第一章 直流电机基本知识

1、机车车辆系机车车辆系 第一章第一章 直流电机基本知识直流电机基本知识 第一节第一节 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理 第二节第二节 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 第三节第三节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 第四节第四节 直流电机的磁场直流电机的磁场 第五节第五节 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩 第六节第六节 直流电机的基本方程直流电机的基本方程 第七节第七节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 第一节第一节 直流电机基本工作原理直流电机基本工作原理 直流电机直流电机 直流发电机：将机械能转换成直流电能输出。直流发电机：将机械能转换成直

2、流电能输出。 直流电动机：将直流电能转换成机械能输直流电动机：将直流电能转换成机械能输 出。出。 直流电机具有可逆性，既可作直流电动机使用，也可作直流电机具有可逆性，既可作直流电动机使用，也可作 直流发电机使用。直流发电机使用。 直流电机是直流电机是电能电能和和机械能机械能相互转换的旋转电机之一，相互转换的旋转电机之一， 是直流发电机和直流电动机的总称。是直流发电机和直流电动机的总称。 一、直流电机的模型结构一、直流电机的模型结构 直流电机模型图如上图直流电机模型图如上图 磁场磁场：图中：图中 N N和和 S S是一对静止的主磁极，用以是一对静止的主磁极，用以产生磁场。产生磁场。 主磁极可以采

3、用主磁极可以采用永久磁铁永久磁铁，也可以采用，也可以采用电磁铁。电磁铁。 励磁绕组励磁绕组：容量较小的发电机用永久磁铁做磁极的。容：容量较小的发电机用永久磁铁做磁极的。容 量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心 上的绕组产生的。用来形成上的绕组产生的。用来形成N N极和极和S S极的绕组称为极的绕组称为励磁绕励磁绕 组组，励磁绕组中的电流称为，励磁绕组中的电流称为励磁电流励磁电流If If。 电枢绕组电枢绕组：在：在N N极和极和 S S极之间，有一个能绕轴旋转的圆极之间，有一个能绕轴旋转的圆 柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为柱形铁心，

4、其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组电枢绕组( (图中图中abcdabcd) )， 电枢绕组中的电流称为电枢绕组中的电流称为电枢电流电枢电流Ia Ia。 换向器换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组 同轴旋转的半圆形铜片同轴旋转的半圆形铜片-换向片上，组成一个换向片上，组成一个换向器换向器。 换向器上压着固定不动的炭质电刷。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为 电枢电枢。 在定子上装有两个电刷在定子上装有两个电刷A A和和B B，接通电枢电路和外电路。，接

5、通电枢电路和外电路。 二、直流发电机的工作原理二、直流发电机的工作原理 1.感应电动势的产生感应电动势的产生 1）如右图，直流电动）如右图，直流电动 机的电枢绕组以恒定转机的电枢绕组以恒定转 速速n逆时针旋转，线圈逆时针旋转，线圈 有效边有效边ab和和cd将切割将切割 磁力线，产生感应电动磁力线，产生感应电动 势势e。 由由右手定则右手定则可确定，可确定， 感应电动势方向为感应电动势方向为 ba，dc。 若接通外电路，电流流向为：若接通外电路，电流流向为：红换向片红换向片A负载负载B绿换向片。绿换向片。 负负 载载 e e 2）当电枢转过当电枢转过9090 时，如图，线圈有时，如图，线圈有 效

6、边效边abab和和cdcd转到转到N N、 S S极的几何中心线上，极的几何中心线上， 此处磁密此处磁密B Bx x为零，为零， 故这一瞬间感应电故这一瞬间感应电 动势动势e e为零。为零。 3）当电枢转过）当电枢转过180 时，导体时，导体ab和和cd及红及红 绿换向片位置互换，如绿换向片位置互换，如 右图所示。右图所示。 由右手定则可确定感由右手定则可确定感 应电动势方向分别为应电动势方向分别为 ab，cd。此时，。此时， 电动势方向刚好与开电动势方向刚好与开 始瞬时方向相反。始瞬时方向相反。 外电路中电流方向为：外电路中电流方向为： 绿换向片绿换向片A负载负载B红换向片。红换向片。 由此

7、可见，电刷由此可见，电刷A始终与始终与N极下的有效边所连接的换向片接触，故电极下的有效边所连接的换向片接触，故电 刷的极性不变。刷的极性不变。 2.感应电动势的波形感应电动势的波形 根据电磁感应定律，根据电磁感应定律，每根导体每根导体产生的感应电动势为：产生的感应电动势为： e=Be=Bx xLvLv Bx导体所在位置的磁通密度导体所在位置的磁通密度 （T）；）； L 导体切割磁力线的有效长度（导体切割磁力线的有效长度（m）；）； V 导体切割磁力线的线速度（导体切割磁力线的线速度（m/s）。）。 1）导体电动势随时间的变化规律与磁通密度的分布导体电动势随时间的变化规律与磁通密度的分布 规律相

