第1章直流电机

1、第1章 直流电机 第1章 直流电机 直流发电机直流发电机 第1章 直流电机 ZQ-76 直流牵引电机直流牵引电机 第1章 直流电机 电机装配图电机装配图 河南科技学院机电学院 第1章 直流电机 直流电机模型直流电机模型 第1章 直流电机 1.2 1.2 直流电机电枢绕组简介直流电机电枢绕组简介 1.3 1.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 1.4 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向 1.6 1.6 直流发电机直流发电机 1.7 1.7 直流电动机直流电动机 1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本

2、工作原理与结构 思考题与习题思考题与习题 教学内容教学内容 第1章 直流电机 1.直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理: 2.讨论直流电机的磁场分布、讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、感应电动势、电磁转矩、 电枢反应及影响、换向电枢反应及影响、换向及改善换向方法；及改善换向方法； 3.从应用角度分析直流发电机的从应用角度分析直流发电机的运行特性运行特性和直流和直流 电动机的电动机的工作特性工作特性。 教学重点与难点教学重点与难点 教学学时教学学时 8+2 学时学时 第1章 直流电机 基本要求：基本要求： 1.掌握直流电机的基本工作原理； 2.了解直流电机的基本结

3、构和各部件的主要作用； 3.明确直流电机的铭牌中主要额定数据及其含义以及在使用电机时应当注意的事项； 4.理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法； 4.能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图。了解各绕组的主要特点； 5.了解电枢反应对电机的影响； 6.掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式； 7.理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质； 8.了解直流电机的换向过程和改善换向的方法； 9.了解直流电机的各种励磁方式； 10.掌握电磁功率的关系式，并理解直流电机中机电能量是可以彼此互相转换的； 11.了解电机的可逆原理。了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态； 12.掌握根据发

4、电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式； 13.掌握自励直流发电机的自励建压过程和条件； 14.掌握直流发电机的运行特性； 15.掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系。 第1章 直流电机 1.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型右图为直流发电机的物理模型 N N、S S为为定子磁极定子磁极，abcdabcd是固定在可旋是固定在可旋 转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导 磁圆柱体称为电机的磁圆柱体称为电机的转子或电枢转子或电枢。线。线 圈的首末端圈的首末端a a、d

5、 d连接到两个相互绝缘连接到两个相互绝缘 并可随线圈一同旋转的并可随线圈一同旋转的换向片换向片上。转上。转 子线圈与外电路的连接是通过放置在子线圈与外电路的连接是通过放置在 换向片上固定不动的换向片上固定不动的电刷电刷进行的。进行的。 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。 第1章 直流电机 N S N S E E 2.2.转子（电枢）内部导体的电动势方向转子（电枢）内部导体的电动势方向 d d a b c a b c 河南科技学院机电学院 1.工作原理 电刷极性始终为电刷极性始终为上负下正上负下正。 第1章 直流电机 实际直流发电机的实际直流发电

6、机的电枢电枢是是 根据实际需要有多个线圈。线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位置，按照一定的规律连接起 来，构成电机的来，构成电机的电枢绕组电枢绕组。 磁极磁极也是根据需要也是根据需要N N、S S极极 交替放置多对。交替放置多对。 第1章 直流电机 二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，电刷接到直流电源上，电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负接负 极。此时电枢线圈中将电流流过。极。此时电枢线圈中将电流流过。 直流电动机直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机是将电能转变成机械能的旋转

7、机 械。械。 第1章 直流电机 N S N S U U 电刷电刷 换向片换向片 2.2.转子（电枢）内部导体的电流方向转子（电枢）内部导体的电流方向 河南科技学院机电学院 d d a b c a b c 1.1.基本原理基本原理 第1章 直流电机 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: 第1章 直流电机 1.1 直流电机的基本工作原理和结构 1.1.2 直流电机的主要结构 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

