电机与拖动技术基础直流电机的基本理论和分解课件

电机与拖机与拖动技技术基基础直流直流电机机的基本理的基本理论和分解和分解3.2 直流直流电机的机的铭牌和牌和额定定值3.1 直流直流电机的基本机的基本结构和工作原理构和工作原理3.3 直流直流电机的机的电枢枢绕组3.4 电流流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势电机与拖机与拖动技技术基基础返回主返回主页第第3章章 直流电机直流电机为了能建立一个感性认识，对电机进行简单的分类如下：第第3章章 直流直流电机的基本理机的基本理论3.1.1 直流直流电机的基本机的基本结构构 直流直流电机的机的结构构电枢电枢3.1.1 直流直流电机的基本机的基本结构构3.1.1 直流直流电机的基本机的基本结构构 直流直流电机机 更多的更多的图片片 一、主要部件一、主要部件1.定子定子(1)主磁极主磁极(2)换向极向极(3)机座机座(4)端盖等端盖等3.1.1直流直流电机的基本机的基本结构构 直流直流电机的定子机的定子 (a)主磁极主磁极 (b)机座机座 直流直流电机的定子机的定子3.1.1 直流直流电机的基本机的基本结构构 更多的更多的图片片 2.转子（子（电枢）枢）(1)电枢枢铁心心(2)电枢枢绕组3.1.1 直流直流电机的基本机的基本结构构(3)换向器向器(4)转轴与与风扇扇 直流直流电机的机的转子子 (a)转子主体子主体 (b)电枢枢钢片片 3.1.1 直流直流电机的基本机的基本结构构 电机装配机装配图 更多的更多的图片片 NS3.1.2 直流直流电机的工作原理机的工作原理一、直流一、直流电动机的工作原理机的工作原理3.1.2直流直流电机的工作原理机的工作原理NSUU电刷刷线圈圈边切割磁感切割磁感线会会产生什么生什么？换向片向片3.1.2直流直流电机的工作原理机的工作原理直流电动机工作原理小结直流电动机工作原理小结根据上述原理，可以看出直流电动机有如下特点：（1）直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；（2）电磁转矩起驱动作用；（3）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交变电流；（4）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相反。直流直流电流流交流交流电流流电磁磁转矩矩(拖拖动转矩矩)机械机械负载克克 服服反反电动势做功做功3.1.2 直流直流电机的工作原理机的工作原理 电磁关系磁关系换向向旋旋转NS二、直流二、直流发电机的工作原理机的工作原理NSE3.1.2 直流直流电机的工作原理机的工作原理E输出出直流直流电原原动机机感感应电动势、电流流电磁磁转矩矩（阻（阻转矩）矩）做功做功 电磁磁 关系关系换向向3.1.2 直流直流电机的机的发电机机直流发电机工作原理小结直流发电机工作原理小结 根据原理分析，可以看出直流发电机有如下特点：（1）直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；（2）利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直流输出；（3）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相同。（4）电磁转矩起制动作用。一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。3.2 直流直流电机的机的铭牌和牌和额定定值3.2 直流直流电机的机的铭牌和牌和额定定值3.2.13.2.1直流电机的铭牌直流电机的铭牌型号为Z2-91的直流电机是一台机座号为9、电枢铁心为短铁心的第2次改型设计的直流电机。机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有1-9个机座号，机座号数越大，直径越大。电枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种，1表示短铁心，2表示长铁心。3.2.2 3.2.2 直流电机的额定值直流电机的额定值3.2 直流直流电机的机的铭牌和牌和额定定值1.额定定电压 UN 发电机的机的 UN：指：指输出出电压的的额定定值。电动机的机的 UN：指：指输入入电压的的额定定值。2.额定定电流流 IN 发电机的机的 IN：指：指输出出电流的流的额定定值。电动机的机的 IN：指：指输入入电流的流的额定定值。3.额定功率定功率 PN 发电机的机的 PN：指：指输出出电功率的功率的额定定值(UN IN)。电动机的机的 PN：指：指输出机械功率的出机械功率的额定定值 (UN INN)。3.2.2 3.2.2 直流电机的额定值直流电机的额定值1.1.额定转速额定转速 2.2.励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流 电动机轴上输出的额定转矩为电动机轴上输出的额定转矩为 直流直流电枢枢绕组A B12345638A B1 2 3 48 3 6 53 6 5 48 1 2 3AB结论：整个整个电枢枢绕组通通过换向片向片连成一个成一个闭合回路。合回路。