第三章 直流电机稳态分析

1、3.3 直流直流电机的感电机的感应电动势应电动势和电磁转和电磁转矩矩3.4 直流电机直流电机的基本方程的基本方程3.5 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性绪论绪论3.2 空载空载和负载时和负载时直流电机直流电机的磁场的磁场3.1 直流直流电机的工电机的工作原理和作原理和基本结构基本结构第三章第三章 直流电机的稳态分析直流电机的稳态分析 直流电机是电机的主要类型之一。直流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，但与交流电机相电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。近年来，与电力电子装比自身又有着缺点。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

2、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此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值值! 本章主要内容本章主要内容 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.接着说明电机的磁动势和磁场接着说明电机的磁动势和磁场 4.并分析直流电动机的稳态运行性能并分析直流电动机的稳态运行性能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3.1 3.1 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一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理 1、直流电机的构

3、成、直流电机的构成 （如图如图31）表示一台直流电机。）表示一台直流电机。 固定部分（定子）：主磁极固定部分（定子）：主磁极N和和S；电刷。；电刷。 旋转部分（转子）：电枢铁心；旋转部分（转子）：电枢铁心； 电枢绕组电枢绕组(一个线圈一个线圈)； 换向器。换向器。 定子与转子之间为气隙。定子与转子之间为气隙。2、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理 工作原理：建立在电磁力和电磁感应的基础工作原理：建立在电磁力和电磁感应的基础 之上。之上。 N,S是主磁极，它是固是主磁极，它是固定不动的，定不动的，abcd是在可以是在可以转动的铁磁圆柱体上的一转动的铁磁圆柱体上的一个线圈，把线圈的两端分个

4、线圈，把线圈的两端分别接到两个圆弧型的铜片别接到两个圆弧型的铜片上（或称换向片），两者上（或称换向片），两者相互绝缘，铁心和线圈合相互绝缘，铁心和线圈合称电枢，通过在空间静止称电枢，通过在空间静止不动的电刷不动的电刷AB与换向片接与换向片接触，即可对外电路供电。触，即可对外电路供电。 当原动机拖动电枢以恒速当原动机拖动电枢以恒速n逆时针方向旋转时，逆时针方向旋转时，在线圈中有感应电动势，其大小为在线圈中有感应电动势，其大小为 式中，式中，b是导体所在处的磁密；是导体所在处的磁密；l是导体的有效长度，是导体的有效长度，v是导体与磁场的相对速度。是导体与磁场的相对速度。 感应电动势的方向可用右手定

5、则确定感应电动势的方向可用右手定则确定。上图示时刻上图示时刻， 、整个线圈的电动势方向是由、整个线圈的电动势方向是由d到到a。a端经换端经换向片接触电刷向片接触电刷A，d端经换向片与电刷端经换向片与电刷B接触，接触， blve 当电枢转过当电枢转过180度时度时、线圈中的感应电动势的方向为从、线圈中的感应电动势的方向为从a到到d。、d端与电刷端与电刷A接触，接触，a端与电刷端与电刷B接触，所接触，所以以A仍为正极性，仍为正极性，B为负极性。为负极性。、流过负载的电流方向不变。而线圈中电流、流过负载的电流方向不变。而线圈中电流的方向改变了，即从的方向改变了，即从a到到d。、电刷、电刷A为正极性而

6、电刷为正极性而电刷B为负极性。为负极性。、电刷、电刷AB之间接上负载，电流经换向片及之间接上负载，电流经换向片及线圈线圈abcd形成闭合回路，线圈中，电流方向形成闭合回路，线圈中，电流方向从从d到到a。 总结发电机：虽然线圈中的电动势总结发电机：虽然线圈中的电动势是交流电动势，但由于换向器的整是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。直流发电机实质上是是直流电动势。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。带有换向器的交流发电机。（图（图3-2 a，图，图3-2b）3、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理 电刷电刷AB上加上直流电

7、源，便成为直流电动机的物上加上直流电源，便成为直流电动机的物理模型，这时线圈理模型，这时线圈abcd中便有电流通过，见下图。中便有电流通过，见下图。其方向为从其方向为从a到到d，线圈中的电流与磁场作用，产生电，线圈中的电流与磁场作用，产生电磁力，电枢在此电磁力的作用下，便旋转起来，进而磁力，电枢在此电磁力的作用下，便旋转起来，进而带动产生机械运转。带动产生机械运转。 力的方向由左手定则确定力的方向由左手定则确定： 图示时刻图示时刻，电流从电流从a到到d，导体，导体ab受力方向则从右向受力方向则从右向左，左，cd受力方向则从左向右，电枢逆时针方向旋转。受力方向则从左向右，电枢逆时针方向旋转。 当

8、电枢转过当电枢转过180度时度时，外部电路的电流外部电路的电流i不变，线圈中不变，线圈中的电流方向变为从的电流方向变为从d到到a，此时电磁力方向不变，电机，此时电磁力方向不变，电机沿恒定方向旋转。沿恒定方向旋转。由此可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，由此可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩的方向是恒定的。但产生的电磁转矩的方向是恒定的。 电动机：在直流电动机中，外加电压并电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷、和换向器非直接加于线圈，而是通过电刷、和换向器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随其所处

