电机原理及拖动第一章直流电机(新)

1、第一章直流电机原理直流电机原理第一节第一节 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 一、直流电机的用途一、直流电机的用途电机的定义电机的定义 电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。是电动机和发电机的统称。q拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机；为电动机；q做为电源，将机械能转换为电能的电机称为发做为电源，将机械能转换为电能的电机称为发电机。电机。n直流电机的优点直流电机的优点q调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。q起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。q易于控制。n直流

2、电机的应用n轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。n用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。n家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。二、直流发电机的工作原理二、直流发电机的工作原理1、电磁感应定律电磁感应定律 1）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势感应出电势e 。大小：。大小：电势电势e=BIv。B: 磁密；磁密； I：导体长度；：导体长度； v：导体与磁场的相对速度。正：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断方向：用右手定则判断 所以，直流发电机必须具有磁场和旋转的导体，所以，直流发电机必须具有磁场和旋

3、转的导体，才能持续发电。才能持续发电。2、直流发电机模型用右手定则判感应电动势 Ea 的方向U+NSEEIa3、上图中在二个磁极间装有一个可以转动的圆柱上图中在二个磁极间装有一个可以转动的圆柱铁心，铁心上固定线圈（红色表示）铁心，铁心上固定线圈（红色表示） 线圈二端分别与二块线圈二端分别与二块相互绝缘相互绝缘的铜片相连的铜片相连 称为称为换向片换向片。整体称为。整体称为换向器换向器。二个不动的与。二个不动的与负载相接的称为负载相接的称为电刷电刷。4、工作原理工作原理 当原动机拖动转子旋转时，线圈切割磁力线产当原动机拖动转子旋转时，线圈切割磁力线产生感应电动势，与电刷相连的负载中就有电流生感应电

4、动势，与电刷相连的负载中就有电流流过。根据右手定则可知，在流过。根据右手定则可知，在N极下极下与与S极下的电流方向不变，所以电刷二端的电极下的电流方向不变，所以电刷二端的电动势是直流电动势。动势是直流电动势。注意：注意：线圈中的电流方向是不断改变的，只是通线圈中的电流方向是不断改变的，只是通过电刷和换向片的作用使输出电流为直流。过电刷和换向片的作用使输出电流为直流。5、换向：线圈边在不同极性的磁极下将流过线换向：线圈边在不同极性的磁极下将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，称为换向。圈中的电流方向及时地加以变换，称为换向。三、三、 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理U+NS电刷电刷换向片

5、换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIFFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与

6、电流的方向相反。方向相反。 从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。 四、直流电机的可逆原理四、直流电机的可逆原理在直流电机的电刷上加直流电源，将电能转换成机械能，是作为电动机运行；若用原动机拖动直流电机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引出直流电动势，则作为发电机运行。同一台电机，既可作电动机运行又可作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。 五、直流电机的结构五、直流电机的结构n直流的结构直流的结构q定子定子 作用是产生磁场和作电机的机械支作用是产生磁场和

7、作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。轴承、电刷装置等。q转子又称电枢，是用来产生感应电动势实转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。直流电机的结构直流电机的结构机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子直流电机的主要结构直流电机的主要结构:n定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。定子部分：定子包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。1 1、主磁极、主磁极2 2、换向极、换向极1主

8、磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3、机座、机座用来固定主磁极、换向极和端盖；用来固定主磁极、换向极和端盖； 另外，又作为磁路的一部分。另外，又作为磁路的一部分。 转子部分转子部分4、电刷装置、电刷装置1刷握刷握2电刷电刷3压紧弹簧压紧弹簧44铜丝辫铜丝辫1、电枢铁心、电枢铁心a)电枢铁心电枢铁心 冲片冲片b)电枢铁心电枢铁心2、电枢绕组、电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成。由许多按一定规律连接的线圈组成。1槽楔槽楔2线圈绝缘线圈绝缘3导体导体44层间绝缘层间绝缘55槽绝缘槽绝缘66槽底绝缘槽底绝缘电枢槽内的绝缘3、换向器、换向器由许

