压作时，加在电动机两端的直流电源电压(diny)。(3)额定电流额定电流IN IN(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。对于(duy)发电机，三个额定值之间的关系为 PN=UNIN 对于(duy)电动机，三个额定值之间的关系为 PN=UNINN (4)额定额定( dng)转速转速nN nN (r/min)是指电机额定是指电机额定( dng)运行时的运行时的转速。转速。额定效率；额定效率； N =（PN/P1）*%第22页/共73页第二十三页，共74页。例例1-3 一台直流发电机，一台直流发电机， PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，N=85%。求其额定电流和额定负载时。求其额定电流和额定负载时的输入的输入(shr)功率。功率。 。AAUPINNN48.4323010103kWWWPPNN76.111176085. 0101031解解 第23页/共73页第二十四页，共74页。解解 AAUPINNNN1 .9383. 022010173kWWWPPNN48.202048283. 0101731第24页/共73页第二十五页，共74页。四、直流电机电枢绕组的一般四、直流电机电枢绕组的一般(ybn)(ybn)介绍介绍元件：构成绕组的线圈元件：构成绕组的线圈(xinqun)称为绕组元件，分单匝和多匝两种。称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件元件(yunjin)的首末端：每一个元件的首末端：每一个元件(yunjin)均引出两根线与换向片相均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。Dt =2 p叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第25页/共73页第二十六页，共74页。第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的连至同一换向片上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间的距离。下层边与第二个元件的上层边间的距离。2y合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y21yyy单叠绕组单叠绕组21yyy单波绕组单波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。ky二、直流电机电枢二、直流电机电枢(din sh)(din sh)绕组的基本形式绕组的基本形式（一）（一） 单叠绕组单叠绕组(roz)(roz) 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换向合成节距与换向节距均为节距均为1,1,即：即： 。1kyy 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有(suyu)元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。第26页/共73页第二十七页，共74页。单叠绕组单叠绕组(roz)的展开的展开图图第27页/共73页第二十八页，共74页。根据根据(gnj)单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组单叠绕组(roz)的的的的特点：特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路串联成一条支路(zh l)(zh l)，主磁极数与支路，主磁极数与支路(zh (zh l)l)数相同。数相同。2 2）电刷数等于主磁极数）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。于并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路电）电枢电流等于各支路电流之和。流之和。第28页/共73页第二十九页，共74页。（二）（二） 单波绕组单波绕组(roz)(roz) 单波绕组的特点是合成(hchng)节距与换向节距相等，展开图如下图所示。 两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个(y )方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。