9、磁极极性的改变而同时改变其方向，其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。从而使电磁转矩的方向始终保持不变。 电刷和换向器的作用：电刷和换向器的作用：将外电路的直流改变为线将外电路的直流改变为线圈内的交流的圈内的交流的“逆变逆变”作用。作用。 对于上面的两极模型对于上面的两极模型 气隙磁密分布气隙磁密分布 电刷间电势电刷间电势 方向虽不变，但却有很大的脉动，这样的电势不是直流电势方向虽不变，但却有很大的脉动，这样的电势不是直流电势 -脉动电势。脉动电势。4、脉动的减小、脉动的减小脉动的减小脉动的减小 以及电刷上的电动势以及电刷上的电动势(如图如图33)电枢绕组由多

10、个线圈串联而构成。电枢绕组由多个线圈串联而构成。实现方法：实现方法： 图图3-3 电枢上装有电枢上装有6个线圈的两极电动机个线圈的两极电动机 及每极下及每极下3个串联线圈电刷上的电动势波形个串联线圈电刷上的电动势波形 此时，电枢绕组形成两条并联支路，每条支路由此时，电枢绕组形成两条并联支路，每条支路由3个线圈串个线圈串联组成，电刷联组成，电刷B1B2上的电动势为上的电动势为3个线圈电动势瞬时值之和。个线圈电动势瞬时值之和。此时电刷上的电动势其脉动程度将大为减小。此时电刷上的电动势其脉动程度将大为减小。5、电机的可逆原理、电机的可逆原理 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

11、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。 用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷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； 在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带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能。动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。 这种同一台电机能做电动机或作发电机运行这种同一台电机能做电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中成为可逆原理。的原理，在电机理论中成为可逆原理。二、直流电机

12、的二、直流电机的基本结构基本结构主磁极、机座和主磁极、机座和电刷装置等部件电刷装置等部件 电枢（电枢铁心和电枢（电枢铁心和电枢绕组）、换向电枢绕组）、换向器等部件器等部件 1、主磁极、主磁极 构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。 2、机座、机座 构成：构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：作用：建立主磁场。建立主磁场。作用：作用：1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。、电机的结构框架。3、电枢铁心、电枢铁心 作用：作用：1、主磁路的一部分；、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。、电枢绕组

13、的支撑部件。 构成：构成：一般用厚一般用厚0.5且冲有齿、槽的且冲有齿、槽的 DR530或或DR510的硅钢片叠压的硅钢片叠压 夹紧而成夹紧而成 4、电枢绕组、电枢绕组作用：作用：直流电机的电路部分。直流电机的电路部分。 构成：构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。绝缘，并用槽楔压紧。5、换向器、换向器作用：作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用片间用V形

14、云母绝缘，两端形云母绝缘，两端再用两个再用两个V形环夹紧而构成。形环夹紧而构成。6、电刷装置、电刷装置作用：作用：电枢电路的引出（或引入）装置。电枢电路的引出（或引入）装置。构成：构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。电刷、刷盒、刷杆和连线等。三、三、 励磁方式励磁方式 励磁绕组的供电方式称为励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：直流电机按励磁方式可分：他励他励自励自励7、换向极、换向极 作用：作用：改善换向。改善换向。 构成：构成：亦由铁心和绕组组成。亦由铁心和绕组组成。复励式复励式( 图图d)： 装有两个励磁绕组，一为与装有两个励磁绕组，一为与 电枢并联的并励绕组，二为

15、与电枢串电枢并联的并励绕组，二为与电枢串 联的串励绕组。联的串励绕组。1、他励式、他励式 （如图（如图a）其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连绕组不相连。2、自励式、自励式发电机发电机 ：利用自身发出的电流励磁；：利用自身发出的电流励磁； 电动机电动机 ：励磁绕组和电枢绕组由同一电：励磁绕组和电枢绕组由同一电 源供电。源供电。并励式并励式( 图图b) ： 励磁绕组与电枢绕组并联；励磁绕组与电枢绕组并联；串励式串励式( 图图c) ： 励磁绕组与电枢绕组串联；励磁绕组与电枢绕组串联；四四 、直流电机的额定值、直流电机的额定值（1）额定功率）额定

16、功率PN：指电机在铭牌规定的额定状指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以态下运行时，电机的输出功率，以kW表示。表示。对发电机，额定功率是指输出的电功率对发电机，额定功率是指输出的电功率对电动机，额定功率是指输出的机械功率对电动机，额定功率是指输出的机械功率 为额定效率，是直流电动机额定输出功率为额定效率，是直流电动机额定输出功率与额定输入功率之比。与额定输入功率之比。直流电机的额定值有：直流电机的额定值有：NNNNIUP NNNNIUP（5）额定励磁电压）额定励磁电压UfN （仅对他励电机）。（仅对他励电机）。（4）额定转速）额定转速nN：指额定状态下运行时转子的指额定状态下

