第1章_直流电机教案

1、 该教案格式是根据国家示范性中职学校标准编制教案格式2 （适用于任务驱动教学）教 案 首 页教学对象2013级铁道电气化授课日期201408教学内容项目一：直流电路计划学时22教学目的知识技能态度1、掌握在磁场里运动导体产生感应电动势和载流导体受力这两个基本规律。这两个规律是直流电机工作的理论基础。2、了解直流电机的主要结构和各部分的主要作用。3、知道直流电机的铭牌中有哪些主要的额定数据及其含义。4、熟练掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式和性质。5、了解直流发电机的励磁方式。6、掌握直流电动机稳态运行的基本方程式和功率的关系式。7、掌握他励直流电动机的机械特性。8、掌握直流发电机稳态运行的基本

2、方程式和功率的关系式。1.培养热爱科学的精神2.培养探索科学的精神教学重点与难点1.直流电机的主要结构以及各部分的作用；电枢电动势和电磁转矩的计算公式和性质；直流发动机的励磁方式；他励直流电动机的机械特性。 2. 直流电机的工作原理和直流电机稳定运行的基本方程式和功率关系。教学资源多媒体教室、相关参考书（教学内容） 第1章 直流电机1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然目前不如交流电机应用普通，但是，直流电动机具有比交流电动机较为优良的调速和起动性能。它的调速范围广，平滑性、经济性较好，采用晶闸管调速系统更为方便；它的起动转矩较大。这种性能对有些机械的

3、拖动是十分重要的，例如大型机床、电力机车、大型轧钢机、大型起重设备等。 直流发电机过去是直流电的主要电源之一，广泛地用在电解、电镀、充电等设备中，也用作同步电机的励磁和直流电动机的电源。由于晶闸管整流技术日益发展，在某些场合已经取代直流发电机。直流电动机的优点：（1） 调速范围广，易于平滑调节（2） 过载、启动、制动转矩大（3） 易于控制，可靠性高（4） 调速时的能量损耗较小缺点: （1）换向困难，容量受到限制，不能做的很大；（2）制造工艺复杂，生产成本高；（3）运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，维护较麻烦。（4） 调速时的能量损耗较小人们虽做过很多研究工作来改善交流电动机的

4、性能，但还不能全部用交流拖动来代替直流拖动。因而，在某些机械的拖动中，仍需用直流电动机。应用: 轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。直流发电机用作电解、电镀、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。在不同的外部条件下，电机中能量转换的方向是可逆的。如果从电机轴上输入机械功率，电枢绕组中感应电动势大于端电压，即时，电机运行于发电机状态，将机械能转化为电能，从电刷两端输出电能；如果从电枢输入电功率，电枢绕组中感应电动势小于外加端电压，即时，电机运行于电动机状态，将电能转换为机械能，从轴上输出机械能。1.1.1 直流发电机的工作原理1

5、、工作原理：电磁感应定律导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。 e=Blv。B:磁密l：导体长度； v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。2、发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理（1） 构成： 磁场：图中 N和 S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。励磁绕组容量较小的发电机是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上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。电枢绕组：在N极和 S极

6、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电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。 换向器：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换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。（2）工作过程：STEP1：电动势产生当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同。电流由电刷流出，由电刷流回。*电动势与电流关系：同向STEP2：换向当电枢转

7、到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。这时线圈中感应电动势的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷 A总是接触 N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流仍由A流出 B流回，方向不变。结论：虽然有换向器的作用，将线圈内的交变电动势在两电刷间变换为方向不变的电动势，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。（3） 电磁转矩与能量转换分析 ：电磁转矩：电枢电流 Ia与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩 T。用左手定则可以判定，电磁转矩 T的方向与电枢旋转方

8、向相反。因此，在电枢等速旋转时，原动机的驱动转矩T1必须与发电机的电磁转矩 T和空载损耗转矩 T0相平衡( T0是发电机轴上的转矩)，即T1=T+ T0结论：电磁转矩方向与转速方向关系：反向能量转换：原动机（机械能）-电磁转矩-发电机负载（电能）当发电机的负载(即电枢电流)增加时，电磁转矩和输出功率也随之增加，这时原动机的驱动转矩所供给的机械功率亦必须相应增加，以保持转矩之间和功率之间的平衡。可见，发电机向负载输出电功率的同时，原动机却向发电机输出机械功率，发电机起着将机械能转换为电能的作用。1.1.2 直流电动机的工作原理1工作原理：电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导

