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直流电机的电枢电动势电磁转矩和电磁功率

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直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率关系

直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率关系

Ia
UN Ra
Ik
T CTN Ik Tst
n
⑥ n>n0时为发电机状态，此时 Ea>U, T与n反向，Ia反向，
n0 n’0 nN
nN
Ea与Ia同向， 向电网送出电
功率。
0 T0
TN T
2. 人为机械特性分析
根据转速、转矩公式
n
U
Ce
R
CeCT 2
T
人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性，称为 人为机械特性。
即人为特性比固有特性软。
n
n0
N’ N
人为
固有
N> N’
0
T
2.6.2 串励直流电动机的机械特性
不考虑磁路饱和，Φ＝kfIf=kfIa
n
U E I (R R ) C n I (R R )
a
a
a
f
e
a
a
f
C k I n I (R R )
efa
a
a
f
I [C k (R R )]
0
T T0 T2
PM p0 P2
PM T 为电磁功率
p0 T0 为空载损耗
P2 T2 为轴上输出的机械功率
空载损耗p0中包括铁损耗pFe和机械摩擦损耗pm，他励电动 机的励磁损耗pCuf由励磁电源供给，不包含在所分析的发电机损 耗中。
总损耗即为： p pCua pFe pm ps
有三种人为机械特性： （1）电枢回路串电阻的人为机械特性； （2）改变端电压时的人为机械特性； （3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；
电枢回路串电阻的人为机械特性
保持U＝UN 及＝ N 不变而在电枢回路中串入电 阻Rc，所得的n＝f（T）关系。

直流电机电枢绕组电动势电磁转矩资料

直流电机电枢绕组电动势电磁转矩资料
直流电机电枢绕组
主要内容：
1、电枢绕组常见概念; 2、单叠绕组； 3、单波绕组；
一、电枢绕组的常用概念
作用：
是直流电机的核心部分； 在磁场中旋转产生感应电动势、 通过电流产生电磁转矩；电动 势与电流的乘积就是电磁功 率；电磁转矩与电枢旋转机械 角速度的乘积就是电磁功率， 是实现能量转换的重要部分。
单波绕组
y y1 y2
单叠绕组
y y1 y2
Y2 Y1
Y
12
N
S
123
YK
一、电枢绕组的常用概念
Y2 Y1
Y
12
N
S
2
y Z 1 p
N
S
NS
123
YK 单叠绕组
1 K 1
yk p
单波绕组
二、电枢Байду номын сангаас组分类
电枢绕组主要分为两类：
(1)叠绕组：单叠 复叠 (2)波绕组：单波 复波
二、电枢绕组分类
组成:
由许多形状完全一样的单匝绕组 元件（或多匝元件）以一定的 规律嵌放在电枢铁心的槽内。
绕组元件称为线圈或元件。
图1 电枢绕组 1—上层边； 2—下层边； 3—端接部分； 4—首、末端
一、电枢绕组的常用概念
元件（线圈）：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和
多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组成，元件边放 在槽内，能切割磁力线而产生感应电动势，叫“有效边”， 端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用。每个元 件的一个元件边放在某一个槽的上层，另一个元件边则放在 另一槽的下层。
5 —槽绝缘；6 —槽底绝缘
一、电枢绕组的常用概念
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用

