电机学 直流电机.

1、No Image No Image No Image 第第3 3章章 直流电机直流电机 电机学电机学 Electric Machinery 直流电机是电机的主要类型之一。直流电机 自身有着显著的优点优点，但与交流电机相比自身又 有着缺点缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有 直流电机性能的电机不断涌现，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 论意义和实用价值! 1.1.直流电动机以其良好的直流电动机以其良好的起动性起动性和和调速性能调速性能著称著称。 2.2.直流发电机直流发电机供电质量供电质量较好，常常作为励磁电源。较好，常常作为励磁电源。 结构较复杂结构较复杂 直流电机

2、直流电机 成本较高成本较高 使它的应用受到使它的应用受到 限制限制 可靠性较差可靠性较差 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 2 2、说明电机的磁动势和磁场、说明电机的磁动势和磁场 4 4、分析直流电动机的稳态运行性能、分析直流电动机的稳态运行性能 3 3、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 第三章 直流电机的原理 3.1 直流电机的主要结构部件直流电机的主要结构部件 u N极和极和S极只能成对出现极只能成对出现 且沿圆周均匀交替分布；且沿圆周均匀交替分布； u 极对数：极对数：N极或极或S极的个极的个 数，

3、通常用数，通常用 p 表示；表示； u 极数：极数：主磁极的个数，等主磁极的个数，等 于于 2p 。 N SN S p=2 即即4极电机极电机 3.1.1 3.1.1 主要结构主要结构 第三章 直流电机的原理 第三章 直流电机的原理 1）主磁极）主磁极 2）励磁绕组）励磁绕组 主磁极钢板冲片主磁极钢板冲片 （厚）（厚） 主磁极由钢板主磁极由钢板 冲片叠压而成冲片叠压而成 励磁绕组套在励磁绕组套在 主磁极极身上主磁极极身上 第三章 直流电机的原理 3）电枢铁心）电枢铁心 4）电枢绕组）电枢绕组 电枢铁心冲片电枢铁心冲片 厚厚) （硅钢片）（硅钢片） 涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲 片叠压而成片叠压而成 均

4、匀开槽均匀开槽 直流电机的转子直流电机的转子 第三章 直流电机的原理 5）换向器）换向器 6）电刷）电刷 电刷电刷 第三章 直流电机的原理 换向器换向器 第三章 直流电机的原理 发电机：发电机：PNUNIN (输出电功率输出电功率) 电动机：电动机：PNUNINN (输出机械功率输出机械功率) 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据 额定功率额定功率PN单位单位W或或kW 额定电压额定电压UN单位单位V 额定电流额定电流 IN单位单位A 额定励磁电压额定励磁电压UfN单位单位V 额定励磁电流额定励磁电流IfN单位单位A 额定转速额定转速nN单位单位r/min 额定效率额定效率N 额定转矩额定转矩

5、TN单位单位Nm 第三章 直流电机的原理 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据 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 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，电机出线在额定工况下，电机出线 端的平均电压端的平均电压 N U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额定电流 在额定电压、额定电流下，

6、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额定转速 第三章 直流电机的原理 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电机运行于额定状电机运行于额定状 态。电机的运行电流小于额定电流态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额欠载运行；运行电流大于额 定电流定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载过载运行。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

7、命。电机最好运行于额定状态或额定状态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。附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。 fN I额定励磁电流 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 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据 指直流电机的励磁线圈指直流电机的励磁线圈 与电枢线圈的连接方式与电枢线圈的连接方式 励磁方式励磁方式 第三章 直流电机的原理 3.1.3 直流电机的励磁方式 1、直流发电机、直流发电机 u 通过通过换向器换向器和和电刷电刷将交流变成直流将

8、交流变成直流 3.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 第三章 直流电机的原理 BlvBe 2、导体感应电动势、导体感应电动势 第三章 直流电机的原理 第三章 直流电机的原理 3、直流电动机、直流电动机 u 导体中的电动势和导体中的电动势和 电流为交流电流为交流 增加导体减小感应电动势增加导体减小感应电动势 脉动。当每极下导体数大脉动。当每极下导体数大 于于8 8时，脉动可小于时，脉动可小于1%1%。 第三章 直流电机的原理 p 环形电枢绕组环形电枢绕组 u 只有一半的导体产生只有一半的导体产生 感应电动势，导体利感应电动势，导体利 用率低。用率低。 eeeeeee eeeeeee 电枢绕