9、多换由许多换向片组成，换向片之间用云向片组成，换向片之间用云母绝缘。母绝缘。1换向片2连接片直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：1 1、额定功率、额定功率PN(kW)2 2、额定电压、额定电压UN(V)3 3、额定电流、额定电流IN(A)4 4、额定转速、额定转速nN(r/min)5 5、额定励磁电压、额定励磁电压UfN(V)六、直流电机的铭牌数据六、直流电机的铭牌数据在额定工况下，电机出线端的平均电压发电机：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。NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下

10、，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械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电动机电动机发电机发电机额定条件下电机所能提供的功率额定功率NPfNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式励磁方式 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

11、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。（一）、空载时直流电机的磁场（一）、空载时直流电机的磁场 空载：空载：发电机出线端没有电流输出，电动发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的即电枢电流为零的状态状态。那么。那么

12、 ，这时的气隙磁场，只由主极这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称的气隙磁场，又称励磁磁场励磁磁场。第二节第二节 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场几何中性线N NS SB0直流电机的空载磁场分布直流电机的空载磁场分布1、主磁通和主磁通和漏磁通漏磁通(1)(1)、主磁通：经过主磁极、气隙、电枢、主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁感应电动势和产生电磁转矩，称

13、为主磁通，通， (2)、 漏磁通：漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通磁转矩，称为漏磁通。特点：特点：n由同一个磁动势所产生由同一个磁动势所产生n所走的路径不同，这就导致了他们对应所走的路径不同，这就导致了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研

14、究的方向。是我们主要研究的方向。 主磁通的磁回路中的气隙较小，所以磁主磁通的磁回路中的气隙较小，所以磁导较大；而漏磁通的磁回路中空气间隙较大，导较大；而漏磁通的磁回路中空气间隙较大，其磁导较小。这二个磁回路中作用的磁通势其磁导较小。这二个磁回路中作用的磁通势都是励磁磁通势，故漏磁通的数量比主磁通都是励磁磁通势，故漏磁通的数量比主磁通要小得多。通常漏磁通的数量只有主磁通的要小得多。通常漏磁通的数量只有主磁通的28 2、空载磁场气隙磁密分布曲线 由图可以看出极靴下气隙远远小由图可以看出极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙，于极靴之外的气隙， 显然，极靴显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显下沿电枢圆

15、周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。几何中心线处，磁场等于零。3、直流电机的空载磁化曲线、直流电机的空载磁化曲线主磁通主磁通0与励磁电流与励磁电流I If0f0或励或励磁磁通势磁磁通势F Ff0f0的关系的关系即即0 0=f(F=f(Ff0f0) )或或0 0=f(I=f(If0f0) )这种关系为电机的磁化特性这种关系为电机的磁化特性曲线。曲线。 主磁通很小时，铁心没有饱和，此时铁主磁通很小时，铁心没有饱和，此时铁心的磁阻比气隙的磁阻要小，由于气隙磁阻心的磁阻比气隙的磁阻要小，由于气隙磁阻是常量，而主磁通的大小决定于气隙磁

16、阻，是常量，而主磁通的大小决定于气隙磁阻，所以主磁通较小时特性曲线接近于直线。所以主磁通较小时特性曲线接近于直线。 随着磁通势的增加，主磁通的增加逐渐随着磁通势的增加，主磁通的增加逐渐减慢，因而磁化特性曲线逐渐弯曲。减慢，因而磁化特性曲线逐渐弯曲。 在额定状态下，电机往往工作在饱和点在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致附近，这样即可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。和励磁绕组的材料。第三节第三节 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组一、定义电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈

17、组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。二、直流电机的电枢绕组二、直流电机的电枢绕组n电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。 因此，电枢绕组须满足以下要求：n在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，n并且要结构简单、运行可靠等。 名词术语介绍：名词术语介绍：n（1）极轴线：磁极的中心线；）极轴线：磁极的中心线；n（2）几何中性线：磁极之间的平分线，）几何中性线：磁极之间的平分线，n（3） ：极对数；：极对数；n（4） 极距：在电枢铁心表面上，一个极所极距：在电枢铁心表面上，

18、一个极所占的距离。可用槽数表示，占的距离。可用槽数表示， （槽），（槽），式中式中Z为电枢总槽数；为电枢总槽数；n （5）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，可为单匝，也可为多匝， ppZ2n（6）元件节距）元件节距 （第一节距）：元件两条边（第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数的距离，以槽数计，总是整数,n 整数整数 n :是使凑成整数的分数。是使凑成整数的分数。n 7）合成节距）合成节距 n8）换向器节距）换向器节距 通常用换向片数通常用换向片数K来表示。来表示。1ypZy21yky单叠绕组：单叠绕组： 元件依次相连，

19、元件的出线端接到相邻的元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，换向片上， 第一个元件的下层边（虚第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。下面通过一元件上层边相邻的第二个槽内。下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。例例:已知某直流电机的极对数已知某直流电机的极对数 =2 ,槽数槽数件数件数S及换向片数为及换向片数为 ,试画出单试画出单叠绕组展开图。叠绕组展开图。1kypZ16KSZn解：解：1计算绕组数据计算绕组数据因为是单叠，所以因为是单叠，所以 2画绕组展开

20、图画绕组展开图: （1）先画）先画16根等长、等距的实线，代表根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。代表各槽下层元件边。 4221621pZy1kyyn（2）根据）根据 ，画出第一个元件的上下层边，画出第一个元件的上下层边（15槽），令上层边所在的槽号为元件号；槽），令上层边所在的槽号为元件号；n（3）接上换向片，）接上换向片，1、2片之间对准元件中心片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；线，之后等分换向器，定出换向片号；n（4）画出第二个元件，上层边在第）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第槽

21、，与第一个元件的下层边联接；下层边在第一个元件的下层边联接；下层边在第6槽与槽与3号号换向联接。按此规律，一直把换向联接。按此规律，一直把16个元件全部联个元件全部联起来。起来。1yn（5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N极磁力 线垂直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）；n（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上K很多，电刷宽23片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接

22、线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”2.单叠绕组电路图单叠绕组电路图:单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个换向片上。单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一个闭合回路。 元件的跨距：上层元件边与下层元件边的距离（用槽数表示）称为跨距。一般要求元件的跨距等于电机的极距。 右上图中，跨距为4槽。n2.单叠绕组电路图单叠绕组电路图: 为了进一步说明单叠绕组各个元件的联为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接次序及其电动势分布情况，按图将各元

23、件的接次序及其电动势分布情况，按图将各元件的联接顺序，可得到如图所示的绕组电路图。联接顺序，可得到如图所示的绕组电路图。从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：点：n（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片 上；上；n（2）并联支路数等于磁极数，）并联支路数等于磁极数， ； n（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无零，绕组内部无“环流环流”；n（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电

24、刷数等于磁极数；电刷数等于磁极数； n（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；电枢电压等于支路电压；n（6）由正负电刷引出的电枢电流）由正负电刷引出的电枢电流 为各支路电流之和，为各支路电流之和，即即 （式中（式中 为每一条支路的电流，即绕组为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。元件中流过的电流）。 pa22aIaaaiI2ain 单叠绕组具有以下特点：单叠绕组具有以下特点：（二）单波绕组（二）单波绕组单波绕组单波绕组不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在

25、磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。n从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。少，适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条，每条支路里所包含的元件数较多，所以