17、运行时转子的 转速，以转速，以r/min表示。表示。（3）额定电流）额定电流IN：指电机运行在时，电机的线指电机运行在时，电机的线 电流，以电流，以A表示。表示。（2）额定电压）额定电压UN：指额定状态下电枢出线端指额定状态下电枢出线端 的电压，以的电压，以V表示。表示。 一台直流发电机，其额定功率一台直流发电机，其额定功率 ，额定转速额定转速 ，额定电压，额定电压 ，额定效率，额定效率 ，试求该发，试求该发电机的输入功率电机的输入功率P1及额定电流及额定电流IN各为多少？各为多少？ 解：额定输入功率解：额定输入功率 额定电流额定电流kWPN145min/1450rnNVUN230%90NkW

18、PPNN1619 . 01451AUPINNN4 .6302301000145 五、直流电机主要系列五、直流电机主要系列 Z2系列，为一般用途的中小型直流电机，系列，为一般用途的中小型直流电机，包括发电机和电动机；包括发电机和电动机； Z和和ZF系列是一般用途的大、中型直流系列是一般用途的大、中型直流电机系列。电机系列。Z是直流电动机系列；是直流电动机系列；ZF是是直流发电机系列直流发电机系列。 电枢绕组是直流电机的核心部分，是实现电枢绕组是直流电机的核心部分，是实现电机机电能量转换的枢纽。电机机电能量转换的枢纽。 电动机电动机：绕组中通过电流，产生电磁转矩，绕组中通过电流，产生电磁转矩，使电

19、枢在磁场里转动，因而感应出反电势，使电枢在磁场里转动，因而感应出反电势，吸收电功率，将电能变换为机械能。吸收电功率，将电能变换为机械能。 发电机发电机：电枢绕组在磁场里旋转，会电枢绕组在磁场里旋转，会感应出电动势，通过换向器和电刷向感应出电动势，通过换向器和电刷向外输出，接上负载，电流流过绕组，外输出，接上负载，电流流过绕组，产生制动转矩，吸收机械能，把机械产生制动转矩，吸收机械能，把机械能转换为电能。能转换为电能。3.23.2直流电枢绕组直流电枢绕组 电枢绕组的构成原则电枢绕组的构成原则: (1)能产生足够的感应电动势能产生足够的感应电动势,允许通有一定的允许通有一定的电枢电流电枢电流,产生

20、所需的电磁转矩和电磁功率产生所需的电磁转矩和电磁功率; (2)节省有色金属和绝缘材料；结构简单、运节省有色金属和绝缘材料；结构简单、运行可靠。行可靠。直流电枢绕组的类型直流电枢绕组的类型：叠绕组叠绕组:单叠绕组单叠绕组,复叠绕组复叠绕组波绕组波绕组:单波绕组单波绕组,复波绕组复波绕组混合绕组混合绕组一、直流电枢绕组的组成一、直流电枢绕组的组成双层绕组：双层绕组：元件依次地嵌放在电枢槽内，一元件依次地嵌放在电枢槽内，一条有效边放在槽的上层，另一条放在另一槽条有效边放在槽的上层，另一条放在另一槽的下层，因此，一个槽内总有上下层两个的下层，因此，一个槽内总有上下层两个线圈边，因此称为双层绕组。线圈边

21、，因此称为双层绕组。基本概念基本概念：元件元件：组成绕组的基本单元组成绕组的基本单元。如图3-13 有效边：槽中的线圈边。端接线：其余部分有效边：槽中的线圈边。端接线：其余部分闭合回路：闭合回路：元件的首端和尾端按一定规律接元件的首端和尾端按一定规律接到不同的换向片上，最后使整个电枢绕组通到不同的换向片上，最后使整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。过换向片连成一个闭合回路。虚槽数：电枢每槽上、下层若只有一个元件电枢每槽上、下层若只有一个元件边，则整个绕组的元件数边，则整个绕组的元件数S就等于槽数就等于槽数Q。若每槽的上、下层中各包含若每槽的上、下层中各包含u个元件则个元件则 S=uQ通常把

22、一个上层和一个下层元件边在槽内占通常把一个上层和一个下层元件边在槽内占的空间作为一个的空间作为一个“虚槽虚槽”。所以。所以虚槽数等虚槽数等于元件数。于元件数。元件的出线端与换向片相连接，有一个换向元件的出线端与换向片相连接，有一个换向片即有一个元件片即有一个元件(一个元件两个出线端，一个一个元件两个出线端，一个换向片连两个出线端换向片连两个出线端),所以所以换向片数应等于换向片数应等于元件数。元件数。 所以所以 虚槽数虚槽数=元件数元件数S=换向片数换向片数K第一节距第一节距：元件的两条有效边在电枢表面上元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离，用所跨的距离，用y1表示。通常用所跨的虚表示。通常

23、用所跨的虚槽数来计算，是一个常数。通常第一节距槽数来计算，是一个常数。通常第一节距恰好等于或接近一个极距。恰好等于或接近一个极距。 pQyu21pQyu21pQyu21四个节距的概念：如图四个节距的概念：如图3-16,3-17所示所示.整距绕组（全距绕组）整距绕组（全距绕组）：当当 时，第时，第一节距恰好等于一个极距，称为整距绕组。一节距恰好等于一个极距，称为整距绕组。.短距绕组：当短距绕组：当 时，第一节距比极距时，第一节距比极距小。小。极距：在铁心表面，一个极所占的距离。极距：在铁心表面，一个极所占的距离。 合成节距合成节距：相串联的两个元件的对应边在：相串联的两个元件的对应边在电枢表面所