9、组的演变电枢绕组的演变 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e 2e No Image p 鼓形电枢绕组鼓形电枢绕组 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 通过换向片，6个元件依次串连构成一个闭合回路。 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 位于对称位置的电刷将闭合的6个线圈分成两个并联支路。 电刷将环形闭合电枢绕组分成两条对称的并联支路。 两个电刷位于

10、换向器内圆对称位置(实际放置在外圆上)。 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 No Image 构成构成 直流电机电枢绕直流电机电枢绕 组的基本单元为元件组的基本单元为元件; 一台电机的元件数一台电机的元件数 一般等于电机的槽数一般等于电机的槽数. 27 第三章 直流电机的原理 元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单 匝和多匝两种。匝和多匝两种。 3.3 3.3 直流电机的电枢绕组简介直流电机的电枢绕组简介 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线：每一

11、个元件均引出两根线 与换向片相连，其中一根称为首端，与换向片相连，其中一根称为首端， 另一根称为末端。另一根称为末端。 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 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距离，用 表示。表示。 p D 2 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

12、件串 联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 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 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 2

13、1 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 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 第三章 直流电机的原理 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识 单叠绕组元件 右行 左行 第一节距第一节距 y1 第二节距第二节距 y2 合成节距合成节距 y 换向节距换向节距 yK 整数 2 i 1 p Z y 单波绕组元件 右行 p K yy 1 K 左行 p K yy 1 K 右行 第三章 直流电机的原理 3.3.2 单叠绕组 3.3 直流电机的电枢绕组简介 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

14、)相互叠压相互叠压,合成节距与换向节合成节距与换向节 距均为距均为1，即：，即： 。1 k yy 单叠绕组的展单叠绕组的展 开图是把放在铁心开图是把放在铁心 槽里、构成绕组的槽里、构成绕组的 所有元件取出来画所有元件取出来画 在一张图里，展示在一张图里，展示 元件相互间的电气元件相互间的电气 连接关系及主磁极、连接关系及主磁极、 换向片、电刷间的换向片、电刷间的 相对位置关系相对位置关系. 第三章 直流电机的原理 3.3.2 单叠绕组 直流电机的电枢绕组简介 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(下图下图)。 单叠绕组的的特点：单叠绕

15、组的的特点： 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，主磁极串联成一条支路，主磁极 数与支路数相同。数与支路数相同。 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）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。 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 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。 两个串联元件两个串联元件 放在同极磁极下，放在

16、同极磁极下， 空间位置相距约两空间位置相距约两 个极距；沿圆周向个极距；沿圆周向 一个方向绕一周后，一个方向绕一周后， 其末尾所边的换向其末尾所边的换向 片落在与起始的换片落在与起始的换 向片相邻的位置。向片相邻的位置。 3.3.3 单波绕组 第三章 直流电机的原理 3.3 直流电机的电枢绕组简介 3.3.3 单波绕组 单波绕组的并联支路图如右图所示。单波绕组的并联支路图如右图所示。 单波绕组的特点单波绕组的特点 1）同极下各元件串联起）同极下各元件串联起 来组成一条支路，支路对来组成一条支路，支路对 数为数为1，与磁极对数无关，与磁极对数无关; 2）当元件的几何形状对称）当元件的几何形状对称

17、 时，电刷在换向器表面上时，电刷在换向器表面上 的位置对准主磁极中心线，的位置对准主磁极中心线， 支路电动势最大；支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数； 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）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。 第三章 直流电机的原理 u 直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组；直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组； u 直流电机电枢绕组至少有直流电机电枢绕组至少有2条并联支路。条并联支路。 在直流电机中，通常用在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数表示并联支路对数 单叠绕组单叠绕组a = p

18、即并联支路对数恒等于电机极对数即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组单波绕组a = 1 即并联支路对数恒等于即并联支路对数恒等于1 u 电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷 引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中 的电动势为零。的电动势为零。 u 对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下 的换向片上。的换向片上。 3.3 直流电机的电枢绕组简介 第三章 直流电动机的原理 例例1：一台直流电机，：一台直流电机，2p=4，S=120，每元件电阻为，