第29页/共73页第三十页，共74页。单波绕组的并联单波绕组的并联(bnglin)支路图支路图:单波绕组单波绕组(roz)的的特点特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来组成一条起来组成一条(y (y tio)tio)支路，支路对数支路，支路对数为为1 1，与磁极对数无关，与磁极对数无关；2 2）当元件的几何形状）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势极中心线，支路电动势最大；最大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。第30页/共73页第三十一页，共74页。思考(sko)与练习1、判断直流电机运行状态的依据、判断直流电机运行状态的依据(yj)是什么？是什么？何时为发电机状态？何时为电动机状态？何时为发电机状态？何时为电动机状态？ 2、直流电机由哪些主要部件、直流电机由哪些主要部件(bjin)组成？其作用如何？组成？其作用如何？ 为什么定子铁心用硅钢片做为什么定子铁心用硅钢片做? 第31页/共73页第三十二页，共74页。任务任务2 直流电机电枢反应、电枢电动势和电磁转矩直流电机电枢反应、电枢电动势和电磁转矩目的要求： 知识目标： 1.了解电枢反应对电机的影响；如何抵消电枢反应的影响 ； 2.掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式 ； 3.理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质 。能力目标： 1.理解电枢反应的处理方法； 2.能利用计算公式进行简单计算 。知识点或技能点： 1. 直流电机电枢反应； 2. 电枢电动势；3.电磁转矩；4.电磁功率。重点难点：重点：1. 直流电机的空载磁场和负载磁场； 2. 计算公式及功率。难点：1、电枢反应；2、功率公式的含义。方法手段（含教具）： 本项目采用任务教学：直流电机的电枢反应、电动势及转矩 本模块实行多媒体讲解和演示实物，建议在多媒体教室和实验室完成课程。课外练习或训练： 1. 教材P35，第1.10、1.11题；2、举例说明电枢反应的影响。授课(shuk)时间：第二周周三，1-2节第32页/共73页第三十三页，共74页。教学内容 教学方法 辅助教学手段、设备 教师活动 学生活动 直流电机的电枢反应 分析： 1、直流电机的空载磁场 2、直流电机负载时的磁场 3、直流电机的电枢反应 思考： 1、电枢反应对电机有什么影响？ 2、直流电发电机和直流电动机的电枢反应有哪些共同点？有哪些主要区别？ 多媒体演示电机空载磁场、电枢磁场和电枢反应结果 直流电机的电枢电动势 1.推导电枢电动势的计算公式 2.分析发电机、电动机中电枢电动势的性质 思考： 直流发电机和直流电动机的电枢电动势的性质有何区别，它们是怎样产生的？ 多媒体演示推导过程，总结结论 直流电机的电磁转矩 1.推导电磁转矩的计算公式 2、分析发电机、电动机中电磁转矩的性质 思考： 1、直流发电机和直流电动机的电磁转矩的性质有何区别，它们又是怎样产生的？ 2、电磁转矩与什么因素有关？如何确定电磁转矩的实际方向？ 多媒体演示推导过程，总结结论 第33页/共73页第三十四页，共74页。 直流电机的磁场，是直流电机产生电动势和电磁转矩必不可少的因素，而且(r qi)直流电机的运行特性，在很大程度上也取决于磁场特性第34页/共73页第三十五页，共74页。 由励磁磁通势Ff所建立的空载磁场(cchng)分为两类磁通：主磁通0、漏磁通。一般0 主磁通0对应的主磁路其组成分为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭五部分，或简化为主磁路由气隙和铁磁材料两大部分组成。 由于空气的磁导率远比铁磁材料的磁导率小，磁路的励磁磁通势Ff几乎都消耗在气隙部分，而对应产生的磁场(cchng)常称为空载气隙磁场(cchng)。 直流电机空载直流电机空载(kn zi)磁场分布磁场分布1-极靴 2-磁身 3-定子磁轭4-励磁(l c)线圈 5-气隙 6-电枢齿 7-电枢磁轭第35页/共73页第三十六页，共74页。磁路从主磁极(cj)1出发经气隙1电枢齿1电枢轭电枢齿2气隙2主磁极(cj)2定子轭-主磁极(cj)1 第36页/共73页第三十七页，共74页。磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁通主磁路第37页/共73页第三十八页，共74页。响。这种电枢磁场对主极磁场（空载磁场）的影响称为电枢反应。