第3章直流电机

1、第第3章章 直流电机直流电机 近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性 能的电机（变频电机）不断涌现，使直流电机有被取能的电机（变频电机）不断涌现，使直流电机有被取 代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义 和实用价值和实用价值! 3.1 概述概述 直流电机自身有着显著的直流电机自身有着显著的优点优点，如直流电动机有良如直流电动机有良 好的起动性能和调整性能，直流发电机供电质量较好的起动性能和调整性能，直流发电机供电质量较 好。好。但与交流电机相比自身又有着但与交流电机相比自身又有着缺点缺点，如直流

2、电如直流电 机的结构较复杂，成本较高，可靠性较差。机的结构较复杂，成本较高，可靠性较差。 直流电机的用途直流电机的用途 伺服伺服 测速测速 电源电源 励磁机励磁机 本章主要内容本章主要内容 1 1、直流电机的工作原理和基本结构、直流电机的工作原理和基本结构 3 3、电机的磁动势和磁场、电机的磁动势和磁场 5 5、直流电机的基本方程式、直流电机的基本方程式 4 4、导出电机的电动势和电磁转矩公式、导出电机的电动势和电磁转矩公式 2 2、电机的电枢绕组、电机的电枢绕组 6 6、直流电机的稳态运行性能、直流电机的稳态运行性能 3.1 3.1 直流电机的工作原理和基本结构直流电机的工作原理和基本结构

3、一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理 固定部分（定子）：主磁极固定部分（定子）：主磁极N和和S； （如图如图31）表示一台直流电机的模型。表示一台直流电机的模型。 1 1、直流电机的结构、直流电机的结构 旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷；旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷； 电枢绕组电枢绕组AX(一个线圈一个线圈)；换向器。换向器。 定子与转子之间为气隙。定子与转子之间为气隙。 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 直流电机模型直流电机模型 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 磁场方向规定磁场方向规定 N S 从电枢进入磁极的磁通方向为正方向从电枢进入磁极的磁通方向为正方向 N极下的磁

4、通方向为负极下的磁通方向为负 S极下的磁通方向为正极下的磁通方向为正 + t O A X 气隙磁场的分布波形气隙磁场的分布波形 23 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 磁场分布磁场分布 N S 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 lvBe 发电机是电磁感应定律应用的一个实例。发电机是电磁感应定律应用的一个实例。 t O A X 线圈电动势的波形线圈电动势的波形 23 XA e 2 2、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理 发电机：虽然线发电机：虽然线 圈圈AX电动势是交流电动势是交流 电动势，电动势， 但由于换向但由于换向 器的整流作用，电刷器的整流作用，电刷 间的输出电动势间

5、的输出电动势 却是却是 直流电动势。直流电动势。 O t 电刷间的电动势波形电刷间的电动势波形 1 2 B B e 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 发电机运行的机电总结发电机运行的机电总结 电枢绕组内部电动势和电流是交流电电枢绕组内部电动势和电流是交流电 电刷间的电动势和电流是直流电电刷间的电动势和电流是直流电 电磁转矩的方向与电枢转动方向相反，电磁转矩的方向与电枢转动方向相反， 是制动性质是制动性质 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 liBF 电动机是电磁力应用的一个实例。电动机是电磁力应用的一个实例。 电动机：在直流电动机中，外加电压并电动机：在直流电动机中，外加电压并 非直

6、接加于线圈，而是通过电刷非直接加于线圈，而是通过电刷 、 和换向和换向 器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将 随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向， 从而使电磁转矩的方向始终保持不变。从而使电磁转矩的方向始终保持不变。 1 B 2 B 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 发电机惯例和电动机惯例发电机惯例和电动机惯例 脉动的减小脉动的减小 电刷上的电动势电刷上的电动势 (如图33)。 电枢绕组由多个线圈串联而构成的电枢绕组由多个线圈串联而构成的 ， 实现方法：实现方法： 直流电机的主要部件直流电机的主要部件 直流

7、电机直流电机 定子定子转子转子 机座机座 换向极换向极 主磁极主磁极 电刷装置电刷装置 电枢铁心电枢铁心 轴承轴承换向器换向器风扇风扇 转轴转轴 电枢绕组电枢绕组 主要由定子、转子两部分组成主要由定子、转子两部分组成 直流电机的主要部件直流电机的主要部件 直流电机的主要部件直流电机的主要部件 1. 主磁极主磁极作用：作用：建立主磁场建立主磁场。 构成：构成：主极铁心（主极铁心（用用 11.5mm厚的钢板冲片厚的钢板冲片 叠压而成叠压而成）和套装在铁）和套装在铁 心上的励磁绕组。心上的励磁绕组。 换向极换向极 构成：构成：由铁心和绕组组成。由铁心和绕组组成。 作用：作用：改善换向。改善换向。 机

8、座机座 直流电机的主要部件直流电机的主要部件 构成：构成：用厚钢板弯成用厚钢板弯成 筒形筒形 焊成或铸钢件焊成或铸钢件 制成。制成。 作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分； 2 2、电机的结构框架、电机的结构框架。 电枢铁心电枢铁心 作用：作用：1 1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分； 2 2、电枢绕组的支撑部件。、电枢绕组的支撑部件。 构成：一般用厚构成：一般用厚0.5 且冲有齿、槽的且冲有齿、槽的 DR530或或DR510的的 硅钢片叠压硅钢片叠压 夹紧而夹紧而 成。成。 电枢绕组电枢绕组 作用：作用：直流电机的电路部分。直流电机的电路部分。 构成构成：用绝缘的圆形或矩形