9、体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为： f = Bli 力的方向用左手定则确定理解：电流产生磁场原理的变形（电流产生磁场）一个通电线圈相当于一个具有NS极的磁体。形成电磁力。2电动机工作过程分析：直流电动机的工作原理图。（1）构成： 磁场：图中 N和 S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。励磁绕组容量较小的发电机是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上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。电枢绕组：在N极和 S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电枢绕组(图中只

10、画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。 换向器：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换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。（2）工作过程：STEP1：电磁转矩产生电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷 A流入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。结论：电磁转矩与电枢旋转方向关系：同向STEP2：换向当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，

11、cd边转到了N极下。这时线圈电磁转矩的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷 A总是接触 N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变。（3） 电动势与能量转换分析 ：电动势：电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右手定则判定)的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。它与发电机的电动势 E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。可见，电动机向负载输出机械功率的同时，却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作

12、用。结论：电动势方向与电流方向关系：反向能量转换：电源（电能）-电磁转矩-负载（机械能）综上所述，可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运行，又可以作为发电机运行，这主要取决于不同的外部条件。若将直流电源加在电刷两端，电机就能将直流电能转换为机械能，作电动机运行； 若用原动机拖动电枢旋转,输入机械能，电机就将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种运行状态的可逆性称为直流电机的可逆运行原理。 比较：发电机和电动机两者的电磁转矩T、电动势的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩

13、T2及空载损耗转矩T0相平衡，即TT2十T0。发电机的电动势是电源电动势。电动机的电动势是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。1.2 直流电机的基本结构及铭牌1.2.1电机的基本结构直流发电机和直流电动机从主要结构上看, 没有差别。从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。定子部分包括：机座、主磁极（包括励磁绕组）、换向极（包括换相极绕组）和电刷装置和端盖等部分组成。定子主要作用是用来

14、建立磁场，产生一定空间分布的磁场。转子部分包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和轴承等。其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，是直流电机的核心部件。装配后的直流电机如图1.1所示。 图1.1 直流电机装配结构图1换向器; 2 电刷杆; 3机座; 4 主磁极; 5换向极;6端盖; 7风扇; 8 电枢绕组; 9 电枢铁心一、定子定子的作用是产生磁场和作为电机机械支撑。它由主磁极、换向磁极、电刷、机座、端盖和轴承等组成。(一)主磁极产生主磁通。1) 主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5

15、mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图1.2所示。 图1.2主磁极的结构 图1.3 换向极1主磁极 2励磁绕组3机座 1换向极铁心 2换向极绕组 改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。2) 换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如1.3所示。换向极绕组用绝缘导

16、线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。3) 机座用来固定主磁极、换向磁极和端盖，是电机磁路的一部分。电机定子的外壳称为机座，见图1.1中的3。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 4) 电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1.4所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧

17、压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 图1.4 电刷装置1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4刷辫5) 端盖端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。二、转子转子又称电枢，是电机的旋转部分。1) 电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图1.5(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆

18、开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。图1.5 转子结构图2) 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图1.6所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。图1.6 电枢槽的结构 图1.7 换向器结构1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体 1换向片 2连接部分4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘 电枢绕组有关术语1

19、）极轴线主磁极的中轴线。2) 几何中性线相邻两个主磁极之间的几何分界线。3) 极距：相邻两磁极中心线间的距离称为极距，常用槽数表示， =z/2p其中z为槽数，p为极对数。4)绕组元件两端分别与两个换向器片联接的单匝或多匝线圈，每个元件由两个放在电枢槽中可以产生感应电动势的有效边，叫元件边。槽外部分只起连接作用，叫端接部分。5)节距绕组元件的宽度和元件之间的连接规律。第一节距: 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用 y1 表示,一般用槽数计算.线圈可分为： 整距绕组: y1 = 短距绕组: y1 换向节距: 一个元件的两个边在换向器上的距离称为换向节距，用 yk 表示.3) 换向器