19、每元件电阻为，当转速当转速 n=1000r/min时，每元件的平均电动势为时，每元件的平均电动势为10V。问当电枢绕组。问当电枢绕组 分别为单叠和单波时，正负电刷端的电压分别为单叠和单波时，正负电刷端的电压U和电枢绕组电阻和电枢绕组电阻Ra 解解: : 设直流电机电枢绕组的并联支路数设直流电机电枢绕组的并联支路数2a2a，则每条支路串，则每条支路串 联的元件数为联的元件数为S/2aS/2a，每条支路的感应电动势等于支路串联的，每条支路的感应电动势等于支路串联的 各元件感应电动势之和，而支路电阻亦等于支路串联的各元各元件感应电动势之和，而支路电阻亦等于支路串联的各元 件电阻之和。由于各条支路是对

20、称的，因此正负电刷间的感件电阻之和。由于各条支路是对称的，因此正负电刷间的感 应电动势等于支路感应电动势，而电枢绕组电阻则等于支路应电动势等于支路感应电动势，而电枢绕组电阻则等于支路 电阻除以并联支路数。空载时，正负电刷端的电压等于正负电阻除以并联支路数。空载时，正负电刷端的电压等于正负 电刷间的感应电动势。电刷间的感应电动势。 第三章 直流电动机的原理 电枢绕组为单波绕组时，电枢绕组为单波绕组时，2a=2，每条支路串联的元件数为，每条支路串联的元件数为 120/2=60120/2=60，故有，故有 VVU6006010 6 2 602 . 0 a R 电枢绕组为单叠绕组时，电枢绕组为单叠绕组

21、时，2a=2p=4 Ra VVU3003010 5 . 1 4 302 . 0 a R 第三章 直流电动机的原理 例例2：设一台：设一台4kW、220V，效率，效率N=84%的两极直流电动机，的两极直流电动机， 电枢绕组为单叠绕组，槽数电枢绕组为单叠绕组，槽数Q=18=18，每槽每层元件边数，每槽每层元件边数u=4,=4,元元 件匝数件匝数Ny=8=8。试求：。试求： （1 1）电机的额定电流；）电机的额定电流； （2 2）电枢绕组数据：虚槽数）电枢绕组数据：虚槽数Qu，换向片数，换向片数K K，绕组元件数，绕组元件数S S， 总导体数总导体数Za以及绕组各节距。以及绕组各节距。 解解 （1

22、1）额定电流）额定电流 AA U P I NN N N 65.21 84. 0220 104 3 （2 2）虚槽数）虚槽数 72184uQQu 元件数、换向片数元件数、换向片数 72 u QKS 第三章 直流电动机的原理 合成节距合成节距1 k yy 第一节距第一节距 180 4 72 2 1 p Q y u 第二节距第二节距 1917181 12 或yyy 总导体数总导体数 根根115272822SNZ ya 第三章 直流电机的原理 3.3.11. 3.3.11. 直流电机空载磁场直流电机空载磁场 3.4 3.4 直流电机的磁场直流电机的磁场 右图为一台四极直右图为一台四极直 流电机空载时的

23、磁场示流电机空载时的磁场示 意图。意图。 当励磁绕组的串联匝数当励磁绕组的串联匝数 为为 ，流过电流为，流过电流为 ， 每极的励磁磁动势为：每极的励磁磁动势为： f N f I fff NIF 第三章 直流电机的原理 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应 电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增没有这个作用，它只是增 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得 多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%。 磁力线由磁力线由N极出来，

24、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极，再极，再 经定子铁轭回到经定子铁轭回到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 直流电机的空载磁场 第三章 直流电机的原理 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状阻时，主磁极下气隙磁通密度的

25、分布就取决于气隙的大小和形状. 如右图如右图 (a) 所示所示 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小且磁极中心及附近的气隙小且 均匀，磁通密度较大且基本为常均匀，磁通密度较大且基本为常 数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，数，靠近极尖处，气隙逐渐变大， 磁通密度减小；极尖以外，气隙磁通密度减小；极尖以外，气隙 明显增大，磁通密度显著减少，明显增大，磁通密度显著减少， 在磁极之间的几何中性线处，气在磁极之间的几何中性线处，气 隙磁通密度为零。隙磁通密度为零。 直流电机的空载磁场 第三章 直流电机的原理 空载时的气隙磁通密度为一平空载时的气隙磁通密度