8、同。规律相同。在电机中在电机中L一定，先假定电枢以恒转速一定，先假定电枢以恒转速n旋旋 转，则转，则v也恒定，即也恒定，即v=常数。那么常数。那么eBx。 。 若以线圈位置为横坐标，若以线圈位置为横坐标， 线圈所在位置的磁通密度线圈所在位置的磁通密度 为纵坐标，绘制出为纵坐标，绘制出Bx分布分布 曲线如右图。曲线如右图。 由于由于eBx，电动势波，电动势波 形和磁密波形变化趋势形和磁密波形变化趋势 一样，如右图。一样，如右图。 磁通密度变化波形磁通密度变化波形 线圈内感应电动势变化波形线圈内感应电动势变化波形 2）通过电刷和换向器的作用，通过电刷和换向器的作用， 线圈内的交变电动势转换成电线圈

9、内的交变电动势转换成电 刷两端的直流电动势。刷两端的直流电动势。电枢绕电枢绕 组内虽是一交流电，但由于组内虽是一交流电，但由于 换向器的作用，使得电刷换向器的作用，使得电刷 A A 总是接触总是接触 N N极下的导线，而极下的导线，而 电刷电刷B B总是接触总是接触S S极下的导线，故电流由极下的导线，故电流由A A流出流出 B B流回，流回， 方向不变，从而将交流电变换成直流电，做直流发电方向不变，从而将交流电变换成直流电，做直流发电 机运行，机运行，如右图。如右图。但它的大小仍然是脉动的。欲获得在方但它的大小仍然是脉动的。欲获得在方 向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数向和量

10、值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数 和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增 加。加。 电刷两端电动势波形电刷两端电动势波形 3）增加导体数可以减少感应增加导体数可以减少感应 电动势的脉冲。电动势的脉冲。实际应用中，实际应用中， 电极电枢由许多线圈组成电枢电极电枢由许多线圈组成电枢 绕组，线圈均匀的分布在电枢绕组，线圈均匀的分布在电枢 表面，并按一定规律连接起来。表面，并按一定规律连接起来。 多个线圈电刷两端的电动势波多个线圈电刷两端的电动势波 形形 实践证明，当每极下线圈边数大于实践证明，当每极下线圈边数大于8，电动势脉动

11、的幅值，电动势脉动的幅值 将小于将小于1%。 3.直流发电机产生的电磁转矩直流发电机产生的电磁转矩 直流发电机电刷两端直流发电机电刷两端 获得直流感应电动势后，获得直流感应电动势后， 若接通电外路负载，线圈若接通电外路负载，线圈 内便产生一电流，电流内便产生一电流，电流i方方 向与电动势向与电动势e方向相同。同方向相同。同 时通电导体在磁场又会产时通电导体在磁场又会产 生一电磁力生一电磁力f，形成以电磁，形成以电磁 转矩转矩T，T的方向由左手定的方向由左手定 则判断可知，则判断可知，T与线圈转与线圈转 动方向相反。即动方向相反。即电磁转矩电磁转矩 将阻碍线圈的旋转，称为将阻碍线圈的旋转，称为

12、阻转矩。阻转矩。 f f 三三.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 直流电动机结构与直流发电机相同，在直流电动机结构与直流发电机相同，在A、B电刷电刷 之间外接一直流电源，如下图。之间外接一直流电源，如下图。 直流电机工作原理图直流电机工作原理图 f f 电流方向为：电流方向为：A换向片换向片abcd换向片换向片 B。 根据电磁力定律，通电导体根据电磁力定律，通电导体ab、cd将受到电磁力将受到电磁力f的作的作 用，大小为：用，大小为： f=BxLi i导体中流过的电流（导体中流过的电流（A） 电磁力方向有左手定则确定，方向如图所示。电磁力电磁力方向有左手定则确定，方向如图所示。电磁力

13、对转轴形成一电磁转矩对转轴形成一电磁转矩T，在，在T的作用下，电枢轴逆时的作用下，电枢轴逆时 针旋转起来。针旋转起来。 当电枢转过当电枢转过90，电刷不与换向片接触，此时线圈中，电刷不与换向片接触，此时线圈中 没有电流，没有电流，i=0=0，T=0=0。但由于机械惯性的作用，电枢。但由于机械惯性的作用，电枢 仍能转过一个角度。仍能转过一个角度。A A、B B线圈分别与两个换向片相接线圈分别与两个换向片相接 触，位置互换。线圈中又有电流触，位置互换。线圈中又有电流i流过，此时，导体流过，此时，导体ab、 cd中电流方向为中电流方向为 ba，dc， 导体所受电磁力导体所受电磁力 由左手定则判定，由

