第4章 直流电机1(原理)

1、第第4章章 直流电机直流电机Page 1 第第 4 章章 直直 流流 电电 机机第第4章章 直流电机直流电机Page 2本章教学基本要求本章教学基本要求1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；2.熟悉直流发电机和直流电动机基本工作原理，理解熟悉直流发电机和直流电动机基本工作原理，理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法；理意义，掌握求解它们的计算方法；3.掌握直流电机的运行原理，电动势、转矩平衡方程掌握直流电机的运行原理，电动势、转矩平衡方程式以及不同励

2、磁方式的直流电机的工作特性；式以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；4.了解直流电机的换向。了解直流电机的换向。第第4章章 直流电机直流电机Page 3重点重点 直流电机的基本平衡方程式和工作特性。直流电机的基本平衡方程式和工作特性。 第第4章章 直流电机直流电机Page 4直流电机（直流电机（dc machinesdc machines） 是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。机械能的一种装置。 把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机机(dc generators)，把电能转换为机械能

3、的直流电机，把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机称为直流电动机(dc motor)。第第4章章 直流电机直流电机Page 5直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理 第第4章章 直流电机直流电机Page 6直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理 电枢逆时针旋转时，导体切割磁力线，根据电磁电枢逆时针旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律导体内产生感应电动势，大小为感应定律导体内产生感应电动势，大小为e=Bxlv。 感应电动势方向由右手定则判定，伸开右手使大感应电动势方向由右手定则判定，伸开右手使大拇指与四指呈拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向，当磁力线指向手

4、心，大拇指指向导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电动势方导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电动势方向。向。第第4章章 直流电机直流电机Page 7直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理 在图在图(a)中中t=0时，时，A端为端为，与之相接触的，与之相接触的电刷电刷B1为为“+”，X端为端为 ，与之相接触的电刷，与之相接触的电刷B2为为“-” 当电枢旋转了当电枢旋转了180后，在图后，在图(b)中中t=180时，时，X端端旋转到旋转到N极下，极下，X端为端为，A端旋转到端旋转到S极下，极下，A端为端为 其波形如图其波形如图1-3所示。所示。第第4章章 直流电机直流电机Page

5、8气隙磁蜜分布波形气隙磁蜜分布波形第第4章章 直流电机直流电机Page 9线圈线圈AXAX的感应电势波形的感应电势波形第第4章章 直流电机直流电机Page 10刷间电动势波形刷间电动势波形第第4章章 直流电机直流电机Page 11分析分析 N极下导体电动势指向纸外，电刷极下导体电动势指向纸外，电刷B1总为总为“+”；S极下导体电动势指向纸内，电刷极下导体电动势指向纸内，电刷B2总为总为“-”，不难，不难看出，线圈中的电动势是交流电动势，而通过换向看出，线圈中的电动势是交流电动势，而通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流电动势。器的作用，使电刷间的电动势为直流电动势。 第第4章章 直流电机直流

6、电机Page 12换向器和电刷的共同作换向器和电刷的共同作用用 在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用：在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；把转动的电路与外面不转的电路联接。把转动的电路与外面不转的电路联接。第第4章章 直流电机直流电机Page 13说明说明 从刷间电动势波形看，电动势脉动很大，为了从刷间电动势波形看，电动势脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按

7、一定规律联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。需的直流电。 第第4章章 直流电机直流电机Page 14直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 第第4章章 直流电机直流电机Page 15直流电动机的基本工作原直流电动机的基本工作原理理 将直流电加到电刷上（将直流电加到电刷上（B1为为+、B2为为-），线圈），线圈AX上就有电流通过（上就有电流通过（A端为端为 、X端为端为），根据电），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为：磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为：f=Bxli（N），方向由左手定则确定。），方向由左

8、手定则确定。第第4章章 直流电机直流电机Page 16直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理载流导体受力方向的确定：载流导体受力方向的确定： 伸开左手使大拇指与四指呈伸开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指，当磁力线指向手心四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指向手心四指的指向为导体中电流方向，则大拇指指向导体受力方向在图向导体受力方向在图1-5中中A受向左的切向力，受向左的切向力，X受向受向右的切向力，这一对力形成了力矩右的切向力，这一对力形成了力矩T(称电磁转矩称电磁转矩)，使电枢按逆时针方向旋转。使电枢按逆时针方向旋转。 第第4章章 直流电机直流电机Page 17换向器和电刷的

