直流电机的基本结构和工作原理

1、第一章直流电机本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。第一节 直流电机的工作原理与结构第二节 直流电机铭牌数据及主要系列第三节直流电机的电枢绕组第四节直流电机的磁场第五节直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算第六节直流电机的换向第七节直流发电机第八节直流电动机第一节 直流电机的工作原理与结构r*一、直流电机的主要结构k 厂主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 J换向磁极：改善换向。定子电刷装置：与换向片配合，完成直流与交流的互换I机座和端

2、盖：起支撑和固定作用。厂电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。 转子彳 换向器：与电刷装置配合，完成直流与交流的互换 转轴轴承r*二、直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理b换向器8A直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。右图为直流发电机的物理模 型，N. S为定子磁极，abed是固 定在可旋转导磁圆柱体上的线圈， 线圈连同导磁圆柱体称为电机的 转子或电枢。线圈的首末端a. d 连接到两个相互绝缘并可随线圈 一同旋转的换向片上。转子线圈 与外电路的连接是通过放置在换 向片上固定不动的电刷进行的。电刷当原动机驱动电机 转子逆时针旋转时同，

3、线圏abed将感应电动势。 如右图，导体ab在N极下， a点高电位，b点低电位； 导体cd在S极下，c点高 4位，d点低电位;电剂 A极性为正，电刷B极性 为负。bcN当原动机驱动电机转子逆时针 旋转180°后，如右图。导体ab在S极下，a点低电位， b点高电位；导体cd在N极下，c点 ° 低电位，d点高电位；电刷A极性 仍为正，电刷B极性仍为负。与电刷A接触的导体总是位于N 极下，与电刷时触的导体总是位电刷 于S极下，电刷A的极性总是正的， 电刷B的极性总是负的，在电刷A. B两端可获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分 布在电枢铁心表面的不

4、同位置，按照一定的规律连接起来，构成 电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N. S极交替旋转多对。直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。把电刷A. B接到直流电源上， 电刷A接正极，电刷时负极。体cd受力方向从左向右。该电磁 力形成逆时针方向的电磁转矩。 当电磁转矩大于阻转矩时，电机 转子逆时针方向旋转。时电枢线圈中将电流流过。b在磁场作用下，N极性下导体 ab受力方向从右向左S极下导当电枢旋转到右图所示位置时NS原N极性下导体ab转到S极下， 受力方向从左向右，原S极下导 体cd转到N极下，受力方向从右 向左。该电磁力形成逆时针方向 的电磁转矩。线圈在该电磁力形由測成的电磁转矩作用下继续逆时

5、针甩剜 方向旋转。与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圏, 磁极也并非一对。直流电 动机的 工作原 理示意 图：（三）直流电机的可逆原理从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷 两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为 机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械 能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变 为电能而成为发电机。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第二节直流电机的铭牌数据及主要系列一 一 _ 一 亠一直流电机的铭牌数据指轴上输出 的机械功率额定功率卑抠+额定条件下电机I发电杪所

6、能提供的功率额定电田m在额定工况下，电机 出线端的平均电压额定转逓n在额定电压下，运行于 额定功率时对应的电流指电刷间输出的 额定电功率定转速及额定功率时的励磁电流发电机：是指输出额定电压; 电动机：是指输入额定电压。在额定电压.额定电流下，运 行于额定功率时对应的转速。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。电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定 状态。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

7、好。直流电机系列所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产 工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增，并成批生产的一系 列电机。我国目前生产的直流电机的主要系列有：Z3系列为一般用途的小型直流电机系列。ZF和ZD系列为一般用途的中型直流电机系列。ZZJ系列为起重.冶金用直流电动机系列。此外还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机和 发电机系列尊。第三节直流电机的电枢绕组、直流电机电枢绕组的一般介绍元件:构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端:每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中 一根称为首端，另一根称为末端。W：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距