14、左手定则判定， 方向如图所示。方向如图所示。 f f 因此，线圈仍受因此，线圈仍受 到同一方向的电到同一方向的电 磁转矩的作用，磁转矩的作用， 电枢保持同一方电枢保持同一方 向旋转。向旋转。 在直流电动机中，通过电刷和换向器的作用，将外在直流电动机中，通过电刷和换向器的作用，将外 电源直流电转换成线圈内部的交流电。产生单方向的电电源直流电转换成线圈内部的交流电。产生单方向的电 磁转矩，驱动电机持续旋转。同时，磁转矩，驱动电机持续旋转。同时，电枢在转动时，线电枢在转动时，线 圈又会切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势圈又会切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势( (用右用右 手定则判定手定则判

15、定) )的方向与电枢电流的方向与电枢电流Ia Ia和外加电压和外加电压U U的方向总的方向总 是相反的，称为反是相反的，称为反电动势电动势EaEa。直流电动机若要维持继续。直流电动机若要维持继续 旋转，旋转，外加电压就必须高于反电动势外加电压就必须高于反电动势，才能不断克服反，才能不断克服反 电动势而流入电流，正是这种不断克服，实现将电能转电动势而流入电流，正是这种不断克服，实现将电能转 换为机械能。换为机械能。 由此可见，由此可见，直流电机具有可逆性，即一台直流电机既可直流电机具有可逆性，即一台直流电机既可 作发电机运行，也可以作电动机运行作发电机运行，也可以作电动机运行。例如电力机车牵。例

16、如电力机车牵 引电机，在牵引工况时，作电动机运行，产生牵引力；引电机，在牵引工况时，作电动机运行，产生牵引力； 在制动工况时，牵引电机作发电机运行。在制动工况时，牵引电机作发电机运行。 本次课要点（作业）：本次课要点（作业）： 1 1、直流电机的概念及其分类。、直流电机的概念及其分类。 2 2、电磁感应定律、公式。、电磁感应定律、公式。 3 3、直流发电机的工作原理，阻转矩概念。、直流发电机的工作原理，阻转矩概念。 4 4、直流电动机的工作原理，反电动势概念。、直流电动机的工作原理，反电动势概念。 第二节第二节 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 一、直流电机的基本结构一、直流电机的基本结构

17、 定子定子：机座、主磁极、换向极、电刷装置等：机座、主磁极、换向极、电刷装置等 转子转子（电枢）：转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。（电枢）：转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。 气隙：定子与转自之间的间隙。气隙：定子与转自之间的间隙。 1- 1-风扇风扇 2- 2-机座机座 3- 3-电枢电枢 4- 4-主磁极主磁极 5- 5-换向器换向器 6- 6-刷架刷架 7- 7-接线板接线板 8- 8-出线盒出线盒 9- 9-换向磁极换向磁极 10-10-端盖端盖 11-11-转轴转轴 直流电机定子直流电机定子 励磁绕组和串换向极励磁绕组和串换向极 后的电枢绕组出线后的电枢绕组出线 定子机座定子机

18、座 换向极铁心换向极铁心 换向极绕组换向极绕组 主磁极铁心主磁极铁心 主磁极绕组主磁极绕组 （励磁绕组）（励磁绕组） 换向极绕组与电枢换向极绕组与电枢 绕组的串联接线绕组的串联接线 1. 1.定子定子 定子：定子：产生磁场产生磁场和和机械支撑机械支撑 （1 1）机座：）机座：兼起兼起机械支撑机械支撑和和导磁磁路导磁磁路两个作用。通常为两个作用。通常为 铸钢件，也有采用钢板焊接而成，对于换向要求较高的铸钢件，也有采用钢板焊接而成，对于换向要求较高的 电机，可以采用叠片结构的机座。电机，可以采用叠片结构的机座。 （2 2）主磁极）主磁极 : :产生电机的产生电机的主磁场主磁场。由。由主极铁芯主极铁

19、芯和和主极线圈主极线圈 组成。用螺栓固定在机座内壁组成。用螺栓固定在机座内壁。 励磁绕组用绝缘铜线励磁绕组用绝缘铜线 绕制并进行绝缘处理绕制并进行绝缘处理 后套在主磁极极身上后套在主磁极极身上 主磁极的铁芯由主磁极的铁芯由 1 1 1.5mm1.5mm厚钢厚钢 板冲片叠压后再板冲片叠压后再 用铆钉铆紧而成用铆钉铆紧而成 （3 3）换向极：又称附加极，用来改）换向极：又称附加极，用来改 善直流电机的换向。善直流电机的换向。 由换向极铁芯和换向极绕组构成，由换向极铁芯和换向极绕组构成， 同样用螺栓固定在机座内壁。同样用螺栓固定在机座内壁。 换向极绕组用绝缘铜线换向极绕组用绝缘铜线 绕制并进行绝缘处