9、共同作用换向器和电刷的共同作用 在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用：在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用：将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；把外面不转的电路与转动的电路联接。把外面不转的电路与转动的电路联接。 第第4章章 直流电机直流电机Page 18直流电机的主要结构直流电机的主要结构 直流电机由两大部分组成：直流电机由两大部分组成： 定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢） 第第4章章 直流电机直流电机Page 19直流电机的主要结构直流电机的主要结构1）定子）定子 定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座

10、等组定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。成。 第第4章章 直流电机直流电机Page 20直流电机的主要结直流电机的主要结构构主磁极主磁极 由主极铁心和励磁绕组组成，铁心用由主极铁心和励磁绕组组成，铁心用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。极交替排列。 第第4章章 直流电机直流电机Page 21直流电机的主要结构直流电机的主要结构换向极换向极 由铁心和绕组组成，由铁心和绕组组成，铁心一般是由整块钢组成铁心一般是由整块钢组成换向极安放在相邻两主磁换向极安

11、放在相邻两主磁极之间，它的作用是改善极之间，它的作用是改善电机的换向。电机的换向。 第第4章章 直流电机直流电机Page 22直流电机的主要结构直流电机的主要结构电刷装置电刷装置 由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是联接转动和静止之间的电路。作用是联接转动和静止之间的电路。机座机座 作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。部分。 第第4章章 直流电机直流电机Page 23直流电机的主要结构直流电机的主要结构第第4章章 直流电机直流电机Page 24直流电机的主要结构直流电机的主要结构2）转子（电枢）

12、转子（电枢） 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。组成。第第4章章 直流电机直流电机Page 25直流电机的主要结构直流电机的主要结构电枢铁心电枢铁心 一般用一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。分。 第第4章章 直流电机直流电机Page 26直流电机的主要结构直流电机的主要结构电枢绕组电枢绕组 由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌

13、放一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。 第第4章章 直流电机直流电机Page 27直流电机的主要结构直流电机的主要结构换向器换向器 由许多相互绝缘的换由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的流电逆变成电枢

14、绕组中的交流电。交流电。 第第4章章 直流电机直流电机Page 28直流电枢绕组直流电枢绕组 直流电机电枢绕组的基本形式是单叠和单波。直流电机电枢绕组的基本形式是单叠和单波。 第第4章章 直流电机直流电机Page 29直流电枢绕组直流电枢绕组 匝数为匝数为1的是单匝元件，匝数大于的是单匝元件，匝数大于1的是多匝元的是多匝元件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为设为u个个)元件边，元件边，将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。

15、若电枢每槽上、下层只有一个元件边，一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数则总元件数S等于实槽数等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：个元件边时，则有：S=uQ=Qu，Qu为虚槽数。为虚槽数。第第4章章 直流电机直流电机Page 30直流电枢绕组直流电枢绕组极距极距 在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，记作距离称作极距，记作t t，一般用槽数表示，即有：，一般用槽数表示，即有：式中式中p为主磁极的极对数。为主磁极的极对数。 pQu2t第第4章章 直流电机直流电机Page 31直流电枢绕

16、组直流电枢绕组第第4章章 直流电机直流电机Page 32直流电枢绕组直流电枢绕组 直流电机中，各元件在电枢表面的几何关系一直流电机中，各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距表示。般用元件的节距表示。第第4章章 直流电机直流电机Page 33直流电枢绕组直流电枢绕组（1）第一节距）第一节距y1 指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其表达式为：离，用槽数表示。其表达式为：式中式中为把为把y1凑整的小于凑整的小于1的分数。当的分数。当=0，y1=t t称称为整距元件；当为整距元件；当0称为长距元件；当称为长距元件；当T，故电磁转，故电磁

17、转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。 01TTT第第4章章 直流电机直流电机Page 85功率平衡关系功率平衡关系 从原动机输入的机械功率为从原动机输入的机械功率为 P1=Pem+p0 式中，式中，P1为输入的机械功率；为输入的机械功率；Pem为电磁功率；为电磁功率；p0为为空载损耗。空载损耗。第第4章章 直流电机直流电机Page 86功率平衡关功率平衡关系系 空载损耗等于铁损空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗、机械摩擦损耗pm、附加、附加损耗损耗pad，即有，即有p0=pFe+pm+pad 其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。其中附加损耗又称杂

18、散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率靠经验估算约为额定功率P的的0.5%1%。 第第4章章 直流电机直流电机Page 87功率平衡关系功率平衡关系 电磁功率为电磁功率为 从中可见电磁功率可表示为从中可见电磁功率可表示为Pem=T 上式说明电磁功率具有机械功率性质。上式说明电磁功率具有机械功率性质。 电磁功率又可表示为电磁功率又可表示为Pem=EaIa 此表达式说明电磁功率又具有电功率性质，所以电此表达式说明电磁功率又具有电功率性质，所以电磁功率是机电能量转换的桥梁。磁功率是机电能量转换的桥梁。 aaaaaTemIEnIapNnIapNICTPFFF606022第第4章章 直流电机直

