直流电机的基本结构和工作原理

1、第二节第二节 直流电机直流电机铭牌数据及主要系列铭牌数据及主要系列 第三节第三节 直流电机的电枢直流电机的电枢绕组绕组 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。电动机的工作特性。 第四节第四节 直流电机的直流电机的磁场磁场 第五节第五节 直流电机的直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算电磁

2、转矩和电枢电动势的计算 第六节第六节 直流电机直流电机的换向的换向 第七节第七节 直流发电机直流发电机 第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 第一章第一章 直流电机直流电机 第八节第八节 直流电动机直流电动机 第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 一、直流电机的主要结构一、直流电机的主要结构 定子定子 转子转子 主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。 电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换 机

3、座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。 电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。 电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。 换向器换向器：与电刷装置配合与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换 转轴转轴 轴承轴承 二、直流电机的工作原理二、直流电机的工作原理 （一）直流发电机工作原理（一）直流发电机工作原理 直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。是将机械能转变成电能的旋转机械。 右图为直流发电机的物理模右图为直流发电机的物理模 型，型，n n、s s

4、为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固是固 定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，定在可旋转导磁圆柱体上的线圈， 线圈连同导磁圆柱体称为电机的线圈连同导磁圆柱体称为电机的 转子或电枢。线圈的首末端转子或电枢。线圈的首末端a a、d d 连接到两个相互绝缘并可随线圈连接到两个相互绝缘并可随线圈 一同旋转的换向片上。转子线圈一同旋转的换向片上。转子线圈 与外电路的连接是通过放置在换与外电路的连接是通过放置在换 向片上固定不动的电刷进行的。向片上固定不动的电刷进行的。 当原动机驱动电机当原动机驱动电机 转子逆时针旋转时同，转子逆时针旋转时同， 线圈线圈abcdabcd将感应电动势。将感应电动势。 如右

5、图，导体如右图，导体abab在在n n极下，极下， a a点高电位，点高电位，b b点低电位；点低电位； 导体导体cdcd在在s s极下，极下，c c点高点高 电位，电位，d d点低电位；电刷点低电位；电刷 a a极性为正，电刷极性为正，电刷b b极性极性 为负。为负。 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针 旋转旋转 后，如右图后，如右图。 0 180 导体导体abab在在s s极下，极下，a a点低电位，点低电位， b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在n n极下，极下，c c点点 低电位，低电位，d d点高电位；电刷点高电位；电刷a a极性极性 仍为正，电刷仍为正，

6、电刷b b极性仍为负。极性仍为负。 与电刷与电刷a a接触的导体总是位于接触的导体总是位于n n 极下，与电刷极下，与电刷b b接触的导体总是位接触的导体总是位 于于s s极下极下, ,电刷电刷a a的极性总是正的，的极性总是正的， 电刷电刷b b的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷a a、 b b两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分 布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成 电机的电枢绕组。磁极也是根

7、据需要电机的电枢绕组。磁极也是根据需要n n、s s极交替旋转多对。极交替旋转多对。 （二）直流电动机工作原理（二）直流电动机工作原理 直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变 成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。 把电刷把电刷a a、b b接到直流电源上，接到直流电源上， 电刷电刷a a接正极，电刷接正极，电刷b b接负极。此接负极。此 时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。 在磁场作用下，在磁场作用下，n n极性下导体极性下导体 abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，s s 极下导极下导 体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁 力形成逆时针方向

8、的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。 当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机 转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时 原原n n极性下导体极性下导体abab转到转到s s极下，极下， 受力方向从左向右，原受力方向从左向右，原s s 极下导极下导 体体cdcd转到转到n n极下，受力方向从右极下，受力方向从右 向左。该电磁力形成逆时针方向向左。该电磁力形成逆时针方向 的电磁转矩。线圈在该电磁力形的电磁转矩。线圈在该电磁力形 成的电磁转矩作用下继续逆时针成的电磁转矩作用下继续逆时针 方向旋转。方向旋转。 与直流发电机相同

9、，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈， 磁极也并非一对。磁极也并非一对。 直流电直流电 动机的动机的 工作原工作原 理示意理示意 图图: （三）直流电机的可逆原理（三）直流电机的可逆原理 一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这 就是直流电机的可逆原理。就是直流电机的可逆原理。 从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷 两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将

