直流电机精品

1、1 第2章 直流电机直流电机问题引入直流电机问题引入n克服阻力旋转 n对外输出机械能N SiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线线圈圈电电枢枢气隙liBfx n磁极建立磁场 n外加直流电压 n在线圈中产生电流 n载流导体在磁场中产生电磁力(1) 状态一状态一n直流电源供电 n电流方向不变 n旋转180电角度后电磁力方向反向 n平均电磁转矩为0N SiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线圈线圈电枢电枢气隙若要维持电磁力方向不变，必须若要维持电磁力方向不变，必须: :改变磁极极性 改变电流方向 二者改变且仅改变一个(2) 状态二：转子旋转状态二：转子旋转180电角度电角度N Siabc

2、dFFii+-n电动机模型1主磁极线线圈圈电电枢枢气隙N SiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线线圈圈电电枢枢气隙(3) 两种位置电磁力对比两种位置电磁力对比n几何中性线q磁极的几何分界线 n电刷和换向器配合 n电流换向电流逆变q导体运动经过磁极的几何中性线期间q交换线圈电源极性q交换线圈电流方向q电磁力方向维持不变N SiabcdFFii+AB-n电动机模型(4) 直流电动机原理直流电动机原理换向换向6直流电机（1）说明规定N极下的导体（元件边）称为N导体，S极下的导体称为S导体电势或电流方向进入纸面用表示，流出纸面用表示（2）工作原理直流发电机的物理模型- 外力带动线圈转动7直流电

3、机模型直流电机模型91 1、直流电机的模型直流电机ABab10直流电机由主磁极产生磁场在一对电刷中通入直流电直流电通过换向器送到电枢绕组中绕组导体获得交变电流，但N极和S极下导体电流方向不变载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩电磁转矩带动电枢旋转总结11注意几点：线圈电流是交流，随着所处磁极极性的改变而改变的；电磁转矩的方向一直保持不变，电机连续旋转；外加电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流；产生的电磁转矩是驱动性质的。n主磁极建立磁场 n外加机械转矩 n线圈在磁场中旋转 n运动导体在磁场中产生感应电势n带电负载 n对外输出电能Blve 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理(

4、1) 状态一状态一(2) 两种位置电动势对比两种位置电动势对比n线圈旋转方向不变 n导体感应电势 q在不同极性磁极下感应电势方向不同 q导体感应电势交变 n感应电势换向整流 q经过磁极的几何中性线 q交换线圈输出极性 q输出直流 q否则，输出交流N Seabcde+AB-n发电机模型(3) 直流发电机原理直流发电机原理换向换向n线圈旋转，转过一对磁极的感应电势波形(4) 线圈感应电势波形线圈感应电势波形单线圈换向后的感应电势波形单线圈换向后的感应电势波形18直流电机总结：由主磁极产生磁场电枢由原动机拖动电枢绕组的导体切割磁场产生交变感应电动势交变感应电动势由换向器的整流从电刷间输出直流电源19

5、注意几点：线圈内电势、电流是交流电；电刷间为直流电势；电流方向与电势相同；从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；直流电机的可逆原理：-同一台直流电机，通过改变外界条件， 可当发电机运 行， 也可当电动机运行-用外力让转子转动，就是发电机-通进直流电，就是电动机20直流电动机l建立磁场 产生电磁力的条件l载流导体 产生电磁力l线圈运动 对外输出机械功l换向器和电刷 换向 逆变换流，产生持续电磁力直流发电机l建立磁场 产生感应电势的条件l导体运动 产生感应电势l外加负载 对外输出电能l换向器和电刷 换向 整流，产生直流电动势小结：直流电机原理要求结构组成小结：直流电机原理要求结构组成2

6、2二、直流电机的结构1、结构示意图直流电机外部结构直流电机外部结构n静止部分（定子）q主磁极、励磁绕组、电刷、轴承、磁轭和电刷装置等 n旋转部分（转子、电枢）q电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等 直流电机的基本结构直流电机的基本结构具体构成具体构成直流电机内部结构直流电机内部结构直流电机内部结构直流电机内部结构281风扇2机座3电枢4主磁极5刷架6换向器7接线板8出线盒9换向极10端盖292、定子定子（）（1）主磁极作用：产生主磁场结构：由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁绕组）构成，如图。主磁极铁心一般由1.0mm1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分。极身上面套有励磁绕组，绕组中