9、截面的导线绕成，上下层以及线：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线 圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。 5. 换向器换向器 作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。整流（发电机）或逆变（电动机）。 构成：由许多鸽形尾的构成：由许多鸽形尾的 换向片排列成一个圆筒换向片排列成一个圆筒 片间用片间用V形云母绝缘，形云母绝缘， 两端再用两个形环夹紧两端再用两个形环夹紧 而构成。而构成。 直流电机的主要部件直流电机的主要部件 6.直流电机电枢直流电机电枢 电刷装置电刷装置 作用：作用：电枢电路的引出（或引入）装置。电枢电路的引出（或引入）装

10、置。 构成：构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。电刷、刷盒、刷杆和连线等。 国产直流电机的结构国产直流电机的结构 三、三、 励磁方式励磁方式 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。 直流电机按励磁方式可分：直流电机按励磁方式可分： 他励他励 自励自励 复励式复励式( (图图3-5d3-5d) ) ： 装有两个励磁绕组，一为与装有两个励磁绕组，一为与电电 1 1、他励式、他励式（如图如图3-12a3-12a） 其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕 组不相连组不相连。 2 2、自励式、自励式（励磁绕组与电枢绕组相连）（励磁绕组与

11、电枢绕组相连） 发电机发电机 ：利用自身发出的电流励磁；：利用自身发出的电流励磁； 电动机电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。 并励式并励式： 励磁绕组与电枢绕组并联；励磁绕组与电枢绕组并联； 串励式串励式( (图图3-5c3-5c) ) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；励磁绕组与电枢绕组串联； 枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。 aE aI U I +- 串励式串励式 aE aI U I +- fI 复励式复励式 直流电机的额定值直流电机的额定值 电机根据设计数据和试验数据而确定的正常运行电机根据设

12、计数据和试验数据而确定的正常运行 状况称为额定运行工况状况称为额定运行工况. 表征额定运行工况的物理量称为电机的额定值表征额定运行工况的物理量称为电机的额定值 额定功率：额定功率：PN 额定电压：额定电压：UN 额定电流：额定电流：IN 额定转速：额定转速：nN 额定效率：额定效率：N 额定转据：额定转据：TN 直流电机的额定值直流电机的额定值 电机的额定功率定义为电机的额定输出功率电机的额定功率定义为电机的额定输出功率 1.对于发电机来说是其电端口输出的电功率对于发电机来说是其电端口输出的电功率. NNN IUp 2.对于电动机来说是其转轴上输出的机械功率对于电动机来说是其转轴上输出的机械功

13、率. NNNN IUp 直流电机的额定值直流电机的额定值 额定值是客观评价和选择电机的基本数据根据，额定值是客观评价和选择电机的基本数据根据， 一般来说都应该让电机运行于额定状态一般来说都应该让电机运行于额定状态 过载运行导致电机过热，加速绝缘老化，过载运行导致电机过热，加速绝缘老化， 降低使用寿命甚至烧毁电机降低使用寿命甚至烧毁电机 轻载运行电机效率降低，浪费电机容量轻载运行电机效率降低，浪费电机容量 总之，额定运行是电机最经济、安全以及总体最佳总之，额定运行是电机最经济、安全以及总体最佳 的运行状态的运行状态 直流电机的额定值直流电机的额定值 例例2.1 2.1 已知一台直流发电机已知一台

14、直流发电机:P:PN N=180kW,U=180kW,UN N=230V,=230V,N N=89.5%,=89.5%, 求输入额定功率和额定电流。求输入额定功率和额定电流。 例例2.2 2.2 已知一台直流电动机已知一台直流电动机:P:PN N=100kW,U=100kW,UN N=220V,=220V,N N=89%,=89%, 求输入额定功率和额定电流。求输入额定功率和额定电流。 2.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 直流电机的主电路，感应电动势、流过电流产生电直流电机的主电路，感应电动势、流过电流产生电 磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。 l电

15、枢绕组电枢绕组功率绕组功率绕组。当。当 电枢绕组在磁场中旋转时将电枢绕组在磁场中旋转时将 感应电势，当电枢绕组中流感应电势，当电枢绕组中流 通电流时，电流和气隙磁场通电流时，电流和气隙磁场 相互作用将产生电磁转矩。相互作用将产生电磁转矩。 通过电枢绕组直流电机进行通过电枢绕组直流电机进行 电功率和机械功率的转换。电功率和机械功率的转换。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1.电枢绕组的构成原则电枢绕组的构成原则 （1 1）产生尽可能大的电动势，并有良好的波形；）产生尽可能大的电动势，并有良好的波形； （2 2）能通过足够大的电流，以产生并承受所需的）能通过足够大的电流，以产生并承受所需的

16、电磁力和电磁转矩；电磁力和电磁转矩； （3 3）结构简单，连接可靠；）结构简单，连接可靠； （4 4）便于维护和检修；）便于维护和检修； （5 5）对直流电机来说，应保证换向良好。）对直流电机来说，应保证换向良好。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 2.电枢绕组的分类电枢绕组的分类 电枢绕组电枢绕组 叠绕组叠绕组 波绕组波绕组 蛙绕组蛙绕组 单叠绕组单叠绕组 复叠绕组复叠绕组 单波绕组单波绕组 复波绕组复波绕组 3.电枢绕组的几个基本概念电枢绕组的几个基本概念 （1 1）绕组元件（线圈）绕组元件（线圈） （2 2）元件边）元件边 对于双层绕组，一条有效边放在槽的上层，另一对于双层绕组，一条