8、交流的互换完成直流与交流的互换 机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。 定子定子 转子转子 第1章 直流电机 转子转子 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。 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。 转转 轴：轴：由钢铁做成。由钢铁做成。 轴轴 承：承： 第1章 直流电机 主磁极主磁极： 换向磁极换向磁极：。：。 电刷装置电刷装置： 机座和端盖机座和端盖： 第1章 直流电机 换向器换

9、向器 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 转转 轴：轴： 轴轴 承：承： 第1章 直流电机 第1章 直流电机 1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列 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 指电刷间指电刷间输出输出的的 额定电功率额定电功率 发电机发电机 指轴上指轴上输出输出 的机械功率的机械功率 电动机电动机 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

10、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 第1章 直流电机 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、 出厂编号等。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额定状态运行。额定状态运行

11、。 电机的运行电流小于额定电流电机的运行电流小于额定电流欠载运行；欠载运行； 运行电流大于额定电流运行电流大于额定电流过载运行。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。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。行效率、工作性能等比较好。 第1章 直流电机 1.2 直流电机的电枢绕组简介 电枢绕组作用：电枢绕组作用：产生感生电产生感生电 动势，还会产生电磁转矩，动势，还会产生电磁转矩， 完成机电能量的转换。完

12、成机电能量的转换。 第1章 直流电机 1.2.1 直流电枢绕组基本知识直流电枢绕组基本知识 1.2 直流电机的电枢绕组简介 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。 第1章 直流电机 1.2.1 直流电枢绕组基本知识直流电枢绕组基本知识 D 2p2p Z Z 或其中 为电枢的槽数 极距极距：相邻两个主磁极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

13、距离，用 表示。表示。 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1章 直流电机 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1章 直流电机 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

14、向片上的两个元件对应边之间的距离。y 第二节距第二节距 ：连至同一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 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 第1章 直流电机 1.2.2. 1.2.2. 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) )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,

15、即：即： 1 k yy 单叠绕组的单叠绕组的展开图展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出是把放在铁心槽里、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；电流、电动势大小构成情况。电刷间的相对位置关系；电流、电动势大小构成情况。 例：例：2p=4，Z=S=K=16，绘制单叠右行整距绕组。，绘制单叠右行整距绕组。 解：解： 单叠右行绕组，如为单叠右行绕组，如为y=-1则为左行。则为左行。 1.计算 2.绕线 3.放置主磁极 4.放置换向片 5.放置电刷 第1章 直流

16、电机 上层边 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 下层边 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 单叠绕组元件连接顺序单叠绕组元件连接顺序 整个绕组是一个闭合绕组。 第1章 直流电机 单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图 0e 发电机发出的电动势应等于多大呢？发电机发出的电动势应等于多大呢？ 第1章 直流电机 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）同一主磁极下的元件 串联成一条支路，主磁极串联成

17、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。 第1章 直流电机 . . . 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。单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。 p K yy k 1 例：例：2p=4，Z=S=K=15， 绘制单波左行绕组。绘制单波左行绕组。 1 21 3.75 2 3 2 1 7 4 K K z p z y p

18、K y p yyy = 解：解： 第1章 直流电机 单波左行绕组元件连接顺序单波左行绕组元件连接顺序 整个绕组是一个闭合绕组。 0e 发电机发出的电动势/电流应等于多大呢？ 上层边 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 下层边 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 1 21 3.75 2 3 2 1 7 4 K K z p z y p K y p yyy = 第1章 直流电机 两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距； 沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落

19、在与起始的沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的 换向片相邻的位置。换向片相邻的位置。 第1章 直流电机 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）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1 1，与，与 磁极对数无关；磁极对数无关； 2 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置）当元件的几何形状对称时，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；电刷数等于磁极数对准主磁极中心线，支路电动势最大；电刷数等于磁极数. . 3 3）电枢电动势等于支路感应电动势；电枢