8、离，用£表示。7T Dt =2"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 一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。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 联起来，象波浪式的谕进。第一节距y : 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 > rf.玛 iMBM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 层边与第二个元件的上层边间的距离。合成节距y :连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 单叠绕组y二 力单波绕组y = M +乃换向节距几:同一元件首末端连接的换向片之间的距离。二、直流电机电枢绕组的基本形式（一）单叠绕

9、组单叠绕组的特点是相邻元件（线圈）相互叠压，合成节距与换向 节距均为1,即y二 =1 o单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出 来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、 电刷间的相对位置关系。单叠绕组的展开图5678nX X >15 1 1161 11115 16 I2H3I .2 ；14?J 415I1i11r11117 | 813 |4 L115 |16 |BiB2I11|I12I13| Uf 115116110 11 12 13 14 15 16根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:电枢转向合成电动势方向合喩电动势方向<&g

10、t;<>+一单叠绕组的的特点:1）同一主磁极下的元件 串联成一条支路，主磁极 数与支路数相同。2 ）电刷数等于主磁极数, 电刷位置应使感应电动势 最大，电刷间电动势等于 并联支路电动势。3）电枢电流等于各支路 电流之和。两个串联元件放在同极磁极下，空间 位置相距约两个极距;沿圆周向一个方向绕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。一周后，其末尾所边 的换向片落在与起始 的换向片相邻的位置。 > rf.玛单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点1）同极下各元件串 联起来组成一条支路， 支路对数为1，与磁 极对数无关；IA11-k951141113o2）当元件的几

11、何形 状对称时，电刷在 换向器表面上的位置对准主磁极中心 线，支路电动势最 大；3）电刷数等于磁极数；4）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。第四节直流电机的磁场br*直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时， 还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成便形成了电机中的气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。要 了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特 性。、直流电机的空载磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动 势也很小，且可以不计其影响的一弁运行状态，此时电机无负 载，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。所以直流

12、电机空载时的气隙磁场可认为就是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为N极 和S极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁 路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。MT 列昭町严图1-23是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）O电枢铁編图1-23直流电机空载时的磁场分布示意图从图中看出，由N 极出来的磁通，大部分 经过气隙和电枢齿，再 经过电枢磁轨到另一部 分的电枢齿，又通过气 隙进入S极，再经过定 子磁辄回到原来出发的 N极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组,ELj 匚LJ LU LL.J L

13、LJI 二芒主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁动势是相同的。当励磁绕组的串联匝数所以漏磁通在数量上比主磁通要砌得笳 漩渤讎鳞關(15-20) %左右。极的励磁磁动势为:F =1 N直流电机中，主磁通是主要的，它能在电如绕蛊#感应电动 势或产生电磁转矩，而漏磁通不与电枢绕组相匝链，没有这个作 用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。因此，可只分析主磁通。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。气隙形状图 1-24 (a)HI若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均

14、匀， 气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本为常数；在极靴范 围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中 性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为一 平顶波，如图1-24 (b)所示。(b)气隙磁密分布 图 1-24 (b)空载时主磁极磁通的分布 情况，如图1-24 (c)所示。N(c)主磁通与漏磯通图 1-24 (c):5 x/I 0图 1-25IfN FfO IN流电机的磁化曲线在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要 有一定数量的主磁通，也就是需要有一定的励磁磁动势Ff。励 磁磁动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通与 励磁磁动势Ff或励磁电

15、流If的关系曲线称为直流电机的磁化曲线， 如图1-25所示，它表明了电机磁路的特性。Qot当磁通较小时，铁磁部分没有饱和,磁压降很卜，整个磁路的磁动势几乎全部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是 一个常数，因此曲线近似为一直线（图 中0A段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯 曲，很大时，呈饱和特性。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 通彖设定在图中A点（膝部），即 在磁化特性曲线开始进入饱和区的 位置。丁 - 1 r1» Mi1几何二、直流电机负载时的磁场及电枢反应直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的 磁动势称为电枢磁易势。它的出现使电机的磁场发生变化。