直流电机的基本理论

直流电机的基本理论

交轴磁势和直轴磁势
发电机 电动机
β
发电机 电动机
2β
发电机 电动机
2β
电枢磁势
交轴分量
Faq
直轴分量
Fad
分析直流电动机电刷移位
N N
电动机
2β
逆向移刷
顺向移刷
电刷偏移对主磁场的作用
电刷顺转向偏移 发电机 电动机 直轴去磁 直轴助磁 电刷逆转向偏移 直轴助磁 直轴去磁
以直流电机为例思考电枢反应
N
N
3-5 电磁转矩和电磁功率
一、电磁转矩
电枢绕组中有电枢电流流过时, 电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电 磁转矩。 磁转矩。
一根导体的平均电磁力： 一根导体的平均电磁力：
fav = Bav ⋅ l ⋅ ia
1、当电刷在几何中性线上时
将主磁场分布和电枢 磁场分布叠加， 磁场分布叠加，得到 的负载电机磁场分布 情况如图。 情况如图。
合成磁势曲线
饱和时磁阻 不为常数不 能简单叠加
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bδx
主磁场的 磁通密度 分布曲线 不饱和两条曲线逐点叠 加后得到负载时气隙磁 场的磁通密度分布曲线
直流电机的损耗 损耗和 3-6 直流电机的损耗和基本方程 一、直流电机中的损耗
轴承摩擦/ 机械损耗 pm :轴vs轴承摩擦/电刷 换向器摩擦/通风损耗等。 轴承摩擦 电刷vs 换向器摩擦/通风损耗等。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。 电枢铁心中磁场交变， 铁心损耗 pFe :电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损 铁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。 耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的 次方成正比 2 励磁损耗 pf : pf = U f I f = I f Rf

1.4电枢电动势、电磁转矩和电磁功率

1.4电枢电动势、电磁转矩和电磁功率

CM 60 9.55 Ce 2
pN Ce 60a pN CM 2 a
4
§1-4 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率
三、直流电机的电磁功率
我们定义电枢感应电动势与电枢电流的乘积为电磁功率， 即：
pN PM Ea I a 由于： Ea CeΦn Φn 60 a pN 所以： PM Ea I a Φn I a 60 a pN 2 n Φ Ia TΩ ☆ 2a 60
pN Ea n Ce n ☆ 60 a
1
§1-4 电枢电动势―直流电机的电枢电动势（V） p――极对数
a――支路对数 N――电枢总导体数 n――转速，（r/min） ф――每极磁通，（Wb）
无论直流电机的电枢绕组的支路数是多少，直流电机的电刷 间的直流电枢电势总是和某一支路的电势相等。它的理解方法 可以与公式e=Blv相比较：其中电势Ea 对应于 e ，φ对应于B； 电动势常数Ce 对应于l；转速 n 对应于线速度 v 。
§1-4 电枢电动势、电磁转矩和电磁功率
一、直流电机的电枢电动势
电枢电动势Ea――指从一对正负电刷之间引出的直流电动势。 它等于一条支路中所有串联的导体电动势之和。即等于： 一根导体所产生的平均电动势×一条支路内的总导体数。 即：
N N Ea eav Bav l v 2a 2a N Φ 2 p n l CeΦn 2a l 60
Ia――电枢电流（A） CM――转矩常数
3
式中：T――直流电机的电磁转矩（Nm）
§1-4 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率
不论是发电机运行，或是电动机运行，电机内部均存在载流
导体和磁场，也就是都存在电磁转矩。但是，对于发电机，T 为制动转矩，也就是T和n反方向；而对于电动机，T为驱动转 矩，也就是T和n同方向。 对给定电动机，电动势常数Ce和转矩常数CM均为常数，它们 的关系为：

1.1直流电机的工作原理和结构

1.1直流电机的工作原理和结构
直流发电机可作为各种直流电源。 直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能 力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和 调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、 工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。
2
§1-1 直流电机的工作原理和结构
一、直流电机的工作原理
直流电机是直流发电机和直流 电动机的总称。直流电机具有可 逆性，既可作直流发电机使用， 也可作直流电动机使用。
14
§1-1 直流电机的工作原理和结构
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生 感应电势和通过电流产生 电磁转矩，实现机电能量 转换。它是直流电机的主 要电路部分。
电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定 规律嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁心之间都要 妥善地绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔 将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部分用玻璃丝带绑紧。绕组端 头则按一定规律嵌放在换向器钢片的升高片槽内，并用锡焊或氩 弧焊焊牢。
12
（3）换向极
§1-1 直流电机的工作原理和结构
换向极又称附加极，安装在相邻两主磁极的几何 中心线上。 Why？在1.7讲
换向极的作用是改善直流电机换向。在小容量电 机（1kw以下）中，有时换向极只有主磁极的一半， 或不安装换向极。 （4）电刷装置
电刷与换向器相配合，在电动机中起到逆变（将 直流变为交流）作用；而在发电机中则起到整流 （将交流变为直流和结构
（3）换向器 换向器的作用是
在电刷间得到直流电 动势，并保证每个磁 极下电枢导体电流方 向不变，以产生恒定 方向的电磁转矩。
16
§1-1 直流电机的工作原理和结构
3、气隙
气隙是定子和转子（电枢）之间自然形成的间 隙。它是电机主磁路的一部分,是电机能量转换的 媒介。气隙的大小对电机运行的影响很大。小容 量电机约为1-3mm，大容量电机可为几毫米。