20、理后绕制并进行绝缘处理后 套在换向磁极铁芯上套在换向磁极铁芯上 主磁极的铁芯一主磁极的铁芯一 般由整块钢，也般由整块钢，也 可用叠片结构可用叠片结构 （4 4）电刷装置：）电刷装置：通过电刷与换向器表面的通过电刷与换向器表面的滑动接触滑动接触，把，把 转动的电枢绕组与外电路相连。转动的电枢绕组与外电路相连。 1刷杆座刷杆座 2弹簧弹簧 3刷杆刷杆 4电刷电刷 5刷握刷握 6绝缘件。绝缘件。 刷辫刷辫 电刷电刷 刷握刷握 汇流条汇流条 转轴转轴 端盖端盖 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组和槽碶电枢绕组和槽碶 电枢绕组端部电枢绕组端部 换向器换向器 轴承轴承 直流电机转子直流电机转子 2.转子转子 （1

21、 1）转轴：）转轴：用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。 （2 2）电枢铁芯：）电枢铁芯：电机磁路的一部分，承受电磁力作用的部件电机磁路的一部分，承受电磁力作用的部件 ；嵌放电枢绕组。；嵌放电枢绕组。 均匀开槽均匀开槽 电枢铁心冲片电枢铁心冲片 (0.35(0.350.5mm0.5mm厚厚) ) （硅钢片）（硅钢片） 涂绝缘漆冲片叠压而成，涂绝缘漆冲片叠压而成， 减小磁滞和涡流损耗减小磁滞和涡流损耗 （3 3）电枢绕组：切割磁场产生感应电动势和通过电流）电枢绕组：切割磁场产生感应电动势和通过电流 产生电磁转矩，实现机电能量转换。电枢绕组通常用产生电磁转矩，实

22、现机电能量转换。电枢绕组通常用 圆形或者矩形截面的的导线绕制而成，再按一定规律圆形或者矩形截面的的导线绕制而成，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芯之嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁芯之 间都要妥善的绝缘。为了防止离心力将绕组甩出槽外，间都要妥善的绝缘。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槽口处需用槽楔将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部 分用无纬玻璃丝带绑紧。绕组端头分用无纬玻璃丝带绑紧。绕组端头 则按一定规律嵌放在换向器铜片的则按一定规律嵌放在换向器铜片的 升高片槽内，并用锡焊或氩弧焊焊升高片槽内，并用锡焊或氩弧焊焊 牢

23、。牢。 （3 3）换向器：机械整流）换向器：机械整流和和逆变逆变。即在直流电动机中，将外。即在直流电动机中，将外 加直加直 流电流逆变成电枢绕组内的交流电流流电流逆变成电枢绕组内的交流电流 ；直流发电机中，将；直流发电机中，将 电枢绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势。电枢绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势。 直流电机的基本结构总结直流电机的基本结构总结 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 二、

24、直流电机的额定值二、直流电机的额定值 铭牌值铭牌值 电动机铭牌电动机铭牌 根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电 机性能的主要数据，称为电机的额定值机性能的主要数据，称为电机的额定值 1.额定功率额定功率PN 指电机按固定的工作方式运行时，所能提供的输指电机按固定的工作方式运行时，所能提供的输 出功率。出功率。发电机：电枢两出线端输出的电功率发电机：电枢两出线端输出的电功率；电动电动 机：指电动机轴上输出的机械功率机：指电动机轴上输出的机械功率。单位为千瓦。单位为千瓦 （kW）。）。 发电机：发电机： 电动机：电动机： 2.额定电压额定电压UN

25、 指电机安全工作时，电枢绕组允许输出的最高电压或指电机安全工作时，电枢绕组允许输出的最高电压或 外加电压，单位为伏（外加电压，单位为伏（V）。）。 NNN IUP NNNN IUP 3.额定电流额定电流IN 指电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允指电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允 许流过的最大安全电流，单位为安（许流过的最大安全电流，单位为安（A）。）。 4.4.额定转速额定转速nN 指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时，指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时， 电机的旋转速度，单位为电机的旋转速度，单位为 转转/分（分（r/min）。）。 此外，还有工作方式、励磁方式、

26、额定励磁电压、此外，还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、 额定温升、额定效率额定温升、额定效率N等。等。 额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望 额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望 电机按额定值运行。实际上，电机运行时的各种数据电机按额定值运行。实际上，电机运行时的各种数据 可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。 本次课要点本次课要点 1.直流电机的组成及各部件的作用。直流电机的组成及各部件的作用。 2. 2.直流发电机和直流电动的额定功率有何不同，额定功直流发电机和直流电动的额定功率有何不同，额定功 率、额定电压和额定电流的关系是什