19、流电机Page 88功率平衡关功率平衡关系系 发电机输出的电功率为发电机输出的电功率为 P2=Pem-pCua式中式中pCua为电枢回路铜耗；为电枢回路铜耗；P2为输出的电功率，同时为输出的电功率，同时输出功率又可表示为输出功率又可表示为 P2=UIa第第4章章 直流电机直流电机Page 89功率平衡关系功率平衡关系第第4章章 直流电机直流电机Page 90效率效率 他励直流发电机的总损耗为他励直流发电机的总损耗为 p=pFe+pm+pad+pCua即有即有 p=p0+pCua效率为效率为即有即有pPpPpPPP211121hpPp21h第第4章章 直流电机直流电机Page 91运行特性运行特

20、性 发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压U、负载电流负载电流I、励磁电流、励磁电流If这三个基本物理量之间的函数这三个基本物理量之间的函数关系。关系。 一般保持其中一个物理量不变，讨论剩余两个量一般保持其中一个物理量不变，讨论剩余两个量之间的关系，这种函数关系就是运行特性。之间的关系，这种函数关系就是运行特性。 第第4章章 直流电机直流电机Page 92运行特性运行特性1空载特性空载特性 空载特性是指原动空载特性是指原动机的转速机的转速n=nN，输出端，输出端开路，负载电流开路，负载电流I=0时，时，电枢端电压与励磁电流电枢端电压与励磁电流之间的关系

21、，即：之间的关系，即：U0=E0=（If）。）。 第第4章章 直流电机直流电机Page 93运行特性运行特性2外特性外特性 外特性是指原动机外特性是指原动机的转速的转速n=nN，励磁电流，励磁电流If=IfN时，电枢端电压与时，电枢端电压与负载电流之间的关系，负载电流之间的关系，即：即：U=（I），是一条），是一条略微下斜的曲线。略微下斜的曲线。 第第4章章 直流电机直流电机Page 94运行特性运行特性 从空载到负载电压下降的原因是：从空载到负载电压下降的原因是：负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；增大，则端电压下降；电枢电

22、流增大，使电枢反应的祛磁作用增强，端电枢电流增大，使电枢反应的祛磁作用增强，端电压进一步下降。电压进一步下降。第第4章章 直流电机直流电机Page 95电压变化率电压变化率 发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发化率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发电机从额定负载（电机从额定负载（U=UN，I=IN）过渡到空载（）过渡到空载（U=U0I=0）时，电压升高数值与额定电压的百分比，即：）时，电压升高数值与额定电压的百分比，即： 通常他励直流发电机的电压变化率通常他励直流发电机的电压变化率U%约为约为（510

23、）%。%100%0NNUUUU第第4章章 直流电机直流电机Page 96并励直流发电机并励直流发电机 1自励过程自励过程 当发电机以额定转速当发电机以额定转速nN运转时，在有剩磁条件运转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电动下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电动势势Er（约为（约为25%UN），从而在电枢两端建立剩磁电），从而在电枢两端建立剩磁电压压Ur，Ur作用下，产生不大的励磁电流作用下，产生不大的励磁电流If，此励磁电，此励磁电流通过励磁绕组会产生磁场，磁场的方向若与剩磁方流通过励磁绕组会产生磁场，磁场的方向若与剩磁方向一致，则主磁通得以加强，使电枢端电压

24、进一步提向一致，则主磁通得以加强，使电枢端电压进一步提高，端电压的升高，又使励磁电流增大，主磁通更加高，端电压的升高，又使励磁电流增大，主磁通更加强，如此反复，最终使电枢端电压建立。强，如此反复，最终使电枢端电压建立。第第4章章 直流电机直流电机Page 97并励直流发电机并励直流发电机第第4章章 直流电机直流电机Page 98并励直流发电机自励条件并励直流发电机自励条件 电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；其充磁； 励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变并

25、电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变并 励绕组极性；励绕组极性； 励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。 第第4章章 直流电机直流电机Page 99并励直流发电机并励直流发电机2外特性外特性 并励直流发电机的励磁绕并励直流发电机的励磁绕组与电枢绕组并联，当发电机组与电枢绕组并联，当发电机端电压下降，励磁电流减少，端电压下降，励磁电流减少，使磁通变弱，则电枢电动势降使磁通变弱，则电枢电动势降低，从而使端电压进一步下降低，从而使端电压进一步下降它的外特性要比他励直流发电它的外特性要比他励直流发电机下垂。它的电压变化率机下垂。它的电压变化率U%约为（