电机与拖动 直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值

电机与拖动 直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值

电机与拖动直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值主题：直流电机的辅导文章——直流电机的工作原理、直流电机的基本结构和额定值、直流电机的磁场和电枢反应、直流电机的感应电动势和电磁转矩学习时间：2016年10月10日--10月16日内容：我们这周主要学习课件第2章直流电机的相关内容。

希望通过下面的内容能使同学们加深对直流电机相关知识的理解。

一、直流电机的工作原理（重点掌握）直流电机按其能量转换方向的不同分为直流发电机和直流电动机，两者之间具有可逆性。

1.直流电动机的工作原理：当给电枢绕组通入直流电流时，通过电刷和换向器转换为交变电流，使处于主极磁场中绕组的线圈始终受到相同方向电磁转矩的作用，保证了电动机连续转动，从而实现电能到机械能的转换。

图1 直流电动机的工作原理图2.直流发电机的工作原理：当原动机拖动电枢转动时，电枢绕组的线圈切割主极磁场而产生交变感应电动势，再通过电刷和换向器转换为直流电动势，由电枢绕组输出直流电流，从而实现机械能到电能的转换。

图2 直流发电机的工作原理图二、直流电机的基本组成和额定值（重点掌握）1.直流电机主要由定子和转子两大部分组成，其基本组成如图3所示。

转子称为电枢，它是能量转换的枢纽。

电枢绕组构成了直流电机的主要电路，它是由很多元件按一定规律连接起来的闭合绕组。

按元件的连接方式和端接形状分类，电枢绕组主要有叠绕组和波绕组两大类。

电枢绕组是电机的重要部件。

直流电机的绕组有五种形式：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组和蛙绕组。

换向器是直流电机所特有的部件，与电刷配合，实现电枢绕组端部的直流电流与电枢绕组内部的交变电流之间的转换，即在直流电动机中起到了“逆变器”的作用，在直流发电机中起到了“整流器”的作用。

图3 直流电机的基本组成2.直流电机的额定值主要有额定电压、额定电流、额定功率和额定转速等。

1）额定电压N U ：对于直流电动机，N U 是输入电压的额定值；对于直流发电机，N U 是输出电压的额定值。

电机与拖动基础电子教案——第五篇第十八章 直流电机的磁场、电枢反应和电枢绕组

B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去 磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。
2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性 线上，出现了直轴电枢反应，从图上可 以看出：
A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动 一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去 磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个 夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，
其中， 为气 隙计算长度，可见，磁密的
分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚 好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。
二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：
看图：引出了直轴电枢磁动势，
直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极 轴线重合，称为直轴电枢磁动势。
三、交轴、直轴电枢反应：
1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场 的影响。
在这里，我们为了分析问题的简单，
假定（1）磁场是不饱和的，（2）发电机电 枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样， 我们就可以对上图进行叠加，可知
A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁 作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气 隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的 位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称 之为物理中性线。
2.单叠绕组电路图：
为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接
次序及其电动势分布情况，按图18-7各元
件的联接顺序，可得到如图18-8所示的绕
组电路图。从图18-8可以看出，每个极下
的元件组成 一条支路，这就是说，单叠绕
组的并联支路数正好等于电机的极数，即
（ 为并联
支路2a对数2 p）。a这是单叠
绕组的重要特点之一。
是一个常数，称为电动势常数。
二、电磁转矩：
如果电动势和发电机相关，那么，电磁 转矩和电动机可以联系在一起，求解电 磁转矩的过程和求解电动势是一样的：

