西安交大的电机学课件2第一篇、第2章直流电机基本理论.ppt

1第一篇第一篇直流电机直流电机第第2章章直流电机的基本理论直流电机的基本理论内内容容简简介介 直流电机的磁场直流电机的磁场:励磁方式、磁场分布、电枢反应励磁方式、磁场分布、电枢反应 直流感应电势：直流感应电势：电势公式、电势方程式电势公式、电势方程式 电磁转矩：电磁转矩：转矩公式、转矩平衡方程式转矩公式、转矩平衡方程式 功率与损耗功率与损耗 损耗分析、功率平衡方程式损耗分析、功率平衡方程式 22-1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式一、定义一、定义直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。励磁绕组和电枢绕组如何联接。二、分类二、分类除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励式和除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励式和自励（即串励、并励和复励）式。自励（即串励、并励和复励）式。3复励式发电机复励式发电机串励式电动机串励式电动机并励式电动机并励式电动机他励式发电机他励式发电机nrf42-2空载时直流电机的磁场空载时直流电机的磁场一、直流电机的磁通路经（磁路）一、直流电机的磁通路经（磁路）主磁极主磁极1气隙气隙1电枢齿电枢齿1电枢轭电枢齿电枢轭电枢齿2气隙气隙2主磁极主磁极2定子轭主磁极定子轭主磁极1气隙气隙1主磁极主磁极1电枢齿电枢齿1电枢轭电枢轭电枢齿电枢齿2气隙气隙2主磁极主磁极2定子轭定子轭5二、空载磁通密度波形二、空载磁通密度波形q空载时电枢电流为空载时电枢电流为0 0，气隙，气隙磁场是由励磁电流单独决定。磁场是由励磁电流单独决定。q磁极面下气隙较小且均匀，磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。磁密较强且均匀。q极面外，气隙迅速增大，磁极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处密也迅速减弱，几何中性线处磁密为磁密为0 0。q空载气隙磁密沿电枢外圆的空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数分布用函数B B0 0（x x）表示；分）表示；分析可知它是平顶波。析可知它是平顶波。62-3负载时直流电机的磁场负载时直流电机的磁场电枢反应电枢反应电枢磁场对主磁场的影响，被称为电枢反应。电枢磁场对主磁场的影响，被称为电枢反应。电枢反应会影响电机的性能。电枢反应会影响电机的性能。一、一、电枢磁势电枢磁势的分布的分布电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。电枢电流的方向以电刷连线来分界。电枢电流的方向以电刷连线来分界。电枢磁势的轴线总是与两电刷的连线相重合。电枢磁势的轴线总是与两电刷的连线相重合。当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时，当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时，电枢磁势的轴线在交轴方向，称为交轴电枢反电枢磁势的轴线在交轴方向，称为交轴电枢反应磁势。应磁势。NS7设设直轴线与电枢外圆的交点为直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距点，在距0点为点为x处作一闭合磁力线回路。处作一闭合磁力线回路。该闭路包围的电流数即为总磁势该闭路包围的电流数即为总磁势Fa。电枢表面单位长度上的安培导体数电枢表面单位长度上的安培导体数A称为电机的线负荷。称为电机的线负荷。线负荷线负荷距距0点为点为x处处，每个气隙的电枢反应磁，每个气隙的电枢反应磁势为（忽略铁心中的磁势降）势为（忽略铁心中的磁势降）上式表达了电枢磁势的分布，将一对极上式表达了电枢磁势的分布，将一对极的电枢磁势波形画出，将得到三角波。的电枢磁势波形画出，将得到三角波。8二、电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布：二、电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布：磁密由磁势和气隙磁阻共同决定。磁密由磁势和气隙磁阻共同决定。