二、直流电机的负载二、直流电机的负载(fzi)磁场磁场第38页/共73页第三十九页，共74页。直流电动机合成直流电动机合成(hchng)磁场形成：主极磁场磁场形成：主极磁场+电枢磁场电枢磁场电枢反应性质：电枢反应性质：1）使磁力线扭斜，主极磁场发生畸变）使磁力线扭斜，主极磁场发生畸变(jbin)，物理中性线偏移；，物理中性线偏移；2) 使每极合成磁通比空载时每极主磁通使每极合成磁通比空载时每极主磁通0略小，称去磁作用。略小，称去磁作用。电动机拖动的电动机拖动的机械负载越大机械负载越大，电枢反应的，电枢反应的影响就越大，影响就越大，但正是电枢磁但正是电枢磁通势与主极磁通势与主极磁场相互作用而场相互作用而产生电磁转矩产生电磁转矩，从而，从而(cng r)实现机电能实现机电能转换。转换。第39页/共73页第四十页，共74页。第四节 电磁(dinc)转矩和电枢电动势第40页/共73页第四十一页，共74页。产生产生: :电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力在磁场内受电磁力的作用的作用, ,该力与电枢铁心该力与电枢铁心(ti xn)(ti xn)半径之积称为电磁半径之积称为电磁转矩。转矩。大小:aTaemICIapNT2性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动(q dn)(q dn)(与转速方向相同与转速方向相同) )。可见，制造(zhzo)好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中apNCT2eTCC55. 9第41页/共73页第四十二页，共74页。第42页/共73页第四十三页，共74页。产生产生: :电枢电枢(din sh)(din sh)旋转时旋转时, ,主磁场在电枢主磁场在电枢(din (din sh)sh)绕组中感应的电动势简称为电枢绕组中感应的电动势简称为电枢(din sh)(din sh)电电动势。动势。大小:nCnapNEea60性质性质: : 发电机发电机电源电源(dinyun)(dinyun)电势电势( (与电枢电与电枢电流同方向流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).)(电动势常数为电机的结构常数其中apNCe60可见，直流电机(dinj)的感应电动势与电机(dinj)结构、气隙磁通及转速有关。第43页/共73页第四十四页，共74页。例例1-6 一台直流发电机，一台直流发电机，2p=4，电枢绕组为单叠绕组，电枢总，电枢绕组为单叠绕组，电枢总导体数导体数N=216，额定，额定( dng)转速转速nN=1469r/min，每极磁通，每极磁通=2.2 10-2Wb，求：，求： 1）此发电机电枢绕组的感应电动势。）此发电机电枢绕组的感应电动势。 2）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为）此发电机若作为电动机使用，当电枢电流为800A时，能产时，能产生多大电磁转矩？生多大电磁转矩？ 解解 先求出电动势常数(chngsh) 6 . 3260216260apNCemNmNICTCCVVnCEaTeTea605)800102 . 24 .34(4 .346 . 355. 955. 96 .115)1469102 . 26 . 3 (22第44页/共73页第四十五页，共74页。思考： 1、电枢反应对电机有什么影响？ 2、直流电发电机和直流电动机的电枢反应有哪些共同点？有哪些主要区别？ 思考： 直流发电机和直流电动机的电枢电动势的性质有何区别，它们是怎样产生的？ 思考： 1、直流发电机和直流电动机的电磁转矩的性质有何区别，它们又是怎样产生的？ 2、电磁转矩与什么因素有关？如何确定电磁转矩的实际方向？ 归纳归纳(gun)小小结：结：1、电枢(din sh)反应2、电枢(din sh)电动势3、电磁转矩布置作业：布置作业：第45页/共73页第四十六页，共74页。任务任务3 换向、发电机、电动机换向、发电机、电动机 目的要求： 知识目标： 1、了解直流电机的换向过程和如何改善直流电机的换向。 2、了解直流发电机的各种励磁方式。 3、掌握电磁功率的关系式，并理解直流电机中机电能量是可以彼此互相转换的。4、了解电机的可逆原理。了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态。 5、掌握根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式。 6、掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系。 