直流电机的感应电动势和电磁转矩


Ea U
If Uf

Φ
T1 Tem T0
1.8 直流发电机
三.功率平衡方程 原动机输入给发电机的机械功率 P 1 空载损耗 p0包括： 机械摩擦损耗 pmec、铁损耗 pFe 、附加损耗 pad 电磁功率 Pem P1 P0 Tem Ω Ea I a 电磁功率一方面代表电动势为 Ea的电源输出电流 I a 时发出 的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机 械功率。 电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗 PCua
2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平 均转矩：
电枢绕组的感应电动势与电磁转矩
3）电机总的电磁转矩则为：
Ia D I a 2 p T Bav l N l N 2 a 2 l 2 a 2 pN I a CT I a 2a
pN 式中： CT 2a
是一个常数，称为转矩常数，
直流电动机稳态运行的基本关系式
他励直流电动机的功率流程图
并励直流电动机的功率平衡方程式
P 1 P 2 pcuf pcua p Fe pmec P 2 p
p pcuf pcua pFe pmec ——并励直流电动机 式中， 的总损耗。
直流电动机
并励直流电动机的工作特性
n0 n'0 nN
1 机械特性方程式
n
n0 T
n0 称为理想空载转速。
U R T0 2 实际空载转速 n0 Ce CeCT
Tem T0
TN
1.7 他励直流电动机的机械特性
一、固有机械特性
当 U U N , N , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：

直流电机的功率计算公式【必看版】

直流电机输出功率计算公式电机功率计算是在设计时，根据额定电压、电流、损耗计算来确定额定功率。

但这还不够，新的电机设计制造完成以后，应该做型式试验，来测取电机的实际损耗，并计算电机的效率(0.8~0.9)，然后得出电机的领定功率。

一般电动机的铭牌标注的电压和电流相乘是电机的输入功率，实际额定功率是输入功率减去电机的各个损耗。

发电机的铭牌标注的电压和电流相乘是发电机的输出功率，即发电机的额定功率。

单相电机P=Ulncos P=功率U=电压l=电流n=效率(0.7—0.9) cosQ=功率因素（一般取0.8）三相电机P=1.732Ulncos P=功率U=线电压l=线电流n=效率(0.8—0.9) cos=功率因素(一般取0.8）直流电动机P=Uln P=功率U=电压l=电流n=效率(0.8—0.9）直流发电机P=UIP=功率U=电压l=电流直流电机输出和输入的功率的计算公式，电功率的计算公式,用电压乘以电流,这个公式是电功率的定义式,永远正确,适用于任何情况。