10、电能变为 机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械 能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变 为电能而成为发电机。为电能而成为发电机。 第二节第二节 直流电机的铭牌数据及主要系列直流电机的铭牌数据及主要系列 一、直流电机的一、直流电机的铭牌数据铭牌数据 额定条件下电机额定条件下电机 所能提供的功率所能提供的功率 n p额定功率额定功率 指电刷间输出的指电刷间输出的 额定电功率额定电功率 发电机发电机 指轴上输出指轴上输出 的机械功率的机械功率 电动机电

11、动机 发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压； 电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。 在额定工况下，电机在额定工况下，电机 出线端的平均电压出线端的平均电压 n u额定电压额定电压 在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流 n i额额定定电电流流 在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运 行于额定功率时对应的转速。行于额定功率时对应的转速。 n n额额定定转转速速 fn i额额定定励励磁磁电电流流 对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额 定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流

12、电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数 据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日 期、出厂编号等。期、出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定电机运行于额定 状态。电机的运行电流小于额定电流状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大欠载运行；运行电流大 于额定电流于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长 期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或 额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好

13、。额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。 二、直流电机系列二、直流电机系列 所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产 工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系 列电机。我国目前生产的直流电机的主要系列有：列电机。我国目前生产的直流电机的主要系列有： z3系列系列为一般用途的小型直流电机系列。为一般用途的小型直流电机系列。 zf和和zd系列系列 为一般用途的中型直流电机系列。为一般用途的中型直流电机系列。 zzj系列系列 为起重、冶金用直流电动机系

14、列。为起重、冶金用直流电动机系列。 此外还有此外还有zqzq直流牵引电动机系列及直流牵引电动机系列及z-hz-h和和zf-hzf-h船用电动机和船用电动机和 发电机系列等。发电机系列等。 第三节第三节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 一、直流电机电枢绕组的一般介绍一、直流电机电枢绕组的一般介绍 元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。 元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中 一根称为首端，另一根称为末端。一根称为首端，另一根称为末端。 极距极距：相邻两个主磁极

15、轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。 d t = 2 p 叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串 联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。 第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 1 y 第二节距第二节距 ：连至同一

16、换向片上的两个元件中第一个元件的下连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下 层边与第二个元件的上层边间的距离。层边与第二个元件的上层边间的距离。 2 y 合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y 21 yyy 单叠绕组单叠绕组 21 yyy 单波绕组单波绕组 换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 k y 二、直流电机电枢绕组的基本形式二、直流电机电枢绕组的基本形式 （一）（一） 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件( (线圈线圈) )

17、相互叠压相互叠压, ,合成节距与换向合成节距与换向 节距均为节距均为1,1,即：即： 。1 k yy 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出 来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、 电刷间的相对位置关系。电刷间的相对位置关系。 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图 根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图: 单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点： 1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的

18、元件 串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极 数与支路数相同。数与支路数相同。 2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数， 电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势 最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于 并联支路电动势。并联支路电动势。 3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路 电流之和。电流之和。 （二）（二） 单波绕组单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图 所示。所示。 两个串联元件放两个串联元件放 在同极磁极下，空间在同极磁极下，空间 位置相距约两个极距；位置相距约两个极距； 沿圆

19、周向一个方向绕沿圆周向一个方向绕 一周后，其末尾所边一周后，其末尾所边 的换向片落在与起始的换向片落在与起始 的换向片相邻的位置。的换向片相邻的位置。 单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图: 单波绕组的特点单波绕组的特点 1 1）同极下各元件串）同极下各元件串 联起来组成一条支路，联起来组成一条支路， 支路对数为支路对数为1 1，与磁，与磁 极对数无关；极对数无关； 2 2）当元件的几何形）当元件的几何形 状对称时，电刷在状对称时，电刷在 换向器表面上的位换向器表面上的位 置对准主磁极中心置对准主磁极中心 线，支路电动势最线，支路电动势最 大；大； 3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁

20、极数； 4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势； 5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。 第四节第四节 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时， 还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成便形成了电机还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成便形成了电机 中的气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。要中的气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。要 了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特了解气隙磁场的情况，就要先分