7、掌握他励直流电动机的机械特性能力目标： 1.掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系 ； 2.了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态 。知识点或技能点： 1. 换向原理与励磁方式； 2. 可逆原理；3.方程式；4.机械特性。重点难点：重点：1. 改善换向的措施； 2. 功率关系； 3、机械特性。难点：1、电动机的换向原理；2、电动机的机械特性。方法手段（含教具）： 本项目采用任务教学：换向、发电机、电动机 本模块实行多媒体讲解和演示实物，建议在多媒体教室和实验室完成课程。课外练习或训练： 1. 教材P35，第1.12、1.15、1.16题；2、举例说明电机的可逆原理。授课(shuk)时间：第二周周五，1-2节第46页/共73页第四十七页，共74页。教学内容 教学方法 辅助教学手段、设备 教师活动 学生活动 直流发电机的换向 1、换向的电磁理论 2、改善换向的方法与措施 思考： 1.如何得到直线换向？ 2.延迟换向严重时电刷下有没有火花出现？什么是延迟换向？ 3.换向磁极起什么作用？ 多媒体演示换向原理及改善换向的方法。直流发电机 1.直流发电机的励磁方式 2.直流发电机的基本方程式 3.分析发电机运行特性 思考： 1、在实际应用中，如果并激直流发电机不能自激建压，试分析可能产生的原因，怎样检查，应采取哪些措施？ 2、并励直流发电机正转时如能自励，问反转时是否还能自励？如果把并励绕组两头对调，且电枢反转，此时是否能自励？ 多媒体演示4种励磁方式、电磁功率的关系式及特性曲线 直流电动机 电机的可逆原理 2、 直流电动机的基本方程式 3、他励电动机的工作特性 思考： 试解释他激和并激发电机的外特性为什么是一条下倾的曲线？ 多媒体演示电机的可逆原理、电磁功率的关系式及特性曲线 第47页/共73页第四十八页，共74页。一一 直流电机的换向直流电机的换向 直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负另一个支路时，电流方向改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会在电刷下产生电火花，严重时出现换向不良会在电刷下产生电火花，严重时出现(chxin)环环火将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。火将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。 换向问题涉及电磁、机械、化学等方面因素。这里仅对换换向问题涉及电磁、机械、化学等方面因素。这里仅对换向过程、影响换向的电磁原因、改善换向的方法作简要介向过程、影响换向的电磁原因、改善换向的方法作简要介绍。绍。第48页/共73页第四十九页，共74页。结论结论(jiln)：一个元件从一个支路换到另一：一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改变方向变方向以单叠绕组的线以单叠绕组的线圈圈K为例，它从为例，它从属于电刷右侧支属于电刷右侧支路，经历了被电路，经历了被电刷短路后，变成刷短路后，变成属于电刷左侧支属于电刷左侧支路，这一过程路，这一过程(guchng)中中，线圈，线圈K中的电中的电流从流从+ia改变成改变成 -ia，完成了电流，完成了电流换向，换向周期换向，换向周期Tc是极短的是极短的.一、直流电机的换向过程(guchng)第49页/共73页第五十页，共74页。由于阻碍换向的ex+ ea 的存在，使换向线圈(xinqun)中存在一个附加换向电流ik，使换向电流的变化变慢，称延迟换向。如图的曲线2所示，使电刷的后刷边易出现火花。换向电流变化(binhu)过程一、直流电机的换向过程第50页/共73页第五十一页，共74页。换向极的绕组应与电枢绕组串联，极性与电枢磁通势方向(fngxing)相反。一、直流电机的换向过程第51页/共73页第五十二页，共74页。1、选择合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触(jich)电阻；2、装设换向极：在换向元件处产生一个磁通势以抵消该处的电枢(din sh)反应磁势，并使换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势；（换向极绕组一般与电枢(din sh)绕组串联）3、装补偿绕组：产生抵消电枢反应(fnyng)的磁势，与电枢绕组串联。