直流电机工作原理.ppt

第一章 直流电机Chapter 1 DC Machines,本章教学基本要求：,1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法；3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；4.了解直流电机的换向。,重点和难点,重点：直流电机的基本平衡方程式和工作特性。难点：电枢反应。,本次课程教学要求,了解直流电机基本结构熟悉直流电机的额定值掌握直流电机基本工作原理,机电能量关系,直流电机（dc machines）是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机(dc generators)。把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机(dc motor)。,1.1直流电机的结构及基本工作原理,直流电机的基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。（下面用简单直流电机模型来说明工作原理）,图1-1 直流发电机工作原理,直流发电机的基本工作原理,说明,给励磁绕组(the exciting winding)通入直流电，使在空中固定不动的主磁极呈现上为N极、下为S极（主磁极也可以是永久磁铁做成）。在N和S极之间有电枢，电枢铁芯上安放着由A和X两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（A）和末端（X）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换相片上，换相片形成的整体称为换相器。换相器固定在转轴上，且与转轴绝缘。换相片上安放着一对固定不动的电刷B1和B2，电刷能与外电路连接。,气隙磁密分布,图1-2a)气隙磁密分布波形图,定子、转子和气隙,定子(stator)在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。转子(rotor)随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换相器等）称为转子（或称电枢(armature)）气隙(air gap)定、转子之间有一空隙，称为气隙。,当原动机带动电枢逆时针方向旋转时导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电势，大小：e=Bxlv（V）其中：Bx导体所在处的磁通密度（Wb/m2）,l 导体的有效长度（m），v 导体的线速度（m/s）。,发电机工作情况,感应电势方向,感应电势方向由右手定则判定：伸开右手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电势方向。,分析,t=0时，A端为，与之相接触的电刷B1为+，X端为，与之相接触的电刷B2为-；当电枢旋转了180后，即t=180时，X端旋转到N极下，X端为，A端旋转到S极下，A端为。,图1-2a)线圈AX地感应电势波形图,换向器作用Commutator Action,从分析中可得出：N极下导体电势指向纸外，电刷B1总为+；S极下导体电势指向纸内，电刷B2总为-，不难看出，线圈中的电势是交流电势，而通过换向器的作用，使电刷间的电势为直流电势。,换向器和电刷作用(brush),换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；把转动的电路与外面不转的电路连接。从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。,图1-2b)电刷B1与B2间的电动势波形图,电刷B1与B2间的电动势波形,2、直流电动机的基本工作原理,将直流电加到电刷上（B1为+、B2为-），线圈AX上就有电流通过（A端为、X端为），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为：f=Bxli（N），其中i为流过导体中的电流（A），方向由左手定则确定，伸开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指向导体受力方向。,在电动机中换向器和电刷的作用,换向器和电刷的共同作用是：将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；把外面不转的电路与转动的电路连接。,直流电动机工作原理示意图,图1-3 直流电动机工作原理图,直流机结构,直流电机的基本结构,直流电机的基本结构,直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）。,1、定子,定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成，铁芯用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。换向极也由铁芯和绕组组成，铁芯一般是由整块钢组成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改善电机的换向。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。,直流电机结构,图1-4 直流电机结构图,图1-5 主磁极与换向极示意图,图1-6电刷装置图,主磁极、换向极、电刷装置示意图,2、转子（电枢）,转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。