3.3 直流直流电机的机的电枢枢绕组A B12345638 直流直流电枢枢绕组电动机机发电机机两匝元件两匝元件3.3 直流直流电机的机的电枢枢绕组e e e ee e e eEA1 2 3 48 3 6 5BIae e e ee e e e1 2 3 48 3 6 5ABIaENSNS1 2 3 4 5 6 3 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 单叠叠绕组的展开的展开图 并并联支路支路对数：数：a=2。电刷的中心刷的中心线对着磁极的中心着磁极的中心线。A1A2B1B2n3.3 直流直流电机的机的电枢枢绕组3 6 4 3 5 811 8 10 3 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 单叠叠绕组的展开的展开图NSNS1 2 3 4 5 6 3 8 9 10 11 121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 电刷的中心刷的中心线对 着磁极的中心着磁极的中心线：电刷之刷之间的的电动 势最大。最大。被被电刷短接的元刷短接的元 件件电动势为零。零。习惯称称“电刷放在刷放在 几何中心几何中心线位置位置”。磁极中心磁极中心线几何中心几何中心线3.3 直流直流电机的机的电枢枢绕组二、励磁方式二、励磁方式+Ua+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励1.直流直流电动机按励磁方式分机按励磁方式分类3.3 直流直流电机的机的电枢枢绕组MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2.直流直流发电机按励磁方式分机按励磁方式分类自自励励3.2 直流直流电机的基本机的基本结构构他他励励串串励励复复励励并并励励GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI4.额定定转速速 nN5.额定励磁定励磁电压 UfN6.额定励磁定励磁电流流 IfN 额定状定状态：指指 U、I、P、n 均均为额定定值的状的状态。满载状状态：指指 I=IN 的状的状态。3.2 直流直流电机的基本机的基本结构构NS3.3 直流直流电机的机的电枢反枢反应几何几何中心中心线 N S励磁磁励磁磁场（空（空载磁磁场）物理物理中心中心线电枢磁枢磁场合成磁合成磁场（负载时的磁的磁场）物理物理中心中心线 电枢反枢反应：电枢磁通枢磁通势对主极磁主极磁场的影响。的影响。第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论 电枢反枢反应的影响的影响 总磁磁场被扭歪了被扭歪了 几何中心几何中心线与物理中心与物理中心线分开了分开了,电刷位置刷位置处的元件的的元件的 e0，增加，增加换向困向困难。一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，磁路不磁路不饱和和时，每极磁通不，每极磁通不变；磁路磁路饱和和时，每极磁通减少，每极磁通减少，e 和和T 相相应减少。减少。3.3 直流直流电机的机的电枢反枢反应3.4 直流直流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势一、一、电磁磁转矩矩1.产生生 电枢枢电流流 i 磁磁 场 F T 2.大小大小 电磁力：磁力：F=B l i 平均磁密：平均磁密：第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论BlB=l极距极距3.4 直流直流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势一、一、电磁磁转矩矩1.产生生 电枢枢电流流 i 磁磁 场 F T 2.大小大小l 电磁力：磁力：F=B l i l 平均磁密：平均磁密：l 每根每根导线上上电磁力所磁力所 形成的形成的电磁磁转矩：矩：FR第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论B=lBl极距极距R Rl 电枢枢绕组串串联总匝数：匝数：Nl 电枢枢绕组并并联支路数：支路数：2al 总导体数：体数：2N 2a=4aNl 电枢的周枢的周长：2 R=2p l 电磁磁转矩：矩：T=4aN FR=4aN B l i p =4aN l i p l=4aN i p =2ai 2pN 电枢枢电流流 Ia3.4 直流直流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势2.大小大小 T=CT IaCT 转矩常数：矩常数：3.方向方向 由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。4.性性质 发电机：机：电动机：机：T 与与 n 方向相反，方向相反，为制制动转矩。矩。T 与与 n 方向相同，方向相同，为拖拖动转矩。矩。3.4 直流直流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势CT=2pN 单位：位：Wb单位：位：A(Nm)1.产生生 电枢旋枢旋转 n 磁磁 场 2.大小大小l 每个每个导体：体：e=B l vl 导体切割磁体切割磁场线的的线速度：速度：l 电动势：E=2N e 二、二、电动势 ee E 3.4 直流直流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势v=n2 R60=2N B l v=2N l n 2p 60 l=n2p 60=n 4pN 60CTCE=602=9.55 CT=9.55 CE3.4 直流直流电机的机的电磁磁转矩和矩和电动势CT=2pN CE=4pN60 E=CE n CE 电动势常数：常数：CE=4 pN60单位：位：Wb单位：位：r/min(V)3.