第52页/共73页第五十三页，共74页。换向线圈(xinqun)中电动势方向及换向极位置和极性第53页/共73页第五十四页，共74页。 例1-4 某台直流电动机(dngj)，在运行时后刷边发生火花，如在换向极根部加装铜垫片，运行时便无火花，为什么？ 解：解： 运行时后刷边发生火花运行时后刷边发生火花(huhu)属于延迟属于延迟换向，其原因是换向元件中电抗电动势大于换向换向，其原因是换向元件中电抗电动势大于换向极电动势。为改善换向，消除火花极电动势。为改善换向，消除火花(huhu)，应，应该设法增加换向极电动势，这就要求增强换向极该设法增加换向极电动势，这就要求增强换向极的磁场。若在换向极的根部加装非磁性的铜垫片的磁场。若在换向极的根部加装非磁性的铜垫片(做成第二气隙做成第二气隙)，整个换向极磁路的总气隙长度虽，整个换向极磁路的总气隙长度虽未改变，但极面下的气隙减小了。这样可以减小未改变，但极面下的气隙减小了。这样可以减小换向极的漏磁通，增加了换向极的有效磁通，使换向极的漏磁通，增加了换向极的有效磁通，使换向极电动势增加，从而达到消除火花换向极电动势增加，从而达到消除火花(huhu)的目的。的目的。 第54页/共73页第五十五页，共74页。二二 直流发电机直流发电机1、直流发电机的励磁(l c)方式直流电机产生磁场的励磁绕组直流电机产生磁场的励磁绕组(roz)的连接方式称为励磁方式。励的连接方式称为励磁方式。励磁绕组磁绕组(roz)和电枢绕组和电枢绕组(roz)的联接的联接 决定励磁方式，具体有四种决定励磁方式，具体有四种：励磁绕组(roz)单独供电第55页/共73页第五十六页，共74页。 绕组名称绕组名称 出线端标志出线端标志绕组名称绕组名称出线端标志出线端标志 电枢绕组电枢绕组 A1 A2 串励绕组串励绕组 D1 D2换向极换向极绕组绕组 B1 B2 并励绕组并励绕组 E1 E2 补偿绕组补偿绕组 C1 C2他励绕组他励绕组 F1 F2注：下标(xi bio)“1”是首端，为正极；下标(xi bio)“2”是末端，为负极第56页/共73页第五十七页，共74页。解：换向级绕组应与电枢绕组串解：换向级绕组应与电枢绕组串联，励磁联，励磁(l c)绕组再与它们并联绕组再与它们并联。第57页/共73页第五十八页，共74页。三 直流发电机的基本(jbn)方程式由于直流发电机和直流电动机可逆，所以介绍(jisho)直流电动机的基本方程式。第58页/共73页第五十九页，共74页。他励直流电动机(dngj)的结构示意图及电路图电动机惯例：电动机惯例：Ea与与Ia反向反向(fn xin), T与与n同方向同方向TL与与n反方向反方向电动机稳定运行时的基电动机稳定运行时的基本方程式：本方程式：电动势平衡方程式、转电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、矩平衡方程式、功率平衡方程式功率平衡方程式第59页/共73页第六十页，共74页。第60页/共73页第六十一页，共74页。空载(kn zi)损耗p0即不变损耗因此，功率平衡方程式，就是因此，功率平衡方程式，就是(jish)扣除损耗的过扣除损耗的过程。程。可变损耗第61页/共73页第六十二页，共74页。第62页/共73页第六十三页，共74页。 注意：他励电动机的励磁铜耗pf由其他电源提供。而并励电动机的pf由同一电源提供，所以并励电动机的功率(gngl)平衡方程式中还应包括励磁铜耗pf 。上述的功率平衡关系上述的功率平衡关系(gun x)可用功率流程图形象的表示：可用功率流程图形象的表示：第63页/共73页第六十四页，共74页。由： P2/=Pem/ - p0/得：T2=T-T0 或 T=T2+T0 T2 电动机轴上输出的机械转矩。它与轴上所带的负载转矩TL 相平衡, 即T2=TL。 T0 电动机空载转矩, 与转向相反；由空载损耗产生,数值很小。 电动机稳定(wndng)运行时，拖动性质的T与制动性质的TL+ T0相平衡电动机转矩的常用计算公式：负载转矩： T2=P2/=P2/(2n/60)=9.55P2/n (Nm)在额定( dng)情况下, TN=9.55PN/nN (Nm)同理： T=9.55Pem /n (Nm)第64页/共73页第六十五页，共74页。例例1-8 一台他励直流电机接在一台他励直流电机接在220V电网电网(dinwng)上运上运行，已知，行，已知， ,372 , 2 , 1Npa ,101 . 1 min,/15002WbrnWpWpmFe204 ,362,208. 0R a，求： 1）此电机是发电机运行还是电动机运行？ 2）电磁转矩、输入(shr)功率和效率各为多少？ 