20、电流等于两条支路电）电枢电动势等于支路感应电动势；电枢电流等于两条支路电 流之和。流之和。 上层边 1 8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 下层边 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 13 5 12 第1章 直流电机 电枢绕组小结：电枢绕组小结： 1、电枢绕组有叠绕组、波绕组和混合绕组，各自按一定的 规律绕制。 2、在电机 的极对数P、元件数Z及导体截面积相同的情况下： 单叠绕组单叠绕组： 并联支路数多， 电枢电流大，支路里的元件数少，感应电动势低； 单波绕组单波绕组： 并联支路对数为1，电枢电流小，支路里的元件数多，感应电动势大。 第1章

21、直流电机 单叠绕组单叠绕组 单波绕组单波绕组 第1章 直流电机 1.3 直流电机的电枢反应（本章难点本章难点） 本节应掌握的重要知识点：本节应掌握的重要知识点： 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势( (主磁场），电主磁场），电 枢电流产生电枢磁动势（电枢磁场）。枢电流产生电枢磁动势（电枢磁场）。 电枢磁动势对主极磁动势的影响电枢磁动势对主极磁动势的影响称为称为 电枢反应电枢反应。 3、直流电机电枢反应物理意义？、直流电机电枢反应物理意义？ 1、空载主磁场的、空载主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线? 2、电枢磁场（单独作用）、电枢磁场（单独作用）磁

22、通密度磁通密度分布曲线分布曲线? 4、什么是几何中性线？什么是物理中性线？、什么是几何中性线？什么是物理中性线？ 第1章 直流电机 1.3.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 1.3 直流电机的电枢反应 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。 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 一、直流电机的磁路一、直流电机的磁路 电流磁动势磁通或磁通密度 电气性能 励磁：绕组通电产生磁场的过程。励磁：绕组通电产生磁场的过程。 第1章 直流电机 磁力

23、线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再 经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极 主磁通主磁通 主磁路主磁路 磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心， 直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极 或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路 漏磁通漏磁通 漏磁路漏磁路 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在是主要的，它能在电枢绕组中感电枢绕组中感 应电动势或产生电磁转矩应电动势或产生电磁转矩。 而而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程没有

24、这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程 度。在数量上，度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得多，大约是主磁通的小得多，大约是主磁通的20%20%。 第1章 直流电机 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上空载时，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状。就取决于气隙的大小和形状。 几何中性线几何中性线 极靴极靴 极身极身 （a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近的气隙磁极中心及附近的气隙 小且均匀，磁通密度较大且小且均匀，磁通密度较大且 基本为常数，靠近极尖处，基本为常数，靠近

25、极尖处， 气隙逐渐变大，磁通密度减气隙逐渐变大，磁通密度减 小；极尖以外，气隙明显增小；极尖以外，气隙明显增 大，磁通密度显著减少，在大，磁通密度显著减少，在 磁极之间的磁极之间的几何中性线几何中性线处，处， 气隙磁通密度为零。气隙磁通密度为零。 ？ 二、空载时气隙磁通密度的分布图形二、空载时气隙磁通密度的分布图形 第1章 直流电机 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b) (b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分布情况空载时主磁极磁通的分布情况 几何中性线：几何中性线：电机空载时电机空载时B为为0的线，即二个主磁极之间的极的线，即二个主磁极之间的极

26、 间中心线。间中心线。 第1章 直流电机 为了为了感应电动势或产生电磁转感应电动势或产生电磁转 矩矩，直流电机气隙中需要有一定量，直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁 通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁 电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。如右图所示。 0 0 0f F 0f I 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点点，即在磁化特，即在磁化特 性曲线开始进入

27、饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。 N fN I 0f F 0f I IN f I A 0 N 0 三、直流电机的空载磁化特性三、直流电机的空载磁化特性 第1章 直流电机 1.3.2 直流电机负载时的磁场直流电机负载时的磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生 的磁动势称为的磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发。电枢磁动势的出现使电机的磁场发 生变化。生变化。 一、电枢磁动势的分布一、电枢磁动势的分布 N S F x 单个单个NY匝电枢元件产生的电枢磁动势分布图形匝电枢元件产生的电枢磁动势分布图