16、从对电枢绕组的分析可知，不论什 么型式的绕组，其各支路中的电流是通 过电刷引入或引出的。在同一支路内元 件中电流方向是相同的，而在同一电刷 两侧的元件中，电流方向总是相反的。 因此，电刷是电枢表面导体中电流方向 的分界线。图1 -26 (a)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。彳T图1-26 (a)电枢磁场假设励磁电流为零，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的 分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。-X XBaxI ax如果认为直流电机电枢上 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 分布呈三角波，如右图巧兀所 示。由于主磁极下气隙长度基

17、本不变，而两个主磁极之间， 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 为对称的马鞍型，如图中叭兀 所示。当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，它将产生一个电枢磁动势。因此，气隙中的磁场是 励磁磁动势和电枢磁动势共同作用的结果。通常把负载时电枢磁 动势对主磁场的影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行 性能影响很大。显然，电枢反应将与电刷的位置有关，下面将以直流发电机为例，分别讨论不同电刷位置时的电枢反应。1.电刷在几何中性线上时的电枢反应在电枢磁动势的作用下，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，可得到负载后电机的磁场分布 情况。如

18、图1-27 (a)所示。一几何中性线图1-27 (a)交轴电枢反应磁场分布若电枢上半部分电流方向 为流出纸面，则电枢下半部分 电流方向为流入纸面，其电枢 磁场磁力线分布如图示。此时电枢磁场的轴线与电 刷轴线重合，并与主极轴线垂 直，这时的电枢磁动势称为交 轴电枢磁动势，它对主磁场的 影响称为交轴电枢反应O如果主极极性如图所示,把主磁场与电枢磁场合成，将合成 磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动势将对主磁场产生很大的影 响，即电枢反应。JOW下面通过磁通密度分布曲线说明电枢反应的作用如图1-27 (b)所示:电枢磁场磁通 密度分布曲线 Bax主磁场的 磁通密度 分布曲线Box图1-27 (b)交轴电

19、枢反应磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后 得到负载时气隙磁场 的磁通密度分布曲线 Bdx比较B6 x和Box两条曲线，得出电枢反应的性质:1-27 (b)交轴电枢反应磁通密度分布曲线(0使气隙磁畅茨每一磁极下，主 磁场一半被削弱，另 一半被加强。磁场为零的位置 由空载时玉几何中性 线逆转向移动了 一个 角度a。说明物理中性线 与几何中性线不再重 合。(a)磁场分布图1-27 ( a)交轴电枢反应磁场分布几何中性线是指电气 结构上两磁极的中线。物理中性线是指电机 中N极与S极的分界线，此 处磁场为零。I对空磁畅趁去翩:作用图1-27 (b)交轴电枢反应磁通密度分布曲线磁路不饱和时，主磁场被削弱的

20、数量等于加强 的数量，因此每极下的磁通量与空载时相同。但是 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 的磁通会少些，因此负载 时合成磁场每极磁通比空 载时每极磁通略有减少, 这就臭电枢反应的去磁作用O2.电刷不在几何中性线时的电枢反应N如图1-28所示，假设电刷从几何中性线顺电枢转向移动p角度，因为电刷是电枢表面导体电流方向的分界线，故电枢磁 动势轴线也随之移动0角。这时电枢磁动势可分解为 两个相互垂直的分量：交轴电 枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势 Fad。图1-28电刷不在几何中性线上的电枢反应交轴电枢反应的性质在前 面作了分析，直轴电枢反

21、应若 Fad和主磁场方向相同，起增磁 作用；相反则起去磁作用。-上述分析是以发电 机为例说明的。对电动 机而言，若保持主磁场 的极性和电枢电流的方 向不变，则可看出电动机的转向将与发电机运 行时的转岛相反，其电 枢反应比较如下：(b)电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移-发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴增磁电动机交轴和直轴增磁交轴和直轴去磁-必须说明，为了使电枢反应能起增磁作用而移动电刷，从换 向的角度看，都是不允许的。第五节直流电机的电磁转矩和电枢电动势的计算一、电磁转矩的计算产生：电枢绕组中有电枢电流流过时，在磁场内受电磁力的作用, 该力与电駆铁心丰径之积称为电磁無矩。大小：Tem =Ia =CTI