17、有效边放在槽的上层，另一 个有效边放在槽的下层。元件的首、尾端按规定个有效边放在槽的下层。元件的首、尾端按规定 次序连接到换向片上。次序连接到换向片上。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 （3 3）虚槽）虚槽 在槽数一定的情况下，为了增加元件数，通常每个槽的上在槽数一定的情况下，为了增加元件数，通常每个槽的上 下层放多个元件边。从而引进了虚槽的概念。下层放多个元件边。从而引进了虚槽的概念。 uQ u Q 注意：一个上层边和一个下层边组成一个虚槽。注意：一个上层边和一个下层边组成一个虚槽。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 （4 4）虚槽数、换向片数以及元件数的数量关系）虚槽数、换向片数

18、以及元件数的数量关系 SK u Q 一个元件的两个出线端分别接到两个不同的换向片一个元件的两个出线端分别接到两个不同的换向片 上，而一个换向片要接两个不同元件的出线端，所上，而一个换向片要接两个不同元件的出线端，所 以换向片数等于元件数。以换向片数等于元件数。 一个元件的两个边，而一个槽可以放置两个元件边，一个元件的两个边，而一个槽可以放置两个元件边， 所以虚槽数等于元件数。所以虚槽数等于元件数。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 （5 5）几种节距）几种节距 第一节距第一节距 1 y 每个元件的两个元件边在每个元件的两个元件边在 电枢表面的跨距，以虚槽电枢表面的跨距，以虚槽 数来表示。为

19、了使元件中数来表示。为了使元件中 感应的电动势最大，感应的电动势最大，y1应应 接近一个极距。接近一个极距。 极距是指每个主磁极在电枢表面所占据的距离或者相邻主极间极距是指每个主磁极在电枢表面所占据的距离或者相邻主极间 的距离，一般用所跨弧长或该弧长对应的槽数来表示。的距离，一般用所跨弧长或该弧长对应的槽数来表示。 / a D2p2p u 或Q / 1 y2p u Q 当当y y1 1=时，称为整距元件时，称为整距元件 ；当；当y y1 1时时, ,称为长距元件称为长距元件 第二节距第二节距 2 2 y y 相连的两个元件中的第相连的两个元件中的第 一个元件的下元件边到一个元件的下元件边到 第

20、二个元件的上元件边第二个元件的上元件边 在电枢表面的跨距，用在电枢表面的跨距，用 虚槽数来表示虚槽数来表示 或通过换向片相连接的或通过换向片相连接的 两个元件边在电枢表面两个元件边在电枢表面 的跨距。的跨距。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 合成节距合成节距 y y 相串联的两个元件对应边 在电枢表面的跨距 换向器节距换向器节距 k k y y 与每个元件相联的两个换向 器表面的跨距，用换向片数 表示 k k y yy y 2 21 1 y yy yy y 换向器节距等于合成节距换向器节距等于合成节距 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 4.单叠绕组：所有的相邻元件依次串联。单叠绕组：

21、所有的相邻元件依次串联。 叠：叠：两个相邻联接的元两个相邻联接的元 件，件， 后一元件的端部紧后一元件的端部紧 迭在前一元件的端部。迭在前一元件的端部。 单：单：首末端相联的两换首末端相联的两换 向片相隔一个换向片的向片相隔一个换向片的 宽度。宽度。 y=yy=yk k=1=1 绕组展开图绕组展开图-反映线圈元件的连接情况。反映线圈元件的连接情况。 实例：实例： 2p4， Zi=ZSK16 要求绕制右行单叠绕组要求绕制右行单叠绕组 单叠右行：单叠右行： 整距：整距： 4 4 4 4 1616 2p2p Z Z y y i i 1 1 第二节距：第二节距：-3-3y yy yy y 1 12 2

22、 1 1y yy y k k 计算数据计算数据y和和y1 画绕组连接表画绕组连接表 画绕组展开图画绕组展开图 放置磁极电刷放置磁极电刷 计算节距：计算节距： 绕组展开图的画法绕组展开图的画法 2.2.编号原则：将元件号、元件上层边所嵌放的虚槽号与编号原则：将元件号、元件上层边所嵌放的虚槽号与 该元件所连接的换向片号相同。该元件所连接的换向片号相同。 3. 3. 画元件连接表：上元件边与下元件边之间用实线连画元件连接表：上元件边与下元件边之间用实线连 接，表示通过线圈相连接，两元件通过换向器串联用虚接，表示通过线圈相连接，两元件通过换向器串联用虚 线表示。线表示。 1.1.画画1616根实线、虚

23、线分别表示根实线、虚线分别表示1616个槽并编好号，在上面个槽并编好号，在上面 均匀放置磁极。上元件边用实线表示，下元件边用虚线均匀放置磁极。上元件边用实线表示，下元件边用虚线 表示。表示。 绕组展开图的画法绕组展开图的画法 绕组连接表绕组连接表 152637 1 绕组展开图绕组展开图 1 12345678910111213141615 234567891011121314 1615 NSNS + + 槽展开槽展开放置线圈放置线圈连接成闭合回路连接成闭合回路安放磁极、电刷安放磁极、电刷 1 12345678910111213141615 234567891011121314 1615 NSNS