28、形 多个多个NY匝电枢元件产生的电枢磁动势分布图形又如何？匝电枢元件产生的电枢磁动势分布图形又如何？ 1 2 y a N i 规定：规定：以磁动势出电枢进定子的以磁动势出电枢进定子的 方向为磁动势的正方向。方向为磁动势的正方向。 第1章 直流电机 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，如图中，如图中 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

29、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 B ax F 第1章 直流电机 右图为一台电刷放在几何中性右图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线的两极直流电机的电枢磁场分布 情况。情况。 假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电 流。由图可见电枢磁动势产生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙 磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势 为为交轴磁动势交轴磁动势。 直轴方向直轴方向 交轴方向交轴方向 二、电枢磁动势单独产生的气隙磁

30、通密度波形二、电枢磁动势单独产生的气隙磁通密度波形 第1章 直流电机 1.空载时气隙磁通密度的分布图形空载时气隙磁通密度的分布图形 小结：小结： 2.电枢磁动势单独产生的气隙磁通密度波形电枢磁动势单独产生的气隙磁通密度波形 ax B 电枢磁场对气隙磁场的电枢磁场对气隙磁场的 影响称为影响称为电枢反应电枢反应。 第1章 直流电机 1.3.31.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电 机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励 磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的 结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结

31、果。电枢磁场对气隙磁场的影响 称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的 位置有关。位置有关。 当电刷在几何中性线上时，将主磁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，如到负载后电机的磁场分布情况，如 图（图（a a）所示。）所示。 一、电刷在几何中性线时的电枢反应一、电刷在几何中性线时的电枢反应 减小减小 减小减小 增大增大 增大增大 第1章 直流电机 x B0 ax B x B 主磁场的主磁场的 磁通密度磁通密度 分布曲线分布曲线 电枢磁场磁通电枢磁场磁通 密度分布曲线密度分布曲线 两条曲线逐

32、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 带负载时，电机中带负载时，电机中N极与极与S极的分界极的分界 线或线或磁通密度磁通密度为零处。为零处。 物理中性线：物理中性线： 第1章 直流电机 由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，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 1、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于 电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半

33、被削 弱，物理中性线偏离几何中性线弱，物理中性线偏离几何中性线 角角（对（对G G而言，顺转向偏移），而言，顺转向偏移）， 磁通密度的曲线与空载时不同。磁通密度的曲线与空载时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此，因此 每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部， 主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增 加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中 性线时的电枢

34、反应为性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。 第1章 直流电机 二、当电刷不在几何中性线上时二、当电刷不在几何中性线上时 电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随 之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b) 所示。所示。 电枢磁动势可以分电枢磁动势可以分 解为两个垂直分量：解为两个垂直分量： 电刷顺转向偏移电刷顺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去磁、直轴增磁交轴去磁、直轴增磁 电动机电动机交轴去磁、直轴增磁交轴去磁、直轴增磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 aq F交轴电枢磁动势交轴电

35、枢磁动势 ad F 直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势 第1章 直流电机 1.4 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1.4.1 1.4.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势 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 枢电动势。枢电动势。 大小：大小：电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势， 也就是一条支路中各串联导体的感应电动势之和。也就是一条支路中各串联导体的感应电动势之和。 每根导体的瞬时感应电动势为每根导体的瞬时感应电动

36、势为lvxbe x )( 0 1 edxeav 60 2 60 n p n Dv 导体沿圆周的线速度为导体沿圆周的线速度为 每根导体的平均感应电动势为每根导体的平均感应电动势为 第1章 直流电机 每条支路中的总感应电动势：即（直流电机正、负电刷之间每条支路中的总感应电动势：即（直流电机正、负电刷之间 的感应电动势）为：的感应电动势）为： 第1章 直流电机 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).). (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 a60 pN