22、a2 7ia其中Cy =电机的转矩常数，有Gr = 9.55Cg可见，制造好的直流电机其电磁转矩与每极磁通及电枢电流成正比。性质:发电制动（与转速方向相反）;电动驱动（与转速方向相同）o二、电枢感应电动势的计算产生：电枢旋转时，主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电 枢电动势。大小：其中黠为电机的结构常数（电动势常数）可见，直流电机的感应电动势与电机结构.每极磁通及转速有关。性质:发电电源电势（与电枢电流同方向）;电动反电势（与电枢电流反方向）第六节直流电机的换向V元件1匚1 2r*一、换向概述直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条 支路时，元件里的电流方向改变，即换向。为了分析方

23、便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。电刷与换向片1接触时，元件1中的 电流方向如图所示，大小为i -ia °I =1 电枢移到电刷与换向片2接触时，元 件1的被短路，电流被分流。电刷仅与换向片2接触时，元件1中 的电流方向如图所示，大小为i = -ia元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生 火花。当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，使电 机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原 因。此外换向过程还伴随着电

24、化学和电热学等现象。1. 电抗电动势ex由自感电动势和互感电动势合成。自感电动势幺厶和互感电动势S :换向元件（线圈）在换向过 程中电流改变而产生的。根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，其 方向总是阻碍换向的，即与换向前的电流方向相同。2、旋转电动势er是由于换向元件切割换向区域内的磁场而感应的电动势。 方向取决于换向极磁场的极性，为了改善换向，换向极磁动势总 是与极下电枢磁动势的方向相反。因此换向元件中的总电动势为Ze=ex+ero（二）换向元件中的电流变化规律:设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是陰和&2,元件 自身的电阻为流过的电流为i,元件与换向片间的连线电阻 为

25、傀,元件在换向时的回路方程：Ri+(Rk + Rbl)i-(RRbl)ie忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与 换向片的接触总电阻为/?方，则可推导出换向元件中的电流变 化规律为_ Tk_2t_ =la + 币 ll + lk丄k 心(丄+b tT,-t1、直线换向当E e=0时,包流i与时间t呈线性关系。直线换向2、延迟换向当Ee> 0时，换向元件电流 随时间不是线性变化，出现 电流延迟现象。3、超越换向当Ee< 0时，换向元件电流 随时间不是线性变化，出现 电流超前现象。三、改善换向的方法除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零,换向元件中产生附加换向电

26、流，附加换向电流足够大时会在电 刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良 产生火花。改善换向一般采用以下方法: 选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极 位于几何中性线处装换向磁 极。换向绕组与电枢绕组串 联，在换向元件处产生换向 磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组 补偿绕组与电枢绕组串联，产生 的磁动势抵消电枢反应磁动势第七节直流发电机一、直流发电机的励磁方式供给励磁绕组电流的方式称为励建方式。分为他励和自励 两大类，自励方式又分并励.串励和复励三种方式。1他励：直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。他励直流发电机的电枢电流

27、和负载电流相同，即：AAAA2、并励:发电机的励磁绕组与 枢绕组并联。且满足WW3、串励:励磁绕组与电枢绕组串联。满足4复励:并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。二、直流发电机的基本方程式如图规定各物理量的参考方向（一）电动势平衡方程式E =U+IR+2AUhU+IRaa aba a从方程式可见，直流发电机满足Ea>U+ '5»>?（二）转矩平衡方程式发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩人、电磁转 矩匚和机械摩擦及铁损引起的空载转矩几。转矩平衡方程为：T、=T +7；1etn 0原动机输入给发电机的机械

