直流電機(jī)的建模與特性

1、第3章 直流電機(jī)內(nèi)容簡介 直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理結(jié)構(gòu)電磁關(guān)系數(shù)學(xué)模型（即基本方程式和等效電路）直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的分析與計(jì)算。直流電機(jī)的圖片直流電機(jī)的圖片3.1 直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理與結(jié)構(gòu)a、直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理圖2.1 通電導(dǎo)體和線圈在磁場下的受力分析結(jié)論：結(jié)論： 要產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，必須確保要產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，必須確保n極下的導(dǎo)體中電流方向總是流入，極下的導(dǎo)體中電流方向總是流入，s極下的導(dǎo)體極下的導(dǎo)體中電流方向總是流出。中電流方向總是流出。在直流電動(dòng)機(jī)中，上述任務(wù)是由機(jī)械式換向器和電刷來完成的。 isbnacdifftn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+-直流直流電壓電壓ab沒有電刷的情況沒有

2、電刷的情況換向片換向片isbnacdifftn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)ab+-isbnacd電刷電刷ifftn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合abisbnacdifftn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合abesbnacdefftn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)沒有電刷的情況沒有電刷的情況+-ab換向片換向片esbnacdefftn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)+-abesbnacd電刷電刷efftn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)+-電刷與換向器配合電刷與換向器配合abesbnacdefftn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合ab圖2.2 直流電機(jī)的運(yùn)行原理示意圖結(jié)論

3、：結(jié)論： （1 1）直流電機(jī)電樞繞組內(nèi)部的感應(yīng)電勢和電流為交流，而電刷）直流電機(jī)電樞繞組內(nèi)部的感應(yīng)電勢和電流為交流，而電刷外部的電壓和電流為直流；外部的電壓和電流為直流； （2 2）對直流電動(dòng)機(jī)而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流）對直流電動(dòng)機(jī)而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流到內(nèi)部繞組交流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式逆變器；到內(nèi)部繞組交流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式逆變器； （3 3）對直流發(fā)電機(jī)而言，電刷和換向器起到了由內(nèi)部繞組交流）對直流發(fā)電機(jī)而言，電刷和換向器起到了由內(nèi)部繞組交流到外部電源直流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式整流器。到外部電源直流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式整

4、流器。n為什么要使用電刷和換向器？換向片為什么要彼此絕緣？電刷和換向器的配合有什么問題？n電機(jī)可逆性原理n直流發(fā)電機(jī)電樞上有電磁轉(zhuǎn)矩嗎？什么性質(zhì)？n直流電動(dòng)機(jī)電樞上有感應(yīng)電動(dòng)勢嗎？n電樞上電流產(chǎn)生磁場嗎？對主磁場有什么影響？b、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2.3 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1-機(jī)座 2-主磁極 3-勵(lì)磁繞組 4-風(fēng)扇 5-軸承 6-軸 7-端蓋 8-換向極 9-換向極繞組10-端蓋 11-電刷裝置 12-換向器 13-電樞繞組 14-電樞鐵心電 機(jī) 結(jié) 構(gòu)（1）額定功率：定義為額定狀態(tài)下的輸出功率，用 表示；)(kwwpn或 直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù) 對于電動(dòng)機(jī)，額定功率是指轉(zhuǎn)子軸上輸出

5、的機(jī)械功率 ； 對于發(fā)電機(jī)，額定功率則是指定子側(cè)繞組輸出的電功率。（2）額定電壓：定義為額定狀態(tài)下的電壓，用 表示；)(kvvun或)(kaain或（3）額定電流：定義為額定狀態(tài)下的電流，用 表示。（4）額定轉(zhuǎn)速：定義為額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，用 表示；min)/(rnn（5） 額定效率： 定義為額定條件下電機(jī)的輸出功率與輸入功率之比，用 表示。 （6） 額定勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電流(%)n額定數(shù)據(jù)之間存在如下關(guān)系： 對于直流電動(dòng)機(jī)： 對于直流發(fā)電機(jī)：nnnniupnnniup （2-2）（2-1）3.23.2 直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的電樞繞組a、對電樞繞組的要求 正、負(fù)電刷之間所感應(yīng)的電勢應(yīng)正、