26、约为（2030）%。第第4章章 直流电机直流电机Page 100【例【例1-31-3】 一台并励直流发电机数据为一台并励直流发电机数据为PN=82kW，UN=230VnN=970r/min，电枢绕组总电阻，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕，并励绕组内阻组内阻rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调节，额定负载时，并励回路串入的调节电阻电阻Rf=3.5，一对电刷压降，一对电刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。第第4

27、章章 直流电机直流电机Page 101【例【例1-31-3】解：（解：（1）求电磁功率）求电磁功率励磁电流为励磁电流为 额定负载电流为额定负载电流为 电枢电流为电枢电流为 ARrUIffNf75. 85 . 38 .22230AUPINNN52.35623010823AIIIfNa27.36575. 852.356第第4章章 直流电机直流电机Page 102【例【例1-31-3】电枢电动势为电枢电动势为 电磁功率为电磁功率为 （2）求输入功率）求输入功率VURIUEaaNa5 .2412029. 027.3652302kWIEPaaem2 .8827.3655 .241kWpppPPadmFe

28、em9182005. 05 . 22 .881第第4章章 直流电机直流电机Page 103【例【例1-31-3】（3）求电磁转矩）求电磁转矩（4）求效率）求效率mNnPTNem4 .868970102 .8855. 955. 93%1 .90%1009182%10012PPh第第4章章 直流电机直流电机Page 104直流电动机直流电动机 直流电动机是将输入的直流电能转变为机械能直流电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有：的电气设备，即有： 直流电能直流电能机械能。机械能。 第第4章章 直流电机直流电机Page 105电动机惯例电动机惯例 第第4章章 直流电机直流电机Page 1

29、06电压方程电压方程 他励时有：他励时有：I=Ia；并励时有：；并励时有：I=Ia+If。 电枢回路电压方程式为电枢回路电压方程式为U=Ea+IaRa其中反电动势其中反电动势Ea=Cen，若为并励时，还存在，若为并励时，还存在U=If（rf+Rfad）=IfRf由于由于Ra很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压大部分降落在反电动势大部分降落在反电动势Ea上。上。第第4章章 直流电机直流电机Page 107转矩方程转矩方程 电动机空载时，轴上输出转矩电动机空载时，轴上输出转矩T2=0，则有，则有T=T0当负载转矩为当负载转矩为TL，轴上输出有，轴上输出有T2

30、=TL，电动机匀速稳，电动机匀速稳定运行时有定运行时有T=T2+T0 其中电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式其中电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式T=CTIa计算，（计算，（T2+T0）为总的阻转矩，方向与）为总的阻转矩，方向与T相反。相反。第第4章章 直流电机直流电机Page 108功率平衡关系功率平衡关系 他励直流电动机输入功率为他励直流电动机输入功率为P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2RaP1=Pem+pCua 式中电磁功率式中电磁功率Pem的功率性质为电功率，的功率性质为电功率，pCua=Ia2Ra为为电枢回路上的铜耗。电枢回路上的铜耗。 第第4章章 直流电机直流

31、电机Page 109功率平衡关系功率平衡关系 并励直流电动机输入功率为并励直流电动机输入功率为P1=UI=U（Ia+If）=UIa+UIf=（Ea+IaRa）Ia+UIf =EaIa+Ia2Ra+If2RfP1=Pem+pCua+pCuf 式中式中pCuf=If2Rf为励磁回路上的铜耗。为励磁回路上的铜耗。 第第4章章 直流电机直流电机Page 110功率平衡关系功率平衡关系 在转矩平衡方程式在转矩平衡方程式T=T2+T0两边同乘以角速度两边同乘以角速度可得可得T=T2+T0，则有，则有Pem=P2+p0 也可表示为也可表示为P2=Pem-p0式中电磁功率式中电磁功率Pem的功率性质为机械功率

32、，空载损耗的功率性质为机械功率，空载损耗为：为：p0=pFe+pm+pad第第4章章 直流电机直流电机Page 111功率流程图功率流程图第第4章章 直流电机直流电机Page 112功率流程图功率流程图第第4章章 直流电机直流电机Page 113【例【例1-41-4】 已知一台永磁直流电动机的电枢电阻已知一台永磁直流电动机的电枢电阻Ra=1.03当在当在50V直流电源供电下空载运行时，电机转速为直流电源供电下空载运行时，电机转速为2100r/min，吸收电流是，吸收电流是1.25A。试计算：（。试计算：（1）转矩）转矩常数常数CT（CT= CTF F）；（）；（2）电动机的空载损耗）电动机的空