28、功率P空载损耗几包括：机械摩擦损耗八铁损耗仏、附加损耗P如哲磁功率 pem=pi_po=Temi2 = EaI电磁功率一方面代表电动势为d的电源输出电流打时发出 的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机 械功率。电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗卩皿 输出的电功率p2 = pem-pcua自励发电机中还应减去励磁损耗化妙三.他励发电机的特性(一)空载特性定义：当nCx、/二0 时,U = f(If )空载时U = Ea空载特性实质上就是E = /(/)。 所以空载特性曲线的形状与空载磁 化特性曲线相同。直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相 同的。

29、实际中通常取平均特性曲线 作为空载特性曲线。（二）外特性定义：当 n 二 、If=I/N 时，=由曲线可见，负载电流增大时，端U a他励电压有所下降。根据u = Cen-IaRa可知端电压下降 有两个原因：电枢反应的去磁作1）在励磁电流一定情况下，负载电流增大， 用使每极磁通量减少，使电动势减少；2）电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下 降。（三）调节特性0定义：当n = CU=C2 时，由曲线可见，在负载电流变化 时，若保持端电压不变，必须改变 励磁电流，补偿电枢反应及电枢回 路电阻压降对对输出端电压的影响田、并励发电机并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而 端电压

30、是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不 同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的 条件称为自励条件。fII ；f!I ! ” J ilpaB* A _Li 一 LSid 心PKT一 WMMMbAM:一 1 厂 - vj L VW- « « '一 f *>oo. r* j'hkat> Ilj i ",u也称场阻线tz； =IfRfo原动机带动发电机旋转时，如果主磁 极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电 动势。在电动势作用下励磁回路产生。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使 主磁路磁通增

31、加，电动势增大，If增加。 如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压 与相等，达到稳定的平衡工作点A。增大©，场阻线变为曲线3时，©称为临界电阻心.。/o2/若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。 - <>- *» *r ! - - - ' - f 八 一一 - - 可见，并励直流发电机的自励条件有：(1)电机的主石玆路有剩石玆(2)并联在电枢绕组两端的励石玆绕组极性要正确(3)励石玆路的总电阻小于该转速下的临界电阻(二)运行特性并励发电机的空载特性和调节特性与他励发电机并无多大区别。 下面只分析并励发电机的外特性。并励发电机的外特性与他励发电机

32、相似，也是一条下降曲线。对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用 和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由 于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一 拐下降。第八节直流电动机一.直流电动机按励磁方式分类直流电动机的基本方程式/VWk+ 一直流电动机的励磁电流都是夕卜电源供给的，和直流发电机相 似，励磁方式不同也会使直流电动机的运行性能产生很大差异。按照励磁方式的不同，直流电动机可分为他励、并励、串励.复励电动机。规定各物理量的参考方向如图，电动机的Ia 基本方程如下：Ea = C/PnU=Ea + IaRa + 2dUbEa + IaRaEa<

33、UTem =CTIaTem =T2 + To三、他励（并励）直流电动机的工作特性1、转速调整特性定义：当 u=uN>时山=由方程式可得nCe “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2、转矩特性定义：当=54=从时，臨=巾丿 转矩表达式巧” =CTNIa:考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度一0 比电流上升的慢。3.效率特性0定义：当 =Un、时，"=fQa) 由方程式可得乍亠嚟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 功率大部分消耗在空载损耗上；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；但当负载电流增大到一 定程

34、度时铜损快速增大此时效率又变小。0串励电动机的工作特性转速特性当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励 磁电流呈线性关系。即：Rglg UN Ra + RfCQ kfCeIa kfCe当负载电流为零时，电机转速趋于无穷 大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。转矩特性 Tem=CT&a=kfCTC当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与 他励电动机相同。第二章直流电动机的电力拖动本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直 流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。第一节电力拖动系统的动力学第二节 生产机械的负载转矩特性第三节他励直流电动机的机械特