6、負(fù)電刷之間所感應(yīng)的電勢應(yīng)盡可能大盡可能大 節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡單節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡單 強(qiáng)度高（電、機(jī)械、熱）強(qiáng)度高（電、機(jī)械、熱）、運(yùn)行、運(yùn)行可靠可靠b、直流電機(jī)的簡單繞組結(jié)論: 電樞繞組為閉合繞組; 直流線圈基本上是整距線圈c、直流電樞繞組的基本型式a a、幾個(gè)術(shù)語、幾個(gè)術(shù)語分類：分類：疊繞組、波繞組、混合繞組疊繞組、波繞組、混合繞組 元件元件：即單個(gè)繞組，它是多匝線圈組成；：即單個(gè)繞組，它是多匝線圈組成；元件數(shù)元件數(shù)s 極距極距：一個(gè)主磁極在電樞表面所跨的距離一個(gè)主磁極在電樞表面所跨的距離/相鄰兩主極之間的距相鄰兩主極之間的距離，用離，用 表示；表示； (3) 槽和虛槽槽和虛槽 槽數(shù)槽數(shù)q 、虛

7、槽數(shù)、虛槽數(shù)qu 元件數(shù)元件數(shù)s=換向片數(shù)換向片數(shù)k=虛槽數(shù)虛槽數(shù)qu(4) 第一節(jié)距第一節(jié)距 同一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞同一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離表面上所跨的距離 y1根據(jù)第一節(jié)距與極距的關(guān)系，繞組分為根據(jù)第一節(jié)距與極距的關(guān)系，繞組分為整距繞整距繞組、短距繞組組、短距繞組或或長距繞組長距繞組(5) 合成節(jié)距合成節(jié)距 相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對應(yīng)元件邊相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對應(yīng)元件邊在電樞表面所跨的距離在電樞表面所跨的距離 y 元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成節(jié)距節(jié)距 疊繞和波繞的差別主要體現(xiàn)在合成節(jié)距上疊繞和波繞的差別主要體現(xiàn)在合成節(jié)距上(6

8、) 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 在換向器表面上，同一個(gè)元在換向器表面上，同一個(gè)元件的兩個(gè)出線端所接的兩個(gè)換向片之間所件的兩個(gè)出線端所接的兩個(gè)換向片之間所跨的距離跨的距離 yc 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 yc = 合成節(jié)距合成節(jié)距 y單疊繞組連接實(shí)例單疊繞組連接實(shí)例已知數(shù)據(jù)已知數(shù)據(jù) p=2 (4極極) s=k=qu=16 (單疊繞組單疊繞組 q=qu，即轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子16槽槽)步驟步驟 (1) 計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù) y和和y1 (2) 畫繞組展開圖畫繞組展開圖 (3) 放置磁極和電刷放置磁極和電刷y=yc=1n元件1 上元件邊放在1號槽，下元件邊就放在5號槽n元件2 上元件邊放在2號槽，下元件邊就放在6號槽 以

9、此類推n單疊繞組的特點(diǎn)單疊繞組的特點(diǎn)3.33.3 直流電機(jī)的各種勵(lì)磁方式與磁場直流電機(jī)的各種勵(lì)磁方式與磁場3.3.1 直流電機(jī)的各種勵(lì)磁方式勵(lì)磁繞組的供電方式勵(lì)磁繞組的供電方式注意勵(lì)磁繞組的繞制注意勵(lì)磁繞組的繞制和連接和連接3.3.2 空載時(shí) 直流電機(jī)的磁場空載： 直流電機(jī)的空載是指電樞電流(或輸出功率)為零的運(yùn)行狀態(tài)。主磁場： 僅由定子勵(lì)磁磁勢（或安匝）單獨(dú)產(chǎn)生的磁場稱為主磁場，亦即空載時(shí)的總磁場（或氣隙磁場）；a a、空載主磁場的分布、空載主磁場的分布或很小或很小注意經(jīng)過的路徑注意經(jīng)過的路徑3.3.3 負(fù)載時(shí) 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)磁場afa a、電樞反應(yīng)與電樞反應(yīng)磁勢的性質(zhì)、電樞反應(yīng)與電樞反

10、應(yīng)磁勢的性質(zhì)電樞磁勢電樞磁勢： 直流電機(jī)負(fù)載后的電樞電流所產(chǎn)生的磁勢（或安匝數(shù)），稱為直流電機(jī)負(fù)載后的電樞電流所產(chǎn)生的磁勢（或安匝數(shù)），稱為電樞磁勢。電樞磁勢。電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)： 電樞磁勢對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)，相應(yīng)的電樞磁勢又電樞磁勢對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)，相應(yīng)的電樞磁勢又稱為稱為電樞反應(yīng)磁勢電樞反應(yīng)磁勢。直流電樞磁勢的特點(diǎn)直流電樞磁勢的特點(diǎn)：電樞磁勢與定子直流勵(lì)磁磁勢相互垂直；電樞磁勢與定子直流勵(lì)磁磁勢相互垂直；電樞磁勢與定子勵(lì)磁磁勢一樣相對定子靜止電樞磁勢與定子勵(lì)磁磁勢一樣相對定子靜止 不動(dòng)。不動(dòng)。電樞磁勢單獨(dú)作用所產(chǎn)生的電樞磁場分布圖電樞磁勢單獨(dú)作用所產(chǎn)生的電樞磁場分布圖考慮磁