27、么？率、额定电压和额定电流的关系是什么？ 第三节第三节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽 研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组的研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组的 线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。不同类型线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。不同类型 的电枢绕组，具有不同的连接规律。的电枢绕组，具有不同的连接规律。 直流电机的电枢绕组分为直流电机的电枢绕组分为单叠绕组单叠绕组、复叠绕组复叠绕组、 单波绕组单波绕组、复波绕组复波绕组等几种类型。等几种类型。 对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求： 在通过

28、在通过规定的电流规定的电流和产生和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前前 提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电提下，所消耗的有效材料最省，强度高（机械、电 气、热），运转可靠，结构简单等。气、热），运转可靠，结构简单等。 构成构成 直流电机电枢绕组的基本单元为直流电机电枢绕组的基本单元为元件元件； 一个元件一个元件两个有效边两个有效边，其中一个有效边嵌放，其中一个有效边嵌放 在某个槽的上层（在某个槽的上层（上元件边上元件边），另一个有效），另一个有效 嵌放在另一个槽的下层（下嵌放在另一个槽的下层（下元件边元件边）, ,元件的元件的 首末端分别接于两个换向片上。元件在铁芯首末端

29、分别接于两个换向片上。元件在铁芯 槽内部分称为槽内部分称为有效部分有效部分，槽外部分仅起连接，槽外部分仅起连接 作用，称作用，称端接部分端接部分。 1 1、电枢绕组元件、电枢绕组元件 一、电枢绕组概述一、电枢绕组概述 2 2、元件数、元件数S S、换向片数、换向片数K K、虚槽数、虚槽数Z Zu u之间的关系之间的关系 每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又与两个每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又与两个 不同线圈单元的两个出线端相连接，因而线圈元件数等不同线圈单元的两个出线端相连接，因而线圈元件数等 于换向片数，即于换向片数，即 KS 每个实槽内嵌放上、下两个有效边，成为一个单元每个实槽内

30、嵌放上、下两个有效边，成为一个单元 槽或一个虚槽。但有些电机一个实槽上、下层常并列嵌槽或一个虚槽。但有些电机一个实槽上、下层常并列嵌 放多个元件边，如图，这时总的虚槽数为放多个元件边，如图，这时总的虚槽数为 uZZu ZZ电枢铁芯实槽数；电枢铁芯实槽数； uu一个实槽内所包含的虚槽一个实槽内所包含的虚槽 数。数。 由此可得由此可得S S、K K、 Z Zu u之间的关系为之间的关系为 uZZKS u 4. 4.极距极距 2 aD p 以虚槽表示为以虚槽表示为 电枢表面圆周上相邻两主磁极之间的距离，以长度电枢表面圆周上相邻两主磁极之间的距离，以长度 表示为表示为 u 2 Z p DaDa：电枢外

31、径：电枢外径 P P：主磁极对数：主磁极对数 5.绕组节距 指被连接起来的两个元件指被连接起来的两个元件 边或换向片之间的距离，通常边或换向片之间的距离，通常 用虚槽数或换向片数表示。用虚槽数或换向片数表示。 (1)(1)线圈节距线圈节距y1y1： 同一个元件的两个有效边同一个元件的两个有效边 在电枢表面跨过的距离。在电枢表面跨过的距离。 一般一般取取“-”, y1,-”, y1,为短为短 矩绕组，有利于电机换向。矩绕组，有利于电机换向。 (2)(2)后节距后节距y2y2 连至同一换向片上的两连至同一换向片上的两 个元件中第一个元件的下个元件中第一个元件的下 层边与第二个元件的上层层边与第二个

32、元件的上层 边间的距离。边间的距离。 (3)(3)合成节距合成节距y y 连接同一换向片上的连接同一换向片上的 两个元件对应边之间的距两个元件对应边之间的距 离。离。 (4)(4)换向器节距换向器节距yKyK 同一元件首末端连接同一元件首末端连接 的换向片之间的距离。的换向片之间的距离。 第四节第四节 直流电机的磁场直流电机的磁场 一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式 指直流电机励磁绕组与电枢绕组的连指直流电机励磁绕组与电枢绕组的连 接方式，分为接方式，分为他励他励、串励串励、并励并励、复励复励4 4种，种， 不同励磁方式的直流电机特性差异很大。不同励磁方式的直流电机特性差异很大。 1

33、. 1. 他励电机他励电机 他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分 别由两个相互独立的电源供电，别由两个相互独立的电源供电，励磁电流励磁电流If If 的大的大 小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻， 而与电机的电枢电压及负载基本无关。而与电机的电枢电压及负载基本无关。 2. 2. 并励电机并励电机 并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并 联，由同一电源供电，励磁电流一般为额定电流联，由同一电源供电，励磁电流一般为额定电流 的的5%5%，要产生足够大的磁通需要有较多的匝数，