35、性第四节他励直流电动机的起动第五节他励直流电动机的电气制动第六节他励直流电动机的调速第七节串励直流电动机的电力拖动第一节电力拖动系统的动力学b其中/罟为系统的惯性转矩。电力拖动系统运动方程式描述了系统的 运动状态，系统的运动状态取决于作用在原 动机转轴上的各种转矩。根据如图给出的系统（忽略空载转矩）， 可写出拖动系统的运动方程式：dt系统旋转运动的三种状态1）当Tem =Tl或也J °时，系统处于静止或恒转速运行状态，即处 于稳态。dt当 当2)>0时，系统处于加速运行状态，即处于动态。<0时，系统处于减速运行状态，即处于动态。常把寧 字或（心-称为动负载转矩，把八称为静

36、负载转矩.375 dt二、运动方程式中转矩正、负号的规定首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方然后规定:(1)电磁转矩 与转速的正方向相同时为正，相反时为负。(2)负载转矩7；与转速的正方向相同时为负，相反时为正。惯性转矩 密 字的大小和正负号由几和乙的代数和决定。375 at第二节生产机械的负载转矩特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。一.恒转矩负载恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩九与转速无关 的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1 反抗性恒转矩负载2 位能性恒转矩负载二.恒功率负载 > rf.玛 iMBMWIFWKWm三.通风机负载恒功率

37、负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数，即7； 与“成反比，特性曲线为一条双 曲线。负载的转矩乙基本上与转 速的平方成正比。负载特性 为一条抛物线。第三节 他励直流电动机的机械特性 > rf.玛 iMBMTein一机械特性方程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.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： =f(Tem) 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式:孔二 u R TH_ C C Cr02 如 =® - PTm巾0称为理想空载转速。实际空载转速必=0 C 0 c c2二.固有机械特性和人为机械特性当U

38、=UN, = N,R = Ra时的机械特性称为固有机械特性:RgegTem由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性 是硬特性。当改变D或Ra或。得到的机械特性称为人为机械特性。(一)电枢串接电阻时的人为机械特性n保持L/ = 5,=%不变，只在电枢回路中串入电阻心的人为 特性。，n= - ' +笃心C0N C °C T 酥特点：1) 不变，“变大；2) 0越大，特性越软。（二）改变电枢电压时的人为机械特性保持R = R°,©=©濟变,只改变电枢电压时的人为特性:Ufl c 0 C C 02n5 < Un 5%特点：IMo随U变化

39、，0不变;em2）t7不同，曲线是一组平行线。mh?ir疋二（三）减弱磁通时的人为机械特性保持R二R“U=Un不变,只改变励磁回路调节电阻瞎的人为特性:UN Ra “emC妙CeCT(P2 T特点：1）弱磁“0增大;2）弱磁,0增大MlIIIIE 9 F r r ：* f ',$ W- - -tku. - i三、机械特性的绘制（一）固有特性的绘制（二）人为特性的绘制已知PN9UNIN9nN,求两点：1）理想空载 点（Tem =O,W=Wo丿和额定运彳讯丁伽=TN>n=nN）>具体步骤：（1）估算心：儿F厶、1NnN计算Q叭和G如:CQn = 3n-Pn在固有机械特性 方程

40、m。 "Tem 的基础上，根据人为 特性所对应的参细s 或/或©变化，重諒 计算和0 ,然后得 到人为机械特性方程 式。5% =955CQn（3）计算理想空载点：Tem =O,no=-nN计算额定工作点：Tn =CTNIN,n rJ?. 二人电力拖动系统稳定运行的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 的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在4点，系统平衡Tem=TL扰动使转速有微小增量，转速由上升到必,笃“ <tl.扰

41、动消失，系统减速，回到A点运行。扰动使转速有微小下降，由心下降 到 nAem <TL。Tl扰动消失，系统加速，回到A点运行。-在点，系统平衡Tem = Tl 扰动使转速有微小增量，转速由 上升到nTem >Td系统加速。即使扰动消失，也不能回到B点运行。扰动使转速有微小下降，由®下降/到叽,Tem <TL ,系统减速。即使扰动消失,也不能回到B点运行。°Tl电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，或者说，在交点的转速以上存在心<Tl，在交点的转速以下存 在心>乙第四节他励直流电动机的起动 &g