26、为一平 顶波，如下图顶波，如下图(b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分布情空载时主磁极磁通的分布情 况，如右图况，如右图(c) 所示。所示。 x B （b）气隙磁密分布）气隙磁密分布 直流电机的空载磁场 第三章 直流电机的原理 为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转 矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，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

27、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点，即在磁化特点，即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。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 直流电机空载磁化特性 第三章 直流电机的原理 直流电机带上负载后，电枢绕组中有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电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁电枢磁 动势动势。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。 右图为一台电刷放在几何中性线的

28、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情况。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，电枢磁动势为交轴磁动势。的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。 直流电机负载时的负载磁场 第三章 直流电机的原理 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，则电有无穷多整距元件分布，则电 枢磁动势在气隙圆周方向空间枢磁动势在气隙圆周方向空间 分布呈三角波，如图中分布呈三角波，如图中 所所 示。示。 ax F 由于主磁极下

29、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 为对称的马鞍型，如图中为对称的马鞍型，如图中 所示。所示。 ax B ax B ax F 直流电机负载时的负载磁场 第三章 直流电机的原理 当励磁绕组中有励磁电流，当励磁绕组中有励磁电流， 电机带上负载后，气隙中的磁场电机带上负载后，气隙中的磁场 是励磁磁动势与电枢磁动势共同是励磁磁动势与电枢磁动势共同 作用的结果。电枢磁场对气隙磁作用的结果。电枢磁场对气隙磁 场的影响称为场的影响称为电枢反应电枢反应

30、。电枢反。电枢反 应与电刷的位置有关。应与电刷的位置有关。 1、当电刷在几何中性线上时，将、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，主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，可得到负载后电机的磁场分布情况， 如图（如图（a）所示。）所示。 3.4 直流电机的磁场 3.4.4 直流电机的电枢反应 第三章 直流电机的原理 电枢磁场磁通电枢磁场磁通 密度分布曲线密度分布曲线 主磁场的主磁场的 磁通密度磁通密度 分布曲线分布曲线 两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得 到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁 通密度分布曲线通密度分布曲线 3.4 3.4 直流

31、电机的磁场直流电机的磁场 3.4.4 3.4.4 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 第三章 直流电机的原理 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、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 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，一半被削弱，物理反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理 中性线偏离几何中性线中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。

32、角，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，因此每磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，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，主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，增加的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。即电刷在几何中性线时磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时 的电枢反应为的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。 3.4 3.4 直流电机的磁场直流电机的磁场 3.

33、4.4 3.4.4 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 第三章 直流电机的原理 2 2、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时 电刷从几何中性线偏电刷从几何中性线偏 移移 角，电枢磁动势角，电枢磁动势 轴线也随之移动轴线也随之移动 角，如图角，如图(a)(b)所示。所示。 ad F aq F 这时电枢磁动势可以这时电枢磁动势可以 分解为两个垂直分量分解为两个垂直分量: 交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势 . 如图如图(a)(b)所示。所示。 3.4 3.4 直流电机的磁场直流电机的磁场 3.4.4 3.4.4 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 第三

34、章 直流电机的原理 电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明 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和直轴助磁交轴和直轴助磁 电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁 3.4 3.4 直流电机的磁场直流电机的磁场 3.4.4 3.4.4 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 第三章 直流电机的原理 B Bav b x 0 eb lv /2za /2 1 2 za iav i z Eee a avav eB lva B lv 2 k zSN 3.5 直流

35、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 3.5.1 直流电机电枢绕组的感应电动势直流电机电枢绕组的感应电动势 第三章 直流电机的原理 3.5 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 3.5.1 直流电机电枢绕组的感应电动势直流电机电枢绕组的感应电动势 2/60vp n 0av Bla Bl 00 60 ae pz EnCn a V 60 e pz C a 60 ae pz EnCn a V 第三章 直流电机的原理 3.5 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 3.5.2 直流电机电枢绕组电磁转矩直流电机电枢绕组电磁转矩 b Bav

36、 b x 0 . . . . . . . . . . . . . . n ia T 2 a a I fb lib l a 1 22 z a iavav i ID TtztzB l a 2 D tf 22 a avav ID tB l a 第三章 直流电机的原理 3.5 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 3.5.2 电磁转矩电磁转矩 2 ata pz TICI a N 2 t pz C a 2/Dp av B l 第三章 直流电机的原理 总结：总结： 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 感应电动势感应电动势E：支路中各串联元件感应电动势的代数