34、要产生足够大的磁通需要有较多的匝数， 所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电 动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为 并励式。并励式。 3. 3. 串励电机串励电机 串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组 串联，励磁电流与电枢电流相同，数值较大，串联，励磁电流与电枢电流相同，数值较大， 因此，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗串励绕组匝数很少，导线较粗。串励。串励 式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机 械特性很软，且空载时有极高的转速。

35、串励械特性很软，且空载时有极高的转速。串励 式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式 直流电动机常用于要求起动转矩很大且转速直流电动机常用于要求起动转矩很大且转速 允许有较大变化的负载等。允许有较大变化的负载等。 4. 4. 复励电机复励电机 复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成: :一个一个 与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁 （或并励）绕组，通常他磁（或并励）绕组起主（或并励）绕组，通常他磁（或并励）绕组起主 要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他要作用，串励绕组起辅助

36、作用。若串励绕组和他 励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复 励。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势励。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势 方向相反，称为差复励。方向相反，称为差复励。 IECIEC国际标准所规定各绕组线端的符号见表国际标准所规定各绕组线端的符号见表 二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场 直流电机空载运行时，电枢电流为零。这时的气隙直流电机空载运行时，电枢电流为零。这时的气隙 磁场是由励磁电流磁场是由励磁电流IfIf通过励磁绕组产生的磁动势通过励磁绕组产生的磁动势FfFf所建所建 立。所以，直流电机空载时的气隙磁场又

37、称励磁磁场。立。所以，直流电机空载时的气隙磁场又称励磁磁场。 1. 空载磁场的分布空载磁场的分布 以四极电机为例，当励磁绕组流过励磁电流以四极电机为例，当励磁绕组流过励磁电流If If时，每时，每 极的励磁磁动势为建立的空载磁场的分布如图所示。其中极的励磁磁动势为建立的空载磁场的分布如图所示。其中 绝大部分的磁通是从绝大部分的磁通是从N N极出来，经过气隙进入电枢的齿槽，极出来，经过气隙进入电枢的齿槽， 再经过电枢的铁轭到电枢的另一边齿槽，又通过气隙进入再经过电枢的铁轭到电枢的另一边齿槽，又通过气隙进入 S S极，通过定子铁轭回到极，通过定子铁轭回到N N极。这部分磁通同时交链励磁绕极。这部分

38、磁通同时交链励磁绕 组和电枢绕组，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转组和电枢绕组，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转 矩，称为主磁通。另外，还有一小部分磁通不进入电枢铁矩，称为主磁通。另外，还有一小部分磁通不进入电枢铁 芯，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路，芯，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路， 这部分称为漏磁通。漏磁通只是增加主磁极磁路的饱和程这部分称为漏磁通。漏磁通只是增加主磁极磁路的饱和程 度，使电机的损耗加大，效率降低。一般情况下，漏磁通度，使电机的损耗加大，效率降低。一般情况下，漏磁通 为主磁通的为主磁通的15% 15% 20%20%。 四极电机空载磁场示

39、意图四极电机空载磁场示意图 2.2.电机的磁化曲线电机的磁化曲线 电机的磁化曲线是指电电机的磁化曲线是指电 机主磁通机主磁通 与励磁磁与励磁磁 势势 的关系曲线。的关系曲线。 f F 3.气隙磁密分布曲线气隙磁密分布曲线 三、电枢磁场三、电枢磁场 直流电机负载运直流电机负载运 行时，电枢绕组中通行时，电枢绕组中通 过电流，所产生的磁过电流，所产生的磁 场称为电枢磁场。场称为电枢磁场。 如图，电刷在几如图，电刷在几 何中心线上时，电枢何中心线上时，电枢 磁场分布。磁场分布。 电枢反应：电机负载运行时，电枢磁场对主极电枢反应：电机负载运行时，电枢磁场对主极 磁场的影响称为电枢反应。磁场的影响称为电

40、枢反应。 四、电枢反应四、电枢反应 电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2) 对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用 1) 使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变 课堂小结课堂小结 1.电枢绕组的类型。电枢绕组的类型。 2.电枢绕组的绕组元件、极距、节距等概念。电枢绕组的绕组元件、极距、节距等概念。 3.直流电机的励磁方式。直流电机的励磁方式。 4.电枢反应概念及交轴电枢反应的影响。电枢反应概念及交轴电枢反应的影响。 第五节第五节 直流电动机的感应电动势和电磁转矩直流电动机的感应电动势和电磁转矩 一、直流电机的感应电动势一、直流电机的感应电动势 产生：产生：电