21、析清楚主磁场和电枢磁场的特 性。性。 一、直流电机的空载磁场一、直流电机的空载磁场 直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动 势也很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负势也很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负 载，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。载，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。 所以直流电机空载时的气隙磁场可认为就是主磁场，即由所以直流电机空载时的气隙磁场可认为就是主磁场，即由 励磁磁动势单独建立的磁场。励磁磁动势单独建立的磁场。 当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为当励磁绕

22、组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为 n n 极极 和和 s s 极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁 路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。 图图1-23 1-23 直流电机空载时的磁场分布示意图直流电机空载时的磁场分布示意图 从图中看出，由从图中看出，由n n 极出来的磁通，大部分极出来的磁通，大部分 经过气隙和电枢齿经过气隙和电枢齿, ,再再 经过电枢磁轭到另一部经过电枢磁轭到另一部 分的电枢齿分的电枢齿, ,又通过气又通过气 隙进入隙进入s s极，再经过定极，

23、再经过定 子磁轭回到原来出发的子磁轭回到原来出发的 n n极，成为闭合回路。极，成为闭合回路。 图图1-231-23是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图 （一对极的情形）。（一对极的情形）。 电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩， 把这部分磁通称为把这部分磁通称为主磁通主磁通，用，用表示。表示。 此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或 定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为定子磁轭形成闭合回路，

24、这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为 漏磁通漏磁通，用，用表示。表示。 ns 这部分磁通同时匝链着这部分磁通同时匝链着 励磁绕组和电枢绕组，励磁绕组和电枢绕组， 主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较 大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁动势是相同的。大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁动势是相同的。 直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动 势或产生电磁转矩，而势或产生电磁转矩，而漏磁通不与电枢绕组相匝链，漏磁通不与电枢绕组相匝链，没有这个作没有这个作 用，它只是增加主

25、磁极磁路的饱和程度。用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。因此，可只分析主磁通。因此，可只分析主磁通。 当励磁绕组的串联匝数当励磁绕组的串联匝数 为为 ，流过电流，流过电流 ，每，每 极的励磁磁动势为：极的励磁磁动势为： f n f i fff nif 所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的 （15152020）% %左右。左右。 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的 磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气

26、隙的大小和形 状。状。 若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均匀，若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均匀， 气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本为常数；在极靴范气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本为常数；在极靴范 围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中 性线处，气隙磁通密度为零。性线处，气隙磁通密度为零。 如图如图1-241-24（a a）所示，）所示， 几何中性线几何中性线 极靴极靴 极身极身 气隙形状气隙形状 图图1-241-24（a a） 空载时的气隙磁通密度为一空载时的气隙磁通密

27、度为一 平顶波，如图平顶波，如图1-24(b) 1-24(b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分布空载时主磁极磁通的分布 情况，如图情况，如图1-24(c) 1-24(c) 所示。所示。 图图1-241-24（b b） 图图1-241-24（c c） 在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要 有一定数量的主磁通有一定数量的主磁通，也就是需要有一定的励磁磁动势，也就是需要有一定的励磁磁动势ffff。励。励 磁磁动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通磁磁动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通与与 励磁磁动势励磁磁

28、动势f ff f或励磁电流或励磁电流i if f的关系曲线称为的关系曲线称为直流电机的磁化曲线直流电机的磁化曲线， 如图如图1-251-25所示，它表明了电机磁路的特性。所示，它表明了电机磁路的特性。 图图1-251-25 直流电机的磁化曲线直流电机的磁化曲线 当磁通较小时，铁磁部分没有饱和，当磁通较小时，铁磁部分没有饱和， 磁压降很小，整个磁路的磁动势几乎全磁压降很小，整个磁路的磁动势几乎全 部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是 一个常数，因此曲线近似为一直线（图一个常数，因此曲线近似为一直线（图 中中0a0a段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯段）；当磁通增大时，

29、曲线逐渐弯 曲，很大时，呈饱和特性。曲，很大时，呈饱和特性。 fn i 0f f 0f i in f i a 0 n 0 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料， 一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁 通通 设定在图中设定在图中a a点（膝部）点（膝部），即，即 在磁化特性曲线开始进入饱和区的在磁化特性曲线开始进入饱和区的 位置。位置。 n 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的 磁动势称为磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。它的出现使电机的磁场发生变化。它的出现使电机的磁场发生变化。 图图1 1