33、载损耗p0；（3）当转速为）当转速为1700r/min以及电源电压为以及电源电压为48V时，电时，电动机的输出功率动机的输出功率P2。第第4章章 直流电机直流电机Page 114【例【例1-41-4】解：（解：（1）求转矩常数）求转矩常数CT感应电动势为感应电动势为转矩常数为转矩常数为 （2）求空载损耗）求空载损耗空载损耗为空载损耗为VRIUEaaa7 .4803. 125. 150rVnECaTmin/221. 021007 .4855. 955. 9WIEpaa6125. 17 .480第第4章章 直流电机直流电机Page 115【例【例1-41-4】（3）求输出功率）求输出功率在转速为在

34、转速为1700r/min时，感应电动势为时，感应电动势为电枢电流为电枢电流为电磁功率为电磁功率为输出功率为输出功率为VnCEea44.3917000232. 0AREUIaaa31. 803. 144.3948WIEPaaem32831. 844.39WpPPem2676132802第第4章章 直流电机直流电机Page 116直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 直流电动机工作特性是指在直流电动机工作特性是指在U=UN，If=IfN，电，电枢回路不外串电阻的条件下，转速枢回路不外串电阻的条件下，转速n、转矩、转矩T、效率、效率h h与输出功率与输出功率P2之间的关系曲线。实际运行中，电之间

35、的关系曲线。实际运行中，电枢电流枢电流Ia是随是随P2增大而增大，又便于测量，故也可把增大而增大，又便于测量，故也可把转速转速n、转矩、转矩T、效率、效率h h与电枢电流与电枢电流Ia之间的关系曲之间的关系曲线称为工作特性。线称为工作特性。 第第4章章 直流电机直流电机Page 117直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 转速特性是指当转速特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电，电枢回路外串电阻阻R=0时，时，n=(Ia)的关系。其表达式为的关系。其表达式为 若忽略电枢反应，电枢电若忽略电枢反应，电枢电阻又较小，转速特性是一阻又较小，转速特性是一条略微向下倾斜的直线（实条略微向下

36、倾斜的直线（实线所示）；考虑电枢反应的线所示）；考虑电枢反应的祛磁作用如虚线所示。祛磁作用如虚线所示。aeaaeaeNICRnICRCUnFFF0n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性第第4章章 直流电机直流电机Page 118直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 转矩特性是指当转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电，电枢回路外串电阻阻R=0时，时，T=(Ia)的关系。的关系。 根据转矩公式根据转矩公式T=CTIa，忽略电枢反应，转矩特性是一忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线（实线所示）。条过原点的直线

37、（实线所示）。考虑电枢反应的祛磁作用，转考虑电枢反应的祛磁作用，转矩特性如图矩特性如图1-36虚线所示。虚线所示。n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性第第4章章 直流电机直流电机Page 119直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 效率特性是指当效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电，电枢回路外串电阻阻R=0时，时，h h ( (I Ia a)的关系。的关系。 根据效率的定义可得根据效率的定义可得 式中总损耗为式中总损耗为 其中空载损耗其中空载损耗p0与负载电流变化无关，称为不变损耗与负载电流变化无关，称为

38、不变损耗电枢铜耗电枢铜耗pCua随负载电流平方倍变化，又称可变损耗随负载电流平方倍变化，又称可变损耗aIUpPP112haaadFemCuaRIpppppp20第第4章章 直流电机直流电机Page 120直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 当负载电流从零逐当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之渐增大时，效率也随之增大，当负载电流增大增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最到一定程度，效率达最大之后随负载电流的继大之后随负载电流的继续增大，效率反而减小，续增大，效率反而减小，如图如图1-36所示。所示。n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直

39、流电动机工作特性第第4章章 直流电机直流电机Page 121直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 如果令如果令 dh h/ /dI Ia a00，可得：，可得：说明不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特说明不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点，对其他电机、变压器也适用，具有性的这个特点，对其他电机、变压器也适用，具有普遍意义。普遍意义。Cuapp 0第第4章章 直流电机直流电机Page 122【例【例1-51-5】 有一他励直流电动机接在额定电压为有一他励直流电动机接在额定电压为220V的电的电网上额定运行时，电动机的额定电枢电流网上额定运行时，电动机的额定电枢电流Ia=