,电枢绕组,电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,换向器,换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。,换向片和换向器,图1-7 换向片和换向器,3、气隙,为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。,课后复习要点,1.直流电机基本工作原理；换向器和电刷的作用。2.直流电机基本结构预习直流电机绕组(极轴线、几何中线、极距、绕组元件、绕组节距等。3.预习电枢反应和直流电机负载时的磁场。4.预习直流机的电磁转矩和感应电势。思考题：P33 1-1,直流电枢绕组和电机模型,1、直流电枢绕组（1）基本概念直流电机电枢绕组的基本形式是单叠和单波。,图1-11 两匝元件示意图,电枢绕组节距图,绕组,（2）单叠绕组,单叠绕组是以相邻元件依次串联的连接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。,实际电机模型图,实际电机模型,图1-12 单叠绕组展开图（2p2 ZuS6）,单叠绕组展开图,单叠绕组等值电路,图1-13 单叠绕组等值电路,单叠绕组特点,支路对数a等于极对数p，同时还等于电刷对数b，即a=p=b；电枢电流Ia等于各支路电流ia之和，即Ia=2aia。,（3）单波绕组,单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点是：支路对数a等于1，与极对数p无关，即a=1；电枢电流Ia等于2倍支路电流ia，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p。,2、电机模型,展开图虽然能反应电枢绕组连接规律，也能说明电机内部电磁关系，但画展开图太麻烦，在分析电机内部电磁关系时，采用电机模型。规定：无论电机有多少对磁极，都只用N、S一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中心线处，并与位于几何中心线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。我们把几何中心线对应的轴线又称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的磁极轴线称为直轴，用d-d表示。为了方便，以后在分析电机内部电磁过程时均采用电机模型。,直流电机模型,直流电机模型,直流电机的铭牌数据和主要系列,为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如图所示。,说明,在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行，称为额定运行。电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行，称为欠载运行，电机长期欠载，效率不高，造成浪费；当电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行，长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态。,2、国产电机主要系列,国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁芯（2号表示长铁芯，1号表示短铁芯）。国产直流电机的主要系列说明如下：1）Z2系列是普通中小型直流电机。该系列直流电机有发电机、调压发电机、电动机等。其工作方式为连续的。电机仅用于正常的使用条件，即非湿热地区，非多尘或无有害气体场所，非严重过载或无冲击性过载要求的情况下。系列容量范围从0.4220kW，采用E级和B级绝缘。新设计的Z4系列电动机，可以取代Z2、Z3系列直流电动机。,2）ZZJ系列,ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机，适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。该系列电动机的传动惯量低、过载能力大，速度反应快。因而能经受快速而频繁的起动、制动与反转。其它系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。,1.2直流电机的磁场,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。1、他励励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。2、并励励磁绕组与电枢绕组并联。3、串励励磁绕组与电枢绕组串联。4、复励,图1-19 直流电机的励磁方式,励磁方式,复励,主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称差复励。实际应用中常用积复励。,积复励与差复励示意图,直流电机空载时的磁场,直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。,图1-8 直流电机的空载磁场分布,说明,主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：0，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的20%左右。