30、- -2626（a a）为一台电刷放在几何中性）为一台电刷放在几何中性 线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。 假设励磁电流为零，只有电枢电流。由假设励磁电流为零，只有电枢电流。由 图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的 分布情况，电枢磁动势为分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势交轴磁动势。 二、直流电机负载时的磁场及电枢反应二、直流电机负载时的磁场及电枢反应 从对电枢绕组的分析可知，不论什从对电枢绕组的分析可知，不论什 么型式的绕组，其各支路中的电流是通么型式的绕组，其各支路中的电流是通 过电刷引入或引出的。在同一支路内元过

31、电刷引入或引出的。在同一支路内元 件中电流方向是相同的，而在同一电刷件中电流方向是相同的，而在同一电刷 两侧的元件中，电流方向总是相反的。两侧的元件中，电流方向总是相反的。 因此，电刷是电枢表面导体中电流方向因此，电刷是电枢表面导体中电流方向 的分界线。的分界线。 图图1-261-26（a a）电枢磁场）电枢磁场 如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上 有无穷多整距元件分布，则有无穷多整距元件分布，则电电 枢磁动势枢磁动势在气隙圆周方向空间在气隙圆周方向空间 分布呈分布呈三角波三角波，如右图，如右图 所所 示。示。 ax f 由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基 本不变，而两个主

32、磁极之间，本不变，而两个主磁极之间， 气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电 枢磁动势产生的气隙磁通密度枢磁动势产生的气隙磁通密度 为对称的为对称的马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所示。所示。 ax b ax f ax b 图图1-261-26（b b）电枢磁动势和磁场的分布）电枢磁动势和磁场的分布 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，电枢绕组中就电枢绕组中就 有电流流过，它将产生一个电枢磁动势。因此，气隙中的磁场是有电流流过，它将产生一个电枢磁动势。因此，气隙中的磁场是 励磁磁动势和电枢磁动势共同作用的结果。通常把负载时电枢磁励磁磁动势

33、和电枢磁动势共同作用的结果。通常把负载时电枢磁 动势对主磁场的影响称为动势对主磁场的影响称为电枢反应电枢反应，电枢反应对直流电机的运行，电枢反应对直流电机的运行 性能影响很大。性能影响很大。 显然，电枢反应将与电刷的位置有关，下面将以直流发电机显然，电枢反应将与电刷的位置有关，下面将以直流发电机 为例，分别讨论不同电刷位置时的电枢反应。为例，分别讨论不同电刷位置时的电枢反应。 1 1、电刷在几何中性线上时的电枢反应、电刷在几何中性线上时的电枢反应 在电枢磁动势的作用下，当电刷在几何中性线上时，将主在电枢磁动势的作用下，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，可得到负载后电机的

34、磁场分布磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布 情况。如图情况。如图1-271-27（a a）所示。）所示。 图图1-271-27（a a） 交轴电枢反应磁场分布交轴电枢反应磁场分布 若电枢上半部分电流方向若电枢上半部分电流方向 为流出纸面，则电枢下半部分为流出纸面，则电枢下半部分 电流方向为流入纸面，其电枢电流方向为流入纸面，其电枢 磁场磁力线分布如图示。磁场磁力线分布如图示。 此时电枢磁场的轴线与电此时电枢磁场的轴线与电 刷轴线重合，并与主极轴线垂刷轴线重合，并与主极轴线垂 直，这时的电枢磁动势称为直，这时的电枢磁动势称为交交 轴电枢磁动势轴电枢磁动势，它对主磁场的，它对主

35、磁场的 影响称为影响称为交轴电枢反应交轴电枢反应。 如果主极极性如图所示，如果主极极性如图所示， 把主磁场与电枢磁场合成，将合成把主磁场与电枢磁场合成，将合成 磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动势将对主磁场产生很大的影磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动势将对主磁场产生很大的影 响，即电枢反应。响，即电枢反应。 n s x b0 ax b x b 电枢磁场磁通电枢磁场磁通 密度分布曲线密度分布曲线 bax x 主磁场的主磁场的 磁通密度磁通密度 分布曲线分布曲线 box ox 两条曲线逐点叠加后两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场得到负载时气隙磁场 的磁通密度分布曲线的磁通密度分布曲线 bx 图图