方向：方向：由由 和和 n 共同决定。共同决定。4.性性质 发电机机为电源源电动势；电动机机为反反电动势。3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析一、他励一、他励电动机机励磁励磁电压 Uf If 电枢枢电压 Ua Ia T n E 1.电压平衡方程式平衡方程式励磁励磁电路：路：Uf=Rf If电枢枢电路：路：Ua=E+Ra Ia第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论EMIf+Uf+UaIa 稳态电枢枢电流流 Ia 由由谁确定确定？T=CT Ia，Ua=E+Ra Ia例如：例如：负载不不变(T 不不变)，Ua(Ra)变化化时，Ia 变化否（化否（设 不不变）？）？Ua (或或Ra)瞬瞬间 n 不不变 E 不不变Ia T TTLE n Ia T T =TLIa不不变 结论：Ia 的大小取决于的大小取决于负载的大小。的大小。当当 Ia=IaN 时为满载，当，当 IaIaN 时为过载。规定短定短时过载的最大的最大电枢枢电流：流：Iamax=(1.5 2)IaN=MC IaN3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析机械特性机械特性E CE n=UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T 2.转速速O nTn0当当T 时，n 下降不多下降不多 硬特性硬特性。励磁励磁电路断路断电的后果的后果 当当 If=0，=r 很小，很小，n 不能突不能突变，E 很小很小T=CTr Ia 仍有一定数仍有一定数值。Ia (1)若若 T TL n 飞车！(2)T TL n n=0 闷车！3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析3.转向向取决于取决于电磁磁转矩矩 T 的方向。的方向。T 的方向取决于的方向取决于 和和 Ia 的方向。的方向。磁磁场反反向向电枢枢反反向向+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM二、并励二、并励电动机机 并励与他励的区并励与他励的区别:1.输入入电压 U=Ua=Uf2.输入入电流流 I=Ia+If3.输入功率入功率 P1=UI=UIa+UIf3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析Ia+UIIfM 【例例3.5.1】某并励直流某并励直流电动机，机，UN=220 V，IN=12.5 A，nN=3 000 r/min，Rf=628，Ra=0.41。求。求该电机在机在额定状定状态下运行下运行时的：的：(1)If；(2)Ia；(3)E；(4)T。解：解：(1)励磁励磁电流流 If 3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析UfRfIf=220628=A=0.35A(2)电枢枢电流流 Ia Ia=IN If =(12.50.35)A=12.15 A(2)电动势 E E=UN Ra Ia =(2200.4112.15)V=215 VCT=9.55 CE=0.685T=CT Ia =0.68512.15 Nm=8.32 Nm (4)电磁磁转矩矩3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析CE=EnN2153 000=0.031 3 三、串励三、串励电动机机3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析1.电压 U=Ua+Uf =E+(Ra+Rf)I2.电流流 I=Ia=IfRa+RfUE=CT T=3.转矩矩 T=CT Ia(1)当当 Ia 较小、磁路未小、磁路未饱和和时，Ia，T Ia2。(2)当当 Ia 较大、磁路已大、磁路已饱和和时，常数，常数，T Ia。EM Uf Ua+UIIfIa 即即 T Iam (1m2)与并励与并励电动机比机比较，有如下特点：，有如下特点：(1)对应于相同的于相同的 T，Ia 小。小。(2)对应于允于允许的的 Iamax，能，能够产生的生的 T 大，大，Tst 和和 Tmax 较大。大。4.转速速3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析ECEn=U(Ra+Rf)IaCE=UCE=Ra+RfCECT2T(1)当当T=0 时，Ia=If=0，=r，n0=(5 6)nN。(2)当当T 很小很小时，Ia 很小，很小，磁路未磁路未饱和，和，T Ia n 迅速下降。迅速下降。(3)当当T 很大很大时，Ia 很大，很大，磁路已磁路已饱和，和，T Ia 基本不基本不变 n下降下降较少。少。3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析5.应用用(1)特特别适用于起重机适用于起重机 和和电气机气机车等运等运输机械。机械。(2)不能在不能在轻载或空或空载下运行。下运行。(3)不能用皮不能用皮带轮传动。串励串励电动机的机械特性机的机械特性软特性特性O nT四、复励四、复励电动机机1.积复励、差复励。复励、差复励。2.