,1、空载时气隙磁密分布,如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度，即有B1/。主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。,图1-10 气隙磁密分布波形,2、电机的磁化曲线,电机的磁化曲线是指电机主磁通0与励磁磁势Ff的关系曲线，即0=（Ff）。当励磁绕组的匝数Nf一定时，改变励磁电流If就可改变磁势，磁化曲线也可用0=（If）表示。电机的磁化曲线可通过实验或电机磁路计算得到。图中曲线1是电机磁化曲线，曲线2是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，由于空气中的0为常数，故气隙线是线性的。,曲线特点,电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。,图1-9 电机的磁化曲线,曲线,分析,磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。,饱和系数,电机的饱和程度可以用饱和系数表示。他是指主磁0通为额定磁通N时，励磁磁势F0与气隙磁势F的比值，即k 的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中的k=1.111.35。,直流电机负载时的磁场,直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中的磁势由励磁电流If产生的励磁磁势Ff和电枢电流Ia产生的电枢磁势Fa共同建立。图a表示由电枢电流单独产生的电枢磁场，根据电枢电流方向和右手螺旋定则，可判断电枢磁势的轴线与电刷轴线（也是几何中心线）重合，并与主磁极轴线正交，故电刷位于几何中心线上时的电枢磁势也是交轴电枢磁势。图b表示仅由励磁电流产生的空载磁场。假设电机磁路不饱和，可利用叠加原理，得到负载时气隙磁场如图c所示。,图,线负荷,为了分析电枢磁势沿电枢表面分布情况，现引入电枢线负荷的概念。线负荷是指在电枢表面单位长度上的安培导体数，用A表示。设N为电枢绕组总导体数，ia为导体电流，Da为电枢直径，则根据线负荷定义有：,电枢磁势,如果将电枢外表面从几何中心线处展开成直线如图所，并设主磁极轴线与电枢表面的交点处为原点0，这点的电枢磁势为零，在离原点x处作一矩形磁闭合回路，根据安培环路定律，当磁路不饱和时，有 即Fax=Ax，其中Fax为每个气隙磁势，可见Fax与x成正比，则电枢磁势分布波形是三角波，如图曲线Fax=(x)所示。,电枢磁密,根据Bax=oHax，可推出电枢磁密为：可见在磁极下，气隙均匀，则Baxx；在极尖，因气隙很大，则Bax很小，电枢磁密沿电枢表面分布为一马鞍波形，如图曲线Bax=(x)所示。,气隙磁密,曲线Box=(x)表示励磁磁通密度，亦即电机空载时的磁通密度曲线。由上述分析可知，电机负载时的气隙磁密Bx应等于励磁磁密Box与电枢磁密的Bax合成，如图曲线Bx=(x)所示。,图1-17 直流电机负载时气隙磁密波形,直流电机的电枢反应,当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁势。从上面分析可知：电枢磁势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。我们把电枢磁势对励磁磁势产生的影响称为电枢反应。,1.电刷位于几何中性线时的电枢反应,电刷位于几何中性线时电枢反应表现为：（1）使气隙磁场发生畸变（2）使物理中性线偏移（3）当磁路饱和时有祛磁作用,电刷位于几何中性线时的电枢反应,（1）使气隙磁场发生畸变 设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生畸变，对发电机而言是前极尖磁场被削弱后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。,电刷位于几何中性线时的电枢反应,（2）使物理中性线偏移我们把气隙中各点磁通密度为零的点的连线称为物理中性线。直流电机空载时，几何中性线与物理中性线重合。负载时，物理中性线偏离几何中性线角，对发电机而言是顺转向偏离角；对电动机而言是逆转向偏离角。,电刷位于几何中性线时的电枢反应,（3）当磁路饱和时有祛磁作用磁路未饱和时，气隙里的磁通密度Bx由励磁磁密Box与电枢磁密的Bax叠加得到。磁路饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和性，使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱，如图虚线Bx=(x)所示。,2.电刷偏离几何中性线时的电枢反应,由于装配或换相的需要等原因，有时电刷会偏离几何中性线。从上面分析得到，当电刷位于几何中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势，而电刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离角，产生的电枢磁势为Fa，将Fa分解成交轴电枢磁势Faq和直轴电枢磁势Fad，交轴电枢磁势Faq对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而直轴电枢磁势Fad与主磁极轴线重合，方向相反，故有祛磁作用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离角时，产生的直轴电枢磁势Fad有助磁作用。