41、枢旋转时电枢旋转时,电枢绕组在主磁场中感应的电动电枢绕组在主磁场中感应的电动 势简称为电枢电动势。势简称为电枢电动势。 设电枢绕组线圈数为设电枢绕组线圈数为S S，一个线圈的匝数为，一个线圈的匝数为NaNa，则电，则电 枢导体总数枢导体总数N N为为 a SNN 2 每一支路中串联的导体数为每一支路中串联的导体数为 a N 2 则平均气隙密度：则平均气隙密度： L Bav 设主极极距为设主极极距为 ，导体在磁场中的轴向长度为，导体在磁场中的轴向长度为 ，每，每 极磁通为极磁通为 ， L 每根导体的平均电动势：每根导体的平均电动势：vLBe avav 则电枢表面线速度：则电枢表面线速度： 60

42、2np v v v为电枢表面线速度，若电机转速为为电枢表面线速度，若电机转速为n n ，电枢直径为，电枢直径为DaDa， 主极数为主极数为2P2P，电枢表面周长，电枢表面周长 ， pDa2 支路电动势即电机的感应电动势为支路电动势即电机的感应电动势为： nCn a pN np L La N e a N E e ava 60 60 2 22 a pN Ce 60 电机电动势常数，电机电动势常数， ； e C 电机转速（电机转速（r/minr/min）；）；n 每极磁通（每极磁通（WbWb）。）。 1 1）直流电机的感应电动势，仅与电刷间磁通的大小，）直流电机的感应电动势，仅与电刷间磁通的大小，

43、电机的转速和电机的结构有关。电机的转速和电机的结构有关。 2 2）感应电动势的大小，仅和磁通的大小有关，而和）感应电动势的大小，仅和磁通的大小有关，而和 磁密的分布无关。磁密的分布无关。 3 3）性质：发电机）性质：发电机电源电势（与电枢电流同方向）电源电势（与电枢电流同方向） 电动机电动机反电动势（与电枢电流反向）反电动势（与电枢电流反向） nCE ea 二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩 产生产生：电枢绕组通过电流时，在磁场中将受到电磁力的作：电枢绕组通过电流时，在磁场中将受到电磁力的作 用，电磁力在电枢轴上产生的转矩称为电磁转矩。用，电磁力在电枢轴上产生的转矩称为电磁转矩。 设

44、电枢绕组的支路电流为设电枢绕组的支路电流为 ，由电磁力定律可得，作用，由电磁力定律可得，作用 在任一根导体上的的平均电磁力为在任一根导体上的的平均电磁力为 aavav iLBF 导体产生电磁转矩为：导体产生电磁转矩为： 2 a avav D FT a i 电枢受到的总电磁转矩：电枢受到的总电磁转矩： aT a a aav a av IC I a pN N p a I L L N D iLBN D FT 22 22 a I电枢电流，电枢电流， (A)(A) ；aiI a 2 T C电机转矩常数，电机转矩常数， 。 a pN CT 2 对于同一台直流电机电动势常数对于同一台直流电机电动势常数 和转

45、矩常数和转矩常数 之之 间有一定的关系。间有一定的关系。 e C T C a pN Ce 60 a pN CT 2 eT C a pN C55. 9 602 60 第六节第六节 直流电机的基本方程直流电机的基本方程 电机在稳态运行，即电机的负载、励磁电流以及转速电机在稳态运行，即电机的负载、励磁电流以及转速 达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在着一达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在着一 定的平衡关系，它们可表达为相应的平衡方程式，称定的平衡关系，它们可表达为相应的平衡方程式，称 为为电机的平衡方程式电机的平衡方程式。 一、电势平衡方程式一、电势平衡方程式 感应电动势：感应电动势：

46、 ，方向用右手定则判定。，方向用右手定则判定。nCE ea 发电机发电机：电枢绕组接负载后，感应电动势驱动电流流动，：电枢绕组接负载后，感应电动势驱动电流流动， 所以电枢电流与感应电动势同方向。所以电枢电流与感应电动势同方向。 电动机电动机：电枢绕组经电刷接外电源，外加电压是驱动电：电枢绕组经电刷接外电源，外加电压是驱动电 流流动的原因，所以电枢电流与电源电压方向相同，感流流动的原因，所以电枢电流与电源电压方向相同，感 应电动势与电枢电流方向相反，称为反电势。应电动势与电枢电流方向相反，称为反电势。 设设U U为直流电机的端电压，取为直流电机的端电压，取U U、EaEa、IaIa的实际方向作的