20、在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固通常如图1.7所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用螺母锁紧。4) 转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。1.2.2直流电机的铭牌 为保证电机能够安全可靠稳定运行，根据国家标准和电机数据及实验数据，电机制造者规定了电机正常运行时的工作状态即电机的铭牌数据

21、，该数据也称为额定数据。 表1-1 直流电动机的铭牌举例 额定功率：也称为额定容量，指在额定条件下电机所能供给的功率。 额定电压：在额定运行条件下，电机出线端的平均电压。 额定电流：运行于额定电压、额定功率时对应的电枢电流值称为电机的额定电流。 额定转速：对应于额定电压、额定电流，几电机运行于额定功率时所对应的转速。 额定励磁电流：指电机运行于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；电动机：PN= UNINN。 机座序号为1-9，号数越大，电机直径越大1.2.3 直流电机的主要系列我国常用直流电机的系列1) Z、ZF、ZD系列 Z、ZF

22、、ZD系列是一般用途的中、小型直流电机，其额定功率范围为25400 kW， 额定转速范围为15004000 r/min。2) Z4、ZO2 系列 Z4、ZO2 系列是一般用途的中型直流电机， 适用于机床、造纸、水泥、冶金等行业。其额定转速范围为32001500 r/min。3) ZJF、ZJD系列ZJF、ZJD系列为大型直流发电机和直流电动机，适用于大型轧钢机、卷扬机和其他一些重型机械设备。其额定功率范围为10005350 kW。4) S、SY系列S、SY 系列是直流伺服电动机，S系列为老产品，SY系列为永磁式直流伺服电动机，其功率很小，多用于仪表伺服系统。5) ZCF、ZYS、CYD和CY系

23、列ZCF、ZYS、CYD和CY系列为直流测速发电机。其中ZCF系列为他励式直流测速发电机； ZYS系列为普通永磁式直流测速发电机，其额定输出电压较高，为 550 V或110 V； CYD系列为永磁式低速直流测速发电机； CY系列也为永磁式直流测速发电机，它的输出电压较低，其电动势为5 V（1000 r/min），可供小功率系统作测速反馈元件。国产直流电机的主要系列说明如下：Z2系列是普通中小型直流电机。该系列直流电机有调压发电机、电动机等。其工作方式为连续的。电机仅用于正常的使用条件，即非湿热地区，非多尘或无有害气体场所，非严重过载或无冲击性过载要求的情况下。系列容量范围从0.4220kW，采

24、用E级和B级绝缘。新设计的Z4系列电动机，可以取代Z2、Z3系列直流电动机，与Z2相比，体积小、重量轻、转动惯量小、调速范围大等优点。说明：在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行，称为额定运行。电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行，称为欠载运行，电机长期欠载，效率不高，造成浪费；当电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行，长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态。例1.1 某台直流电动机的额定值为：PN12kW，UN220V，nN1500r/min,

25、N89.2，求该电动机额定运行时的输入功率P1及电流IN。解：额定输入功率：额定电流：1.3 直流电机的磁场1.3.1直流电机的励磁方式除永磁式直流微电机外，绝大多数直流电机的磁场都是通过励磁绕组通以直流电流激励而建立的，这种磁场成为直流电机的主磁场，也称为励磁磁场。定义：励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类。1) 他励直流电机 励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图1.8(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图1.8中电流正方向是以电动机为例设定的。 2) 并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联。如图

26、1.8(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。 以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。3) 串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联，如图1.8(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。4) 复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图1.8(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。 (a) 他励电动机 (b) 并励电动机 (c) 串励电动机 (d) 复励电动机 图1.8 直流电机的励磁方式各种励磁方