40、15A，电枢回路总电阻电枢回路总电阻Ra=0.7，（，（1）求电动机额定运行）求电动机额定运行时的反电动势；（时的反电动势；（2）若因某种原因，使电网电压下）若因某种原因，使电网电压下降至降至195V，但励磁电流和负载转矩均未发生变化，但励磁电流和负载转矩均未发生变化，求在达到新平衡点后电动机的反电动势。求在达到新平衡点后电动机的反电动势。第第4章章 直流电机直流电机Page 123【例【例1-51-5】解：（解：（1）额定运行时的反电动势）额定运行时的反电动势 （2）新平衡点时的反电动势）新平衡点时的反电动势 VRIUEaaNaN5 .2097 . 015220VRIUEaaa5 .1847

41、 . 015195第第4章章 直流电机直流电机Page 124他励直流电动机的机械特他励直流电动机的机械特性性 （1）固有机械特性）固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压电压U=UN，气隙磁通，气隙磁通=N，电枢外串电阻，电枢外串电阻R=0时，时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为的机械特性，其数学表达式为 式中式中b b称为斜率，称为斜率，nN为额定负载时的转速降。固有为额定负载时的转速降。固有机械特性曲线如图机械特性曲线如图1-37所示。所示。NNNTeaNeNnnTnTCCRCUn002b第第4章章 直流电机直流电机Page

42、125他励直流电动机的机械特他励直流电动机的机械特性性 他励直流电动机固有机械特性是一条过理想空他励直流电动机固有机械特性是一条过理想空载点（载点（n=n0，T=0）斜率）斜率很小的硬特性曲线。当空很小的硬特性曲线。当空载转矩为载转矩为T0时，实际空载时，实际空载转速为转速为n0。 第第4章章 直流电机直流电机Page 126他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 （2） 根据铭牌数据估算机械特性根据铭牌数据估算机械特性 直流电动机的固有机械特性可通过实验测得，直流电动机的固有机械特性可通过实验测得，也可根据铭牌数据估算求得。也可根据铭牌数据估算求得。 由于固有机械特性是一条直线，一

43、般通过求取由于固有机械特性是一条直线，一般通过求取两个特殊点（理想空载点和额定工作点），再将这两个特殊点（理想空载点和额定工作点），再将这两点连成直线便可得到固有机械特性。两点连成直线便可得到固有机械特性。第第4章章 直流电机直流电机Page 127他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性求理想空载点（求理想空载点（n0，0） 计算理想空载转速公式为计算理想空载转速公式为式中式中NeNCUn0NaNNNaNNenRIUnEC第第4章章 直流电机直流电机Page 128他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 电枢回路电阻电枢回路电阻Ra，可实测或根据经验公式估算。，可实测或根据

44、经验公式估算。一般直流电动机额定运行时的铜损约占总损耗的一半一般直流电动机额定运行时的铜损约占总损耗的一半至三分之二，则至三分之二，则Ra的估算式为的估算式为 )(10)3221(23NNNNaIPIUR第第4章章 直流电机直流电机Page 129他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性求额定工作点（求额定工作点（nN，TN） 根据铭牌数据可得额定转速根据铭牌数据可得额定转速nN，而计算电磁转，而计算电磁转矩公式为矩公式为 NNeNNTNICICT55. 9第第4章章 直流电机直流电机Page 130【例【例1-61-6】 一台他励直流电动机额定数据为一台他励直流电动机额定数据为PN=

45、100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，电枢回路电阻，电枢回路电阻Ra=0.044，试求：，试求：1）固有机械特性方程式；）固有机械特性方程式；2）额）额定负载时的电枢电动势和额定电磁转矩；定负载时的电枢电动势和额定电磁转矩；3）额定输）额定输出转矩和空载转矩；出转矩和空载转矩；4）理想空载转速和实际空载转）理想空载转速和实际空载转速；速；5）电机额定运行，分别求电枢回路外串电阻）电机额定运行，分别求电枢回路外串电阻Ra=0.206时的转速、电压时的转速、电压U=50V时的转速和磁通时的转速和磁通F F=75%F FN时的转速。时的转速。 第第4章章 直流电机直流

46、电机Page 131【例【例1-61-6】解：（解：（1）求固有机械特性方程式）求固有机械特性方程式（2）求电枢电动势和电磁转矩）求电枢电动势和电磁转矩电枢电动势为电枢电动势为 电磁转矩为电磁转矩为 164. 01200044. 0517200NaNNNenRIUCTTTCCRCUnNTeaNeN17. 01341164. 055. 9044. 0164. 022022VnCENNea8 .1961200164. 0mNICTaNe7 .809517164. 055. 955. 9第第4章章 直流电机直流电机Page 132【例【例1-61-6】（3）额定输出转矩和空载转矩）额定输出转矩和空载