26、这种绕支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。于大容量的电机，可以采用混合绕组。第四节第四节 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 负载时的气隙磁场：负载时，电枢绕组中有负载时的气隙磁场：负载时，电枢绕组中有电流，产生电枢磁场，所以气隙磁场由二部分电流，产生电枢磁场，所以气隙磁场由二部分组成。组成。励 磁 电 流 所 建 立 的 磁 场电 枢 电 流 所 建 立 的 磁 场气 隙 磁 场直流电机空载时的气隙磁场只由主极的励磁直流电机空载时的气隙磁场只由主极的励磁电流所建立，称励磁磁场。电流所建

27、立，称励磁磁场。当直流电机带上当直流电机带上负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，负载以后，在电机磁路中又形成一个磁动势，这个磁动势称为电枢磁动势。这个磁动势称为电枢磁动势。 几何中性线N NS SB0 显然，由于电枢磁动势的出现，气隙磁场显然，由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生变化，而这个变化的性质将是我们下面将会发生变化，而这个变化的性质将是我们下面研究的重点研究的重点电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为：电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为 电枢反应。电枢反应。而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为交轴电枢反应和直轴电

28、枢反应，下面我们就来具交轴电枢反应和直轴电枢反应，下面我们就来具体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机上位置的摆放密切相关：上位置的摆放密切相关：1、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：如图可见：如图可见：由图可见，电刷轴线是电枢表面电流分布的分由图可见，电刷轴线是电枢表面电流分布的分界线。由电枢磁通建立的磁场分布图可见，当界线。由电枢磁通建立的磁场分布图可见，当电刷放在几何中性线上时，电枢磁通势的轴线电刷放在几何中性线上时

29、，电枢磁通势的轴线也在几何中性线上，与主磁极轴线正交，称为也在几何中性线上，与主磁极轴线正交，称为交轴电枢磁通势。交轴电枢磁通势。 此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机进行数学分析，我们得到一个有关磁动势进行数学分析，我们得到一个有关磁动势分布的表达式：分布的表达式： 其中，其中，A叫做电枢线负载，也就是电枢表叫做电枢线负载，也就是电枢表面单位周长上的安培导体数，面单位周长上的安培导体数，x是沿圆周是沿圆周方向的方向的 距离，因此，我们可以得到磁密的距离，因此，我们可以得到磁密的空间分布式：空间分布式：AxFax axaxFB0 其中，其中， 为气为气 隙计

30、算长度，可见，磁密的分隙计算长度，可见，磁密的分布和气息的大小是成反比关系的。因为极靴布和气息的大小是成反比关系的。因为极靴下气隙变化较小，极间气隙较大，曲线呈马下气隙变化较小，极间气隙较大，曲线呈马鞍形。鞍形。 4 4个元件所产生的电枢磁动势波形个元件所产生的电枢磁动势波形电枢反应后磁动势波形电枢反应后磁动势波形1 1、有负载时气隙磁场发生了畸变、有负载时气隙磁场发生了畸变2 2、电枢反应呈现去磁作用、电枢反应呈现去磁作用2、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势： 直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为

31、线重合，称为直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势。 3、交轴、直轴电枢反应：、交轴、直轴电枢反应：1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。影响。在这里，我们为了分析问题的简单，在这里，我们为了分析问题的简单， 假定（假定（1）磁场是不饱和的，（）磁场是不饱和的，（2）发电机电枢转）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样可知向是逆时针，电动机为顺时针。这样可知 A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁去磁作用，在另半个极内则起作用，在另半个极内则起增磁增磁作用，引起气作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等

32、于零的隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到磁作用。考虑饱和时，起到去磁去磁作用。作用。2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性线）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出：出：A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁

33、反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，则直轴电枢反应将是增磁的，B:若为电动机，刚好相反，这里不在具体分若为电动机，刚好相反，这里不在具体分析。析。总之，电枢反应的作用使电机气隙磁场发生总之，电枢反应的作用使电机气隙磁场发生畸变，并且具有去磁作用。畸变，并且具有去磁作用。一、电枢电动势：一、电枢电动势： 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一