7、通入直流电流。整个磁极用螺钉固定在机座上。1固定主磁极的螺钉； 2主磁极铁心；3励磁绕组 主磁极 励磁绕组直流电机的定子直流电机的定子主磁极钢板冲片主磁极钢板冲片 （1-1.5mm1-1.5mm厚）厚）主磁极由钢板冲片主磁极由钢板冲片叠压而成叠压而成励磁绕组套在励磁绕组套在 主磁极极身上主磁极极身上主磁极单片主磁极铁芯图主磁极铁芯叠加图主磁极铁芯图主励磁绕组图38（2）换向极（附加极或间极）1换向极铁心；2换向极绕组 作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。结构：和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。如图。换向极铁心一般用整块钢制成

8、，如换向要求较高，则用1.0mm1.5mm厚的钢板叠压而成。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联。换向极图-140（3）机座作用：固定主磁极、换向极和端盖 作为电机磁路的一部分，称为磁轭。结构：一般用铸钢或厚钢板焊接而成，呈圆筒形，具有良好的导磁性能和机械强度。（4）端盖作用：将定子（机座）、转子（转轴）连在一起，并对电机内部起防护作用。结构：由铸钢或厚钢板组成。41（5）电刷装置作用：将外加的直流电压或电流引入或引出电机转子绕组。结构：由电刷，刷握，刷杆、铜丝辫和连线等部分组成，如图。电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动

9、接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。电刷示意图电刷结构图直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构48（1）电枢铁心作用：作为电机主磁路的一部分 嵌放电枢绕组结构：电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图。电枢铁心固定在转轴或转子支架上。铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。3、转子转子（电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇

10、等）49单片电枢铁芯图电枢铁芯示意图52（2）电枢绕组作用：是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的主要部分。结构：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（如图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。 电枢绕组图电枢绕组装配图-1电枢绕组装配图-2电枢绕组放置原理图-1电枢绕组放置原理图-2电枢绕组放置原理图-3电枢绕组放置原理图-4电枢绕组放置原理图-5电枢绕组放置原理图-6电枢绕组展开原理图-1电枢绕组展开原理图-2电枢绕组展开

11、原理图-3电枢绕组展开原理图-466（3）换向器作用：将电刷上的直流电与电枢绕组中的交流电进行转换。结构：由多个紧压在一起的楔形铜片（换向片）构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接，如图所示。换向器与转轴固定在一起。换向器示意图换向器原理图换向器换向器70为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。小容量电机的气隙约为1mm3mm，大容量电机的气隙可达10mm12mm。气隙的长度对电机运行性能影响很大。4、气隙气隙转子结构图-1转子结构图-2直流电机的转子直流电机的转子75三、直流电机的铭牌数

12、据1、额定数据额定数据（1）额定功率 PN：是指电机的输出功率，对发电机系指出线端输出的电功率， 。对电动机系指转轴上输出的机械功率， 。单位为W或kW（2）额定电压UN：是指在额定工作条件下，电机出线端的平均电压。对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压。单位为V 。（3）额定电流IN：是指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电流值。 单位为A。 （4）额定转速nN：是指对应于额定电压、额定电流、电机运行于额定功率时所对应的转速。单位为rmin 。此外，还有额定效率、额定温升、额定转矩等。NNNIUPNNNNIUPZ2 -72 ” 表示直流电动机、第二次改进设计型，“ 7 ”表

13、示机座号， 7 后面的 2 表示长铁芯（ 2 号表示长铁芯， 1 号表示短铁芯）。 772、电机型号电机型号以Z打头，后跟数字或字母。数字和字母的含义可参考相关手册。 如Z4-12：Z-直流电机4-第四次改型1-1号座机2-长铁心国产直流电机主要系列产品Z2系列 一般用途 中小型 Z和ZF系列 一般用途 大中型 电动、发电ZT系列 恒功调速范围广 拖动ZZJ系列 冶金起重ZQ系列 直流牵引ZH系列 船用ZA系列 防爆安全ZU系列 龙门刨床ZKJ系列 冶金、矿山挖掘机用79直流电机2-2 2-2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组一、直流电机电枢绕组类型一、直流电机电枢绕组类型1、单叠绕组2、