24、 + + 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 一个换向片连接一个元件的上边和另一个元件的下边，一个换向片连接一个元件的上边和另一个元件的下边， 其编号和上边所在的元件号相同，其编号和上边所在的元件号相同， 元件通过换向片连元件通过换向片连 接形成闭合回路。接形成闭合回路。 在整个闭合回路中，感应电势总和 为0，绕组内部无环流 每支路中一个元件被电刷短路，每支路中一个元件被电刷短路， 处于换向状态中处于换向状态中 每一极面下的元件串联成一支路每一极面下的元件串联成一支路 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电刷的放置电刷的放置 电刷放置的原则：电刷放置的原则：电刷短路的电刷短路的 元件的感应

25、电动势应该为零。元件的感应电动势应该为零。 电刷放置的位置：电刷放置的位置：换向器上的换向器上的 几何中心线（主极轴线）。几何中心线（主极轴线）。 电刷的个数：电刷的个数：2p。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电刷的放置电刷的放置 电刷放置的原则：电刷放置的原则：电刷短路的电刷短路的 元件的感应电动势应该为零。元件的感应电动势应该为零。 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 绕组电路图绕组电路图 电刷 被电刷短路，处于被电刷短路，处于 换向状态换向状态 并联支路数2a=2p N极 S极 S极 N极 直流绕组是闭合绕组直流绕组是闭合绕组电刷数等于极数。电刷数等于极数。 同极性的电刷连接形

26、成一个同极性的电刷连接形成一个“极极” 电刷之间的引出电势为每一支路各电刷之间的引出电势为每一支路各 个元件的电势和个元件的电势和 单叠绕组的特点单叠绕组的特点 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上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，并联支路数等于磁极数， 2a=2p2a=2p 整个电枢绕组的闭合回路中，整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为感应电动势的总和为 零，零， 绕组内部无环流。绕组内部无环流。 每条支路由不相同的电刷引出，每条支路由不相同的电刷引出， 电刷不能少，电刷不能少， 电刷电刷 数等于磁极数。数等于磁极数。 正负电刷引出的电动势即为每一支路

27、的电动势，正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势， 电电 枢电压等于支路电压枢电压等于支路电压 由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流IaIa为各支路电流之和。为各支路电流之和。 单叠绕组主要用于大电流、低电压的直流电机。单叠绕组主要用于大电流、低电压的直流电机。 单波绕组单波绕组 单叠绕组将每一个主极下的元件串成一条支路；单单叠绕组将每一个主极下的元件串成一条支路；单 波绕组则是将所有相同极性下的元件串成一条支路。波绕组则是将所有相同极性下的元件串成一条支路。 若将所有相同极下的元件串联后，若将所有相同极下的元件串联后， 回到原来的那个出发换向片相邻的回到原来的那个出发换向片相邻

28、的 换向片上。换向片上。 单波绕组的连接规律：把相隔约单波绕组的连接规律：把相隔约 为一对极距的同极性磁极下对应为一对极距的同极性磁极下对应 位置的所有元件依次串联起来。位置的所有元件依次串联起来。 1 1 y y2 22 2y y 直流电机的单波绕组直流电机的单波绕组 如果电机有如果电机有p对极，元件绕电枢一周，就有对极，元件绕电枢一周，就有p个元件个元件 串联起来，若合成节距为串联起来，若合成节距为y，每连一个元件就前进，每连一个元件就前进y 个虚槽，则连接个虚槽，则连接p个元件所跨过的总虚槽数为个元件所跨过的总虚槽数为py。 直流电机的单波绕组直流电机的单波绕组 1 1K Kpypyk

29、k k12 1K1 yyyy pp u Q 整 绕组绕电枢一周后，为了能继续绕下去，回到原来绕组绕电枢一周后，为了能继续绕下去，回到原来 的那个出发换向片相邻的换向片上。的那个出发换向片相邻的换向片上。 单波绕组展开图单波绕组展开图 实例：实例： 2p4， Qu=ZSK15 要求绕制左行单波绕组要求绕制左行单波绕组 计算数据计算数据y和和y1 画绕组展开图画绕组展开图 安放电刷和磁极安放电刷和磁极 3 4 3 4 15 2 1 p z y 7 2 1151 p K yy k 437 12 yyy 绕组连接表绕组连接表 3 4 3 4 15 2 1 p z y 7 2 1151 p K yy k

30、 437 12 yyy 3 345678911101213 141521 4567891011 1213 14 1512N SSN 槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷 绕组电路图绕组电路图 单叠绕组和单波绕组的差别单叠绕组和单波绕组的差别 单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支 路数等于极数路数等于极数,电枢间电势较下，电枢电流较大，称并联绕电枢间电势较下，电枢电流较大，称并联绕 组组 单波绕组：单波绕组：N极下上层的绕组元件串联为一支路，极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的极下的 串联为另一支路，并连

31、支路数恒等于串联为另一支路，并连支路数恒等于2,电刷间电势较电刷间电势较 大，电枢电流较下，称串联绕组。大，电枢电流较下，称串联绕组。 NN S S 叠绕 波绕 同极性下各元件串联起来组成一条支路，同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路支路 对数对数a a1 1， 与磁极对数与磁极对数p p无关无关 当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面 上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大 电刷组数应等于极数（采用全额电刷）电刷组数应等于极数（采用全额电刷） 电枢电流电枢电流 I Ia a2i2ia a 直流电机的电枢