36、1-271-27（b b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线）交轴电枢反应磁通密度分布曲线 下面通过磁通密度分布曲线说明电枢反应的作用下面通过磁通密度分布曲线说明电枢反应的作用 如图如图1-271-27（b b）所示）所示: : 比较比较bx x 和和box ox 两条曲线，得出电枢反应的性质：两条曲线，得出电枢反应的性质： 磁场为零的位置磁场为零的位置 由空载时在几何中性由空载时在几何中性 线逆转向移动了一个线逆转向移动了一个 角度角度。 说明物理中性线说明物理中性线 与几何中性线不再重与几何中性线不再重 合。合。 x b0 ax b x b 图图1-271-27（b b）交轴电枢反应磁通密度分布

37、曲线）交轴电枢反应磁通密度分布曲线 每一磁极下，主每一磁极下，主 磁场一半被削弱，另磁场一半被削弱，另 一半被加强。一半被加强。 几何中性线几何中性线 物理中性线物理中性线 （1）使气隙磁场发 生畸变 图图1-271-27（a a） 交轴电枢反应磁场分布交轴电枢反应磁场分布 物理中性线是指电机物理中性线是指电机 中中n n极与极与s s极的分界线，此极的分界线，此 处磁场为零。处磁场为零。 几何中性线是指电气几何中性线是指电气 结构上两磁极的中线。结构上两磁极的中线。 （2）对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时，主磁磁路不饱和时，主磁 场被削弱的数量等于加强场被削弱的数量等于加强 的数量，因此每极

38、下的磁的数量，因此每极下的磁 通量与空载时相同。但是通量与空载时相同。但是 电机正常运行于磁化曲线电机正常运行于磁化曲线 的膝部，主磁极增磁部分的膝部，主磁极增磁部分 因磁密增加使饱和程度提因磁密增加使饱和程度提 高，铁心磁阻增大，增加高，铁心磁阻增大，增加 的磁通会少些，因此负载的磁通会少些，因此负载 时时合成磁场每极磁通比空合成磁场每极磁通比空 载时每极磁通略有减少，载时每极磁通略有减少， 这就是电枢反应的去磁作这就是电枢反应的去磁作 用用。 x b0 ax b x b 图图1-271-27（b b）交轴电枢反应磁通密度分布曲线）交轴电枢反应磁通密度分布曲线 2 2、电刷不在几何中性线时的

39、电枢反应、电刷不在几何中性线时的电枢反应 如图如图1-281-28所示，所示， 图图1-28 1-28 电刷不在几何中性线上的电枢反应电刷不在几何中性线上的电枢反应 n s 假设电刷从几何中性线顺电枢转向移动假设电刷从几何中性线顺电枢转向移动角角 度，因为电刷是电枢表面导体度，因为电刷是电枢表面导体 电流方向的分界线，故电枢磁电流方向的分界线，故电枢磁 动势轴线也随之移动动势轴线也随之移动角。角。 这时电枢磁动势可分解为这时电枢磁动势可分解为 两个相互垂直的分量：交轴电两个相互垂直的分量：交轴电 枢磁动势枢磁动势f faqaq和直轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势 f fadad。 faq fad

40、交轴电枢反应的性质在前交轴电枢反应的性质在前 面作了分析，直轴电枢反应若面作了分析，直轴电枢反应若 f fadad和主磁场方向相同，起增磁和主磁场方向相同，起增磁 作用；相反则起去磁作用。作用；相反则起去磁作用。 n n 必须说明，为了使电枢反应能起增磁作用而移动电刷，从换必须说明，为了使电枢反应能起增磁作用而移动电刷，从换 向的角度看，都是不允许的。向的角度看，都是不允许的。 上述分析是以发电机上述分析是以发电机 为例说明的。对电动机为例说明的。对电动机 而言，若保持主磁场的而言，若保持主磁场的 极性和电枢电流的方向极性和电枢电流的方向 不变，则可看出电动机不变，则可看出电动机 的转向将与发