24、跨的距离，称为合成节距，用电枢表面所跨的距离，称为合成节距，用y表示。表示。第二节距第二节距：在相串联的两个元件中，第一个：在相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为第二节距，用表面上所跨的距离，称为第二节距，用y2表表示。也用虚槽数计算。示。也用虚槽数计算。换向器节距换向器节距：在换向器表面上，同一个元件：在换向器表面上，同一个元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离，称为换向器节距，用距离，称为换向器节距，用yc表示。用换向表示。用换向片数计算。片数计算。由于元件

25、数等于换向片数，每连接一个元件由于元件数等于换向片数，每连接一个元件时，元件边在电枢表面前进的距离，应当等时，元件边在电枢表面前进的距离，应当等于其出线端在换向器表面前进的距离，所以于其出线端在换向器表面前进的距离，所以换向器节距应当等于合成节距。即换向器节距应当等于合成节距。即 yc=y二、单叠绕组二、单叠绕组叠绕组：叠绕组：各磁极下的元件依次相连，后一个各磁极下的元件依次相连，后一个元件总是元件总是“叠叠”在前一个元件上。（图在前一个元件上。（图3-16）波绕组：把相隔约为一对极的同极性磁波绕组：把相隔约为一对极的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪场下的相应元件串联起来，像波浪一样向前

26、延伸。（图一样向前延伸。（图3-17） 单叠绕组的连接规律单叠绕组的连接规律：所有的相邻元件依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次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。则单叠绕组的合成节距等于一个合回路。则单叠绕组的合成节距等于一个虚槽虚槽,换向器节距等于一个换向片换向器节距等于一个换向片,即即1cyy说明说明:“+1” 表示每串联一个元件就表示每串联一个元件就“向右向右”移移动一个虚槽或一个换向片，动一个虚槽或一个换向片，-称为

27、右行绕称为右行绕组。组。 “-1” 表示每串联一个元件就表示每串联一个元件就“向左向左”移动一个虚槽或一个换向片，移动一个虚槽或一个换向片，-称为左行绕称为左行绕组。组。 举例说明单叠绕组的连接规律举例说明单叠绕组的连接规律: （2p=4，S=K=Qu=16，u=1） 计算绕组数据：计算绕组数据：因为单叠绕组，合成节距因为单叠绕组，合成节距 若绕组为整距，则第一节距为若绕组为整距，则第一节距为 于是第二节距为于是第二节距为 根据已经确定的各个节距，即可画出绕组的根据已经确定的各个节距，即可画出绕组的展开图，如图展开图，如图3-18所示。所示。1cyy)0(441621取pQyu3y12 yy

28、说明说明：箭头和箭头和n表示电枢旋转方向和转速。表示电枢旋转方向和转速。槽内元件的上层边用实线表示，下层边用槽内元件的上层边用实线表示，下层边用虚线表示。元件、槽数及换向片自左向右虚线表示。元件、槽数及换向片自左向右编号，元件顶上的号码为元件号，中间的编号，元件顶上的号码为元件号，中间的号码为虚槽号。号码为虚槽号。 编号的原则是编号的原则是：元件号、元件上层边所嵌元件号、元件上层边所嵌放的虚槽号以及该边所连接的换向片号均放的虚槽号以及该边所连接的换向片号均为相同。为相同。 2、画绕组展开图、画绕组展开图 （1）先画）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边

29、，再画元件边，再画16根等长、等距的虚线，代表下层根等长、等距的虚线，代表下层元件边。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽，元件边。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽，依次把槽编上号码，如上图所示。依次把槽编上号码，如上图所示。 （2）根据）根据y1画出第一个元件的上下层边（画出第一个元件的上下层边（1-5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； （3）接上换向片，）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，片之间对准元件中心线，之后等分换向器，定出换向片号；之后等分换向器，定出换向片号；（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，与第一个槽，与第

30、一个元件的下层边联接；下层边在第元件的下层边联接；下层边在第6槽与槽与3号换向片联号换向片联接。按此规律，一直把接。按此规律，一直把16个元件全部联起来。个元件全部联起来。（5）放磁极：磁极宽度约为）放磁极：磁极宽度约为0.7倍的极距，均匀分倍的极距，均匀分布在圆周上，布在圆周上，N极磁力线垂直向里（进入纸面），极磁力线垂直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）。极向外（从纸面穿出）。（6）放电刷：对准磁极轴线下，画一个换向片宽，）放电刷：对准磁极轴线下，画一个换向片宽，并把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电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

31、电刷短路的刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷短路的元件，永远是处于电机的几何中心线上，其感应电元件，永远是处于电机的几何中心线上，其感应电动势是接近于零的。动势是接近于零的。电枢电路图的绘制电枢电路图的绘制 元件元件2、3、4和和10、11、12都在都在N极下，极下，其中的电动势方向都是从元件尾端指向首端；其中的电动势方向都是从元件尾端指向首端； 元件元件6、7、8和和14、15、16都在都在S极下，极下，电动势的方向相反，即从元件首端指向尾端；电动势的方向相反，即从元件首端指向尾端； 元件元件1、5、9、13分别被电刷分别被电刷A1、B1、A2、B2短路。短路。 这这12个元件将构成个元