32、绕组直流电机的电枢绕组 单波绕组的特点单波绕组的特点 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 单叠绕组与单波绕组的比较单叠绕组与单波绕组的比较 单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组 绕制原则绕制原则同一主极串联同一主极串联同一极性串联同一极性串联 并联支路并联支路2p2 支路电流支路电流 Ia/2pIa/2 第一节距第一节距y1短距短距短距短距 合成节距合成节距y1(k1)/p 2.3 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机磁场的来源直流电机磁场的来源 （1 1）永磁体磁场：永磁电机）永磁体磁场：永磁电机 （2 2）电磁铁磁场，由套在主极铁心上的励）电磁铁磁场，由套在主

33、极铁心上的励 磁绕组通入电流产生：电励磁电机磁绕组通入电流产生：电励磁电机 直流电机的磁场直流电机的磁场 1.直流电机按励磁方式分类直流电机按励磁方式分类 直流电机的磁场直流电机的磁场 2.直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 空载：电枢电流为零时，即为空载，空载空载：电枢电流为零时，即为空载，空载 时，磁场仅由励磁电流建立。时，磁场仅由励磁电流建立。 直流电机的磁场直流电机的磁场 磁通与磁动势磁通与磁动势 主磁通：经过气隙与主磁通：经过气隙与 电枢绕组交链的那部电枢绕组交链的那部 分磁通。分磁通。 漏磁通：不经过气隙漏磁通：不经过气隙 与电枢绕组交链的那与电枢绕组交链的那 部分磁通。部分磁通

34、。 0 00 00 00 0m m k k1 1 )/( 直流电机的磁场直流电机的磁场 f ff f0 0 N N2I2IdldlH HF F 磁动势磁动势 直流电机的磁场直流电机的磁场 典型的磁路结构典型的磁路结构 典型磁路由典型磁路由两段气隙、两个点枢齿、两个主极、一两段气隙、两个点枢齿、两个主极、一 个定子轭、一个转子轭个定子轭、一个转子轭组成组成 直流电机的磁场直流电机的磁场 气隙中主磁场的分布气隙中主磁场的分布 )(/)( x xF Fx xB B 0 00 0 气隙磁密在一个主极下的分布不均匀，气隙磁密在一个主极下的分布不均匀， 通常为一平顶波。通常为一平顶波。 直流电机的磁场直流

35、电机的磁场 磁化曲线磁化曲线 直流电机的磁化曲线是指直流电机的磁化曲线是指 电机的主磁通与励磁磁动电机的主磁通与励磁磁动 势的关系曲线。势的关系曲线。 直流电机的磁场直流电机的磁场 磁化曲线磁化曲线 1）气隙线）气隙线 2）饱和系数）饱和系数 / F FF F1 1F FF Fk k FeFe 0 0 35351 11 11 1k k. 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机磁化曲线的几种变形直流电机磁化曲线的几种变形 0 0 () () () f 0f 0 Uf I f I Uf F 000 f U FI E 直流电机的磁场直流电机的磁场 2.直流电机的电枢磁场直流电机的电枢磁场 当电机有负

36、载时，电枢绕组中有电流流过，当电机有负载时，电枢绕组中有电流流过， 该电流也会产生磁场，称为电枢磁场。该电流也会产生磁场，称为电枢磁场。 可以分为电刷放在几何中心线上和偏移几何可以分为电刷放在几何中心线上和偏移几何 中心线两种情况分析。中心线两种情况分析。 直流电机的磁场直流电机的磁场 电刷放在几何中心线上电刷放在几何中心线上 电流以电刷作为分界线电流以电刷作为分界线 直流电机的磁场直流电机的磁场 电枢磁动势在气隙中的分布电枢磁动势在气隙中的分布 )/()(极A AAxAxx x D D i iN N D D i i2xN2xN 2 2 1 1 x xF F a a a aa a a a a

37、aa a a a a a a aa a D D i iN N A A 称为电机的线负荷，指沿电枢表称为电机的线负荷，指沿电枢表 面单位长度上的安培导体数面单位长度上的安培导体数 2 2A AF F a a / 电枢磁动势为电枢磁动势为 三角形分布三角形分布 电枢磁密的分布电枢磁密的分布 )(/ )( )( )()(x xA Ax x x x x xF F x xH Hx xB B 0 0 a a 0 0a a0 0a a 电枢磁电枢磁 密的分密的分 布为马布为马 鞍形鞍形 交轴电枢磁势交轴电枢磁势 当电刷放在几何中性线上时，当电刷放在几何中性线上时， 电枢磁动势的幅值位于几何中电枢磁动势的幅值

38、位于几何中 性线上，与主极的轴线正交，性线上，与主极的轴线正交， 称为称为交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势。 空载气隙磁场空载气隙磁场 电枢磁场电枢磁场负载时合成磁场负载时合成磁场 电机负载时的磁场为励磁磁势和电枢电流电机负载时的磁场为励磁磁势和电枢电流 产生的磁势共同建立。产生的磁势共同建立。 直流电机的磁场直流电机的磁场 交轴电枢反应：交轴电枢磁势产生的气隙交轴电枢反应：交轴电枢磁势产生的气隙 磁场对空载磁场的影响。磁场对空载磁场的影响。 交轴电枢反应对气隙磁场的影响交轴电枢反应对气隙磁场的影响 1 1）物理中性线偏移几何中性）物理中性线偏移几何中性 线，对发电机来说，顺电枢旋线，对发电机来说