37、 C E 可见可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。 大小大小: : nCn a pN E Ea 60 每条支路中的总感应电动势：即（直流电机正、负电刷之间每条支路中的总感应电动势：即（直流电机正、负电刷之间 的感应电动势）为：的感应电动势）为： 00 60 2)( 1 2 1 2 dx n plxb a N edx a N E xa ？ 第1章 直流电机 N S N S E E 输出输出 直流电直流电 原动机原动机感应交流电动感应交流电动 势、电流势、电流 电磁转矩电磁转矩 （阻转矩）（阻转矩） 做功做功 电磁关系电磁关

38、系 换向换向 d d a b c a b c 河南科技学院机电学院 发电机发电机为电源电势为电源电势(与电枢电流同方向与电枢电流同方向); 第1章 直流电机 1.4.2 1.4.2 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 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。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 大小大小: : 2 emaTa pN T IC I a 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

39、相同) )。 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比流成正比 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 C9.55C （公式推导略，参考教材（公式推导略，参考教材P35） 第1章 直流电机 N S N S U U 电刷电刷 换向片换向片 河南科技学院机电学院 d d a b c a b c 电动机电动机驱动转矩驱动转矩(与转速方向相同与转速方向相同) 转子绕组的感生电动势方向如何？转子绕组的感生电动势方向如何？ 是反电动势是反电动势(与电枢电流反方向与电枢电流反方向). 第1章 直流电机

40、 1.4.3 1.4.3 直流电机的电磁功率直流电机的电磁功率 对于直流电机而言，对于直流电机而言，电磁功率电磁功率为电磁转矩与转子角速度为电磁转矩与转子角速度 的乘积。的乘积。 aaaaemM IEnI a pNn I a pN TP 6060 2 2 物理意义：物理意义： 对于直流发电机，从原动机所吸收的机械功率全部转化为对于直流发电机，从原动机所吸收的机械功率全部转化为 电功率输出。电功率输出。 对于直流电动机，从电源所吸收的电功率全部转化为机械功对于直流电动机，从电源所吸收的电功率全部转化为机械功 率输出。率输出。 机械功率机械功率 电功率电功率 第1章 直流电机 本节应掌握的重要知识

41、点：本节应掌握的重要知识点： 1.5 直流电机的换向 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。 1、换向不良会产生什么后果？、换向不良会产生什么后果？ 2、如何改善电机的换向性能？、如何改善电机的换向性能？ 电枢逆时针转电枢逆时针转 N N S S 第1章 直流电机 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 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 中的电流方向如图所示，中的电流方向如图所示

42、， 大小为大小为 。 a ii 1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述 第1章 直流电机 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，元件接触时，元件1 1被短路，电流被被短路，电流被 分流。分流。 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中的电流方向如中的电流方向如 图所示，大小为图所示，大小为 a ii 第1章 直流电机 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。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面， 使电机不能正常工作。使电机不能

43、正常工作。 产生火花的原因很多，除了产生火花的原因很多，除了 电磁原因外，还有机械的原因。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此外换向过程还伴随着电化学和 电热学等现象。电热学等现象。 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（T Tk k）。换向周期通常只有千分之几秒。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。要经历换向过程。 第1章 直流电机 1.5.2 1.5.2 换向的电磁理论换向的电磁理论 换向元件

44、中的电动势：换向元件中的电动势： 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 切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应的存在，：在几何中性线处，由于电枢反应的存在，电枢电枢 反应磁通密度反应磁通密度(Ba (Ba ）不为零，在换向元件中感应切割电动势。不为零，在换向元件中感应切割电动势。 a e 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势总是阻碍换向的。根据楞次定律，自感电动势、互感电动势总是阻碍换向的。 eL、eM的方向与元件换向前电流的方向与元件换向前电流ia的方向

