《数电与模电》PPT课件

第 三 章 直 流 电机绪 论3.1 直 流 电机 的 工 作原 理 和 基本 结 构3.2 空 载和 负 载 时直 流 电 机的 磁 场3.3 直 流电 机 的 感应 电 动 势和 电 磁 转 矩3.4 直 流 电 机的 基 本 方 程3.5 直 流 电 动 机 的 运 行 特 性 直 流 电 机 是 电 机 的 主 要 类 型 之 一 。 直 流 电 机自 身 有 着 显 著 的 优 点 ， 但 与 交 流 电 机 相 比 自 身 又有 着 缺 点 。 近 年 来 ， 与 电 力 电 子 装 置 结 合 而 具 有直 流 电 机 性 能 的 电 机 不 断 涌 现 ， 使 直 流 电 机 有 被取 代 的 趋 势 。 尽 管 如 此 ， 直 流 电 机 仍 有 一 定 的 理论 意 义 和 实 用 价 值 ! 本 章 主 要 内 容 1、 直 流 电 机 的 工 作 原 理 和 基 本 结 构2、 说 明 电 机 的 磁 动 势 和 磁 场 4、 分 析 直 流 电 动 机 的 稳 态 运 行 性 能3、 导 出 电 机 的 电 动 势 和 电 磁 转 矩 公 式 3.1 直 流 电 机 的 工 作 原 理 和 基 本 结 构一 、 直 流 电 机 的 工 作 原 理固 定 部 分 （ 定 子 ） ： 主 磁 极 N和 S；（ 如 图 3 1） 表 示 一 台 直 流 电 机 。1、 直 流 电 机 的 结 构旋 转 部 分 （ 转 子 ） ： 电 枢 铁 心 ； 电 刷 ；电 枢 绕 组 AX(一 个 线 圈 )； 换 向 器 。定 子 与 转 子 之 间 为 气 隙 。 2、 直 流 发 电 机 的 工 作 原 理 发 电 机 ： 虽 然 线 圈 AX电 动 势 是 交 流 电 动 势 ， 但 由 于 换 向 器 的 整 流 作 用 ， 电 刷 间 的 输 出 电 动 势 却 是 直 流 电 动 势 。（ 图 3-2 a， 图 3-2b） 3、 直 流 电 动 机 的 工 作 原 理 电 动 机 ： 在 直 流 电 动 机 中 ， 外 加 电 压 并 非 直 接1B 2B加 于 线 圈 ， 而 是 通 过 电 刷 、 和 换 向 器 再 加 到 线 圈变 而 同 时 改 变 其 方 向 ， 从 而 使 电 磁 转 矩 的 方 向 始 终上 的 。 所 以 ， 导 体 中 的 电 流 将 随 其 所 处 磁 极 极 性 的 改保 持 不 变 。 4、 脉 动 的 减 小 电 刷 上 的 电 动 势 (如 图 3 3)。电 枢 绕 组 由 多 个 线 圈 串 联 而 构 成 的 ，实 现 方 法 ： 二 、 直 流 电 机 的 基 本 结 构 1、 主 磁 极 构 成 ： 主 极 铁 心 和 套 装 在 铁 心 上 的 励 磁 绕 组 。 2、 机 座 构 成 ： 用 厚 钢 板 弯 成 筒 形 焊 成 或 铸 钢 件 制 成 。作 用 ： 建 立 主 磁 场 。作 用 ： 1、 主 磁 路 的 一 部 分 ；2、 电 机 的 结 构 框 架 。 3、 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 4、 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 用槽 楔 压 紧 。或 DR510的 硅 钢 片 叠 压 夹 紧 而 成 。 5、 换 向 器 作 用 ： 整 流 （ 发 电 机 ） 或 逆 变 （ 电 动 机 ） 。构 成 ： 由 许 多 鸽 形 尾 的 换 向 片 排 列 成 一 个 圆 筒 片 间用 V形 云 母 绝 缘 ， 两 端 再 用 两 个 形 环 夹 紧 而6、 电 刷 装 置作 用 ： 电 枢 电 路 的 引 出 （ 或 引 入 ） 装 置 。构 成 ： 电 刷 、 刷 盒 、 刷 杆 和 连 线 等 。构 成 。 