27、式的特点：他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。直流电动机的工作特性与励磁方式密切相关。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。他、并励直流电动机的电磁转矩基本上正比于电枢电流，当负载变化时，转速变化很小，特性较硬。串励直流电动机的电磁转矩近似与电枢电流的平方成比例，因此串励电动机的起动力矩较大，负载变化时，转速变化较大，特性较软，在使用时注意不准空载或轻载工作，以免转速过高。复励直流电动机的特性介于二者之间。发电机的励磁装置的作用是用于向发电机磁场绕组提

28、供直流电流，以建立直流磁场。启动后的作用是正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行需要。如果发电机没有励磁装置就无法建立磁场，发电机就是纯机械式运转。说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。1.4 直流电机的运行原理1.4.1 直流电机的电枢电动势电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢旋转时，电枢绕组元件边内的导体切割电动势，由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，如图3.9所示，所以导体中感应电动势的大小是变化的。首先，我们应该明白运行时感应电动势始终存在直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动

29、势。这个感应电动势是指一条支路的电动势。那么如何计算感应电动势？要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。图1.9气隙合成磁场磁密的分布为分析推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为 式中 Bav一个极下气隙磁密的平均值，称平均磁通密度； l电枢导体的有效长度(槽内部分)； v电枢表面的线速度。 设电枢绕组总的导体数为N，则每一条并联支路总的串联导体数为N/2，因而电枢绕组的感应电动势 式中 对已经制造好的电机，是一个常数，

30、故称直流电机的电动势常数。 每极磁通的单位用Wb(韦伯)，转速单位用r/min时，电动势Ea的单位为V。 上式表明：对已制成的电机，电枢电动势Ea与每极磁通和转速n成正比。推导过程中，假定电枢绕组是整距的(y1 )，如果是短距绕组(y1 )，电枢电动势将稍有减小，因为一般短距不大，影响很小，可以不予考虑。式中的一般是指负载时气隙合成磁场的每极磁通。 1.4.2直流电机的电磁转距元件边所受切线方向电磁力 电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支路电流ia，成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图.所示。一根导体所受电磁力的大小为 如果仍把气隙合成磁场看成

31、是均匀分布的，气隙磁密用平均值Bav表示，则每根导体所受电磁力的平均值为 一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为式中电枢的外径。不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩方向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值Tav乘以电枢绕组总的导体数N，即 式中 对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。磁通的单位用Wb，电流的单位用A时，电磁转矩T的单位为Nm(牛米)。上式表明：对已制成的电机，电磁转矩T与每极磁通和电枢电流Ia成正比。电枢电动势 和电磁转矩是直流电机两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势常数Ce和转矩常数CT之间

32、具有确定的关系： 例1.3 某台并励直流电动机的额定值为：PN17kW，UN220V，IN92A，nN1500r/min，Ra0.08欧，Rf110欧，求该电动机额定运行时的电磁转矩。解：电磁转矩由磁场的方向和电枢电流的方向决定。直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较： ：电动势常数性质：电源电动势；与同向性质：反电动势；与方向相反：电磁转矩常数性质：制动转矩；与n 反向性质：驱动转矩；与n 同向1.4.3 直流电机的电磁功率以上分析的电磁转矩和感应电动势是直流电机的基本物理量，并在直流电机的机电能量转换过程中具有重要意义。我们以发电机为例,来说明机电能量转换的关系。由图1-15的

33、分析可知，当直流发电机在原动机产生的拖动转矩T1的作用下,逆时针方向匀速旋转时，发电机电枢绕组的流导体将受到电磁转矩的作用，而且电磁转矩T的方向和拖动转矩T1的方向相反，是制动转矩。如果这时原动机不继续输入机械功率，那么发电机转速将下降，直至为零，也就不能继续输出电能了。表示为电磁转矩T与的乘积。由于T是电磁转矩，因此克服T所消耗的这部分机械功率称为电磁功率，用Pem表示,即 Pem=T （1-6） 这部分机械功率（电磁功率）是不是经过电磁感应的作用,都转变为电功率呢？ 我们可用数学方法证明如下： 根据电磁转矩表达式（1-4）和=2n/60，式（1-6）可写为 即Pem=T=EaIa （1-7