45、相同。的方向相同。 dt di L dt di MLeee rMLr )(电抗电动势电抗电动势 aaca lBNe2 第1章 直流电机 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 , ,与两个换向片连接的元件电流为与两个换向片连接的元件电流为i i1 1和和i i2 2 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 换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为： aML eeee

46、 aML 2211 eeee )()( iRRiRRRi bkbk 根据合成电动势的大小，换向分为：根据合成电动势的大小，换向分为： 直线换向、延迟换向和超越换向。直线换向、延迟换向和超越换向。 第1章 直流电机 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 一、直线换向0 e aML2211 eeee)()( iRRiRRRi bkbk 当当 时换向元件电流随时间线性变化。时换向元件电流随时间线性变化。 0

47、e ) 2 1 ( K a T t ii 直线换向时，不产生火花，称理想换向。直线换向时，不产生火花，称理想换向。 第1章 直流电机 此时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。此时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。 21bb K RR e i 0 e：、延迟换向二 产生附加换向电流产生附加换向电流 0 e 当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不 是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。 三、超越换向 a i 直线换向直线换向 a i k T t0 延迟换向延迟换向 超越换向超越换向 换向电流变化曲线换向电流变化曲线 第1章 直流电机

48、1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法 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： 一、选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻一、选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻 bbb K R e RR e i 21 如炭如炭石墨电

49、刷、石墨电刷和电化石墨电刷，铜石墨电刷、石墨电刷和电化石墨电刷，铜石石 墨电刷。墨电刷。 第1章 直流电机 二、装设换向磁极二、装设换向磁极 位于几何中性线处装换向磁极。位于几何中性线处装换向磁极。 换向极极性确定原则：换向极极性确定原则： 使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反 发电机而言，顺转向极性相反；发电机而言，顺转向极性相反； 电动机而言，顺转向极性相同电动机而言，顺转向极性相同。 N S N NK K S SK K 如如P39 图图1.5.3 第1章 直流电机 二、装设换向磁极二、装设换向磁极 位于几何中性线处装换向磁极。位于几何中性线处装换向磁极。 换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件

50、处产生换向磁动势换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动势 抵消电枢反应磁动势，使得抵消电枢反应磁动势，使得切割电动势等于零切割电动势等于零。 在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应电动势在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应电动势 k e 换向电动势用于抵消电抗电动势换向电动势用于抵消电抗电动势。 bbb K R e RR e i 21 第1章 直流电机 三、安装补偿绕组三、安装补偿绕组 在负载变化剧烈的大型电机内，有可能出现环火。在负载变化剧烈的大型电机内，有可能出现环火。 大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组。大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组。 补偿绕组应与电枢绕组串

51、联，它产生的磁动势刚好抵消电补偿绕组应与电枢绕组串联，它产生的磁动势刚好抵消电 枢反应磁动势。枢反应磁动势。 这样，当电机带负载后，电枢反应磁动势被抵消，不会使这样，当电机带负载后，电枢反应磁动势被抵消，不会使 气隙磁通密度发生畸变气隙磁通密度发生畸变，从而可以避免出现环火现象。，从而可以避免出现环火现象。 第1章 直流电机 四、移动电刷位置四、移动电刷位置 对于发电机，对于发电机， 电刷应顺电枢转向移动；电刷应顺电枢转向移动； 而电动机则逆电枢转向移动。而电动机则逆电枢转向移动。 只适用于负载变化不大的场合。只适用于负载变化不大的场合。 x B0 ax B x B 第1章 直流电机 1.6

52、直流发电机 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。 本节应掌握的重要知识点：本节应掌握的重要知识点： 1、直流发电机类别有哪些？、直流发电机类别有哪些？ 2、直流发电机的基本方程式（电动势、转矩和功率方程式）、直流发电机的基本方程式（电动势、转矩和功率方程式） 3、发电机的运行特性（负载特性、外特性和调节特性）、发电机的运行特性（负载特性、外特性和调节特性） 如何评价？如何测量？如何评价？如何测量？ 4、自励发电机如何自励建压？、自励发电机如何自励建压？ 第1章 直流电机 1.6.1 1.6.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式 供给励磁绕

