1、電機與拖動技術基礎直流電機的基本理論和分解3.2 直流電機的銘牌和額定值3.1 直流電機的基本結構和工作原理3.3 直流電機的電樞繞組3.4 電流電機的電磁轉矩和電動勢電機與拖動技術基礎返回主頁第3章 直流電機為了能建立一個感性認識，對電機進行簡單的分類如下：第3章 直流電機的基本理論3.1.1 直流電機的基本結構 直流電機的結構電樞3.1.1 直流電機的基本結構3.1.1 直流電機的基本結構 直流電機 更多的圖片 一、主要部件1. 定子(1) 主磁極(2) 換向極(3) 機座(4) 端蓋等直流電機的基本結構 直流電機的定子 (a) 主磁極 (b) 機座 直流電機的定子3.1.1 直流電機的基

2、本結構 更多的圖片 2. 轉子（電樞）(1) 電樞鐵心(2) 電樞繞組3.1.1 直流電機的基本結構(3) 換向器(4) 轉軸與風扇 直流電機的轉子 (a) 轉子主體 (b) 電樞鋼片 3.1.1 直流電機的基本結構 電機裝配圖 更多的圖片 NS3.1.2 直流電機的工作原理一、直流電動機的工作原理直流電機的工作原理NSUU電刷線圈邊切割磁感線會產生什么？換向片直流電機的工作原理直流電動機工作原理小結根據上述原理，可以看出直流電動機有如下特點：（1）直流電動機將輸入電功率轉換成機械功率輸出；（2）電磁轉矩起驅動作用；（3）利用換向器和電刷，直流電動機將輸入的直流電流逆變成導體中的交變電流；（4

3、）直流電動機導體中的電流與運動電勢方向相反。直流電流交流電流電磁轉矩(拖動轉矩)機械負載克 服反電動勢做功3.1.2 直流電機的工作原理 電磁關系換向旋轉NS二、直流發電機的工作原理NSE3.1.2 直流電機的工作原理E輸出直流電原動機感應電動勢、電流電磁轉矩（阻轉矩）做功 電磁 關系換向3.1.2 直流電機的發電機直流發電機工作原理小結 根據原理分析，可以看出直流發電機有如下特點：（1）直流發電機將輸入機械功率轉換成電功率輸出；（2）利用換向器和電刷，直流發電機將導體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；（3）直流電動機導體中的電流與運動電勢方向相同。（4）電磁轉矩起制動作用。一臺直流電機原則上

4、既可以作為電動機運行，也可以作為發電機運行，取決于外界不同的條件。3.2 直流電機的銘牌和額定值3.2 直流電機的銘牌和額定值直流電機的銘牌型號為Z2-91的直流電機是一臺機座號為9、電樞鐵心為短鐵心的第2次改型設計的直流電機。機座號表示直流電機電樞鐵心外直徑的大小，共有1-9個機座號，機座號數越大，直徑越大。電樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種，1表示短鐵心，2表示長鐵心。3.2.2 直流電機的額定值3.2 直流電機的銘牌和額定值1. 額定電壓 UN 發電機的 UN ：指輸出電壓的額定值。 電動機的 UN ：指輸入電壓的額定值。2. 額定電流 IN 發電機的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動

5、機的 IN ：指輸入電流的額定值。3. 額定功率 PN 發電機的 PN ：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動機的 PN ：指輸出機械功率的額定值 (UN INN ) 。3.2.2 直流電機的額定值1.額定轉速 2.勵磁方式和額定勵磁電流 電動機軸上輸出的額定轉矩為 直流電樞繞組A B12345638A B1 2 3 48 3 6 53 6 5 48 1 2 3AB結論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。3.3 直流電機的電樞繞組A B12345638 直流電樞繞組電動機發電機兩匝元件3.3 直流電機的電樞繞組e e e ee e e eEA1 2 3 48 3 6 5BIae

6、 e e ee e e e1 2 3 48 3 6 5ABIaENSNS1234563891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2 單疊繞組的展開圖 并聯支路對數：a = 2。 電刷的中心線對著磁極的中心線。A1A2B1B2n3.3 直流電機的電樞繞組3 6 4 3 5 811 8 10 3 9 69 12 10 1 11 25 2 4 1 3 12 單疊繞組的展開圖NSNS1234563891011121 2 3 5 6 8 9 11 12A1 B1 A2 B2n 電刷的中心線對 著磁極的中心線： 電刷之間的電動 勢最大。 被電刷短接的元 件電動勢為零。 習慣