,电刷偏离几何中线角时的电枢反应,电枢反应,直流电机的感应电势和电磁转矩,1.直流电机电枢绕组的感应电势直流电机电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，记作Ea。,感应电势,如果设N为电枢绕组的总导体数，a为并联支路对数，Bav为一个磁极内的平均磁密，l为导体的有效长度，v为导体切割磁场的速度，则电枢电势为：式中 称为电势常数，它是与电机结构有关的参数,说明,电势表达式Ea=CenEan，改变或n的大小，可使Ea大小发生变化，当磁通单位为Wb，转速n单位为r/min，则电枢电势Ea单位为V；Ea方向取决于和n的方向，改变的方向（即改变励磁电流If的方向），就可改变Ea的方向。,2.直流电机的电磁转矩,直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。设D为电枢直径，N为电枢总导体数，fav每根导体平均所受的力，则电磁转矩为：,即有：式中 称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。,说明,从电磁转矩表达式T=CTIa可见：TIa，改变或Ia的大小，可使T大小发生变化，当磁通单位为Wb，电枢电流Ia单位为A，则电磁转矩T单位为Nm；T方向取决于和Ia的方向，改变的方向（即改变励磁电流If的方向），就可改变T的方向。,电势常数与转矩常数之间的关系式：,根据 和 可得到电势常数与转矩常数之间的关系式：所以有：CT=9.55Ce,课后复习要点,1.直流电机绕组特点。2.电枢反应和直流电机负载时的磁场。3.直流机的电磁转矩和感应电势。4.预习直流发电机。思考题：P33 1-10、1-11、1-12、1-15、1-16作业：P33 1-3、1-4,1.3直流发电机,直流发电机是将原动机输入的机械能转变为直流电能的电气设备，即有：机械能直流电能。直流发电机的基本方程式 直流发电机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流发电机为例，介绍其基本方程式。1.电压方程式我们以发电机惯例，规定直流发电机各物理量正方向如图所示。,1.电压方程式,他励直流发电机惯例,他励直流发电机惯例,方程式,电枢回路方程为：Ea=U+IaRa式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。励磁回路方程为：Uf=IfRf式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。从发电机电压基本方程式可见：电枢电势Ea必须大于电枢端电压U，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。,2.转矩方程式,式中：T1为原动机的拖动转矩，T为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，T0为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。发电机的转向由原动机决定，T1T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。,3.功率平衡关系,从原动机输入的机械功率为：P1=Pem+p0 式中：P1为输入的机械功率；Pem为电磁功率；p0为空载损耗。空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗pm、附加损耗pad，即：p0=pFe+pm+pad其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率P的0.5%1%。,功率公式,电磁功率为：从中可见电磁功率可表示为：Pem=T上式说明电磁功率具有机械功率性质。同时电磁功率又可表示为：Pem=EaIa此表达式说明电磁功率又具有电功率性质，所以电磁功率是机电能量转换的桥梁。发电机输出的电功率为：P2=Pem-pCua式中：pCua为电枢回路铜耗；P2为输出的电功率，同时输出功率又可表示为：P2=UIa,图1-21 他励直流发电机功率流程图,他励直流发电机功率流程图,4.效率,他励直流发电机的总损耗为p=pFe+pm+pad+pCua，即：p=p0+pCua效率为：，即有：,例题,例题5-1一台并励直流发电机数据为：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕组内阻Rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调节电阻Rf=3.5，一对电刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。解：（1）求电磁功率 励磁电流为：额定负载电流为：,例题续,电枢电流为：电枢电势为：电磁功率为：（2）求输入功率,例题续,（3）求电磁转矩（4）求效率,他励直流发电机的运行特性,发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压U、负载电流I、励磁电流If这三个基本物理量之间的函数关系。一般保持其中一个物理量不变，讨论剩余两个量之间的关系，这种函数关系就是运行特性。1.空载特性空载特性是指原动机的转速n=nN，输出端开路，负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：U0=E0=(If),图1-23 他励直流发电机空载特性,发电机空载特性,实验接线图,空载特性可以由实验测出，实验接线图如所示。