34、个极距范围内所产生的平均电根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。动势，再求一条支路的。 一个磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用 Bav 表示，极距为表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为，电枢的轴向有效长度为 l ，每极磁通为，每极磁通为，则，则第五节第五节 直流电机的电枢电动势与电磁转矩直流电机的电枢电动势与电磁转矩n一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：n又因为：又因为：n所以：所以：lBavlvBeavav602npv602npeav 因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为电为电枢总导体数），枢总导体数）

35、， 于是，电枢电动势为：于是，电枢电动势为：式中，式中， 是一个常数，称为电动势常数。是一个常数，称为电动势常数。 aN2ySNN2nCnapNnpaNeaNEeava6060222apNCe60nCEea二、电磁转矩：二、电磁转矩： 如果电动势和发电机相关，那么，电磁转如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：矩的过程和求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：根导体

36、所受的平均转矩：aavavilBf2DfTavx3）电机总的电磁转矩则为：）电机总的电磁转矩则为：式中：式中： 是一个常数，称为转矩常数，是一个常数，称为转矩常数， 是电枢总电流，从表达式可以看是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。aTaaaavICIapNpNaIllDNaIlBT222222apNCT2aaaiI2aTICT n ， 对于一个具体的电机而对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系，两者之间有一固定的关系， n 或或eCTC55. 9260

37、eTCCeTCC55. 9第六节直流发电机一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式a a、他励直流电机、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由 其他直流电源对励磁绕组供电其他直流电源对励磁绕组供电。b b、并励直流电机、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组与电枢绕组并联。c c、串励直流电机、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。d d、复励直流电机、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联， 另一个与电枢绕组串联。另一个与电枢绕组串联。 二、直流发电机的基本平衡方程式二、直流

38、发电机的基本平衡方程式直流发电机各物理量的参考正方向选定如图所示直流发电机各物理量的参考正方向选定如图所示发电机惯例发电机惯例（1）Ea与与Ia正方向相同，正方向相同，EaIa0 表示电机通过产生电功率。表示电机通过产生电功率。（2）T与与n正方向相反，正方向相反，T0 表示电机通过表示电机通过T吸收机械功率。吸收机械功率。 1. 电压平衡方程式电压平衡方程式 他励式直流发电机由外动力拖动按图所示逆时针旋转，产他励式直流发电机由外动力拖动按图所示逆时针旋转，产生感应电动势生感应电动势Ea ，并且，并且Ea Ua，使电枢电流，使电枢电流Ia反向，此时电枢反向，此时电枢回路的电压方程为回路的电压方

39、程为其中，其中， 。 他励式直流发电机的励磁线圈采用单独电源供电，其回路方他励式直流发电机的励磁线圈采用单独电源供电，其回路方程式：程式：aaaaIRUE（1-22）nCEeafffRUI faUUUfaIII 如果发电机采用并励方式，励磁绕组与电枢回路如果发电机采用并励方式，励磁绕组与电枢回路并联，由图所示的电流方向，电枢回路的电压方程与并联，由图所示的电流方向，电枢回路的电压方程与他励时相同，但电流变为：他励时相同，但电流变为： 2. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 直流发电机的电枢在外动力转矩直流发电机的电枢在外动力转矩T1的拖动下逆时针旋转，的拖动下逆时针旋转，工作在发电状态时，与反方向

40、的空载转矩工作在发电状态时，与反方向的空载转矩T0 和电磁转矩和电磁转矩T 平衡。平衡。这样，按正方向的约定，这样，按正方向的约定， 可写出发电机状态的转矩平衡方程可写出发电机状态的转矩平衡方程01TTT（1-23） T1原动机的驱动转矩。原动机的驱动转矩。由平衡方程式可见，由平衡方程式可见，所以发电机的，所以发电机的转向由转向由T1决定，与决定，与方向相反。方向相反。3、功率平衡方程式：、功率平衡方程式：从原动机输入的机械功率可用下式表示从原动机输入的机械功率可用下式表示 ： 式中电磁功率式中电磁功率P PM M为转换成电枢回路的电功率为转换成电枢回路的电功率：0011)(PPTTTPMaa