7、稱 “電刷放在 幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線3.3 直流電機的電樞繞組二、勵磁方式+Ua+Uf他勵并勵串勵復勵1. 直流電動機按勵磁方式分類3.3 直流電機的電樞繞組MIfIaM+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI2. 直流發電機按勵磁方式分類自勵3.2 直流電機的基本結構他勵串勵復勵并勵GIf+UfIa+UaGIa+UIfIG+UIfIIaGIfIa+UI4. 額定轉速 nN5. 額定勵磁電壓 UfN6. 額定勵磁電流 IfN 額定狀態 ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態。 滿載狀態 ： 指 I = IN 的狀態。3.2 直流電機的基本結構NS3.3 直流電機的電樞反應

8、幾何中心線 N S勵磁磁場（空載磁場）物理中心線電樞磁場合成磁場（負載時的磁場）物理中心線 電樞反應：電樞磁通勢對主極磁場的影響。第3 章 直流電機的基本理論 電樞反應的影響 總磁場被扭歪了 幾何中心線與物理中心線分開了, 電刷位置處的元件的 e0，增加換向困難。 一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少， 磁路不飽和時，每極磁通不變； 磁路飽和時，每極磁通減少，e 和T 相應減少。3.3 直流電機的電樞反應3.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1. 產生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： 第3 章 直流電機的基本理論BlB = l極距3

9、.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢一、電磁轉矩1. 產生 電樞電流 i 磁 場 F T 2. 大小 電磁力： F = B l i 平均磁密： 每根導線上電磁力所 形成的電磁轉矩： FR第3 章 直流電機的基本理論B = lBl極距RR 電樞繞組串聯總匝數： N 電樞繞組并聯支路數：2a 總導體數： 2N 2a = 4aN 電樞的周長： 2R = 2p 電磁轉矩： T = 4aN FR= 4aN B l i p = 4aN l i p l= 4aN i p = 2ai 2pN 電樞電流 Ia3.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢2. 大小 T = CT IaCT 轉矩常數：3. 方向 由 和 Ia 共

10、同決定。4. 性質 發電機： 電動機：T 與 n 方向相反，為制動轉矩。T 與 n 方向相同，為拖動轉矩。3.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢CT =2pN單位：Wb單位：A(Nm) 1. 產生 電樞旋轉 n 磁 場 2. 大小 每個導體：e = B l v 導體切割磁場線的線速度： 電動勢： E = 2N e 二、電動勢 ee E 3.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢v = n2R60= 2N B l v = 2N l n 2p 60 l= n2p 60= n 4pN 60CTCE=602= 9.55 CT = 9.55 CE3.4 直流電機的電磁轉矩和電動勢CT =2pNCE =4pN60 E

11、 = CE n CE 電動勢常數：CE =4 pN60單位：Wb單位：r/min(V) 3. 方向：由 和 n 共同決定。4. 性質 發電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。3.5 直流電動機的運行分析一、他勵電動機勵磁電壓 Uf If 電樞電壓 Ua Ia Tn E 1. 電壓平衡方程式勵磁電路： Uf = Rf If電樞電路： Ua = E + Ra Ia第3 章 直流電機的基本理論EMIf+Uf+UaIa 穩態電樞電流 Ia 由誰確定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：負載不變 ( T 不變)，Ua (Ra) 變化時， Ia 變化否（設 不變）？Ua (或Ra)

12、瞬間 n 不變 E 不變Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不變 結論：Ia 的大小取決于負載的大小。 當 Ia= IaN 時為滿載，當 IaIaN 時為過載。 規定短時過載的最大電樞電流： Iamax =(1.5 2)IaN =MC IaN3.5 直流電動機的運行分析機械特性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T 2. 轉速O nTn0當T 時， n 下降不多 硬特性。 勵磁電路斷電的后果 當 If = 0， =r 很小，n 不能突變，E 很小T = CTr Ia 仍有一定數值。Ia (1) 若 T TL n 飛車！ (2) T TL n n = 0