图1-24,注意：,实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到U0=（1.11.3）UN为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。,2.外特性,外特性是指原动机的转速n=nN，励磁电流If=IfN时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即：U=(I)，如图曲线1所示。这是一条略微下斜的曲线。从空载到负载电压下降的原因是：负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；电枢电流增大，使电枢反应的祛磁作用增强，端电压进一步下降。,图1-24 他励（并励）直流发电机的外特性,直流发电机的外特性,电压变化率,发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发电机从额定负载（U=UN，I=IN）过渡到空载（U=U0，I=0）时，电压升高的数值与额定电压的百分比，即：通常他励直流发电机的电压变化率U%约为（510）%。,并励直流发电机,他励直流发电机运行特性好，但励磁回路需一直流电源供电，若实际应用中没有条件，可采用并励，这样就不需设制专门的直流励磁电源了。1.自励过程 当发电机在原动机带动下以恒定的额定转速nN运转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电势Er（约为25%UN），从而在发电机电枢两端建立剩磁电压Ur，在剩磁电压Ur作用下，产生不大的励磁电流If（If=Ur/Rf），此励磁电流通过励磁绕组会产生磁场，磁场的方向如果与剩磁方向一致，则主磁通得以加强，使电枢端电压进一步提高，端电压的升高，又使励磁电流增大，主磁通更加强，如此反复，最终使电枢端电压建立。,图1-25 并励直流发电机接线图,并励直流发电机接线图,图1-26 并励直流发电机自励过程,自励过程,并励直流发电机的自励条件,并励直流发电机的自励条件是：电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变并励绕组极性；励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。,实际应用,实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先减小励磁回路的外串电阻，看电压是否能建立，不行再改变励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应考虑可能没有剩磁，充磁后，再进行自励发电。,2.外特性,并励直流发电机的励磁绕组与电枢绕组并联，当发电机端电压下降，励磁电流减少，使磁通变弱，则电枢电势降低，从而使端电压进一步下降，所以它的外特性要比他励直流发电机下垂如图曲线2所示。它的电压变化率U%约为（2030）%。,直流发电机的外特性,图1-24他励直流电动机外特性曲线,课后复习要点,1.直流发电机基本方程式(电压、功率、转矩)、功率流程、运行特性2.并励直流发电机自励条件3.预习直流电动机。思考题：P33 1-16、1-17、1-18、1-19作业：P33 1-21,电机的可逆原理,直流电机的运行是可逆的，同一台电机既可在一定条件下作发电机运行，又可在另一条件下作电动机运行，如在原动机的拖动下，可作为发电机，将输入的机械能转变为电能；如在电枢两端输入直流电能，可作为电动机，将输入的电能转变为机械能。,1.4直流电动机,直流电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有：直流电能机械能。直流电动机的基本方程式1.电压方程式下图（a）、（b）分别表示他励和并励直流电动机稳态运行时以电动机惯例标注的各量之间正方向，图中I为线路电流，他励时有：I=Ia；并励时有：I=Ia+If。,他励（并励）直流电动机惯例,他励（并励）直流电动机惯例,电枢回路电压方程式,U=Ea+IaRa其中反电势Ea=Cen，若为并励时，存在：U=If（rf+Rfad）=IfRf 由于Ra很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压大部分降落在反电势Ea上。,2.转矩方程式,电动机空载时，轴上输出转矩T2=0，则有：T=T0当负载转矩为TL，轴上输出有T2=TL，电动机匀速稳定运行时有：T=T2+T0 其中电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式T=CTIa计算，（T2+T0）为总的阻转矩，方向与T相反。,3.功率平衡关系,他励直流电动机输入功率为：P1=UI=UIa=Ia（Ea+IaRa）=EaIa+Ia2RaP1=Pem+pCua式中电磁功率Pem的功率性质为电功率，pCua=Ia2Ra为电枢回路上的铜耗。,并励直流电动机,并励直流电动机输入功率为：P1=UI=U（Ia+If）=UIa+UIf=（Ea+IaRa）Ia+UIf=EaIa+Ia2Ra+UIf=EaIa+Ia2Ra+If2Rf，P1=Pem+pCua+pCuf 式中pCuf=If2Rf为励磁回路上的铜耗。,电磁功率,在转矩平衡方程式T=T2+T0两边同乘以角速度可得：T=T2+T0，则有：Pem=P2+p0也可表示为：P2=Pem-p0 式中电磁功率Pem的功率性质为机械功率，空载损耗：p0=pFe+pm+pad。