41、电机运行的转向将与发电机运行 时的转向相反，其电枢时的转向相反，其电枢 反应比较如下：反应比较如下： 电刷顺电刷顺转向偏移转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移 发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴增磁交轴和直轴增磁 电动机电动机交轴和直轴增磁交轴和直轴增磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 第五节第五节 直流电机的电磁转矩和电枢直流电机的电磁转矩和电枢 电动势的计算电动势的计算 一、电磁转矩的计算一、电磁转矩的计算 产生产生: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。该力与电枢铁心半

42、径之积称为电磁转矩。 大小大小: : 2 emata pn t ic i a 为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中 a pn c t 2 et cc9.55 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与每极磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与每极磁通及电枢电 流成正比。流成正比。 性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。 二、电枢感应电动势的计算二、电枢感应电动势的计算 产生产生:电枢旋转时电枢旋转时, ,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电

43、 枢电动势。枢电动势。 大小大小: : 60 ae pn e nc n a )(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中 a pn c e 60 可见可见,直流电机的感应电动势与电机结构、每极磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、每极磁通及转速有关。 性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向).). 第六节第六节 直流电机的换向直流电机的换向 一、换向概述一、换向概述 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条直流电机的某一个元件经过电刷，从一

44、条支路换到另一条 支路时支路时, ,元件里的电流方向改变，即元件里的电流方向改变，即换向换向。 为了分析方便假定换向片的宽度等于为了分析方便假定换向片的宽度等于 电刷的宽度。电刷的宽度。 元件1 a v 1 2 电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的 电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。 a ii a ii a ii a i 2 a i a i 2 i 1 i 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元接触时，元 件件1 1的被短路，电流被分流。的被短路，电流被分流。 i i a i 2 a i a i 2 i 1 i 电刷仅与换向

45、片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中 的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为 a ii a ii a ii a i 2 a i a i 2 i 1 i 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周换向周 期期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电 枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生 火花。当火花超过一定

46、程度，就会烧坏电刷和换向器，使电火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，使电 机不能正常工作。机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原 因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 二、二、换向的电磁理论换向的电磁理论 （一）换向元件中的电动势：（一）换向元件中的电动势： 1 1、电抗电动势、电抗电动势ex 由自感电动势和互感电动势合成。由自感电动势和互感电动势合成。 自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向

47、过 程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。 l e m e 根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，其根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，其 方向总是阻碍换向的，即与换向前的电流方向相同。方向总是阻碍换向的，即与换向前的电流方向相同。 2 2、旋转电动势、旋转电动势er 是由于换向元件切割换向区域内的磁场而感应的电动势。是由于换向元件切割换向区域内的磁场而感应的电动势。 方向取决于换向极磁场的极性，为了改善换向，换向极磁动势总方向取决于换向极磁场的极性，为了改善换向，换向极磁动势总 是与极下电枢磁动势的方向相反。是与极下电枢磁动势的方向相反。 因此换向元件中的总电动势

48、为因此换向元件中的总电动势为e=ex+er。 （二）换向元件中的电流变化规律：（二）换向元件中的电流变化规律： 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和和 ，元件，元件 自身的电阻为自身的电阻为 , ,流过的电流为流过的电流为 , ,元件与换向片间的连线电阻元件与换向片间的连线电阻 为为 , ,元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程： 1b r 2b r ri k r 11kbkb ri (rr )i (rr )ie 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与 换向片的接触总电阻为换向片的

49、接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变，则可推导出换向元件中的电流变 化规律为化规律为 b r 2 k alk kk k b k ett iiii tt t r () ttt 1 1、直线换向、直线换向 当当e=0=0时，电流时，电流i与时间与时间t t呈线性关系。呈线性关系。 a i 直线换向直线换向 a i k t t0 2 2、延迟换向、延迟换向 当当e0 0时，换向元件电流时，换向元件电流 随时间不是线性变化，出现随时间不是线性变化，出现 电流延迟现象。电流延迟现象。 延迟换向延迟换向 3 3、超越换向、超越换向 当当e0 0时，换向元件电流时，换向元件电流 随时间不是线性变化，

50、出现随时间不是线性变化，出现 电流超前现象。电流超前现象。 超越换向超越换向 三、改善三、改善换向的方法换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零， 换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电 刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良 产生火花。产生火花。 改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法： 选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间