32、件将构成4条并联支路，电刷条并联支路，电刷A1、A2为正极性，为正极性，B1、B2为负极性。所以电路为负极性。所以电路图如图图如图3-19所示。所示。 单叠绕组的特点说明单叠绕组的特点说明：元件的两个出线端联接于相邻两换向片上。元件的两个出线端联接于相邻两换向片上。单叠绕组的并联支路数单叠绕组的并联支路数2a=应当等于电机的极数应当等于电机的极数2p，或，或 a= p整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无为零，绕组内部无“环流环流”。单叠绕组的电刷组数应当等于磁极数。（每条支单叠绕组的电刷组数应当等于磁极数。（每条支路由不相同的电刷

33、引出，电刷不能少）路由不相同的电刷引出，电刷不能少）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动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；势，电枢电压等于支路电压；由正负电刷引出的电枢电流由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和，为各支路电流之和，即即Ia= 2a=ia(ia为每一条支路的电流，即绕组元为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流件中流过的电流)。 3.3 3.3 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场一一 、空载时直流电机的磁场、空载时直流电机的磁场(图形图形) 直流电机的空载：是指电枢电流等于零或者直流电机的空载：是指电枢电流等于零或

34、者很小，因而可以忽略不计的情况。很小，因而可以忽略不计的情况。 pD 2：空载时的主磁极的磁通：空载时的主磁极的磁通：a) 主磁通：通过气隙，并形成气隙磁场。主磁通：通过气隙，并形成气隙磁场。b) 主极漏磁通主极漏磁通极矩：极矩：二二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应、负载时的电枢磁动势和电枢反应1.电枢磁动势的空间性质电刷是电枢表面电流分布的分界线,如图3-23不管电枢是否旋转,因此有如下空间性质:(1)当电刷固定不动时,电枢磁动势在空间是静止的,不管电枢是否旋转(2)当电刷位于几何中线上时,电枢磁动势与主极磁动势正交.称为交轴电枢磁动势.1）交轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线总是）交轴电枢磁动

35、势：电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合，所以当电刷位于几何中性与电刷轴线重合，所以当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势是一个与主极轴线正交线上时，电枢磁动势是一个与主极轴线正交的交轴电枢磁动势。的交轴电枢磁动势。 当电机带上负载时，气隙磁场就由主极当电机带上负载时，气隙磁场就由主极磁动势和电枢磁动势两者的合成磁动势所建磁动势和电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。立。电枢反应电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。影响。1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应 若电枢表面每单位长度的安培导体数为若电枢表面每单位长度的安培导体数为A，则此回路所

36、包含的电流则此回路所包含的电流A2x就是作用于该就是作用于该细小闭合磁路的电枢磁动势。所以作用于细小闭合磁路的电枢磁动势。所以作用于x处每极的电枢磁动势为处每极的电枢磁动势为 所以：电枢磁动势沿电枢表面呈三角形分所以：电枢磁动势沿电枢表面呈三角形分布；当布；当 时，该处的力线管将把电枢上半周时，该处的力线管将把电枢上半周具有同一方向的电枢电流全部包含在内，具有同一方向的电枢电流全部包含在内，故交轴磁动势将达到最大值故交轴磁动势将达到最大值22)/(xAxfa，极安2x)/(2极安AFaq 极鞍下极鞍下：气隙较小、且基本为均匀，电枢气隙较小、且基本为均匀，电枢磁场随着电枢磁动势的增大而正比增大；

37、磁场随着电枢磁动势的增大而正比增大；极间极间：气隙较大，电枢磁场大为削弱，因气隙较大，电枢磁场大为削弱，因此整个交轴磁场呈马鞍形分布。如图此整个交轴磁场呈马鞍形分布。如图3-23b所示。所示。忽略铁心磁阻，则在电枢表面忽略铁心磁阻，则在电枢表面x处，电枢处，电枢磁场磁场 xax0axfb 2）交轴电枢反应）交轴电枢反应 影响：影响： 1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表）、引起气隙磁场畸变，使电枢表 面面磁密磁密 等于零的位置（物理中性线）偏离几等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。何中性线。 2）、不计饱和时，交轴电枢反）、不计饱和时，交轴电枢反 应既无应既无增磁、亦无去磁用增磁、亦无去磁用

38、（如图（如图3-24b中实线所示）中实线所示）; 计及饱和时，交轴电枢反应具有一计及饱和时，交轴电枢反应具有一 定的去磁作用定的去磁作用（如图（如图3-24b中虚线所示）。中虚线所示）。2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；为去磁； 电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。电动机：与发电机的情况相反。当电刷偏离几何中线时，出现直轴电枢反应如图3-25所示3.4 3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动