三 、 励 磁 方 式励 磁 绕 组 的 供 电 方 式 称 为 励 磁 方 式 。直 流 电 机 按 励 磁 方 式 可 分 ： 他 励自 励 7、 换 向 极构 成 ： 由 铁 心 和 绕 组 组 成 。作 用 ： 改 善 换 向 。 复 励 式 (图 3-5d) ： 装 有 两 个 励 磁 绕 组 ， 一 为 与 电1、 他 励 式 （ 如 图 3-5a） 其 励 磁 绕 组 由 其 他 电 源 供 电 ， 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕组 不 相 连 。2、 自 励 式发 电 机 ： 利 用 自 身 发 出 的 电 流 励 磁 ； 电 动 机 ： 励 磁 绕 组 和 电 枢 绕 组 由 同 一 电 源 供 电 。并 励 式 (图 3-5b) ： 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 并 联 ；串 励 式 (图 3-5c) ： 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 串 联 ；枢 并 联 的 并 励 绕 组 ， 二 为 与 电 枢 串 联 的 串 励 绕 组 。 四 、 直 流 电 机 的 额 定 值 （ 1） 额 定 功 率 ： 指 电 机 在 铭 牌 规 定 的 额 定 状 态 下 运 行 时 ， （ 2） 额 定 电 压 ： 指 额 定 状 态 下 电 枢 出 线 端 的 电 压 ， 以 V表 示 。（ 3） 额 定 电 流 ： 指 电 机 运 行 在 时 电 机 的 线 电 流 ， 以 A表 示 。 （ 4） 额 定 转 速 ： 指 额 定 状 态 运 行 时 转 子 的 转 速 ， 以 r/min表 示 。 （ 5） 额 定 励 磁 电 压 （ 仅 对 他 励 电 机 ） 。 对 电 动 机 ， 输 出 的 机 械 功 率 ； 对 发 电 机 ， 输 出 的 电 功 率 。NP NP NPNUNI Nn fNU 直 流 电 机 的 额 定 值 有 ：电 机 的 输 出 功 率 ， 以 kW表 示 。 3.2 空 载 和 负 载 时 直 流 电 机 的 磁 场一 、 空 载 时 直 流 电 机 的 磁 场 (如 图 3-6)。 f pD 2 ：空 载 时 的 主 磁 极 的 磁 通 ：a) 主 磁 通 ： 通 过 气 隙 ， 并 形 成 气 隙 磁 场 。b) 主 极 漏 磁 通极 矩 ：0 二 、 负 载 时 的 电 枢 磁 动 势 和 电 枢 反 应 （ 介 绍 ）电 枢 反 应 ： 负 载 时 电 枢 磁 动 势 对 主 极 磁 场 的 影 响 。1、 交 轴 电 枢 磁 动 势 和 交 轴 电 枢 反 应影 响 ： 1） 、 引 起 气 隙 磁 场 畸 变 ， 使 电 枢 表 面 磁 密 等 2） 、 不 计 饱 和 时 ， 交 轴 电 枢 反 应 既 无 增 磁 、 亦 无 去 磁 作 用 ； 计 及 饱 和 时 ， 交 轴 电 枢 反 应 具 有 一 定 的 去 磁零 的 位 置 （ 物 理 中 性 线 ） 偏 离 几 何 中 性 线 。作 用 。 2、 直 轴 电 枢 磁 动 势 和 直 轴 电 枢 反 应发 电 机 ： 电 刷 顺 电 枢 旋 转 方 向 移 动 ， 电 枢 反 应 为 去 磁 ； 电 刷 逆 电 枢 旋 转 方 向 移 动 ， 电 枢 反 应 为 增 磁 。电 动 机 ： 与 发 电 机 的 情 况 相 反 。 3.3 直 流 电 机 的 感 应 电 动 势 和 电 磁 转 矩 设 气 隙 磁 场 的 分 布 （ 如 图 3 7） 所 示 ， 则 每lvbe 根 导 体 的 感 应 电 动 势 为 blv一 、 电 枢 绕 组 的 感 应 电 动 势式 中 ， 导 体 所 在 处 的 气 隙 磁 密 ； 导 体 的 有 效 长 度 ； 导 体 相 对 气 隙 磁 场 的 速 度 。 