47、转矩输出转矩为输出转矩为 空载转矩为空载转矩为 （4）求理想空载转矩和实际空载转矩）求理想空载转矩和实际空载转矩理想空载转速为理想空载转速为 实际空载转速为实际空载转速为 mNnPTNNN8 .79512001010055. 955. 932mNTTTN9 .138 .7957 .80920min/13410rCUnNeNmin/6 .13389 .1317. 0134117. 0134100rTn第第4章章 直流电机直流电机Page 133【例【例1-61-6】（5）电枢回路外串电阻）电枢回路外串电阻Ra=0.206时的转速时的转速（6）电压）电压U=50V时的转速时的转速 （7）磁通）磁通

48、F F75%75%F FN N时的转速时的转速 min/5537 .809164. 055. 9206. 0044. 01341)(55. 9134122rTCRRnNeaamin/1667 .809164. 055. 9044. 0164. 050)(55. 922rTCRCUnNeaNemin/1542)%75(55. 9%752rTCRCUnNeaNeN第第4章章 直流电机直流电机Page 134串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的特点是：励磁绕组与电枢绕组串励直流电动机的特点是：励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流串联，励磁电流If与电枢电与电枢电流流Ia相等

49、，即相等，即If=Ia，气隙主，气隙主磁通随电枢电流的变化而变磁通随电枢电流的变化而变化，其接线图如图化，其接线图如图1-41所示。所示。第第4章章 直流电机直流电机Page 135串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的固有机械特性是指：在电源串励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压电压U=UN，电枢回路外串电阻，电枢回路外串电阻R=0时，时，n=(T)的关的关系曲线，其表达式为系曲线，其表达式为TCCRCUICRCUnTeaeNaeaeN2第第4章章 直流电机直流电机Page 136串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性(1)当负载较小时当负载较小时

50、 负载较小，则负载较小，则T较小，这时磁路未饱和，气隙主较小，这时磁路未饱和，气隙主磁通磁通Ia，即，即=k1Ia，故有，故有式中式中 为一常数，所以特性方程为为一常数，所以特性方程为式中式中C1、C2均为常数，特性方程表明：转速均为常数，特性方程表明：转速n是随着是随着电磁转矩电磁转矩T的增大而减小，是双曲线关系。的增大而减小，是双曲线关系。 TkTCkT21TCkk122122CRTUCkCCRTkCUnaNTeaeN第第4章章 直流电机直流电机Page 137串励直流电动机的机械特串励直流电动机的机械特性性(2)当负载较大时当负载较大时 负载较大，则负载较大，则T较大，这时磁路饱和，主磁

51、通基较大，这时磁路饱和，主磁通基本上为一常数，即本上为一常数，即=k，特性方程为，特性方程为TkCCRkCUnTeaeN2第第4章章 直流电机直流电机Page 138串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性第第4章章 直流电机直流电机Page 139分析分析 由特性曲线可见，串励直流电动机轻载时转速由特性曲线可见，串励直流电动机轻载时转速很高，特性曲线与纵轴无交点，理想空载转速为无很高，特性曲线与纵轴无交点，理想空载转速为无穷大，故不允许空载运行，也不允许用于皮带传动穷大，故不允许空载运行，也不允许用于皮带传动的拖动系统中，因为皮带的老化脱落，将会造成的拖动系统中，因为皮带的老化脱落，

52、将会造成“飞飞车车”。串励直流电动机的特点是：电磁转矩。串励直流电动机的特点是：电磁转矩T与电枢与电枢电流电流Ia平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强，平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强，适合于拖动闸门、电车等负载。适合于拖动闸门、电车等负载。第第4章章 直流电机直流电机Page 140【例【例1-71-7】 某串励直流电动机额定数据为：额定电压某串励直流电动机额定数据为：额定电压UN=220V，额定电流，额定电流IN=30A，额定转速，额定转速nN=1000r/min，电枢回路总电阻，电枢回路总电阻Ra=0.57，在磁路，在磁路不饱和的情况下，求电机运行在半载，即电枢电流不饱和的情况下

53、，求电机运行在半载，即电枢电流Ia=15A时，电动机的转速和电磁转矩。时，电动机的转速和电磁转矩。 第第4章章 直流电机直流电机Page 141【例【例1-71-7】解：串励电动机的额定电枢电流为解：串励电动机的额定电枢电流为 额定负载时反电动势为额定负载时反电动势为 电枢电流电枢电流Ia=15A时的磁通为时的磁通为 AIINa30VRIUEaaNaN9 .20257. 030220NNNaaIIFFFF5 . 03015第第4章章 直流电机直流电机Page 142【例【例1-71-7】 此时的反电动势为此时的反电动势为 电动机转速为电动机转速为 电磁转矩为电磁转矩为 VRIUEaaNa5 .