41、aaaaaaMRIUIIRIUIETP2)(cucuapPpUI2空载损耗空载损耗 为：为：由以上各式可得：由以上各式可得： 0psmFepppp0cusmFeppppPP21pP2对于并励直流发电机，则在上式中还应加上励磁损耗对于并励直流发电机，则在上式中还应加上励磁损耗n功率流程图nCEeaaaaaIRUE01TTTcusmFeppppPP21pP2aTICT fffRUI 三、他励直流发电机特性 发电机的特性一般是指发电机运行时，端电压U，负载电流I，励磁电流If这三个基本物理量之间的函数关系。直流发电机运行时，由原动机拖动，通常保持nnN.1.空载特性曲线空载特性曲线G+-UfI If

42、 fEaIaUaRL他励发电机的接线图他励发电机的接线图Rfad当他励发电机被原动机拖动，当他励发电机被原动机拖动，n=nn=nN N时，励磁绕组端加上励磁时，励磁绕组端加上励磁电压电压U Uf f，调节励磁电流，调节励磁电流I If f，使，使发电机空载端电压发电机空载端电压U Uo o=1.1-=1.1-1.3U1.3UN N，然后再使，然后再使I If f逐步降回到逐步降回到零，测取空载端电压及励磁电零，测取空载端电压及励磁电流，即得空载特性。所以空载流，即得空载特性。所以空载特性是指空载端电压与励磁电特性是指空载端电压与励磁电流的关系流的关系。 由感应电动势公由感应电动势公式式 ，且，

43、且n恒定不恒定不变，因此变，因此 ，由图，由图给出的给出的 0 = f（If）磁化）磁化曲线可得到的曲线可得到的Ea = f（If）的的 关系，即他励直流发关系，即他励直流发电机的空载特性与其空载电机的空载特性与其空载磁化曲线是相似的。磁化曲线是相似的。nCEeaE a2.他励直流发电机他励直流发电机的外特性：的外特性： 外特性外特性 是指当是指当励磁电流保持不变，励磁电流保持不变，改变外部负载时，其改变外部负载时，其输出电压与负载电流输出电压与负载电流的关系，即的关系，即U=f（Ia）。）。他励直流发电机的外他励直流发电机的外特性如图曲线特性如图曲线1所示，所示，随着电流的增大，其随着电流的

44、增大，其输出电压下降。输出电压下降。负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使每极磁通负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小量减小，从而使电枢电动势减小电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。电压下降。 实际上，他励直流发电机的负载电流从零变化到额实际上，他励直流发电机的负载电流从零变化到额定值时，其输出电压下降不大，接近于一个恒压源。定值时，其输出电压下降不大，接近于一个恒压源。而我们发现并励方式下，端电压下降的更快一些而我们发现并励方式下，端电压下降的更快一些：负载负载增大时，电枢反应的去磁作用增

45、强，使每极磁通量减增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一不也影响了励磁电流使之减小，时端电压的下降进一不也影响了励磁电流使之减小，这样一来，又使得的电枢电动势双重减小，所以，并这样一来，又使得的电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。励下降的更快一些。 电压变化率：当电压变化率：当 时时由由空载到负载，电压下降的程度。空载到负载，电压下降的程度。%1000NNUUUU他励直流发电机的电压变化率约为他励直流发电机的电压变化率约为。fNfNRRnn ,GI If fIRLIa

46、R Rfadfad四、并励和复励发电机的自励过程四、并励和复励发电机的自励过程 并励和复励发电机都是一种自励发并励和复励发电机都是一种自励发电机，不需要外部直流电源供给励磁电机，不需要外部直流电源供给励磁电流。一般情况下的运行是：首先在电流。一般情况下的运行是：首先在空载时建立电压即所谓自励，然后才空载时建立电压即所谓自励，然后才能加以负载接线图如左，首先负载不能加以负载接线图如左，首先负载不接，为使发电机能建立电压，电机内接，为使发电机能建立电压，电机内部必须有剩磁。部必须有剩磁。 由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动至额定转速时，