37、和。：支路中各串联元件感应电动势的代数和。 电磁转矩电磁转矩 Tem：所有导体产生的电磁转矩的代数和。：所有导体产生的电磁转矩的代数和。 ema 2 T a T TCI pN C a 60 E a E ECn pN C a u为每极磁通量，空载时由励磁电流产生，负载时由励为每极磁通量，空载时由励磁电流产生，负载时由励 磁电流和电枢电流共同产生。磁电流和电枢电流共同产生。 uCE为电动势常数，为电动势常数，CT为转矩常数，与电机结构有关。为转矩常数，与电机结构有关。 30 TE CC 3.5 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 性质性质: :发电机发电机电源电势电源电势

38、( (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).). 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) )。 第三章 直流电动机的原理 例例3 3：一台四极、：一台四极、82kW82kW、230V230V、971r/min971r/min的他励直流发电机，如的他励直流发电机，如 果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极磁通，果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极磁通， 试求当电机输出额定电流时的电磁转矩。试求当电机

39、输出额定电流时的电磁转矩。 解解 额定电流额定电流 AA U P I N N N 5 .356 230 1082 3 他励电机，额定电枢电流他励电机，额定电枢电流AII NaN 5 .356 依题意有依题意有 Ne UnCE 2371. 0 970 230 n U C N e 2643. 22371. 0 3030 eT CC 电磁转矩电磁转矩 mNmNICT aNTe 2 .8075 .3562643. 2 第三章 直流电动机的原理 例例4 4：一台直流发电机数据：一台直流发电机数据：p=6 （1 1）发电机的感应电动势；）发电机的感应电动势； （2 2）当转速）当转速n=900r/minn

40、=900r/min，但磁通不变时的感应电动势；，但磁通不变时的感应电动势； （3 3）当磁通，）当磁通，n=900r/minn=900r/min时的感应电动势。时的感应电动势。 解解 （1 1）13 360 7803 60 a pN Ce 转速转速 40 3030 n r/min1200r/min 感应电动势感应电动势VVnCE e 5 .61112000392. 013 第三章 直流电动机的原理 e CnE min/900rn （2）当）当不变时，不变时， 。因此。因此时的感应电动势为时的感应电动势为 VVE6 .4585 .611 1200 900 e CE0435. 0（3）当）当和和n

41、不变时，不变时，。因此。因此Wb时的感应电动势为时的感应电动势为 VVE9 .5086 .458 0392. 0 0435. 0 第三章 直流电机的原理 3.6 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 以他励电机为例说明可逆原理：以他励电机为例说明可逆原理： 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。 把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行，把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行， 保持不变。保持不变。 U 保持发电机的保持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转不变，减少原动

42、机的输出功率，发电机的转 速下降。当速下降。当 下降到一定程度时下降到一定程度时, 使得使得 , 此时此时 ，发，发 电机输出的电功率电机输出的电功率 ，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿 电机的空载损耗。继续降低原动机的电机的空载损耗。继续降低原动机的 ，将有，将有 ， 反向，反向， 这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理， 上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机 状态。状态。 nUEa0I 0 2 P nUE a

43、U a I 第三章 直流电机的原理 3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 3.7.1 直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程 a E M U a I em T 0 T 2 T n f I f U 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 电机的基本方程如下：电机的基本方程如下： aTem ICT 02 TTTem )( 02adFemecemem PPPPPPP aaemCuaem IETPPP 1 nCE ea aaabaaa RIEURIEU2 UE a 第三章 直流电机的原理 3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 3.7.2 直流电动机的功率

44、关系直流电动机的功率关系 1 PU I 输入电功率输入电功率 P1 1 2 ()() Cuf afafaaaf aaafemCua PUIU IIUIUIEI R IUI EII RUIPpp 2 2 emaa C uaaa C uffff PE I pI R pU IIR 1 2 Cuf emCua emFemecad PPpp PPppp pCua+pCuf 亦称之为可变损耗。亦称之为可变损耗。 pFe+pmec+pad=p0 称之为空载损耗，亦称为不变损耗。称之为空载损耗，亦称为不变损耗。 电磁功率电磁功率 Pem 电枢铜耗电枢铜耗 pCua 励磁铜耗励磁铜耗 pCuf 电机铁耗电机铁耗