机械特性机械特性(1)有有较大的大的Tst。(2)可以空可以空载运行。运行。并励并励复励复励3.5 直流直流电动机的运行分析机的运行分析MIaIf+UI串励串励O nT3.6 直流直流电动机的功率和机的功率和转矩矩1.功率平衡方程式功率平衡方程式(1)输入功率入功率 P1 P1=U I(2)铜损耗耗 PCu PCu=Ra Ia2Rf If2(3)电磁功率磁功率 Pe Pe=P1 PCu 推推导：U I=U(IaIf)=UaIaUfIf =(ERa Ia)IaRf If2 =E IaRa Ia2Rf If2 第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论Pe =E Ia 一、直流一、直流电动机的功率机的功率3.6 直流直流电动机的功率和机的功率和转矩矩Pe=E Ia=CE n Ia=T 2 60=CT n Ia 功率流程功率流程图P1PCuPeP0P22.转矩平衡方程式矩平衡方程式 空空载：T=T0 负载:T=T0+T2 2 60T2n=(4)空空载损耗耗 P0 P0=PFePmePad(5)输出功率出功率P2 P2=Pe P0 =T23.6 直流直流电动机的功率和机的功率和转矩矩(6)总损耗耗 Pal=PCu PFePmePad(3)功率平衡方程式功率平衡方程式 P1 P2=Pal(8)效率效率P2P1 =100%二、直流二、直流电动机的机的转矩矩 T=T0 TL 【例例3.6.1】一并励一并励电动机，机，UN=110 V，IN=12.5 A，nN=1 500 r/min，TL=6.8 Nm，T0=0.9 Nm。求求该电机的机的 P2、Pe、P1、Pal 和和 。解：解：P2P1 =100%6.2860=6.81 500 W=1 063.6 W Pe=P2P0 =(1 063.6143.3)W=1 208.9 W P1=UN IN=11012.5 W=1 335 WPal=P1P2=(1 3351 063.6)W=303.4 W3.6 直流直流电动机的功率和机的功率和转矩矩2 60P2=TLn 6.2860=0.91 500 W=143.3 W 2 60P0=T0n 1 063.61 335=100%=33.64%3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩一、直流一、直流发电机的功率机的功率1.输入功率入功率 P1:2.空空载损耗耗 P0:3.电磁功率磁功率 Pe:4.铜损耗耗 PCu:5.输出功率出功率 P2:P1=T1P0=PFePmePadPe=P1 P0=T=E Ia PCu=Ra Ia2Rf If2P2=U I =Pe PCu2 60=T1n第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论P1Pme+PadPFePePCuP2功率流程功率流程图3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩6.总损耗耗 Pal=PCu PFePmePad 3.效率效率 =100%P2P1二、直流二、直流发电机的机的转矩矩T1=T0+T转矩平衡方程：矩平衡方程：输入入转矩矩 T1：空空载转矩矩 T0：电磁磁转矩矩 T：P1 T1=3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩60 2 P1n=P0 T0=60 2 P0n=Pe T=60 2 Pen=小型小型发电机：机：N=30%90%中大型中大型发电机：机：N=91%96%P2=UI =230100 W=23 000 WIa=IIf=(1002)A=102 APCu=Ra Ia2 Rf If2 =(0.2102211522)W =2 540.8 W Pe=P2PCu=25 540.8 W 【例例3.8.1】一并励直流一并励直流发电机，机，输出出电压 U=230 V，输出出电流流 I=100 A，Ra=0.2，Rf=115，n=1 500 r/min，T0=13.32 Nm。求求发电机的机的输出功率出功率P2、电磁磁转矩矩 T、输入功率入功率 P1 和效率和效率 。解：解：230115=A=2 A URfIf=3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩P0=T0n2 60=13.321 500 W 2 60 =2 319.24 W P1=PeP0 =(25 540.82 319.24)W=28 260 W =100%P2P1=100%=81.39%23 00028 260直流直流电机机3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩 更多的更多的图片片 直流直流电容容电机机 更多的更多的图片片 3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩直流直流电机机 更多的更多的图片片 3.8 直流直流发电机的功率和机的功率和转矩矩练练 习习 题题v3.2.1v3.4.1v3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.5.3v3.6.1 3.6.2v3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4v3.8.1 3.8.2 3.8.3*以教以教师画勾的画勾的题为准。准。第第3 章章 直流直流电机的基本理机的基本理论下一章下一章