极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势；极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势；两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小。一个周期的两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小。一个周期的磁密波形呈马鞍形。磁密波形呈马鞍形。三、电枢磁场与励磁磁场三、电枢磁场与励磁磁场（主磁场）的合成（主磁场）的合成 电枢反应电枢反应 9在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内磁密减弱。磁密减弱。实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。磁场发生了畸变，磁场发生了畸变，0 0点发生了位移。点发生了位移。(交轴）电枢反应的影响：交轴）电枢反应的影响：1 1、气隙磁场发生畸变、气隙磁场发生畸变 对发电机而言前极端去磁、对发电机而言前极端去磁、后极端增磁；后极端增磁；对电动机而言则为前极端对电动机而言则为前极端增磁、后极端去磁。增磁、后极端去磁。2 2、此反应会使某一支路、此反应会使某一支路的电势分布不均匀（如图示）。的电势分布不均匀（如图示）。10四、补偿绕组四、补偿绕组l为了减少电枢反应的影响，在磁极表面的槽中安装补偿绕组；l补偿绕组与电枢绕组串联；l补偿绕组导体电流的方向与其对应的极面下的电枢电流的方向相反。11五、直轴电枢反应五、直轴电枢反应 如果将电刷位置逆时针移动如果将电刷位置逆时针移动角，则电枢磁势可分为两部分角，则电枢磁势可分为两部分直轴电枢磁势直轴电枢磁势F Fad ad；交轴电枢磁势交轴电枢磁势F Faqaq。直轴电枢磁势的性质是：直轴电枢磁势的性质是：v对发电机来说，电刷顺转向偏移时为去磁，逆转向偏移时为增磁；对发电机来说，电刷顺转向偏移时为去磁，逆转向偏移时为增磁；v对电动机来说，电刷顺转向偏移时为增磁，逆转向偏移时为去磁。对电动机来说，电刷顺转向偏移时为增磁，逆转向偏移时为去磁。122-42-4 电枢绕组中的电枢绕组中的感应电势感应电势 当电枢以一定的转速n n 向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线感应电势。由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之和。本节将推导感应电势的计算公式。NxB(x)Bp导体有效长度为导体有效长度为l切割磁力线的速度为切割磁力线的速度为：x处导体感应电势为处导体感应电势为：导体总数为导体总数为N，每一支路导体数为，每一支路导体数为N/(2a)则支路电势即电刷间电势为：则支路电势即电刷间电势为：13Ce为电势的结构常数。可见感应电势正比于每极磁通量和转子转速。这为电势的结构常数。可见感应电势正比于每极磁通量和转子转速。这一感应电势公式把电量一感应电势公式把电量Ea、机械量、机械量n、磁场量磁场量联系起来了。联系起来了。励磁绕组示意图（他励或并励）：励磁绕组示意图（他励或并励）：直流电机的电路包括直流电机的电路包括电枢支路电枢支路和和励磁支路励磁支路。在分析直流电机时，最好先根据在分析直流电机时，最好先根据励磁方式励磁方式画出电机的电路连线。画出电机的电路连线。142-5直流电机的直流电机的电势平衡电势平衡方程式方程式一、一、直流发电机直流发电机的电势平衡方程的电势平衡方程发电机的特点：发电机的特点：Ea与与Ia同向；同向；Ea比比U大；大；T为制动转矩。为制动转矩。除了压降除了压降IaRa外，还要考虑电刷压降外，还要考虑电刷压降Us电势平衡方程为电势平衡方程为Ea=IaRa+2Us+U二、二、直流电动机直流电动机的电势平衡方程的电势平衡方程电动机的特点：电动机的特点：Ea和和Ia反方向；反方向；U比比Ea大；大；T为拖动转矩。为拖动转矩。转子一旦旋转，就有电势存在。转子一旦旋转，就有电势存在。因电势与电流方向相反。故电动机的感应电因电势与电流方向相反。故电动机的感应电势又叫反电势。势又叫反电势。U=Ea+IaRa+2Us他励式发电机他励式发电机nrf并励式电动机并励式电动机152-6电磁转矩电磁转矩在电动机中，电磁转矩是在电动机中，电磁转矩是拖动拖动转矩；而在发电机中则为转矩；而在发电机中则为阻力阻力转矩。转矩。一、公式推导一、公式推导NxB(x)Bp单个导体中的电流为单个导体中的电流为：x处导体电磁力为处导体电磁力为：每个导体产生的电磁转矩为（导体有效长度为每个导体产生的电磁转矩为（导体有效长度为l）：）：所有所有N个导体产生的电磁转矩为：个导体产生的电磁转矩为：C CT T为为结构常数结构常数。