11、路考慮磁路飽和飽和的情況的情況3.4 電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩3.4.1 電樞繞組的電樞繞組的感應(yīng)電感應(yīng)電動(dòng)動(dòng)勢勢每根導(dǎo)體的瞬時(shí)電勢為：lvxbxe)()(導(dǎo)體沿圓周的線速度為： 26022aadndv每根導(dǎo)體的平均電勢為：101( )ee x dx每條支路即正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢為：式中， 為電勢常數(shù)， 為每極下的磁通。anpce60結(jié)論： 直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及每極的磁通成正比。3.4.2 3.4.2 電樞的電樞的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩每根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：lixbxfa)()(2)(2)()(aaaemdlixbdxfx微元dx上的導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁

12、轉(zhuǎn)矩為： ldxxbanidxdndlaixbdxdnxtdaaaaaemem)(422)()(每極下的電磁轉(zhuǎn)矩為： anildxbanitdtaxaemav4400總電磁轉(zhuǎn)矩為： ataavemicianpptt22式中， 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。anpct2etcanpanpc55. 9260602結(jié)論： 直流電機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流以及每極的磁通成正比。直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì) 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及電樞直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及電樞電流有關(guān)。電流有關(guān)。 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩（與電機(jī)轉(zhuǎn)速反向）是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩（與電機(jī)轉(zhuǎn)速反向） 電動(dòng)機(jī)

13、電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩（與電機(jī)轉(zhuǎn)速同向）是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩（與電機(jī)轉(zhuǎn)速同向）3.5 直流電機(jī)的基本方程和功率流程圖1、當(dāng)直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行、當(dāng)直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行a、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式 假定直流發(fā)電機(jī)的正方向如圖所示（又稱為發(fā)電機(jī)慣例發(fā)電機(jī)慣例）。直流發(fā)電機(jī)的暫（動(dòng)）態(tài)電壓平衡方程式變?yōu)椋浩浞€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電勢平衡方程式為：fffaaaairuirue他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)b、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流發(fā)電機(jī)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式分別為：dttdjtttem)(0101tttem2. 2. 當(dāng)直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行當(dāng)直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 根據(jù)圖中各物理量的假定正方向（即電動(dòng)機(jī)慣例電

14、動(dòng)機(jī)慣例），得暫（動(dòng)）態(tài)電壓平衡方程式為： dttdiltirudttdiltirteufffffaaaaaa)()()()()(一旦電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則可獲得直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程式為： fffaaaairuireua、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式b b、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式 根據(jù)牛頓第二定律和圖中假定的正方向，得直流電動(dòng)機(jī)暫態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式為：dttdjtttem)(02穩(wěn)態(tài)時(shí)，機(jī)械角速度 =常數(shù)，則穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式變?yōu)椋?)(t02tttem他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)c、直流電機(jī)的電磁功率aaaaatememieinanpinanpictp606022直流發(fā)電機(jī)：從機(jī)械功

15、率轉(zhuǎn)化為電功率的那一部分功率直流電動(dòng)機(jī)：從電功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率的那一部分功率電磁功率pem是能量形態(tài)變化的基礎(chǔ)。d、直流電機(jī)的功率流程圖以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例加以說明。由kcl得： faiii1于是，輸入電功率為：)(1111faiiuiup(2-32)考慮到 ，則式（2-32）變?yōu)椋篴uu 1經(jīng)過氣隙的電磁功率為： emaaemtiep又電磁轉(zhuǎn)矩： ，于是有：02tttemmecfeememppppptttp20202其中，機(jī)械軸上的輸出功率為： ；空載損耗 ； 22tpmecfepptp00 同樣的過程，可得并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖如下圖所示。例題：一臺并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，例題：一臺并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，pn=20kw，un=230v，nn=1500r/min,電樞回路總電阻電樞回路總電阻ra=0.156,勵(lì)磁回路總電阻勵(lì)磁回路總電阻rf =73.3，額定，額定負(fù)載時(shí)的機(jī)械損耗和鐵耗負(fù)載時(shí)的機(jī)械損耗和鐵耗pmec+pfe=1kw,設(shè)附設(shè)附加損耗加損耗pad=0.01pn求：額定運(yùn)行時(shí)電樞回路和勵(lì)磁回路的銅耗、求：額定運(yùn)行時(shí)電樞回路和勵(lì)磁回路的銅耗、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。作業(yè)：一臺并勵(lì)直