14、单波绕组3、复叠绕组：二个以上单叠绕组并列构成4、复波绕组：二个以上单波绕组并列构成5、混合绕组80一、电枢绕组的基本知识电枢绕组电磁感应的关键部件之一- 直流电机的电路部分绕组实物图 对电枢绕组的要求 通过规定的电流 产生足够的电势和电磁转矩 消耗的有效材料最省 强度高（机械、电、气、热） 运转可靠 结构简单2直流电机的电枢绕组一、有关技术名词极轴线它是将主磁极平分左右两部分的直线。极轴线几何中线 nn它是在相邻两极轴线之间，并且与这两极轴线等距离的直线。nn.82元件边（元件有效边）元件边（元件有效边）：元件的放在电枢铁心槽内的边，如a1b1 （第一元件边） ，a2b2 （第二元件边） 。

15、极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。一个磁极在圆周所占距离，槽数直流电机NSa1b1a2b2c1d1c2d2mn元件首端，元件末端元件首端，元件末端：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，如c1d1 ，另一根称为末端，如c2d2 。每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主极间的距离，用所跨弧长或该弧长所对应的极间的距离，用所跨弧长或该弧长所对应的槽数来表示槽数来表示)。设电机的极对数为。设电机的极对数为p,电枢外电枢外径为径为Da，则，则 = Da /2p (弧长弧长) 或或 = Z / 2p (槽数槽数)端接部分端

16、接部分：连接元件二个有效边的导线， a1ma2 ， b1nb2 。绕组元件绕组元件简称元件，又称为线圈。它有两个平行边为有效边有效边，是放在电枢槽中，切割磁通用。绕组元件可以是单匝，也可以是多匝。单匝多匝绕组所有线圈（元件）按一定规律连接起来就构成绕组。双层绕组一个电枢槽分为上下两层。将一个线圈的两个边分别放在电枢槽的上层和下层而形成的绕组称为双层绕组。9. 第一节距 y1它是同一元件的第一元件边(上层边)和第二元件边(下层边)在电枢表面所跨的距离。单位：槽数。y1选取的原则为：应使元件产生最大电动势应使元件产生最大电动势。故 y1=。pQu2槽总数槽总数整数而pQyu21，则称为整距绕组；如

17、果1y，则称为短距绕组；如果1y，则称为长距绕组。如果1y.y1第二节距 y2它是第一元件的第二元件边（下层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的距离。单位：槽数。y2合成节距合成节距y相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节距。合成节距用y表示，也用槽数计算。波绕和叠绕、单波绕和叠绕、单绕组和复绕组之间的差别，主要表现在合成节距上绕组和复绕组之间的差别，主要表现在合成节距上。所谓叠绕组是指：各磁极下的元件依次相连，后一个元件总是“叠”在前一个元件上。波绕组是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，像波浪一样向前延伸。叠挠和波绕这两种联法，

18、都能保证相串联的元件其电动势方向相同而不互相抵消。对叠绕组 y=y1-y2对波绕组 y=y1+y2y换向器节距换向器节距y yk k或y yc c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距离，称为换向器节距。换向器节距用yk表示，其大小用换向片数计算或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，应当等于其出线端在换向器表面所前进的距离，所以换向器节距应当等于合成节距，即 yk=yyk88绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图直流电机元件边在槽内的放置情况一个电枢槽内放二个元件边一个电枢槽内放多个元件边89 单叠绕组的连接特点是一个元件的二个端子连接

19、于相邻的二个换向片上，前一元件的末端与与其相邻的后一元件的首端连在一起，并接在同一换向片上，最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起，形成一个闭合回路。这样相邻元件(线圈)相互叠压，使得换向节距为1，即： 。1ky直流电机1 1、单叠绕组的连接特点三、单叠绕组90二、单叠绕组 单： 首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度 叠： 两个相邻的元件， 后一元件的端部紧叠在前一元件的端部特点： 槽数 Z、元件数 S 和换向片数 K 三者相同y =yk=191直流电机2 2、单叠绕组的展开图一台直流电动机的绕组数据为:p=2,槽数Q=16,元件数S=16，换向片数K=16；取元件跨距为4个槽,即第