39、势和电磁转矩一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势 设气隙磁场的分布（如图设气隙磁场的分布（如图37）所示，）所示，则每根导体的感应电动势为则每根导体的感应电动势为 式中式中: 导体所在处的气隙磁密；导体所在处的气隙磁密； 导体的有效长度；导体的有效长度； 导体相对气隙磁场的速度导体相对气隙磁场的速度。 lvbeblv 令令 为平均气隙磁密，则上式改写为为平均气隙磁密，则上式改写为 aZiaZaaxblvlvbE2121)(avBavaaBaZlvE2602npv将将 代入上式得出直流电得代入上式得出直流电得电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体

40、的电动势的代数和，则的电动势的代数和，则电动势公式电动势公式 ：nCnapZlBaZpnEeaavaa60)(2602nCEealBav式中式中:apZCae60每极的总磁通量每极的总磁通量电动势常数电动势常数电枢绕组的电动势公式电枢绕组的电动势公式 例：已知一台例：已知一台10kw、4极、极、2850r/min的直流发的直流发电机，电枢绕组是单叠绕组，整个电枢总导体数电机，电枢绕组是单叠绕组，整个电枢总导体数为为744。当发电机发出的电动势为。当发电机发出的电动势为 时，时，求这时气隙每极磁通量是多少？求这时气隙每极磁通量是多少？解：已知解：已知p=2， a= =2，则，则 由由 得得VEa

41、2504 .12260744260apZCaenCEeaWbnCEea4107 .7028504 .12250二二 、直流电机的电磁转矩、直流电机的电磁转矩 电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距距 为为 式中式中 该点处的气隙磁密。该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为应为 式中，式中， 气隙平均气隙平均磁密。磁密。 cT2DlibTabpT22)(221DliBpZxbDliTaavapZiapa)(2121ipzaavxbpZBa整个电枢上的电磁转矩整个电枢上的电磁转矩 则则 为为eT22DliBZpTT

42、aavapepD2lBavaIiaa2 aTaaaavaeICIaZppaIlBZT22aTeICT 可得直流电机的转距公式为可得直流电机的转距公式为 再考虑到再考虑到 为直流电机的转矩常数。 为电机的电动势常数。 所以：aZpCaT2apZCae6055. 9260eTCCeTCC55. 9例：已知一台四极直流电动机额定功率为例：已知一台四极直流电动机额定功率为100Kw，额定电压为额定电压为330V，额定转速为，额定转速为730r/min，额定效，额定效率为率为0.915，单叠绕组，电枢总导体数为，单叠绕组，电枢总导体数为372，额，额定每极磁通为定每极磁通为6.9810-2Wb，求额定电

43、磁转矩是，求额定电磁转矩是多少？多少？ 解：转矩常数解：转矩常数 =59.2 aZpCaT2AUPINNNN331所以额定转矩为所以额定转矩为 mNICTNNTe.7 .13673.5 3.5 直流电机的基本方程直流电机的基本方程 一、电压方程一、电压方程 1 、 他励直流电机他励直流电机 他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 直流电机的稳态电路图（发电机，直流电机的稳态电路图（发电机， 电动机）电动机） 发电机：发电机： 则有则有 电动机：电动机： 则有则有 IIaUEaaasaaRIUURIUE2UEaaaasaaRIEURIEU2 一、电压方程一、

44、电压方程 ； 基本方程基本方程 二、转矩方程。二、转矩方程。2、并励直流电机、并励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时相同，但有其电枢回路的电压方程与他励时相同，但有激磁电压为电枢端电压，即激磁电压为电枢端电压，即 发电机：发电机：电动机：电动机： UUffaIIIafIIIIIIsa3、串励直流电机、串励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励磁绕组与电枢绕组相串联，有励磁绕组与电枢绕组相串联，有另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。二、转矩方程二、转矩方程20TTTeeTeTTT011T0T为电磁转

45、矩为电磁转矩1.发电机情况下，电磁转矩为制动转矩，有发电机情况下，电磁转矩为制动转矩，有 原动机的驱动转矩原动机的驱动转矩 电机本身的机械阻力转矩电机本身的机械阻力转矩 2.电动机情况下，电磁转矩为驱动转矩，电动机情况下，电磁转矩为驱动转矩，为电动机轴上的负载转矩。为电动机轴上的负载转矩。2T式中，式中，三、电磁功率三、电磁功率ePaaeIEP 602 neaaaaTIapZIE2aaIEaaIEeT电磁功率用电磁功率用 表示，表示，则则将将 （机械角速度）（机械角速度） 代入上式，得代入上式，得eT发电机：发电机： 机械能机械能 转化为电能转化为电能 电动机：电动机： 电能电能 转化为机械能

46、转化为机械能 定义：负载运行时，电枢绕组的感应电势和电枢电流的乘积eTaaIEaaIE对于发电机：对于发电机： 是原动机为克服电磁转矩而输入电是原动机为克服电磁转矩而输入电机的机械功率。机的机械功率。 eT为电枢发出的电功率为电枢发出的电功率。对于电动机：对于电动机： 为电枢中的感应电势所吸收的电功率为电枢中的感应电势所吸收的电功率为电动机的电磁转矩对机械负载所为电动机的电磁转矩对机械负载所做的机械功率。做的机械功率。结论：电磁功率就是能量转换过程中电能转换为机械能或相反转换的转换功率例：已知一台四极直流电动机，电枢采用单叠绕组，例：已知一台四极直流电动机，电枢采用单叠绕组，电枢总导体数为电枢

