直流电动机及其应用

【学习任务】（1）正确写出直流电动机的电动势平衡方程。

（2）正确写出直流电动机的电磁转矩方程。

（3）正确分析直流电动机的功率平衡。

同直流发电机一样，直流电动机也有电动势、功率和转矩等基本方程，它们是分析直流电动机各种运行特性的基础。下面以并励直流电动机为例进行讨论。

1.并励直流电动机的电动势平衡方程

当直流电动机运行时，电枢两端接入电源电压U，电枢绕组的电流Ia方向以及主磁极的极性如图10－21所示。旋转电枢绕组切割主磁极磁场感应电动势Ea，可由右手定则决定电动势Ea与电枢电流Ia的方向是相反的。各物理量的正方向如图10－21（b）所示，根据基尔霍夫定律可得电枢回路的电动势方程为

式中　Ra——电枢回路的总电阻，包括电枢绕组、换向器、补偿绕组，以及电刷与换向器间的接触电阻等。

对于并励直流电动机的电枢电流：

式中　I——输入电动机的电流；

图10－21　并励直流电动机的电动势和电磁转矩

（a）电动机作用原理；（b）电动势和电流方向

If——励磁电流，，其中Rf是励磁回路的电阻。

由于电动势Ea与电枢电流Ia方向相反，故称Ea为“反电动势”，反电动势Ea的计算公式与发电机相同，即Ea＝CeΦn。

由式（10－11）表明，加在电动机的电源电压U是用来克服反电动势Ea及电枢回路的总电阻压降IaRa的，可见U＞Ea，即电源电压U决定了电枢电流Ia的方向。

2.并励直流电动机的功率平衡方程

并励直流电动机的功率流程如图10－22所示。图10－22中P1为电源向电动机输入的电功率，P1＝UI，再扣除小部分在励磁回路的铜耗pCuf和电枢回路铜耗pCua便得到电磁功率PM，PM＝EaIa。电磁功率EaIa全部转换为机械功率，此机械功率扣除机械损耗pΩ、铁耗pFe和附加损耗pad后，即为电动机转轴上输出的机械功率P2，故功率平衡方程为

式中　p0——空载损耗，p0＝pΩ＋pFe＋pad；

∑p——电动机的总损耗，∑p＝pCua＋pCuf＋pΩ＋pFe＋pad。

图10－22　并励直流电动机的功率流程

3.直流电动机的转矩平衡方程

将式（10－14）除以电动机的机械角速度Ω，可得转矩平衡方程，即

直流电动机的电磁转矩TM为驱动转矩，其值由式（9－7）决定，即TM＝CTΦIa。转轴上机械负载转矩T2和空载转矩T0是制动转矩。式（10－16）表明，电动机在转速恒定时，驱动性质的电磁转矩TM与负载制动性质的负载转矩T2和空载转矩T0相平衡。

自测题

一、填空题

1.直流电机电枢导体中的电动势是________电动势，电刷间的电动势是________电动势。（填直流或交流）。

2.直流电机中U＞Ea时运行于__________状态，U＜Ea时运行于________状态。

3.可用下列关系来判断直流电机的运行状态：当_______________时，为电动机状态；当______________时，为发电机状态。

4.他励直流电机的电磁转矩方程为______________________。(www.xing528.com)

5.他励直流电机的感应电动势方程为____________________。

6.转矩常数CT与电动势常数Ce之间的关系为____________________________。

二、选择题

1.一台并励直流发电机，若转速升高20%，则电动势（　　）。

A.不变　　　　　　　　　　　　　B.升高20%

C.升高大于20%　D.升高小于20%

2.一台直流发电机，额定功率为22 kW，额定电压为230 V，额定电流是（　　）。

A.100　　　　　　　B.95.6　　　　　　　　C.94.6　　　　　　　　D.200

3.一台直流发电机，由额定运行状态转速下降为原来的30%，而励磁电流及电枢电流不变，则（　　）。

A.Ea下降30%　B.T下降30%　C.Ea和T都下降30% 　D.端电压下降30%

4.他励直流电动机稳态运行时，电磁转矩平衡方程为（　　）。

答案10.3

A.TM＝T2＋T0＋JdΩ/dt　B.TM＝T2＋T0

C.T2＝TM＋T0　D.T2＝TM＋T0＋JdΩ/dt

5.在直流电机中，公式Ea＝CeΦn中的Φ指的是（　　）。

A.每极气隙磁通　B.所有磁极的总磁通

C.主极每极磁通　D.每极电枢反应磁通

三、判断题

1.电磁转矩和负载转矩的大小相等，则直流电机稳定运行。（　　）

2.直流电动机的额定功率指转轴上吸收的机械功率。（　　）

3.直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，因此稳定运行时，大的电磁转矩对应的转速就高。（　　）

4.直流电动机的电磁转矩与电枢电流成正比。（　　）

5.直流电动机在轴上的输出功率是电动机额定功率。（　　）

四、分析计算题

一台并励直流发电机，铭牌数据如下：PN＝6 kW，UN＝230 V，nN＝1 450 r/min，Ra＝0.57 Ω（包括电刷接触电阻），励磁回路总电阻Rf＝177 Ω，额定负载时的电枢铁损pFe＝234 W，机械损耗为pΩ＝61 W，求：

（1）额定负载时的电磁功率和电磁转矩。

（2）额定负载时的效率。