47、发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的电流，并产生一个不大的励磁磁励磁绕组将流过一个不大的电流，并产生一个不大的励磁磁动势。动势。 如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机的的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，从而使剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所增加。电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所增加。在比较高的励磁电压作用下，励磁电

48、流又进一步在比较高的励磁电压作用下，励磁电流又进一步加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。 在自励过程中，发电机的电压是否会无限制在自励过程中，发电机的电压是否会无限制地增长下去呢？从图可以清楚地看出，当发电机地增长下去呢？从图可以清楚地看出，当发电机的电压上升到的电压上升到P P点所对应的电压时，恰好等于励点所对应的电压时，恰好等于励磁电流通过励磁回路所需的电阻压降，因此电枢磁电流

49、通过励磁回路所需的电阻压降，因此电枢电压和励磁电流都不会再增加，自励过程达到了电压和励磁电流都不会再增加，自励过程达到了稳定状态。稳定状态。有以上分析可知并励发电机的自励条件：1）电机必须有剩磁。电机必须有剩磁。 2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，以使励磁电流产生的磁场方向与确配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。剩磁方向一致。3 3）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。相对应的临界电阻。 必须明确必须明确，发电机的转速不同时，空载特，发电机的转速不同时，空载特性也不同。因此，对应于不同

50、的转速便有性也不同。因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻。不同的临界电阻。 n如果励磁绕组本身的电阻即已超过所对应的临界电阻如果励磁绕组本身的电阻即已超过所对应的临界电阻值，电机是不可能自励的，这时唯一的办法是提高电值，电机是不可能自励的，这时唯一的办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。机的转速，从而提高其临界电阻值。直流电动机可细分为：直流电动机可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到

51、同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U第七节第七节 直流电动机直流电动机n一、直流电机的可逆性：一、直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电

52、源对负载供电；端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。的原理，在电机理论中称为可逆原理。二、直流电动机的基本方程式：二、直流电动机的基本方程式：直流发电机各物理量的参考正方向选定如图所示直流发电机各物理量的参考正方向选定如图所示 电动机惯例电动机惯例Ea与与Ia正方向相反正方向相反,EaIa0 表示电机通过表示

53、电机通过E吸收电功率吸收电功率与正方向相反，与正方向相反，0 表示电机通过表示电机通过T产生电功率产生电功率 1. 电压平行方程式电压平行方程式 直流电动机的电枢回路电源电压直流电动机的电枢回路电源电压Ua，电枢绕组的电，电枢绕组的电阻阻Rw ，正、负电刷的接触电压降为，正、负电刷的接触电压降为2Ub ，由基尔霍夫，由基尔霍夫电压定律可列出电枢回路方程电压定律可列出电枢回路方程 aabaaa2IREUIREUaw（1-31）式中式中 Ra 包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻；包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻； Ea 直流电机感应电动势直流电机感应电动势nCEea 2. 转矩平衡方程式转矩平衡方程

54、式 直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态，直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态，此时，电枢产生电磁转矩此时，电枢产生电磁转矩Te ，其方向如图所示，为逆时，其方向如图所示，为逆时针转动，与电动机空载转矩针转动，与电动机空载转矩T0 和电动机的轴上负载转矩和电动机的轴上负载转矩TL 相反。当电机稳态运行时，应有相反。当电机稳态运行时，应有Te与与T0、TL相平衡。相平衡。这样，按图中正方向的约定，可写出电动机的转矩方程这样，按图中正方向的约定，可写出电动机的转矩方程0mTTT（1-32） 3. 功率平衡方程式功率平衡方程式 励磁回路输入的电功率励磁回路输入的电功率 2fffffI