,图1-30 他励直流电动机功率流程图,他励直流电动机的功率流程图,并励直流电动机功率流程图,并励直流电动机的功率流程图,他励（并励）直流电动机的工作特性,直流电动机工作特性是指在U=UN，If=IfN，电枢回路不外串电阻的条件下，转速n、转矩T、效率与输出功率P2之间的关系曲线。实际运行中，电枢电流Ia是随P2增大而增大，又便于测量，故也可把转速n、转矩T、效率与电枢电流Ia之间的关系曲线称为工作特性。,1.转速特性,转速特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0时，n=(Ia)关系。根据电势方程式Ea=Cen和电压方程式U=Ea+IaRa可得：,工作特性,2.转矩特性,转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0时，T=(Ia)关系。根据转矩公式T=CTIa，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。,3.效率特性,效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻R=0时，=(Ia)关系。根据效率的定义可得：式中总损耗：,说明,空载损耗p0与负载电流变化无关，称为不变损耗；电枢铜耗pcua随负载电流平方倍变化，又称可变损耗。当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小。如果不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点，对其它电机、变压器也适用，具有普遍意义。,直流电动机的机械特性,在电动机的运行中，转速与转矩之间的关系最为重要，我们把它称为机械特性，即n=(T)。1.他励直流电动机的机械特性（1）固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通=N，电枢外串电阻R=0时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为：式中 称为斜率，nN为额定负载时的转速降。,图1-32 他励直流电动机固有机械特性,固有机械特性,说明,他励直流电动机固有机械特性是一条过理想空载点（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲线。当空载转矩为T0时，实际空载转速为n0。,（2）人为机械特性,每台电动机只有一条固有机械特性，当改变电气参数如变电源电压、或变气隙磁通、或变电枢外串电阻时，所得到的机械特性，称为人为机械特性。,电枢回路串电阻时的人为机械特性,电枢回路串电阻时的人为机械特性是指：在电源电压U=UN，气隙磁通=N，改变电枢外串电阻R时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为：,说明,式中 称为人为特性的斜率，当改变外串电阻R的大小，可得到一簇人为特性曲线，如图所示。特性的特点是：理想空载点n0与固有机械特性的相同；斜率随外串电阻R的增大而增大，使特性变软。电枢回路串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。,电枢回路串电阻时的人为机械特性,串电阻时的人为机械特性,改变电枢电源电压时的人为机械特性,改变电枢电源电压时的人为机械特性是指：在气隙磁通=N，电枢外串电阻R=0，改变电枢端电压时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为：式中UUN。,改变电枢电源电压时的人为机械特性,改变电枢电源电压时的人为机械特性,说明,特性的特点是：与固有机械特性比斜率没变，即特性硬度没变；特性的理想空载点n0随电压的下降而变小，是一簇平行特性。改变电枢电源电压时的人为机械特性可用于调速。,减少气隙磁通时的人为机械特性,减少气隙磁通时的人为机械特性是指：在电源电压U=UN，电枢外串电阻R=0，改变气隙磁通时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为：式中气隙磁通N。,减小气隙磁通时的人为机械特性,减小气隙磁通时的人为机械特性,说明,特性的特点是：与固有机械特性比斜率随磁通减少而变大，特性变软；特性的理想空载点n0随气隙磁通减少而变大，故特性上移。减少气隙磁通时的人为机械特性也可用于调速。,（3）根据铭牌数据估算机械特性,直流电动机的固有机械特性可通过实验测得，也可根据铭牌数据估算求得。其它各种人为机械特性则可根据固有机械特性求得。,求理想空载点,由于固有机械特性是一条直线，一般通过求取两个特殊点（理想空载点和额定工作点），再将这两点连成直线便可得到固有机械特性。求理想空载点（n0，0）计算理想空载转速公式为：式中,电枢回路电阻计算,电枢回路电阻Ra，可实测或根据经验公式估算。一般直流电动机额定运行时的铜损约占总损耗的一半至三分之二，则Ra的估算式为：根据上述公式可计算出理想空载转速n0。,求额定工作点（nN，TN）,根据铭牌数据可得额定转速nN，而计算电磁转矩公式为：,例题,例题5-2一台他励直流电动机额定数据为：PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，电枢回路电阻Ra=0.044，试求：1）固有机械特性方程式；2）额定负载时的电枢电势和额定电磁转矩；3）额定输出转矩和空载转矩；4）理想空载转速和实际空载转速；5）电机额定运行，分别求电枢回路外串电阻Ra=0.206时的转速、电压U=50V时的转速和磁通=75%N时的转速。