54、21157. 015220min/8 .208410005 . 019 .2025 .211rnEEnNNFFmNInETaa5 .14158 .20845 .21155. 955. 9第第4章章 直流电机直流电机Page 143复励直流电动机的机械特复励直流电动机的机械特性性 复励直流电动机既有并励绕组，又有串励绕组，复励直流电动机既有并励绕组，又有串励绕组，当并励与串励绕组产生的磁动势方向相同时，称为积当并励与串励绕组产生的磁动势方向相同时，称为积复励；当并励与串励绕组产生的磁动势方向相反时，复励；当并励与串励绕组产生的磁动势方向相反时，称为差复励，差复励在实际应用中很少。称为差复励，差复

55、励在实际应用中很少。 第第4章章 直流电机直流电机Page 144复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性 积复励在理想空载时，电枢电流为零，主磁通积复励在理想空载时，电枢电流为零，主磁通0由并励绕组产生，故存在理想空载转速，为由并励绕组产生，故存在理想空载转速，为不会出现不会出现“飞车飞车”危险；当负危险；当负载增大时，电枢电流增大，载增大时，电枢电流增大，总磁通随之增大，使转速比总磁通随之增大，使转速比并励下降更多，如图所示。并励下降更多，如图所示。00eNCUn 第第4章章 直流电机直流电机Page 145直流电机的换向直流电机的换向 电机运行时，元件会随电枢的运转从一条之路电机

56、运行时，元件会随电枢的运转从一条之路经过电刷换到另一条之路，元件电流改变方向，这经过电刷换到另一条之路，元件电流改变方向，这一过程称为换向，换向也是直流电机特有的问题，一过程称为换向，换向也是直流电机特有的问题，换向的好坏，直接影响直流电机的运行性能。换向的好坏，直接影响直流电机的运行性能。 第第4章章 直流电机直流电机Page 146直流电机的换向直流电机的换向1231下下下上上上右支路左支路12112312上下下上122161216(a)换向前(b)换向中(c)换向后图144 1号元件换向过程123212上下下12下上上162ia2ia2ia2ia2ia2ia第第4章章 直流电机直流电机P

57、age 147直流电机的换直流电机的换向向直线换向直线换向 如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短如果当换向元件中各种电动势为零，被电刷短接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小接的闭合回路就不会出现环流，元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时由电刷与相邻两换向片的接触面积决定，电流随时间均匀变化，即有：间均匀变化，即有：i=(t)。把这种换向称为直线换把这种换向称为直线换向，如图向，如图1-45曲线曲线1所示，直线换向是理想换向，电所示，直线换向是理想换向，电机不会出现火花。机不会出现火花。 第第4章章 直流电机直流电机Page 148直流电机的换向直流电机的换向

58、第第4章章 直流电机直流电机Page 149直流电机的换向直流电机的换向换向元件的感应电动势换向元件的感应电动势 实际电机换向时，换向元件中实际电机换向时，换向元件中e0。换向元。换向元件中存在以下电动势：件中存在以下电动势：（1）自感电动势）自感电动势eL 换向元件中电流变化时产生的自感电动势，换向元件中电流变化时产生的自感电动势， dtdiLeL第第4章章 直流电机直流电机Page 150直流电机的换向直流电机的换向（2）互感电动势）互感电动势eM 同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势，同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势， 。 通常把自感电动势通常把自感电动势eL与互感电动势与互

59、感电动势eM之和称为电之和称为电抗电动势抗电动势er，即：，即： 电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，er方向应与换向前元件的电流方向一致。方向应与换向前元件的电流方向一致。dtdiMeMdtdiLeeerMLr第第4章章 直流电机直流电机Page 151直流电机的换向直流电机的换向（3）电枢反应电动势）电枢反应电动势ea 换向元件处在几何中性线上，主磁场在此区域磁换向元件处在几何中性线上，主磁场在此区域磁通密度通密度0=0，但电枢磁密，但电枢磁密a0，在刷位正常时最大，在刷位正常时最大换向元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势换向元件切割电枢磁场产

60、生电枢反应电动势ea，其方，其方向与向与er相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。第第4章章 直流电机直流电机Page 152直流电机的换向直流电机的换向 由于换向元件中的由于换向元件中的e=ea+er0，则在被电刷短，则在被电刷短接的闭合回路中就有环流接的闭合回路中就有环流ik产生，设闭合回路的总电产生，设闭合回路的总电阻为阻为R，环流为：，环流为： ReeReirak第第4章章 直流电机直流电机Page 153直流电机的换向直流电机的换向 环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随时间直线变化，电流的变化比直线换向