47、实际方向作 为正方向，可得电枢回路的电动势平衡方程式为为正方向，可得电枢回路的电动势平衡方程式为 发电机：发电机： 电动机：电动机： aaa RIEU aaa RIEU Ra为电枢回路总电阻，包括电枢回路中各串联绕组的为电枢回路总电阻，包括电枢回路中各串联绕组的 电阻和电刷与换向器之间的接触电阻。电阻和电刷与换向器之间的接触电阻。 直直 流流 发发 电电 机机 直直 流流 电电 动动 机机 由上可知，由上可知， 发电机：发电机： ，电枢电流，电枢电流IaIa的方向与电枢电动势的方向与电枢电动势 EaEa的方向一致；的方向一致； 电动机：电动机： ，电枢电流，电枢电流IaIa的方向与的方向与U

48、U的方向一的方向一 致，电枢电动势致，电枢电动势EaEa表现为反电动势。表现为反电动势。 UEa UEa 发电机：发电机： 电动机：电动机： aaa RIEU aaa RIEU 二、转矩平衡方程二、转矩平衡方程 电磁转矩为电磁转矩为 ，方向由左手定则判定。，方向由左手定则判定。 aT ICT 发电机，外加转矩发电机，外加转矩T1为驱动转矩使电枢旋转，电磁转为驱动转矩使电枢旋转，电磁转 矩矩T与转向相反为阻转矩，同时还存在电机的空载阻力与转向相反为阻转矩，同时还存在电机的空载阻力 转矩转矩T0。 电动机，电磁转矩电动机，电磁转矩T使电枢转动为驱动转矩，与电动机使电枢转动为驱动转矩，与电动机 转向

49、相同，此时轴上的负载转矩转向相同，此时轴上的负载转矩T2和和T0均为阻力转矩。均为阻力转矩。 直直 流流 发发 电电 机机 直直 流流 电电 动动 机机 电机的转速恒定时，加在电机轴上的驱动转矩应为与阻电机的转速恒定时，加在电机轴上的驱动转矩应为与阻 力转矩相等，所得转矩平衡方程式为力转矩相等，所得转矩平衡方程式为 发电机：发电机： 电动机：电动机： 01 TTT 02 TTT 由上可知，由上可知， 发电机，发电机， ，作为驱动转矩的是外转矩，作为驱动转矩的是外转矩T1的方向，的方向， 电磁转矩电磁转矩T是阻力转矩，起平衡外转矩的作用；是阻力转矩，起平衡外转矩的作用； 电动机，电动机， ，作为

50、驱动转矩的是电磁转矩，作为驱动转矩的是电磁转矩T，电，电 机的转向取决于机的转向取决于T的的 方向，电磁转矩带动负载转动而达方向，电磁转矩带动负载转动而达 到平衡。到平衡。 TT 1 2 TT 三、功率平衡方程三、功率平衡方程 电机运行过程中，存在输入功率、输出功率和各种损耗，电机运行过程中，存在输入功率、输出功率和各种损耗， 他们之间满足能量守恒定律。他们之间满足能量守恒定律。 机械系统为原机械系统为原 动机或机械负载，动机或机械负载， 电系统为电源或电电系统为电源或电 负载，由耦合磁场负载，由耦合磁场 产生产生T和和Ea实现能实现能 量的转换。量的转换。 机械系统的机械系统的 机械功率等于

51、转矩机械功率等于转矩 乘以旋转角速度；乘以旋转角速度； 电系统的电功率电系统的电功率 等于电压乘以电流；经磁场转换的功率称为电磁功率。等于电压乘以电流；经磁场转换的功率称为电磁功率。 1.电机的损耗电机的损耗 （1）铜耗铜耗 ：由于电机的各种绕组中有电流流过时：由于电机的各种绕组中有电流流过时 产生的电阻损耗，铜耗随负载而变化，又称可变损耗。产生的电阻损耗，铜耗随负载而变化，又称可变损耗。 Cu p （2）铁耗铁耗 ：铁芯中的磁滞、涡流而产生的损耗。：铁芯中的磁滞、涡流而产生的损耗。 Fe p （3）机械损耗机械损耗 ：由于各种机械摩擦、通风而产生的：由于各种机械摩擦、通风而产生的 损耗。损耗。 p （4）附加损耗附加损耗 ：电枢反应使气隙磁场畸变而引起铁：电枢反应使气隙磁场畸变而引起铁 耗的增加；电枢表面电流分布不均而引起铜耗的增加；耗的增加；电枢表面电流分布不均而引起铜耗的增加； 均压电流造成的损耗等。均压电流造成的损耗等。 s p 空载损耗，空载损耗， ppp Fe0 2.功率平衡方程式功率平衡方程式 综上所述，电机的总损耗综上所述，电机的总损耗 为为 p sFeCu ppppp 电机的输入功率为电机的输入功率为P1，输出功率为，输出功率为P2，总损耗为，总损耗为 时，根据能量守恒定律，可得功率平衡方程式：时，根据能