47、总导体数为744，电枢回路总电阻为，电枢回路总电阻为Ra=0.208欧姆。此电机运行时的电源电压为欧姆。此电机运行时的电源电压为U=220V，电机的为，电机的为1500r/min，气隙磁通为，气隙磁通为0.011Wb的条件下，求其电磁转矩。的条件下，求其电磁转矩。解：解： VnapZnCEaea6 .20460AREUIaaa74mNnIEPTaaM.38.96602四、直流电机的可逆性四、直流电机的可逆性 aEUUEa电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电动机运行。作为发电机、亦可作为电动机运行。发电机运行发电机运行电动机运行电动机

48、运行EaU，发电机转态，发电机转态，此时电流此时电流Ia与与Ea方向方向一致，电磁转矩的方向与转向相反，制动一致，电磁转矩的方向与转向相反，制动性质，原动机的驱动转矩的方向与转向相性质，原动机的驱动转矩的方向与转向相同，机械能转换为电能并向电网输出。同，机械能转换为电能并向电网输出。则则n Ea ,EaU，电动机转态，电动机转态，此时电流，此时电流Ia与与Ea方向相反，电磁转矩的方向与转向相同，方向相反，电磁转矩的方向与转向相同，为驱动转矩，电机进入电动机状态为驱动转矩，电机进入电动机状态若减小驱动转矩e Ia Ea n当a=U时，Ia=0,Te=0,T1=T0若进一步去掉原动机，并在轴上加机

49、械负载1、空载特性、空载特性定义：是指定义：是指 时，电枢的空载端时，电枢的空载端电压电压与与f励磁电流之间的关系励磁电流之间的关系 。3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 直流发电机的稳态运行特性主要有三条：直流发电机的稳态运行特性主要有三条：一条是标志输出电压质量的外特性，一条是一条是标志输出电压质量的外特性，一条是励磁调节作用的调整特性，第三条是表征力励磁调节作用的调整特性，第三条是表征力能指标的效率特性。能指标的效率特性。0,InnN)(0fIfU一、他励发电机的运行特性一、他励发电机的运行特性 用试验法求取用试验法求取 试验时开关试验时开关Q断开，发电机由原动机拖动旋转，

50、保持断开，发电机由原动机拖动旋转，保持转速转速n=nN ，励磁电路接到外电源上，调节励磁电阻，励磁电路接到外电源上，调节励磁电阻Rf，使励磁电流使励磁电流If从零开始增加，空载电压随之增大，直到从零开始增加，空载电压随之增大，直到UO=（1.11.3）UN为止，然后逐渐减小为止，然后逐渐减小If直到回到零，测直到回到零，测取空载电压取空载电压Uo及励磁电流及励磁电流If，即可得到发电机的空载特性，即可得到发电机的空载特性曲线曲线Uo=f（If）。因为磁路中存在磁滞现象，所以正、反）。因为磁路中存在磁滞现象，所以正、反空载特性曲线是整个磁滞回线的一半，还有另一半或者直空载特性曲线是整个磁滞回线的

51、一半，还有另一半或者直接测取（改变励磁电流的方向，重复上述步骤），或者根接测取（改变励磁电流的方向，重复上述步骤），或者根据对称的关系画出。一般空载特性曲线取整个磁滞回线的据对称的关系画出。一般空载特性曲线取整个磁滞回线的平均线如图中的虚线，即为他励直流发电机的空载特性。平均线如图中的虚线，即为他励直流发电机的空载特性。定义：是指定义：是指 ，励磁电流，励磁电流 （通（通常等于额定励磁电流常等于额定励磁电流If），发电机的端电压），发电机的端电压与负载电流之间的关系与负载电流之间的关系 。Nnn 常值fI)(IfU U下降的原因：下降的原因： U=Ea-IaRa不考虑饱和时不考虑饱和时IIaR

52、aU考虑饱和时考虑饱和时电枢反应的去磁作电枢反应的去磁作用用 U2、外特性、外特性 在在 , 的条件下，他励发电的条件下，他励发电机从额定负载过渡到空载，电枢端电压变机从额定负载过渡到空载，电枢端电压变化的数值与额定电压的比值，称为额定电化的数值与额定电压的比值，称为额定电压调整率，用压调整率，用 来表示。来表示。Nnn fNfII%1000NNNUUUuNu额定电压调整率（电压调整率）：额定电压调整率（电压调整率）：Nnn NUU )(IfIf3、调整特性、调整特性定义：是指定义：是指 ，保持端压，保持端压 ，负载电流变化时，励磁电流的调节规律负载电流变化时，励磁电流的调节规律 。额定励磁电