34、） 式中： 转子的机械角速度,=2n/60,单位为rad/s；电磁功率Pem的单位为W。1.5直流电动机的运行原理直流电机在一定的条件下，可作为发电机运行，把机械能转变为电能供给直流负载；而在另外的条件下又可把电能转换为机械能拖动机械负载，这就是直流电机的可逆原理。 直流电机的运行状态取决于电磁转矩与拖动转矩及电磁功率与机械功率之间的关系。当电磁转矩大于机械转矩时，电磁功率转换为机械功率拖动机械负载，电机作为电动机运行；当电磁转矩小于机械转矩时，机械功率转换为电磁功率供给直流电负载，电机作为发电机运行。当电机作为电动机运行时，电磁转矩为拖动性转矩；当电机作为发电机运行时，电磁转矩为制动性转矩。

35、一、直流电动机的基本方程式直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时，电路系统的电压平衡方程式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式。 电压平衡方程式 直流电动机并联在电网上工作，由外接电源向电动机供电。设极下的导体电枢电流为流出纸面，根据左手定则可知，电磁转矩为逆时针方向。在电磁转矩作用下，电枢将逆时针方向旋转。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势，根据右手定则可知，极下的感应电动势方向为流入纸面，与电枢电流方向相反。由于电动机中的感应电动势有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此称它为反电动势。为了使电流能够从电网流入电枢绕组，电动机的端电压应该大于反电动势，即 。根据

36、基尔霍夫第二定律，可以写出电枢回路的电势平衡方程式为 式中 电枢电流； 电枢回路的电阻；在电动机运行状态下，由于 ，电流从电网流入电枢绕组，成为电动机运行的电能。同样，在电动机运行状态下，电枢会产生电磁转矩，电磁转矩的方向与转向相同，成为驱动转矩。 同一台电动机既可作为电动机运行，又可作为发电动机运行，只是各有异同。在两种运行状态下，电枢绕组中均产生感应电动势。如果端电压U大于感应电动势Ea，即 ，电流从电网流入电枢绕组，成为电动机运行；反之，如果 ，则电枢绕组向外输送电流，成为发电动机运行。同样，在这两种运行状态下，电枢均产生电磁转矩。在电动机中，电磁转矩与转向同方向，成为驱动转矩；而在发电

37、动机中，电磁转矩与转向相反，使之成为制动转矩。 功率平衡方程式 为了更好地理解直流电动机中的功率平衡关系，先简要介绍涉及到的几种电动机损耗。 1. 机械损耗 机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗，它们都与转速有关。轴承摩擦损耗一般假定与轴经圆周线速度的1.5次方成正比。电刷摩擦损耗由电刷牌号以及电刷和换向器表面的接触情况来决定。通风损耗与风扇外缘直径的平方成正比。在转速变化不大的电动机里，可认为机械损耗是不变的。机械损耗用来表示。2. 铁耗 是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。对直流电动机来说，铁耗是由电枢铁心在气隙磁场中旋转而切割磁力线引起的。它包括涡流损耗和磁滞损

38、耗两部分。一般认为铁心损耗和磁通密度B的平方成正比，和铁心中磁通交变频率f的1.21.5次方成正比。由于涡流损耗正比硅钢片厚度的平方，铁心采用的硅钢片越薄，铁心损耗越小。铁心损耗用来表示。 3. 铜耗 是指电流流过电动机中相关绕组所产生的损耗，用表示。 根据图3.10所示电动机惯例，电动机的基本方程如下：式中：为负载转矩；为空载转矩。图1.10电动机惯例 把电压方程式两边同时乘以可得功率平衡方程：式（3-2）式（3-2）中：，为直流电源输人给电动机的电功率；，为电磁功率；，为电枢回路铜损耗。 把电磁转矩方程式两端同时乘以机械角速度可得：式中：，为电动机轴上输出的机械功率；，为空载损耗，包括机械