53、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： 第1章 直流电机 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 f I U I a E a I

54、 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 I = I = I U I a I f I a E 第1章 直流电机 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。 2f I U a E I a I 1f I I a E U a I 1f I 2f I 注意：注意：电机接电源时，应注意电机的类别；电枢电压和励磁电电机接电源时，应注意电机的类别；电枢电压和励磁电 压的区别；电源的正、负极压的区别；

55、电源的正、负极;各电流的参考方向。各电流的参考方向。 课外作业：查找资料课外作业：查找资料 积复励、差复励如何定义？积复励、差复励如何定义？ 第1章 直流电机 1.6.2 1.6.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程（以他励为例）（以他励为例） 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 一一. .电动势平衡方程电动势平衡方程 2 aaabaa EUI RUUI 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. . 转矩平衡方程转矩平衡方程 10em TTT f I f U U a I 1 T 0 T em T n a E em T 发电机轴上有

56、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 第1章 直流电机绪 论 铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。 涡流损耗涡流损耗 当铁心中通过交变的磁通时，铁心内将感应电动势并当铁心中通过交变的磁通时，铁心内将感应电动势并 产生环流，这种电流称为涡流。产生环流，这种电流称为涡流。 涡流在铁心中引起的损耗称为涡流损耗。涡流在铁心中引起的损耗称为涡流损耗。 磁滞损耗磁滞损耗 铁磁材料在交变的磁场中反复磁化

57、，使磁畴之间不停铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，使磁畴之间不停 地相互摩擦而消耗能量所引起的损耗称为磁滞损耗。地相互摩擦而消耗能量所引起的损耗称为磁滞损耗。 mh BfP eme RdBfP/ 222 第1章 直流电机 直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流 f f U I R 三、励磁特性公式三、励磁特性公式 每极气隙磁通每极气隙磁通 af f(I ,I ) 四四. .功率平衡方程功率平衡方程 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 电磁功率电磁功率 aaemem IETPPP 01 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

58、ad p 空载损耗空载损耗 包括：包括： 0 p 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 自励发电机自励发电机中还应减去励磁损耗中还应减去励磁损耗 第1章 直流电机 各功率流程图各功率流程图 PFe Pmec Pad P0 Pc

59、u Pcua Pcuf（自励发电机才有）（自励发电机才有） P1 原动机原动机 输入功率输入功率 Pem 电磁功率电磁功率 =EaIa P2输出功率（也称额定功率）输出功率（也称额定功率）=UNIN 发电机的效率为：发电机的效率为：%100%100 2 2 1 2 PP P P P 不变功率损耗不变功率损耗 可变功率损耗可变功率损耗 第1章 直流电机 例例1 一台并励直流发电机一台并励直流发电机,电枢回路总电阻等于电枢回路总电阻等于0 . 25 , 励磁回路电阻等于励磁回路电阻等于44 ,当端电压当端电压U=220 V ,负载电阻负载电阻 RL=4 时时,试求试求: ( 1 )励磁电流和负载电

60、流励磁电流和负载电流; ( 2 ) 电枢电流和电枢电动势电枢电流和电枢电动势; ( 3 )输出功率和电磁功率。输出功率和电磁功率。 A R U I f N f 5 44 220 A R U I L N L 55 4 220 AIII fLa 60555 VIRUE aaNa 2356025. 0220 KWIUP LN 1 .1255220 2 KWPPPP cufcuaem 1 .1444525. 060101 .12 223 2 解解: (1) (2) (3) f I U I a E a I P42P42 例例1.6.11.6.1自阅自阅 第1章 直流电机 1.6.3 他励发电机的运行特性