55、RIUP02TTT电枢回路输入的电功率电枢回路输入的电功率式中式中 pCu = RaIa2 电枢回路的铜耗；电枢回路的铜耗； PM =EaIa 电机的电磁功率，且有电机的电磁功率，且有（1-36）CuM2aaaaaaaaaapPIRIEIIREIUP（1-33）0202)(pPTTTIEPaaMsmFepppp0所以，综合以上分析可的：所以，综合以上分析可的：电机的总损耗。电机的总损耗。pPpppppPPsmFecuf221smFecufppppppnCEeaaaaaIREU02TTTcusmFeppppPP21pP2aTICT fffRUI 三、他（并）励直流电动机的工作特性三、他（并）励直

56、流电动机的工作特性1. . 转速特性转速特性当当U=UN , , If=IfN时，时，n=f(Ia)的关系曲线的关系曲线其中其中2. . 转矩特性转矩特性当当U=UN , ,If=IfN时，时，Te=f(Ia)的关系曲线的关系曲线eTaTaTCIC I TTCC 3. . 效率特性效率特性当当U=UN , ,If=IfN时，时，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线2FemecCufaaac21af2 100%1()pppI RIUPPU IIaeaeICRCUnN4.机械特性方程式机械特性方程式 他励式直流电动机的电路图如图他励式直流电动机的电路图如图所示，所示， 电动机的电磁转矩与转速之电动机的

57、电磁转矩与转速之间的关系曲线便是电动机的机械特性，间的关系曲线便是电动机的机械特性，即即n=f（T ）。）。 为了推导机械特性公为了推导机械特性公式的一般形式，在电枢回路中串入外式的一般形式，在电枢回路中串入外接电阻接电阻R。 由转矩特性和转速特性推由转矩特性和转速特性推导可得机械特性的一般表达式为导可得机械特性的一般表达式为 TnTCCRRCUCTCRCUCRIUn02TeaeaTeaeaeaaa （1-42）nCEeaaTICT aaaaIREU理想空载转速理想空载转速 eCUn 0电动机实际空载转速电动机实际空载转速 0200TCCRnnTe他励直流电动他励直流电动机的机械特性机的机械特

58、性电动机带负载后的转速降电动机带负载后的转速降 TTCCRnTe2%100%0NNNnnnn 当他励电动机电压及磁通均为额定值当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性。 TCCRCUneae2NTNN(1-43)四、四、串励直流电动机及串励直流电动机及串励直流电动机串励直流电动机电动势平衡方程式电动势平衡方程式eaafc()UCnIRR电动势公式电动势公式aeaaECnC I n转矩平衡方程式转矩平衡方程式e20TTT转矩公式转矩公式2eTaTaTCIC I （其中，（其中，Rfc为串励绕组电阻为串励绕组

59、电阻，aefCC K ，TTfCC K ）1、串励直流电动机特性、串励直流电动机特性 eaaCRIUn 转速公式转速公式串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。 串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则则据此公式做出据此公式做出 T-n 曲线曲线aaaTaTaEERIEUIKCICTnIKCnCE2nTEaETKCRTKCUCnM串励串励UIa(1) (1) T=0时，在理想情况下，时，在理想情况下，n。但。但实际上负实际上负 载转矩不会为载转矩不会为 0 0，不会工作在，不会

60、工作在 T=0 的状态，的状态， 但空载时但空载时 T 很小，很小，n 很高。串励不允许空载很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。运行，以防转速过高。串励特性：串励特性：(2) (2) 随转矩的增大，随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属下降得很快，这种特性属 软机械特性。软机械特性。nT P2增加时，增加时，Ia增加，转速降低。增加，转速降低。P2减小时，减小时，Ia减小，转速升高。空载时，减小，转速升高。空载时，If接近接近0，所以，所以接接近近0，转速很大，可使转子遭到破坏，所以不允，转速很大，可使转子遭到破坏，所以不允许空载起动和运行许空载起动和运行 串励电动机有较大的起动转矩与