53、流：额定励磁电流：当负载电流当负载电流I=IN，端电压，端电压U=UN时，所需的励磁电流时，所需的励磁电流IfN就称为额定励磁就称为额定励磁电流。电流。外特性和电压调整率都是在额定励磁电流下外特性和电压调整率都是在额定励磁电流下作出的。作出的。 由电压方程U=Ea-IaRa及外特性可知，当n=nN，负载电流I增大时，要维持端电压为一常值，If必须增加，以抵消电枢反应的去磁作用和电枢回路的电阻压降。直流电机的损耗包括机械损耗，电枢的基本铁直流电机的损耗包括机械损耗，电枢的基本铁耗，基本铜耗，电刷的接触损耗，励磁绕组耗，基本铜耗，电刷的接触损耗，励磁绕组的铜耗和杂散损耗的铜耗和杂散损耗。前两项属于

54、不变损耗，后四项随着负载的变化前两项属于不变损耗，后四项随着负载的变化而变化，属于可变损耗，总损耗为六项之和。而变化，属于可变损耗，总损耗为六项之和。效率 Nnn NUU )(2Pfppp21aUIp 24、效率特性、效率特性定义：是指定义：是指 ， 时，效率时，效率与输出功率的关系与输出功率的关系 。121121pppppppp 二、并励发电机的自励和外特性二、并励发电机的自励和外特性并励发电机的自励过程并励发电机的自励过程 发电机要自励，电机的磁路中必须要有剩磁。发电机要自励，电机的磁路中必须要有剩磁。当发电机由原动机拖动至额定转速时，发电机两端将当发电机由原动机拖动至额定转速时，发电机两

55、端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到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，励磁绕组将电枢两端的，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动势。流过一个不大的电流，并产生一个不大的励磁磁动势。如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机剩磁磁动势的方向相同电机剩磁磁动势的方向相同（正反馈），（正反馈），从而使电机从而使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所增加。在比较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，励磁电流又进一步加大

56、，导致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，继而电枢端电压又进一步加大。磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。 如果励磁磁动势的方向和电机剩磁磁动如果励磁磁动势的方向和电机剩磁磁动势的方向相反，则形成势的方向相反，则形成负反馈。不能自励。负反馈。不能自励。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来，这就是发电机的自励过程。建立起来，这就是发电机的自励过程。（如图（如图3-35） 自励发电机空载运行的稳定工作点是空载特性Ea0=f(If0)和励磁回路的伏安特性Ea0=If0Rf(励磁电阻线)的交点如图3-36由图可知，当

57、两者无交点时，也不能自激。两者相切时对应的励磁电阻称为临界电阻。并励发电机的外特性：如图并励发电机的外特性：如图 是指是指 ，Rf=常值时，发电机的常值时，发电机的端电压与负载电流间的关系端电压与负载电流间的关系U= f（I）。）。Nnn 气隙中必须有剩磁；气隙中必须有剩磁；励磁磁动势与剩磁两者方向相同；励磁磁动势与剩磁两者方向相同；励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。并励发电机的自励条件：并励发电机的自励条件：特点：1负载增大时，端电压下降较快外特性有拐弯现象 （U=Ea-IaRa ,I=U/RL ,I=Ia-If）稳态短路时，短路电流不大当短路时，f短路电流

58、仅由剩磁电动势产生，所以不大3.7 3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 fNfNIIUU,)(,2PfTne 直流电动机的运行特性主要有两条，一条直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作特性，另一条是转矩特性（或称为机械是工作特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。特性）。一、并励电动机的运行特性一、并励电动机的运行特性 1、工作特性、工作特性指指 时，时， 。)(2Pfn aeaeeaICRCUCEnn0100%NNnnnn （1）、）、转速特性转速特性 转速调整率转速调整率 ：据转速公式据转速公式影响转速的因素：电枢电阻压降和电枢反应，电枢电流增大使转速趋于下降，电枢反应

59、的去磁作用，使转速趋于上升，为使电机稳定运行，常使其具有如图如图3-41所示所示的稍微下降的转速特性。负载为轻载，电动机的转速迅速上升，造成负载为轻载，电动机的转速迅速上升，造成“飞飞车车”；负载为重载，所产生的电磁转矩克服不了负载转负载为重载，所产生的电磁转矩克服不了负载转矩，则电动机可能停转，使电枢电流增大到起矩，则电动机可能停转，使电枢电流增大到起动电流，引起绕组过热而将电极烧毁。动电流，引起绕组过热而将电极烧毁。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。对不能断开。原因分析原因分析：励磁绕组断开，：励磁绕组断开，If=0，主磁通将迅，主磁通将迅

60、速下降到剩磁磁通，使电枢电流迅速增大。速下降到剩磁磁通，使电枢电流迅速增大。)(2PfTe2020PTTTTe)(2Pf（3）、效率特性）、效率特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。并励电动机的效率特性和其他电机相类似。得出转矩特性曲线如图得出转矩特性曲线如图3-41所示：所示：当当n=常值时，转矩特性为直线常值时，转矩特性为直线当当2增加时，转速略有下降，增加时，转速略有下降，Te略有增加略有增加当当P2=0时，时，Te=T0（2）、转矩特性）、转矩特性转矩方程转矩方程NUU fR)(eTfneeTaeTCCRCUn22、转矩、转矩转速特性转速特性指指 ，励磁回路电阻，励磁回路电阻 =