42、t; rf.玛 iMBM电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳 定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动时由于转速为零，暫枢电动势为零，而且电枢电阻4艮 小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户 的正常用电.使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损 坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串 电阻或降低电枢电压起动。一.电枢电路串电阻起动（一）起动特性以三级电阻起动时电动机为例,S2Rst2 Rst3=R1"Ra+RStl+Rst2=R2h1aRa +

43、Rstl+Rst2+Rst3 =R1 Ib点 R3I2=UN-Eal c点 R2I1 = UN-Eaid点 R2I2=UN-Ea2e点 RXIX =UNEa2f点、g点 RaIx = UN-Ea3 比较以上各式得：星.=冬=垃= （二）起动电阻计算设对应转速山、“2、5时电势分别为賂、Ea2. Ea3,则有:在已知起动电流比0和电枢电 阻前提下，经推导可得各级串联电 阻为：心 1 =(B-)RaRst2=(P-l)PRa=PRstlRst3=(fl-l)p2Ra=PRst2 Rstm =(卩-')卩"1 R(i - Pstm-l(1) 估算或查出电枢电阻;(2) 根据过载倍数

44、选取最大转矩耳对应的最大电流厶;(3 )选取起动级数加；(4 )计算起动电流比力=寸,：-加取整数 (5)计算转矩爲=乡，校验:卩2、(1113几如果不满足，应另选G或n值并重新计算，直到满足该条件为止.(6)计算各级起动电阻。二、阵生理初当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源 电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐 渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保幕在 一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。第五节他励直流电动机的电气制动

45、当电磁转矩的方向与转速方向相同时，电机运行于电动机状态；当电磁转矩方向与转速方向相反时，电机运行于制动状态。将开关S投向制动电阻上即实现制动.一.能耗制动电动状态，如图所示。制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋 转，电动势乞方向不变。由&产生的电枢 电流的方向与电动状态时的你方向相I 反，对应的电磁辑無T為方向相反，为 a 制动性质，电机处于制动状态。能耗制动时的机械特性为:R亠Rn =色_T =0卩 TC c 0制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。电动机

46、状态工作点RarLI若电动机 带位能性 负载，稳 定工作点改变制动电阻心的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率, 从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度凡 越小，特性曲 线的斜率越小，起始制动转矩越大，而下放负载的速度越小。制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是Ea <Imax=(2.5)INEaRb (2-2.5)IN Ra其中E为制动瞬间的电枢电动势。能耗制动操作简单，但随着转速下降，电动势减小，制动电流 和制动转矩也随着减小，制动效果变差。若为了尽快停转电机，可 在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻，增大制动转矩。nr-（一）电枢反接制动电枢反接制动时接线如图所示。

47、+ u -电动zzvIf二.反接制动开关S投向“电动”侧时，电枢接正极 电压，电机处于电动状态。进行制动时，开 关投向“制动"侧，电枢回路串入制动啓阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内 产生反向电流：jU+EaaB ZRb R*Rb反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从 而产生;f艮强的制动作用电压反接制动。一1. f111 rPKT一 WMMMbAM:一 1 厂 - 丄 4-«m ! w- « « * >«0etnBnARTLemRa + RB曲线如图中BC所示。工作点变化为：A =>jB =>G制动过程中U、I介Tem

48、均为负，而 >Ea为正RPr=uia >0表明电机从电源吸收电功率P2 = T2 u TemQ <。表明电机从轴上吸收机械功辜"Pem = EaIa < 0衰明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。可见，反接制动时，从电源输入的电功率和从轴上输入的机械 功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。（二）倒扛艮接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载在电枢回路中串联一个较大的电阻，即可实 现制动.正向电动状态提升重物（A点）nRa电枢回路串入较大电 阻后特性曲线负载作用下 电机反向旋 转（下放重物）工作点由A-B- C-D, CD段为制 动段倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电 枢串电阻时的人为