13、悶車！ 3.5 直流電動機的運行分析3.5 直流電動機的運行分析3. 轉向取決于電磁轉矩 T 的方向。 T 的方向取決于 和 Ia 的方向。磁場反向電樞反向+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+UfM二、并勵電動機 并勵與他勵的區別:1. 輸入電壓 U = Ua = Uf2. 輸入電流 I = Ia + If3. 輸入功率 P1 = UI = UIa + UIf3.5 直流電動機的運行分析Ia+UIIfM 【例】 某并勵直流電動機，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求該電機在額定狀態

14、下運行時的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 勵磁電流 If 3.5 直流電動機的運行分析UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 電樞電流 Ia Ia = IN If = 0.35) A = 12.15 A (2) 電動勢 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE =T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 電磁轉矩3.5 直流電動機的運行分析CE =EnN2153 000= = 0.031 3 三、串勵電動機3.5 直流電動

15、機的運行分析1. 電壓 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 電流 I = Ia = IfRa+ RfUE=CT T=3. 轉矩 T = CT Ia(1)當 Ia 較小、磁路未飽和時， Ia，T Ia2 。 (2)當 Ia 較大、磁路已飽和時，常數， T Ia 。EM Uf Ua+UIIfIa 即 T Iam (1m2) 與并勵電動機比較，有如下特點：(1) 對應于相同的T ， Ia 小。(2) 對應于允許的 Iamax ，能夠產生的 T 大， Tst 和 Tmax 較大。4. 轉速3.5 直流電動機的運行分析ECEn =U(Ra + Rf ) IaCE=UCE=Ra

16、 + RfCECT2T(1) 當T = 0 時，Ia = If = 0， =r，n0 = (5 6) nN。(2) 當T 很小時，Ia 很小，磁路未飽和，T Ia n 迅速下降。 (3) 當T 很大時，Ia 很大，磁路已飽和，T Ia 基本不變 n下降較少。 3.5 直流電動機的運行分析5. 應用(1) 特別適用于起重機 和電氣機車等運輸機械。(2) 不能在輕載或空載下運行。(3) 不能用皮帶輪傳動。串勵電動機的機械特性軟特性O nT四、復勵電動機1. 積復勵、差復勵。2. 機械特性(1) 有較大的Tst 。(2) 可以空載運行。并勵復勵3.5 直流電動機的運行分析MIaIf+UI串勵O nT

17、3.6 直流電動機的功率和轉矩1. 功率平衡方程式(1) 輸入功率 P1 P1 = U I(2) 銅損耗 PCu PCu = Ra Ia2Rf If2 (3) 電磁功率 Pe Pe = P1 PCu 推導： U I = U( IaIf ) = UaIaUfIf = ( ERa Ia ) IaRf If2 = E IaRa Ia2Rf If2 第3 章 直流電機的基本理論Pe = E Ia 一、直流電動機的功率3.6 直流電動機的功率和轉矩Pe = E Ia = CE n Ia = T 260= CT n Ia 功率流程圖P1PCuPeP0P22. 轉矩平衡方程式 空載： T = T0 負載:

18、T = T0 + T2 260T2n =(4) 空載損耗 P0 P0 = PFePmePad (5) 輸出功率P2 P2 = Pe P0 = T23.6 直流電動機的功率和轉矩(6) 總損耗 Pal = PCu PFePmePad (3) 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal(8) 效率P2P1 = 100%二、直流電動機的轉矩 T = T0 TL 【例】 一并勵電動機，UN = 110 V， IN =12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 Nm，T0 = 0.9 Nm。求該電機的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 。 解：P2P1 = 100%6.2860= 6

19、.81 500 W = 1 063.6 W Pe = P2P0 = 143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 11012.5 W = 1 335 WPal = P1P2 = (1 3351 063.6) W = 303.4 W3.6 直流電動機的功率和轉矩260P2= TLn 6.2860= 0.91 500 W = 143.3 W 260P0= T0n 1 063.61 335= 100% = 33.64% 3.8 直流發電機的功率和轉矩一、直流發電機的功率1. 輸入功率 P1 :2. 空載損耗 P0 :3. 電磁功率 Pe :4. 銅損耗 PCu :5. 輸出功率 P2 :P1 = T1P0 = PFePmePadPe = P1 P0= T = E Ia PCu = Ra Ia2Rf If2P2 = U I = Pe PCu260= T1n第3 章 直流電機的基本理論P1Pme+ PadPFePePCuP2功率流程圖3.8 直流發電機的功率和轉矩6. 總損耗 Pal = PCu PFePmePad 3. 效率 = 100%P2P1二、直流發電機的轉