39、摩擦损耗pm 和铁损耗pFe。 综合上述各式可得：他励时，总损耗式中：为附加损耗。 他励直流电动机的功率平衡关系可用图3.11表示。图1.11 他励直流电动机的功率流程如为并励电动机, 在总损耗p 中还应包括励磁损耗pCuf 。在这里我们将讨论直流电动机的电压、功率和转矩的平衡方程，说明其能量关系。电动机的效率式中 P2 为电动机转轴上的输出功率。例题3-6 一台四极他励直流电机, 电枢采用单波绕组, 电枢总导体数= 372, 电枢回路总电阻Ra = 0. 208。当此电机运行在电源电压U= 220V, 电机的转速n = 1500r / min, 气隙每极磁通= 0. 011Wb , 此时电机

40、的铁损耗pFe= 362W, 机械摩擦损耗pm =204W( 忽略附加损耗) 。问:( 1) 该电机运行在发电机状态, 还是电动机状态?( 2) 电磁转矩是多少?( 3) 输入功率和效率各是多少?解：（）先计算电枢电势E a 。已知单波绕组的并联支路对数a= 1, 所以按图3.10发电机惯例, 电枢回路方程式为于是根据发电机惯例, 并知道UIa 0, EaIa 0, 所以电机运行于电动机状态。下面改用电动机惯例进行计算:（2）电磁转矩（3）输入功率输出功率总损耗效率1.7 他励直流电动机的机械特性直流电动机的工作特性是指在端电压 ，励磁电流 ，电枢回路不串附加电阻时，电动机的转速n、电磁转矩T

41、和效率h分别随输出功率P2而变化的关系，即 曲线。利用电动机拖动生产机械时，必须使电动机的工作特性满足生产机械提出的要求。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。电动机的机械特性是指电动机的转速n与其转矩(电磁转矩) T之间的关系，即 曲线。机械特性是电动机性能的主要表现，它与运动方程相联系，在很大程度上决定了拖动系统稳定运行和过渡过程的性质及特点。必须指出，机械特性中T的转矩是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩T2是不同的，其间差一个空载转矩T0，即T= T2 +T0由于在一般情况下，空载转矩T2与电磁转矩或负载转矩TL相比较小，在一般工程计算中可以略去T0，而粗略地认为电磁转矩T与轴上的

42、输出转矩T2相等。 直流他励电动机的基本接线图如图3.10所示。 电枢回路和励磁回路分别由独立的电源供电。电枢回路(包括电枢绕组和电刷等)的内阻为Ra。根据前面已经学过的内容及图3.10所示的电路，可以写出电枢回路的电压平衡方程式为 又已知直流电动机的电枢电势及电磁转矩分别为同时在同一电动机中有整理得 式（3-3） 这就是直流他励电动机的机械特性方程式。当U、R、均为常数时，方程式可以写成 式（3-4）式中T为速度降落n，即 式（3-5）据式(3-4)可知转速n与转矩T之间是直线关系。根据此关系可画出一条向下倾斜的直线，即直流他励电动机的机械特性，如图3.12所示。式(3-4)中， 相当于图中

43、直线交于纵轴的转速。因为它是在理想空载T=0时电动机的转速，故又称为理想空载转速。当电源电压U和磁通恒定时，n0是个常数。但通过调节U或，可以改变理想空载转速n0的大小。 (a) (b)图1.12直流他励电动机的机械特性必须指出，电动机的实际空载转速n0比n0略低，如图3.12(b)所示。这是因为电动机空载转起来后，因为有空载转矩T0存在，所以电磁转矩T不可能为零，必须等于T0，即电动机必须克服空载损耗转矩T0。此时电动机实际空载转速n0为 式（3-6）式(3-4)中，右边第二项 为直线的斜率。当改变附加电阻或磁通时，就改变了特性的斜率。 当电动机输出转矩T时，即带负载的情况下，就存在n。所以直流他励电动机的机械特性为一条向下倾斜的直线，而且斜率越大，n就越大，机械特性越“软”；反之，特性越平坦，机械特性越“硬”。一般直流他励电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。 机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。 固有机械特性当直流他励电动机端电压 ，磁通 时的机械特性称为固有机械特性。 对照式(3-3)，此时的机械特性方程式为 固有机械特性的理想空载转速为转速降落为 固有机械特性的特性曲线如图3.12中曲线所示，其特点是：( 1) 电磁转矩T 越大, 转速n 越