51、的接触电阻 装设换向磁极装设换向磁极 位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁 极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串 联，在换向元件处产生换向联，在换向元件处产生换向 磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势 大型直流电机在主磁极大型直流电机在主磁极 极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组 补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串联，产生 的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势 第七节第七节 直流发电机直流发电机 一、直流发电机的励磁方式一、直流发电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励

52、他励和和自励自励 两大类，自励方式又分两大类，自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。 1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流：直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。 a ii g u f u f i a ii 他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同，即：和负载电流相同，即： 2 2、并励、并励： 发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电 枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足 af i = i+ i u i a e a i f i 3 3、串励、串励： 励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。 满足满足 af

53、 i = i= i u i a i f i a e 4 4、复励：、复励： 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕 组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。 i a e u a i 1f i 2f i u a e i a i 1f i 2f i 二、直流发电机的基本方程式二、直流发电机的基本方程式 如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向 u a i 1 t 0 t em t n a e f i f u （一）电动势平衡方程式（一）电动势平衡方程式 2 aaabaa eui ruu

54、i r 从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足 a eu （二）（二） 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 em t 发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转 矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为： 1 t 0 t 10em ttt （三）（三） 功率平衡方程式功率平衡方程式 原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 1 p mec p机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗 fe p 、附加损耗附加损耗 ad p 空载损耗空载损耗 包括

55、：包括： 0 p 电磁功率电磁功率 aaemem ietppp 01 a e 电磁功率电磁功率一方面代表电动势为一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出时发出 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。械功率。 a i cua p电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗 输出的电功率输出的电功率 cuaem ppp 2 cuf p 自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗 三、他励发电机的特性三、他励发电机的特性 （一）空载特性（一

56、）空载特性 1 cn0i)f(iu f 定义定义: :当当 、 时，时， 空载时空载时 a eu )( fa ife 空载特性实质上就是空载特性实质上就是 。 所以空载特性曲线的形状与空载磁所以空载特性曲线的形状与空载磁 化特性曲线相同。化特性曲线相同。 空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支 空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支 平均空载特性曲线平均空载特性曲线 u f i 直流发电机的空载特性是非线直流发电机的空载特性是非线 性的的，上升与下降的过程是不相性的的，上升与下降的过程是不相 同的。实际中通常取平均特性曲线同的。实际中通常取平均特性曲线 作为空载特性曲线。作为空载特性曲线。

57、 （二）外特性（二）外特性 n nn fnf ii f(i)u 定义：当定义：当 、 时，时， 他励他励 并励 u 0 u 0i 由曲线可见，负载电流增大时，端由曲线可见，负载电流增大时，端 电压有所下降。电压有所下降。 aae rincu 根据根据 可知可知端电压下降端电压下降 有两个原因：有两个原因： 1 1)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作 用使每极磁通量减少，使电动势减少；用使每极磁通量减少，使电动势减少； 2)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下

58、 降。降。 （三）调节特性（三）调节特性 1 cn 2 cu f(i)i f 定义：当定义：当 、 时，时， f i 0 i 由曲线可见，在负载电流变化由曲线可见，在负载电流变化 时，若保持端电压不变，必须改变时，若保持端电压不变，必须改变 励磁电流，补偿电枢反应及电枢回励磁电流，补偿电枢反应及电枢回 路电阻压降对对输出端电压的影响路电阻压降对对输出端电压的影响. . 四、并励发电机四、并励发电机 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而 端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电

59、机不 同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的 条件称为自励条件。条件称为自励条件。 （一）自励过程（一）自励过程 f i0 u 1 0 f i a 2 0 u 曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线, ,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线， 也称场阻线也称场阻线 。 fff ui r f r 原动机带动发电机旋转时，如果主磁原动机带动发电机旋转时，如果主磁 极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电 动势。在电动势作用下励磁回路产生动势。在电动势作用下励磁回路产生

60、 。 f i f i ffr i 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使 主磁路磁通增加，电动势增大，主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。增加。 如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压 与与 相等，达到稳定的平衡工作点相等，达到稳定的平衡工作点a a。 增大增大 , ,场阻线变为曲线场阻线变为曲线3 3时，时， 称为临界电阻称为临界电阻 。 f r f r cr r 3 若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。 可见，并励