解 1）判断一台直流电机是何种运行状态(zhungti)，可比较电枢电动势和端电压的大小，即VVnapNEa6 .204)1500101 . 11603722(602因为,aEU 故此电机是电动机运行状态。 第65页/共73页第六十六页，共74页。2）求和1、PT 根据(gnj) aaaRIEU则 AAREUIaaa74208. 0)6 .204220()（电磁(dinc)转矩 mNmNIapNTa38.96)74101 . 1123722(22输入(shr)功率 kWWWUIUIPa28.1616280)74220(1输出功率 kWWWppIEppPPmFeaamFeem574.1414574)204362746 .204( 2效率 %5 .89%10028.16574.14%10012PP第66页/共73页第六十七页，共74页。,6 .83,110,5 . 7AIVUkWPNNNmin/750rnN例1-9 一台Z2-17型直流电动机(dngj)，额定数据为：空载(kn zi)时测得电流为10A。求： 1）空载损耗（忽略(hl)空载铜耗）。 2）空载转矩。 3）额定负载下的电磁转矩。解解 1）空载损耗 kWWWIUpN1 . 11100)10110(00 2）空载转矩 mNmNnppTN14750110055. 955. 9000 3）额定负载下的电磁转矩 mNmNTmNmNnPTNNN5 .109)145 .95(5 .95750750055. 955. 90TTTN第67页/共73页第六十八页，共74页。)(2Pfn )(2PfT 当当P2P1I II Ia a所以，工作特性也可看成(kn chn)n、T、 与Ia的关系。第68页/共73页第六十九页，共74页。)(2Pfn eaaeaCRIUCEn)(当电机轴上的机械负载增大时, 输出的机械功率P2随之增大, 输入功率P1和电枢电流Ia也随之增加(zngji), 电枢电阻压降增大, 使转速n降低。但随着电枢电流的增加(zngji), 电枢反应的去磁作用使气隙磁通减小, 又使转速n上升。一般情况, 电枢电阻压降的影响较大, 所以, 转速特性是一条略微向下倾斜的曲线, 如曲线1所示。第69页/共73页第七十页，共74页。2 、转矩特性(txng)(2PfT T=T2+T0= 9.55P2/n+T0如果(rgu)n不变, 则输出转矩T2与P2成正比关系。T2=f(P2)特性曲线是一条过坐标原点的直线。考虑到P2增大时, n略有下降, 故T2=f(P2)曲线呈略为上翘趋势。而T=f(P2)特性曲线与比T=f(P2)曲线高一个空载转矩T0,如图所示的曲线2。第70页/共73页第七十一页，共74页。%100%100%100202202212aacuaRIpPPppPPPP3 、效率(xio l)特性)(2Pf当P2从零 ,Ia值很小, 可变损耗Ia2Ra很小, 电机损耗以不变损耗p0为主，损耗小。这样, 输出功率P2的增大比P1增大的快， 效率上升(shngshng)很快。随后因可变损耗Ia2Ra随电流按平方关系增大，使总损耗的增加很快, P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如图曲线3所示。可见(kjin)效率曲线存在最大值，电机在空载、轻载时效率低, 因此在使用和选择电机上应尽量使电机工作在高效率的区域。 第71页/共73页第七十二页，共74页。思考： 1.如何得到直线换向？ 2.延迟换向严重时电刷下有没有火花出现？什么是延迟换向？ 3.换向磁极起什么作用？ 思考： 1、在实际应用中，如果并激直流发电机不能自激建压，试分析可能产生的原因，怎样检查，应采取哪些措施？ 2、并励直流发电机正转时如能自励，问反转时是否还能自励？如果把并励绕组两头对调，且电枢反转，此时是否能自励？ 思考： 试解释他激和并激发电机的外特性为什么是一条下倾的曲线？ 归纳归纳(gun)小结小结：1、直流电机换向2、励磁(l c)方式3、基本(jbn)方程式布置作业：布置作业：4、工作特性第72页/共73页第七十三页，共74页。NoImage内容(nirng)总结会计学。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。用整块钢制成，也可用厚11.5mm厚钢板或硅钢片叠成。用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。1号最小，12 号最大。一般0 。5、掌握根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式。2、并励直流发电机正转时如能自励，问反转时是否还能自励。对于(duy)电动机：U Ea，Ea与Ia反方向。4、工作特性第七十四页，共74页。