,解：,（1）求固有机械特性方程式（2）求电枢电势和电磁转矩电枢电势为：电磁转矩为：,解续,（3）额定输出转矩和空载转矩输出转矩为：空载转矩为：（4）求理想空载转速和实际空载转速理想空载转速为：实际空载转速为：,解续,（5）电枢回路外串电阻Ra=0.206时的转速（6）电压U=50V时的转速,解续,（7）磁通=75%N时的转速,2.串励直流电动机的固有机械特性,串励直流机的特点是：励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流If与电枢电流Ia相等，即If=Ia，气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，其接线图所示。,串励直流电动机接线图,图1-34 串励直流电动机的机械特性,串励直流电动机的机械特性,分析,串励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，电枢回路外串电阻R=0时，n=(T)的关系曲线，其表达式为：,当负载较小时,负载较小，则T较小，这时磁路未饱和，气隙住磁通Ia，即=k1Ia，又因为电磁转矩为：故有：式中 为一常数，可得：，,转速n是随着电磁转矩T的增大而减小，是双曲线关系。,当负载较大时,负载较大，则T较大，这时磁路饱和，主磁通基本上为一常数，即=k，得：可见，转速n随电磁转矩T增大而下降，是条略微向下倾斜的直线。,说明,由串励直流电动机特性曲线可见，串励直流电动机轻载时转速很高，特性曲线与纵轴无交点，理想空载转速为无穷大，故不允许空载运行，也不允许用于皮带传动的拖动系统中，因为皮带的老化脱落，将会造成“飞车”。串励直流电动机的特点是：电磁转矩T与电枢电流Ia平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强，适合于拖动闸门、电车等负载。,3.复励直流电动机的机械特性,复励直流电动机既有并励绕组，又有串励绕组，当并励与串励绕组产生的磁势极性相同时，称为积复励；当并励与串励绕组产生的磁势极性相反时，称为差复励，差复励在实际应用中很少。积复励在理想空载时，电枢电流为零，主磁通0由并励绕组产生，故存在理想空载转速，为：，不会出现“飞车”危险；当负载增大时，电枢电流增大，总磁通随之增大，使转速比并励下降更多，如图下所示。,复励直流电动机机械特性,图1-35 复励直流电动机机械特性,课后复习要点,1.直流电动机基本方程式(电压、功率、转矩)、功率流程、运行特性2.直流电动机机械特性3.预习直流电机的换向。思考题：P33 1-22、1-23、1-26作业：P33 1-29、1-32,1.5直流电机的换向,换相的物理过程从前面分析直流电机工作原理可知，直流电机电枢绕组里的电势和电流是交变的。电机运行时，元件会随电枢的运转从一条之路经过电刷换到另一条之路，元件电流改变方向，这一过程称为换向，换向也是直流电机特有的问题，换向的好坏，直接影响直流电机的运行性能。,1.换向过程,下图是某一单叠绕组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换向片宽度相等，电枢以va的速度从右向左旋转。,图1-36a 1号元件换向过程,图1-36b 1号元件换向过程,换向之前：如图（a）所示，电刷与换向片1接触，1号元件中的电流ia从下层边流向上层边，设为+ia，元件处于右支路。换向之中：如图（b）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号元件被短接，元件中的电流正从+ia向-ia变化。换向之后：如图（c）所示，电刷与换向片2接触，1号元件中的电流ia从上层边流向下层边，电流为-ia，元件处于左支路。电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元件的换向时间称为换向周期，记作：Tk。,说明,2.直线换向,如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时间均匀变化，即有：i=(t)，我们把这种换向称为直线换向，如图曲线1所示，直线换向是理想换向，电机不会出现火花。,图1-37换向元件中的电流变化,换向元件中的电流变化,3.换向元件的感应电势,实际电机换向时，换向元件中e0。换向元件中存在以下电动势：（1）自感电动势eL换向元件中电流变化时产生的自感电动势（2）互感电动势eM同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势，通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势er，即：。电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，er方向应与换向前元件的电流方向一致。,（3）电枢反应电动势ea,换向元件处在几何中心线上，主磁场在此区域磁同密度0=0，但电枢磁密a0，在刷位正常时最大，换向元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea，其方向与er相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。,改善换相的方法,由于换向元件中的e=ea+er0，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流ik产生，设闭合回路的总电阻为R，环流为：环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随时间直线变化，电流的变化比直线换向慢，如图曲线2所示，这种换向称为延迟换向。延迟换向使电刷电流密度不均