20、一节距y1=4，换向节距yc=1929394第二节 直流电机的电枢绕组二、单叠绕组2、画槽，编号，画绕组及换向片 用 y1画出一个元件，推而广之 绕组端部对称 绕组放置规则：元件1：上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层元件2：上元件边在2槽， 下元件边放在相距y1=4即6槽下层。以此类推9596979899磁弧系数、磁短路100101102123161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514S2N1S1N2S215123161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514电

21、枢转向电枢转向S2N1S1N2S215A1A2B1B2B2123161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514S2N1S1N2S215A1A2B1B2B223478610111214161551391A1A2B1B212109651314ap23478610111214161551391A1A2B1B212109651314下层元件边下层元件边上层元件边上层元件边1345678910111213141615678910111213141615123451闭合闭合2上图所示绕组左移上图所示绕组左移1个槽距时电刷间线圈变化情况。可以看出：电个

22、槽距时电刷间线圈变化情况。可以看出：电刷间的线圈号在变化，但结构不变，即电刷间的线圈是伪静止的刷间的线圈号在变化，但结构不变，即电刷间的线圈是伪静止的.23478610111214161551391A1A2B1B21210965131434589711121315116614102A1A2B1B2231110761415第108页确定电刷放在换确定电刷放在换向器上位置的原向器上位置的原则是：空载时正则是：空载时正、负电刷之间获、负电刷之间获得最大电动势，得最大电动势，这时被电刷短路这时被电刷短路的元件电动势为的元件电动势为零。零。 109110。单波绕组绕电枢一周后，经过p对磁极，就有p个元件

23、串联起来，每个元件在换向器上跨过yc个换向片，总的所跨换向片数为pyc个。直流电机1 1、单波绕组的连接特点四、单波绕组11111211311411511613 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414NSNS+_+_A2A1B1B213 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414NSNS+_+_A2A1B1B213 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414NSNS+_+_A2A1B1B213 141512345678910111312

24、12345678910 11 12 13151414SNSN+_+_A2A1B1B213 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414SNSN+_+_A2A1B1B213 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414SNNS+_+_A2A1B1B213 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414SNSN+_+_A2A1B1B213 14151234567891011131212345678910 11 12 13151414SNSN+_+_A2

25、A1B1B2电枢转向1a 下层元件边下层元件边上层元件边上层元件边12345689101112135678910111213141512341闭合闭合15714234761011121415B1A1A2895413912815B2115127128129130直流电机2-3 2-3 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式他励式积复励差复励1.串励式2.并励式3.复励式自励式直流电机的励磁方式主磁场主磁场在直流电机中，由磁极的励磁磁动势单独建立的磁场是电机的主磁场，有时也称为励磁磁场。励磁方式励磁方式直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实

26、质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。 131直流电机1 1、他励直流电机励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关。他励式他励式-励磁绕组由其他电源供励磁绕组由其他电源供电电 励磁绕组与电枢绕组不相连励磁绕组与电枢绕组不相连-缺点：要两个电源缺点：要两个电源132直流电机2 2、并励直流电机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，励磁电压Uf等于电枢电压Ua，如图所示。并励电动机的运行性能与他励电动机相似。并励式并励式-由同一电源供电由同一电源供电-励磁绕组与电枢绕组并励磁绕组与电枢绕组并联联-最常用的最常用的133直流电机3 3、串励直流电机励磁绕组与

27、电枢绕组串联后再接于直流电源，此时的电枢电流就是励磁电流，即Ia=If。串励式串励式-由同一电源供电由同一电源供电-励磁绕组与电枢绕组串励磁绕组与电枢绕组串联联134直流电机4 4、复、复励直流电机电动机有并励和串励两个励磁绕组。并励绕组与电枢绕组并联后再与串励绕组串联，然后接于电源上。根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：当串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致时，二个磁动势互相叠加，称为积复励；反之，叫做差复励。复励式复励式-由同一电源供电由同一电源供电-装有两个励磁绕装有两个励磁绕组组 与电枢绕组有串联有并联与电枢绕组有串联有并联135直流电机空载情况下，气隙磁

28、场只由主磁极的励磁电流If所建立，也就是说直流电机空载磁场是指励磁磁势单独建立的磁场，所以又称励磁磁场。即空载时的气隙磁场=励磁磁场=空载磁场直流电机二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场1 1、空载、空载发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流等于或接近零的状态。2 2、空载磁场、空载磁场136直流电机主磁通：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，称为主磁通。漏磁通漏磁通：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，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