39、，顺电枢旋 转的方向，电动机则逆电枢旋转的方向，电动机则逆电枢旋 转的方向转的方向 2 2）不计饱和时，每个主极下）不计饱和时，每个主极下 的磁场，一半被消弱，一半被的磁场，一半被消弱，一半被 加强，总的磁通不变加强，总的磁通不变 3 3）考虑饱和时，加强的那部）考虑饱和时，加强的那部 分磁通比消弱的少，因此总磁分磁通比消弱的少，因此总磁 通减少通减少 4 4）交轴电枢反应不仅使气隙）交轴电枢反应不仅使气隙 磁场畸变，而且还有去磁作用磁场畸变，而且还有去磁作用 电刷不在几何中心线上电刷不在几何中心线上 直流电机的磁场直流电机的磁场 直流电机的磁场直流电机的磁场 1 1）把电枢磁动势分为两部分讨

40、论）把电枢磁动势分为两部分讨论 2 2） 部分内的导体，电流产生与电刷在几何中部分内的导体，电流产生与电刷在几何中 性线上时相同性质的磁动势，是交轴性质的，其大小性线上时相同性质的磁动势，是交轴性质的，其大小 为为 3 3） 范围内的导体，电流产生与电刷在几何中性范围内的导体，电流产生与电刷在几何中性 线上时相同性质的磁动势，是交轴性质的，其大小为线上时相同性质的磁动势，是交轴性质的，其大小为 )( b b 2 2 A AF F aqaq AbAbF F aqaq 2b2b- - 2b2b 直流电机的磁场直流电机的磁场 电枢磁动势波形电枢磁动势波形 1-电枢磁势波形电枢磁势波形, 2-交轴磁势

41、波交轴磁势波,3-直轴磁势波直轴磁势波 直流电机的磁场直流电机的磁场 3.电枢反应电枢反应 1）当电机负载运行时，电枢磁场对空载磁场（励）当电机负载运行时，电枢磁场对空载磁场（励 磁磁场）的作用叫做电枢反应磁磁场）的作用叫做电枢反应 2）根据电枢磁场性质的不同，电枢反应可以分为）根据电枢磁场性质的不同，电枢反应可以分为 交轴电枢反应和直轴电枢反应交轴电枢反应和直轴电枢反应 3）直轴电枢磁动势的轴线与主极轴线重合，因此）直轴电枢磁动势的轴线与主极轴线重合，因此 直轴电枢反应只影响每极磁通的大小。直轴电枢反应只影响每极磁通的大小。 假设绕组为整距，电刷在几何中性线上，假设绕组为整距，电刷在几何中性

42、线上，NaNa为为 电枢导体总数，则每条支路串联导体数为电枢导体总数，则每条支路串联导体数为Na/2aNa/2a。 那么第那么第k k根串联导体的感应电动势为根串联导体的感应电动势为 lvlvx xB Be ek k)( 支路感应电动势支路感应电动势 2a2aN N 1 1k k 2a2aN N 1 1k k k k a aa a x xB Blvlve eE E / )( 3.4电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩 B l v 导体所在处的气隙磁密； 导体的有效长度； 导体相对气隙磁场的速度。 支路感应电动势和电磁转矩支路感应电动势和电磁转矩 支路感应电动势支路感应电动势 2

43、a2aN N 1 1k k 2a2aN N 1 1k k k k a aa a x xB Blvlve eE E / )( 2a2a N N B Bx xB B a a avav 2a2aN N 1 1k k a a / )( l lB B avav / 22 2 n v= 60 n v= 60 2p aa DD 电磁转矩推导：第电磁转矩推导：第k根导体的电磁转矩为根导体的电磁转矩为 2a2alIlIx xB Blilix xB BF F a aa ak k /)()( /( )/ kka TF D2Bx lp I2 a a 支路感应电动势和电磁转矩支路感应电动势和电磁转矩 2/Dp a n

44、nC Cn n 60a60a pNpN E E E E a a 60a60a pNpN C C a a E E 支路感应电动势支路感应电动势 每极磁通量 对有对有2p2p个主极，则每个主极下有个主极，则每个主极下有Na/2pNa/2p根电流根电流 方向相同的导体，则它们合成的电磁转矩为：方向相同的导体，则它们合成的电磁转矩为： / ( ) aa N2pN2p a ek k 1k 1 I T2pT2plpBx 2 a 2pl2pl N N 2p2p N N B Bx xB B a aa a avav 2p2pN N 1 1k k a a / )( a aT Ta a a a emem I IC

45、CI I a a2 2 pNpN T T a a2 2 pNpN C C a a T T 支路感应电动势和电磁转矩支路感应电动势和电磁转矩 电动势常数与转矩常数的关系电动势常数与转矩常数的关系 3030a a2 2pNpN 60a60apNpN C C C C a a a a T T E E / / T TE E C C 3030 C C 2 6060 aa eTaaaaa pZpZ TCIIII 2 aa n nE 电磁功率电磁功率 对于发电机，对于发电机，Te为原动机克服电磁转矩而输入电枢的机械为原动机克服电磁转矩而输入电枢的机械 功率；功率； EaIa为电枢发出的电功率。为电枢发出的电功