45、 pFe 机械损耗机械损耗 pmec 附加损耗附加损耗 pad 输出机械功率输出机械功率 P2 第三章 直流电机的原理 3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 稳态运行转矩方程稳态运行转矩方程 电磁转矩电磁转矩 Tem 负载转矩负载转矩 T2 空载制动转矩空载制动转矩 T0 02em PpP 20em PPp 20em TTT 20 d d em TTTJ t 动态运行转矩方程动态运行转矩方程 v4. 效率效率 21 112 100%100%(1) 100% PPpp PPPp 3.7.2 直流电动机的功率关系直流电动机的功率关系 第三章 直流电机的原理 3.7 3.7 直流电动

46、机运行原理直流电动机运行原理 3.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 1、转速特性、转速特性 一、他励（并励）一、他励（并励）直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 N UU 定义：当定义：当 、 时，时， fN II )( a Ifn 由方程式可得由方程式可得 a e a e N I C R C U n 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负忽略电枢反应的去磁作用，转速与负 载电流按线性关系变化。如图所示。载电流按线性关系变化。如图所示。 2、转矩特性、转矩特性 N UU 定义：当定义：当 、 时，时， fN II )( aem IfT 转矩表达式转矩表达式 aNTem ICT 考

47、虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上 升的慢。如图所示。升的慢。如图所示。 a I n 0 n 2 T 0 T em T T 第三章 直流电机的原理 3.7 3.7 直流电动机运行原理直流电动机运行原理 3.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 3、效率特性、效率特性 N UU 定义：当定义：当 、 时，时， fN II )( a If 由方程式可得由方程式可得 aN aa IU IRP P PP n 2 0 1 1 1 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化， 当负载电流较小时效率较低，输入功率大部

48、分当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分 消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增 大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但 当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此 时效率又变小。如图所示。时效率又变小。如图所示。 a I 0 第三章 直流电动机的原理 3.8 他励直流电动机的机械特性 3.8.1 机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、 电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，

49、电动电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动 机的转速与电磁转矩之间的关系：机的转速与电磁转矩之间的关系：)( em Tfn em em Tee Tn T CC R C U n 0 2 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式： 0 n 0 n N n n em T N T0 T 0 n称为理想空载转速。称为理想空载转速。 实际空载转速实际空载转速 0 2 0 T CC R C U n Tee 3.8 3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 3.8.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性

50、一、固有机械特性 当当 时的机械特性称为固有机械特性：时的机械特性称为固有机械特性： aNN RRUU, em NTe a Ne N T CC R C U n 2 二、人为机械特性二、人为机械特性 当改变当改变 或或 或或 得到的机械特性称为人为机械特性。得到的机械特性称为人为机械特性。U a R 第三章 直流电动机的原理 3.8 3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 3.8.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 1 1、电枢串电阻时的人为特性、电枢串电阻时的人为特性 保持保持 不变不变,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为特性的人为特性

51、 NN UU, S R em NTe Sa Ne N T CC RR C U n 2 Sa RR 0 n n a R em T 特点：特点：1 1） 不变，不变， 变大变大 0 n 2） 越大，特性越软。越大，特性越软。 第三章 直流电动机的原理 3.8 3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 3.8.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性 2 2、降低电枢电压时的人为特性、降低电枢电压时的人为特性 保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压 时的人为特性：时的人为特性： Na RR,U em NTe a Ne T CC R C U n 2 1 U

52、N UU 1 01 n 0 n n N U em T 特点：特点：1)1) 随 随 变化变化, , 不变不变; ; 2) 2) 不同不同, ,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。 0 n U U 第三章 直流电动机的原理 3.8 他励直流电动机的机械特性 3.8.2 固有机械特性和人为机械特性 3 3、减弱励磁磁通时的人为特性、减弱励磁磁通时的人为特性 保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性： Na UURR, Sf R em Te a e N T CC R C U n 2 01 n 1 1k T 2 02 n 2k T N n 0 n em