电 枢 绕 组 的 电 动 势 应 为 一 条 支 路 各 串 联 导 体 的 令 为 平 均 气 隙 磁 密 ， 则 上 式 改 写 为 aZ iaZ aa xblvlvbE 2121 )( avB avaa BaZlvE 2602 npv 将 代 入 上 式 得 出电 动 势 的 代 数 和 ， 则 电 动 势 公 式 ： nCnapZlBaZpnE eaavaa 60)(2602 nCE ea lBav式 中 ， apZC ae 60 每 极 的 总 磁 通 量 ； 电 动 机 常 数 ； 电 动 势 公 式 。 二 、 直 流 电 机 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 应 为 式 中 ， 气 隙 平 均 磁 密 。 cT2DlibT ab pT22)(2 21 DliBpZxbDliT aavapZ iap a )(21 21 ipzaav xbpZB a 整 个 电 枢 上 的 电 磁 转 矩 则 为 22 DliBZpTT aavape pD 2 lBav aIi aa 2 aTaaaavae ICIaZppaIlBZT 22 nCT Te 可 得 直 流 电 机 的 转 矩 公 式 为 再 考 虑 到 eT 一 、 电 压 方 程 ；基 本 方 程 二 、 转 矩 方 程 。 一 、 电 压 方 程 1、 他 励 直 流 电 机 直 流 电 机 的 稳 态 电 路 图 （ 发 电 机 ， 电 动 机 ） 发 电 机 ： 则 有 ； 电 动 机 ： 则 有 。IIa UEa aasaa RIUURIUE 2UEa aaasaa RIEURIEU 2 3.4直 流 电 机 的 基 本 方 程他 励 时 ， 励 磁 电 流 由 其 他 电 源 单 独 供 电 ， 故 。 2、 并 励 直 流 电 机 其 电 枢 回 路 的 电 压 方 程 与 他 励 时 相 同 ， 但 激 磁UU f fa III af III III sa 3、 串 励 直 流 电 机 其 电 枢 回 路 的 电 压 方 程 与 他 励 时 亦 相 同 ， 但 因 励 另 外 ， 电 压 方 程 应 加 入 串 励 绕 组 的 电 阻 压 降 。电 压 为 电 枢 端 电 压 ， 即发 电 机 ：电 动 机 ：磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 相 串 联 ， 有 。 二 、 转 矩 方 程 eT eTTT 011T0T 为 电 磁 转 矩 。 1、 发 电 机 情 况 下 电 机 本 身 的 机 械 阻 力 转 矩 ； 原 动 机 的 驱 动 转 矩 ；电 磁 转 矩 为 制 动 转 矩 ， 有 电 动 机 轴 上 的 负 载 转 矩 。2T式 中 ， 20 TTTe 2、 电 动 机 情 况 下电 磁 转 矩 为 驱 动 转 矩 ， 有 三 、 电 磁 功 率 发 电 机 ： 机 械 能 转 化 为 电 能 ； 电 动 机 ： 电 能 转 化 为 机 械 能 。 eP aae IEP 602 n eaaaa TIapZIE 2 eT aaIEaaIE eT 电 磁 功 率 用 表 示 ， 则将 代 入 上 式 ， 得 四 、 直 流 电 机 的 可 逆 性UE a 电 机 的 可 逆 性 ： 从 原 理 上 讲 ， 任 何 电 机 既 可 作 为发 电 机 运 行 ；电 动 机 运 行 。UEa 发 电 机 、 亦 可 作 为 电 动 机 运 行 。 3.5 直 流 电 动 机 的 运 行 特 性 fNfN IIUU , )(, 2PfTn e 直 流 电 动 机 的 运 行 特 性 主 要 有 两 条 ， 一 条 是 工 作一 、 并 励 电 动 机 的 运 行 特 性 1、 工 作 特 性指 时 ， 。特 性 ， 另 一 条 是 转 矩 特 性 （ 或 称 为 机 械 特 性 ） 。 )( 2Pfn aeaeea ICRCUCEn n %100 0 N Nn nnn （ 1） 、 转 速 特 性 据 转 速 公 式 得 出 转 速 特 性 曲 线转 速 调 整 率 ： 注 意 ： 并 励 电 动 机 在 运 行 中 ， 励 磁 绕 组 绝 对 不 能 断 开 。 （ 2） 、 转 矩 特 性 转 矩 方 程 )( 2PfTe 2020 PTTTTe )( 2Pf（ 3） 、 效 率 特 性并 励 电 动 机 的 效 率 特 性 和 其 他 电 机 相 类 似 。得 出 转 矩 特 性 曲 线 。 NUU fR)( eTfn eeT ae TCC RCUn 22、 转 矩 转 速 特 性 指 ， 励 磁 回 路 电 阻 常 值 时 ， 。转 速 与 转 矩 的 关 系 表 达 式 为得 特 性 曲 线 （ 如 图 3 11）结 论 ： 硬 特 性 )( eTfn 二 、 串 励 电 动 机 的 运 行 特 性 1、 工 作 特 性 III sa NUU )(, 2PfTn e )(, ae IfTn se saasesse saae saa KC RRIKCUIKC RRIUC RRIUn 1)()(特 点 ： 是 指 时 ， 或 （ 图 形 3 12）转 速 公 式 上 式 表 明 曲 线 大 致 为 一 双 曲 线 。sR )( aIfn 式 中 为 串 励 绕 组 的 电 阻 。轻 载 时 ， 、 常 值 ssIK sK 22 aTssTe ICIKCT 2ae IT 负 载 增 加 ， 磁 路 饱 和 ， 常 值 aTe ICT ae IT 注 意 ： 串 励 电 动 机 不 允 许 空 载 运 行 。 %10041 N Nn nnn （ 与 并 励 电 动 机 的 转 速 调 整 率 定 义 相 对 比 ） 。 2、 转 矩 转 速 特 性 是 指 时 。 NUU )( eTfn由 电 压 方 程 可 知 IRRnKCRRInCRRIEU sasesaesaaa )()()( 其 转 速 调 整 率 定 义 为 ： 式 中 。 ssIK 于 是 电 磁 转 矩 为 22 )( sasesTsTaT RRnKC UKCIKCICT 可 得 )(1 sae sTse RRUTKCKCn （ 如 图 3-13）结 论 ： 随 着 转 矩 的 增 加 ， 串 励 电 动 机 的 转 速 迅 速下 降 ， 是 软 特 性 。 三 、 复 励 电 动 机 的 特 点 复 励 电 动 机 通 常 接 为 积 复 励 ， 其 特 性 介 于 并 励 和 复 励 电 动 机 的 转 矩 转 速 特 性 （ 如 图 3-14） 。串 励 电 动 机 之 间 。 结 构 较 复 杂直 流 电 机 成 本 较 高 使 它 的 应 用 受 到 限 制 可 靠 性 较 差 1.直 流 电 动 机 以 其 良 好 的 起 动 性 和 调 速 性 能 著 称 。2.直 流 发 电 机 供 电 质 量 较 好 ， 常 常 作 为 励 磁 电 源 。 tO A X图 3-2a 线 圈 电 动 势 的 波 形2 3XAe O t图 3-2b 电 刷 间 的 电 动 势 波 形1 2B Be 图 3-4 国 产 直 流 电 机 的 结 构 aEaIU I+-图 3-5c 串 励 式 aEaIU I+- fI图 3-5 复 励 式 图 3-6 空 载 时 直 流 电 机 的 气 隙 磁 场 fU fI aR aI U图 3-8 发 电 机aE fU fI aR aI U图 3-9 电 动 机aE 0T图 3-10 并 励 电 动 机 的 工 作 特 性2Pn eT 图 3-11 并 励 电 动 机 的 转 矩 转 速 特 性On eT O aIn eT图 3-12 串 励 电 动 机 的 工 作 特 性 nO eT图 3-13 串 励 电 动 机 的 转 矩 -转 速 特 性 nO eT图 3-14 复 励 电 动 机 的 转 矩 -转 速 特 性复 励串 励并 励