46、率。 对于电动机，对于电动机， Te则是作用在电枢上的电磁转矩对机械负则是作用在电枢上的电磁转矩对机械负 载所作的机械功率。载所作的机械功率。 EaIa电枢中的感应电动势从电源所吸电枢中的感应电动势从电源所吸 收的电功率。收的电功率。 aa IE -通过电磁感应转换的电功率。通过电磁感应转换的电功率。 例例1 1：一台四极直流发电机，单波绕组，电枢绕组的：一台四极直流发电机，单波绕组，电枢绕组的 元件数元件数S=162S=162，每个元件匝数，每个元件匝数NyNy=2=2， 每极磁通每极磁通=0.0051Wb=0.0051Wb，转速，转速n=1450r/minn=1450r/min。 求电枢电

47、动势。求电枢电动势。 例例2 2：一台四极他励直流电动机，铭牌数据：一台四极他励直流电动机，铭牌数据：PnPn=100kW,=100kW, Un=330V,nN=730r/min,=91.5%,Un=330V,nN=730r/min,=91.5%,电枢绕组为单波绕组，电枢绕组为单波绕组， 电枢总导体数电枢总导体数Na=186Na=186，额定每极磁通，额定每极磁通=0.0698Wb=0.0698Wb。 求额定电磁转矩。求额定电磁转矩。 1 1）电动势平衡方程）电动势平衡方程 2 2）功率平衡方程）功率平衡方程 3 3）转矩平衡方程）转矩平衡方程 3.5 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式

48、 3.5 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式 并励发电机并励发电机 Ia IL 2 aas aa EUI RU UI R 2Us每一电刷的接触电压降，每一电刷的接触电压降， 通常假定为常数，当用石墨电刷或通常假定为常数，当用石墨电刷或 碳石墨电刷时，取为碳石墨电刷时，取为2V 并励直流发电机电压平衡式并励直流发电机电压平衡式 直流发电机电压平衡方程对各种励磁方式适用。直流发电机电压平衡方程对各种励磁方式适用。 2 a a U RR I 励磁回路：励磁回路： f ff fj jf ff f R RI Ir rr rI IU U)( 电流方程：电流方程： f fa a I II II I I

49、a I Ia 2 aasaa EUI RUUI R fa III 3.5 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式 并励直流电动机电压平衡式并励直流电动机电压平衡式 并励电动机并励电动机 并励直流电动机电流平衡式并励直流电动机电流平衡式 直流电动机电压平衡方程对各种直流电动机电压平衡方程对各种 励磁方式适用。励磁方式适用。 Ia I Ia )( )2( 2 2 1 pppPP ppUI UIrIUIIEP pUIUIUIUIP FemecM baa aaaaaaM fafa 输出机械功率 电磁功率 输入电功率 并励电动机并励电动机 3.5 直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式 并励电动机功

50、率平衡式并励电动机功率平衡式 2 aasaa EUI RUUI R fa III 由由 得到：得到： 电磁功率只是输入机械功率转换成电功率的那部分，那么直电磁功率只是输入机械功率转换成电功率的那部分，那么直 流发电机总的功率平衡方程还应包括输入功率与电磁功率之流发电机总的功率平衡方程还应包括输入功率与电磁功率之 间的传递关系。间的传递关系。 由输入功率传递到电磁功率过程中的损耗：由输入功率传递到电磁功率过程中的损耗： 1 1）机械损耗）机械损耗(Pmec(Pmec) ) 2 2）铁心损耗）铁心损耗(Pfe(Pfe) ) 3 3）杂散损耗）杂散损耗(Pad)(Pad) 0 0ememadadfe

51、femecmec1 1 p pP Pp pp pp pP P em P 转矩方程转矩方程 e T e TTT 01 1 T 0 T 为电磁转矩。为电磁转矩。 发电机情况下发电机情况下 电机本身的机械阻力转矩；电机本身的机械阻力转矩； 原动机的驱动转矩；原动机的驱动转矩； 电磁转矩为制动转矩，有电磁转矩为制动转矩，有 电动机轴上的负载转矩电动机轴上的负载转矩。 2 T式中，式中， 20 TTT e 电动机情况下电动机情况下 电磁转矩为驱动转矩，有电磁转矩为驱动转矩，有 直流电机的可逆性直流电机的可逆性 UEa 电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为

52、发电机运行；发电机运行； 电动机运行。电动机运行。 UEa 发电机、亦可作为电动机运行。发电机、亦可作为电动机运行。 3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 电机负载后由于电枢反应的作用，气隙磁通量和电枢的电机负载后由于电枢反应的作用，气隙磁通量和电枢的 电动势将发生一定的变化，电枢电阻上会产生压降，这电动势将发生一定的变化，电枢电阻上会产生压降，这 两个因素使发电机的端电压会发生变化。两个因素使发电机的端电压会发生变化。 发电机的输出功率将与电流发电机的输出功率将与电流I成正比，输出功率愈大，成正比，输出功率愈大，I就愈就愈 大，因此称大，因此称I为负载电流。为负载电流。 1.他励