53、 T k T N 12 特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大 0 n 第三章 直流电动机的原理 3.8 他励直流电动机的机械特性 3.8.3 机械特性求取 一、固有特性的求取一、固有特性的求取 ), 0( 0 nnT em ),( NNem nnTT 已知已知 ，求两点求两点:1:1）理想空载）理想空载 点点 和额定运行和额定运行 。 NNNN nIUP, , 具体步骤：具体步骤： （1）估算）估算: a R 2 ) 3 2 2 1 ( N NNN a I PIU R （2 2）计算）计算: NTNe CC和 N NNN Ne n PIU C Ne

54、NT CC55.9 （3）计算理想空载点：）计算理想空载点： Ne N em C U nT 0 , 0 （4 4）计算额定工作点：）计算额定工作点： NNNTN nnICT, 二、人为特性的求取二、人为特性的求取 在固有机械特性在固有机械特性 方程方程 的基础上，根据人为的基础上，根据人为 特性所对应的参数特性所对应的参数 或或 或或 变化，重新变化，重新 计算计算 和和 ，然后得，然后得 到人为机械特性方程到人为机械特性方程 式。式。 em Tnn 0 S R U 0 n 第三章 直流电动机的原理 第三章 直流电动机的原理 3.9 串励直流电动机 3.9.1 串励电动机的机械特性 a kI

55、当磁路不饱和时当磁路不饱和时 kC T I kICICT T em a aTaTem 2 kC R T U kC kC T CC R C U n e em e T em Tee 2 当磁路饱和时，磁通基本不变，当磁路饱和时，磁通基本不变， 机械特性与他励直流电动机的机械特机械特性与他励直流电动机的机械特 性相似。性相似。 T Tem em n n A A B B C C 磁路不饱和磁路不饱和 时的机械特时的机械特 性曲线性曲线ABAB段段 磁路饱和时磁路饱和时 的机械特性的机械特性 曲线曲线BCBC段段 一、固有特性一、固有特性 aN RRUU,固有特性是指当固有特性是指当 时的特性，具有以下

56、特点时的特性，具有以下特点: 一、固有特性一、固有特性 （1 1）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大； 00 ,/,0,0,0nCUnIT eaem （2 2）空载时，）空载时， 为无穷为无穷 大大. .实际上实际上, ,空载时存在剩磁，空载时存在剩磁， 为有限值，但值也很大为有限值，但值也很大 “飞车飞车”现象。因此现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行串励电动机不允许空载或轻载运行。 0 n （3 3）由于）由于 ，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机 的起动转矩大，过载能力强。的起动转矩大，过载

57、能力强。 2 aem IT 第三章 直流电动机的原理 3.9 串励直流电动机 3.9.1 串励电动机的机械特性 二、人为特性二、人为特性 1 1、电枢串电阻的人为特性、电枢串电阻的人为特性 串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固 有特性的下方，且特性变得更软。有特性的下方，且特性变得更软。 2 2、降低电压的人为特性、降低电压的人为特性 降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后， 电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特电枢反电动势随之减少，转

58、速必然减少，所以降低电压的人为特 性位于固有特性下方。性位于固有特性下方。 3 3、改变磁通的人为特性、改变磁通的人为特性 改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特 性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所 以人为特性位于固有特性上方。以人为特性位于固有特性上方。 第三章 直流电动机的原理 3.9 串励直流电动机 3.9.1 串励电动机的机械特性 3.10 电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导处于某一转速下运行的

59、电力拖动系统，由于受到某种扰动，导 致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的 条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速 下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。 n A em T L T A n 0 在在 点点, 系统平衡系统平衡 A Lem TT A n 扰动使转速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速由 上升到上升到 ， ，扰动消失，系，扰动消失，系 统减速，回到统减速，回到 点

60、运行。点运行。A A n A n Lem TT n A em T L T A n 0 A n 扰动使转速由扰动使转速由 下降到下降到 , ， 扰动消失，系统加速，回到扰动消失，系统加速，回到 点运点运 行。行。 A A n A n Lem TT n A em T L T A n 0 第三章 直流电动机的原理 B n 扰动使转速由扰动使转速由 下降到下降到 ， , 系统将一直减速，系统将一直减速， 不可能回到不可能回到 点点 运行。运行。 B B n B n Lem TT n B em T L T B n 0 B n 扰动使转速由扰动使转速由 上升到上升到 ， , 即使扰动消失即使扰动消失,系统