对于纯电阻电路,如电阻丝、灯炮等,可以用“电流的平方乘以电阻”“电压的平方除以电阻”的公式计算,这是由欧姆定律推导出来的。

但对于非纯电阻电路,如电动机等,只能用“电压乘以电流”这一公式,因为对于电动机等,欧姆定律并不适用,也就是说,电压和电流不成正比。

这是因为电动机在运转时会产生“反电动势”。

例如,外电压为8伏,电阻为2欧,反电动势为6伏,此时的电流是(8-6)/2=1(安),而不是4安。

因此功率是8×1=8(瓦)。

另外说一句焦耳定律,就是电阻发热的那个公式,发热功率为“电流平方乘以电阻”,这也是永远正确的。

还拿上面的例子来说,电动机发热的功率是1×1×2=2(瓦),也就是说,电动机的总功率为8瓦,发热功率为2瓦,剩下的6瓦用于做机械功了。

P=IU,俗称万能公式,即什么时候都可以用;P=I^2*R,电路中电流相等或计算电热时用;P=U^2/R,电路中电压相等时用。

第一章.直流电机


直流电机的基本结构总结
主要由定子、转子两部分组成
直流电机
定子
转子
机座 主磁极
电枢铁心
电枢绕组
换向极
电刷装置 换向器
风扇 转轴
轴承
1－3 直流电机分类－励磁方式
他励
串励
I Ia I Ia I f
并励
I Ia I f
注： I ：电源输入电流； I a ：电枢电流； I f ：励磁电流
复励
4
5
6 S7
8
9
10 N11
12 13 14 S 15 16
15 16 1 2 3 4
+
5 67
－
8 9 10 11 12 13 14
+
－
+
－
单迭绕组的特点
• 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。
• 并联支路数等于磁极数， 2a=2p;
• 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为 零， 绕组内部无环流；
电刷位置对电枢反应的影响
1. 交轴磁势
与主极轴线正交的轴线通常称为交轴 与主极轴线重合的轴线称为直轴；
2 交轴电枢反应
N
S
主极产生磁场的磁密波形
电枢绕组产生磁场的磁密波形
Fax
1 2
( Nia
Da
2x)
Bax
0
Fax
合成磁场的磁密波形
3 直轴磁势
电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴分量
n
N：总导体数 Ce：电势常数
电枢电势的认识
Ea
pN 60aLeabharlann nCe n
对电枢电势的认识：
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于每极 磁通φ（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分布无关。
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1.4.3
electromagnetic power of DC EM
产生:电磁转矩与转子角速度的乘积，反应了直流电机机电能量
转换的功率。
大小: Pem
pN 2 n Tem CT ΦI a Φ Ia 2 πa 60 pN Φn I a E a I a 60a
可见，电磁功率在电气和机械两个方面的表达式不同，正 好符合能量守恒定律。
e b（ x）lv n v D 2p 60
每根导体的平均感应电动势：
eav

1

0
edx
第1章 直流电机
每条支路总的感应电动势：
讨论：
N N 1 τ N 1 τ n Ea e av edx b （ dx x） l 2 p 0 0 2a 2a 2a 60 τ pN n b（ x）l dx C EΦn 0 60a pN 其中C E 为电机的结构常数 (电动势常数 ) 60 a
1.4.3 直流电机的电磁功率
教学目的与要求：
1 2 3 熟练掌握直流电机的电枢电动势公式及性质 熟练掌握直流电机的电磁转矩公式及性质 熟练掌握直流电机的电磁功率公式及性质
第1章 直流电机
1.4.1 直流电机的电枢电动势
Armature electromotive force of DC EM
一、电枢电动势的大小 每根导体的瞬时电动势：
1.4.2
pN 其中C T 为电机的转矩常数，有 CT 9.55CE 2 πa
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比 二、电磁转矩的性质
性质: 发电机——制动转矩(电磁转矩与转速方向相反)；
电动机——驱动转矩(电磁转矩与转速方向相同)。
第1章 直流电机
1.4.3 直流电机的电磁功率
性质: 发电机——从原动机吸收的机械功率；
电动机——从电源吸收的电功率。
第1章 直流电机
小结
教学重点： 1 掌握直流电机的电枢电动势公式及性质
2 掌握直流电机电磁转矩的公式及性质
1.4
3
掌握直流电机的电磁功率公式及性质
教学难点： 直流电机电枢电动势、电磁转矩和电磁功率公
式的推导
作业：
P51：1.12；1.13
第章 直流电机
1.4 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率
1.4
Armature electromotive force and electromagnetic torque and electromagnetic power 教学内容： 1.4.1 直流电机的电枢电动势
1.4.2 直流电机的电磁转矩
Ea
Ea ——反电动势(电枢通电
第1章 直流电机
1.4.2 直流电机的电磁转矩 electromagnetic torque of DC EM
一、电磁转矩的大小
产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 每根导体产生的电磁力： f（x） b （ δ x）ia l 电磁转矩： D D t em （x） f（x） b （ δ x）ia l 2 2 I N dx上的导体数为 dx ，ia a
D
2a
微元上的导体产生电磁转矩： Ia D N N t em dTem （x） dx b （ x ） l dx δ D 2a 2 D NI ab （ δ x）ldx 4 πa
第1章 直流电机
每极下产生的电磁转矩： NI a NI a Tav dTem b （ x ） l dx δ 0 0 4a 4πa 整个电机产生的总电磁转矩： pN T 2 p T ΦI a CT ΦI a 大小: em av 2πa
1） 不变时，Ea
n； Ea Φ。 2）n 不变时，
产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电
枢电动势。
可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。
第1章 直流电机
二、电枢电动势的性质
1.4.1
1.发电机
——电源电动势(在Ea 的 作用下，向外输出电流， ea 与 ia 方向一致)。 2.电动机 流，在磁场中受力转动，转 子导体切割磁感线感应电动 势，ea 与 ia 方向相反)。