53、发电机的负载运行他励发电机的负载运行 为使各种电器设备正常运行，通常要求发电机的端电压保为使各种电器设备正常运行，通常要求发电机的端电压保 持为额定值不变，因此需要调节发电机的励磁电流，使电持为额定值不变，因此需要调节发电机的励磁电流，使电 压保持稳定。压保持稳定。 2.2.他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性 1 1）空载特性：空载特性：I=0I=0， 2 2）调节特性：）调节特性：U=U=恒定恒定 3 3）外特性：）外特性：I If f恒定，恒定， 4 4）效率特性：）效率特性： nIIUn f , f IIU, IfU IfI f f IfU 0 2 Pf 表征发电机运行时的物理量有

54、表征发电机运行时的物理量有一般恒定不变，在一般恒定不变，在 三个量中保持一个不变，另两个之间的关系为直流三个量中保持一个不变，另两个之间的关系为直流 发电机的运行特性（发电机的运行特性（performance characteristic），即当转速），即当转速 为额定转速为额定转速(rated velocity)时：时： 空载特性（空载特性（n=常数、常数、I=0时，时，U0=f(If)的关系曲线）的关系曲线） I If 转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电机的转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电机的 端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流增大，励磁电端电压不变，需要调节励磁

55、电流。负载电流增大，励磁电 流也增大，以抵消电枢反应的去磁作用和电枢回路电阻压流也增大，以抵消电枢反应的去磁作用和电枢回路电阻压 降的作用。降的作用。 IN IfN 调节特性调节特性 （n=常数、常数、U=常数常数时，时，If=f(I)的关系曲线）的关系曲线） 调节调节R RL L I I从零增至额定值从零增至额定值 aae aaa RInC RIEU I U 1 n n不变不变 I If f不变不变 外特性（外特性（n=常数、常数、If=常数常数时，时，U=f(I)的关系曲线）的关系曲线） ！不允许有额定励磁电流下发生持续短路。！不允许有额定励磁电流下发生持续短路。 %100 0 N N U

56、 UU U U U0 0是空载时的端电压，是空载时的端电压， 一般他励直流发电机的一般他励直流发电机的 电压变化率约为电压变化率约为5 510%10%。 电压调整率电压调整率 从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示。从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示。 3.3.并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁电流不需要另外的直流电源，并励发电机的励磁电流不需要另外的直流电源， 而是取自发电机本身，因此也叫做而是取自发电机本身，因此也叫做自励式发电机自励式发电机， 应用较为广泛。与他励发电机相比，运行特性在应用较为广泛。与他励发电机相比，运行特性在

57、自励过程自励过程和和外特性外特性有些不同。有些不同。 并励发电机的调整特性和他励发电机相似。并励发电机的调整特性和他励发电机相似。 自励过程自励过程 原动机拖动电枢转动原动机拖动电枢转动 电枢两端产生一个小剩磁电压电枢两端产生一个小剩磁电压 剩磁电压在励磁绕组剩磁电压在励磁绕组 中产生励磁电流中产生励磁电流 励磁电流增加主磁通励磁电流增加主磁通 主磁通增加导致端电压增加主磁通增加导致端电压增加 端电压增加又增强磁通端电压增加又增强磁通 稳定在端电压恰好稳定在端电压恰好 与与 励磁回路电压降相励磁回路电压降相 等等 自励条件自励条件 1 1）电机中存在剩磁）电机中存在剩磁 2 2）励磁绕组连接正

58、确）励磁绕组连接正确 3 3）励磁回路电阻应小于临界电阻）励磁回路电阻应小于临界电阻 临界电阻：空载特性线性段对应的电阻值临界电阻：空载特性线性段对应的电阻值 空载特性曲线正空载特性曲线正 比于电机的转速，比于电机的转速， 转速降低曲线下转速降低曲线下 移，临界电阻也移，临界电阻也 随之变小。随之变小。 外特性（外特性（n=常数、常数、Rf=常数时，常数时，U=f(I)的关系曲线）的关系曲线） 1)1)并励发电机端电压下降并励发电机端电压下降 的速度比他励发电机端电的速度比他励发电机端电 压下降得快压下降得快（因为端电压（因为端电压 下降，励磁电流也下降）下降，励磁电流也下降） 2 2）负载电

59、流有）负载电流有“拐弯拐弯” 现象现象 aaaeaa UEI RCnI R 为什么端电压会下降的快？为什么端电压会下降的快？ aaa RIEU)( f fE E I If fn nC C a E f f f f R R U U I I U UE EI IU UI II I f fa a 为什么电流会为什么电流会“拐弯拐弯”？ L L R R U U I I U UE EI IU U f f U UE EI IU U f f a a r r K0K0 R R E E I I 稳态短路电流稳态短路电流 RIU L 例：一台四极例：一台四极82kW82kW、230V230V、970r/min970r

60、/min的并励发电机，的并励发电机， rara=0.0259=0.0259，并励绕组每极，并励绕组每极78.578.5匝，匝，rfrf=22.8=22.8。额定负载时励。额定负载时励 磁回路串入调节电阻磁回路串入调节电阻RjRj=3.7, 2Ub=2V=3.7, 2Ub=2V，pmec+pfepmec+pfe=4.3kW=4.3kW， pad=0.005Pnpad=0.005Pn。求。求 1 1）额定负载时的电枢电动势）额定负载时的电枢电动势 2 2）额定负载时的电磁功率、电磁转矩、输入功率及效率）额定负载时的电磁功率、电磁转矩、输入功率及效率 3 3）额定负载时的电压调整率）额定负载时的电压