可见电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。可见电磁转矩正比于每极磁通量和电枢电流。16二、转二、转矩矩平平衡衡（稳态时）（稳态时）v对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩T1。T1克服各种阻力转矩（如克服各种阻力转矩（如摩擦，铁耗，风阻等）摩擦，铁耗，风阻等）T0后与负载后电枢电流后与负载后电枢电流Ia产生的电磁转矩产生的电磁转矩T相平衡相平衡:vT1=T0+Tv对于电动机来说，从电枢端输入电流并产生电磁转矩对于电动机来说，从电枢端输入电流并产生电磁转矩T，T克服各种阻克服各种阻力转矩力转矩T0后与机械负载转矩后与机械负载转矩T2相平衡相平衡:vT=T0+T2 172-7直流电机的损耗和功率平衡方程直流电机的损耗和功率平衡方程一、损耗一、损耗 机械损耗机械损耗pm：轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。这些损：轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。这些损耗主要与耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。转速有关，转速变化不大时，基本为常量。铁心损耗铁心损耗pFe：电枢铁心中磁场电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的耗近似与磁密的平方及转速的1.2-1.5次方成正比。次方成正比。励磁损耗励磁损耗pf：pf=UfIf=If2Rfpm+pFe+pf 统统称为空载损耗称为空载损耗(不变损耗不变损耗)。负载损耗负载损耗（可变损耗可变损耗）：电枢回路电阻损耗pa=Ia2Ra；电刷接触压降损耗pb=2UsIa总称铜耗总称铜耗pcu=pa+Pb杂散损耗杂散损耗p：齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通：齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等产生的铁耗等p=(0.51)%P2。18二、发电机功率平衡方程二、发电机功率平衡方程 v功率流程图功率流程图：P1=PM+pm+pFe+p=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+p=P2+pv电磁功率电磁功率PM：可由机械功率表示，也可由电功率表示的功率，可由机械功率表示，也可由电功率表示的功率，它是它是能量形态变化的基础能量形态变化的基础。v效率效率机电19三、电动机功率平衡方程三、电动机功率平衡方程 v功率流程图功率流程图v功率平衡方程功率平衡方程P1=PM+pa+pb=P2+pm机械损耗机械损耗+pFe铁心损耗铁心损耗+p杂散杂散损耗损耗+pa电枢回路电阻损耗电枢回路电阻损耗+pb电刷接触压降损耗电刷接触压降损耗+pf励磁损耗励磁损耗=P2+pv电磁功率电磁功率PM：从：从电功率转化为机械功率的那一部分功率。电功率转化为机械功率的那一部分功率。PM=EaIav效率效率v本章作业：本章作业：p36题题22,3,5,6,7电机动20本章小结本章小结直流电机的主磁场一般由主极铁心上的励磁绕组产生。励磁绕组与电枢回路之间的连接方式有：他励、并励、串励、复励。不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响。直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁路的情况。一般情况下，直流电机的空载磁通密度分布为平顶波。直流电机负载时，电枢磁场对主磁场的影响被称为电枢反应。交轴电枢反应使主磁场的波形发生畸变，而且会对主磁场产生去磁作用。当电刷偏离几何中性线时，还将产生去磁或者增磁的直轴电枢反应。21本章小结（续）本章小结（续）l发电机和电动机是直流电机的两种运行状态。在两种状态下，电枢绕组中均产生感应电势：Ea=Cen，表明感应电势的大小正比于转速及每极磁通。在发电机中EaU，在电动机中UEa。l直流发电机和电动机中均存在电磁转矩：T=CTI，在发电机中，电磁转矩是制动转矩，在电动机中电磁转矩是拖动转矩。l直流电机的电势平衡方程反映了电机电路中各种量之间的关系。功率平衡方程表明了各项功率和各种损耗之间的关系。电磁功率l PM=T=EaIa 显示了电磁功率是能量变换的基础。