29、。 直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。 主磁通通过气隙主磁通通过气隙-交连定转子交连定转子-在电枢绕组中感应电动势在电枢绕组中感应电动势-或产生电磁转矩或产生电磁转矩 漏磁通不通过气隙漏磁通不通过气隙-只交连定转子单方只交连定转子单方-浪费磁势浪费磁势-大约是主磁通的大约是主磁通的20%137直流电机直流电机的空载磁场特点直流电机的空载磁场特点1极靴；2极身；3定子磁轭；4励磁线圈；5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭138气隙磁密分布气隙磁密分布：空载时，励

30、磁磁动势主要消耗在气隙上。当空载时，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。决于气隙的大小和形状。 磁极中心及附近的气隙小且磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。隙磁通密度为零。 空载时的气隙磁通密

31、度为一平顶波空载时的气隙磁通密度为一平顶波直流电机气隙磁密波形气隙磁密波形 空载时，磁动势主要消耗空载时，磁动势主要消耗 在气隙上在气隙上忽略铁心磁阻时，忽略铁心磁阻时，气隙磁密的分布就取决于气隙的气隙磁密的分布就取决于气隙的 大小和形状大小和形状 平顶波平顶波139 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。000fF0fIfNI0fF0fIINfIA0N0FH LB A所以电机磁化曲线的形状必然和所采用的铁磁材料的B-H曲线相似。直流电机电机磁化曲线：电机磁化曲线：为

32、了合理地利用材料，一般额定为了合理地利用材料，一般额定 运行点设定在拐点（图中运行点设定在拐点（图中A点）点） 空载特性空载特性空载气隙磁通与空载励磁电流的空载气隙磁通与空载励磁电流的 关系关系- 磁化曲线磁化曲线140三、三、 直流电机的负载磁场直流电机的负载磁场 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动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。 1 1、电枢磁动势、电枢磁动势直流电机2 2、电机的气隙磁场、电机的气隙磁场负载时电机中的气隙磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的。励 磁 电 流 所 建 立 的 磁 场电 枢 电 流 所 建 立 的 磁 场气 隙

33、磁 场141电机带上负载后，电枢磁动势的作用会使电机的气隙磁场与空载是相比，分布情况和大小都发生变化，影响电机的运行性能。电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响称为 电枢反应。 3 3、电枢反应、电枢反应直流电机4 4、电枢磁场、电枢磁场（1）电刷在几何中线上时的电枢磁场142直轴：与主极轴线直轴：与主极轴线重合重合的轴的轴交轴：与主极轴线交轴：与主极轴线正交正交的轴的轴143直流电机（2）一个元件产生的电枢磁动势 2 2 yaNi21 axyF x 232,2122,21xNiFxNiFyaaxyyaaxy144直流电机（3）均匀分布在电枢铁心表面的元件产生的电枢磁动势 以一个磁极下有

34、三个元件边为例145直流电机（4）电枢磁动势和磁密的计算设N为电枢绕组的总导线数；S为元件数； 为极距；p为极对数，Da电枢直径，则阶梯级数为pSpS22221则阶梯波或三角波形的幅值为：负荷的安培导体数，称为线为电枢表面单位周长上aaDNiA)/(2222221极安匝ADNipSNipSNiFaayayaax146磁密由于主磁极下气隙长度基本不变，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，如图中所示。axFaxB直流电机axaxFB0147直流电机5 5、合成气隙磁场、合成气隙磁场（a）主极磁场 （b）电枢磁场 （c）合成磁场 SN148负载后电机

35、的磁场负载后电机的磁场主磁场分布主磁场分布+电枢磁场分布电枢磁场分布149axBxB电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线直流电机1501)、使气隙磁场发生畸变、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不同。 2)、对主磁场起去磁作用、对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强

36、的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。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，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。直流电机6 6、合成气隙磁场的特点、合成气隙磁场的特点151直流电机2-4 2-4 直流电机的基本方程直流电机的基本方程一、感应电动势一、感应电动势设嵌在电枢槽内导体的有效长度为l，切割磁通的相对速度为，用Bx表示任一导体所在处的磁通密度，则该导体的感应电动势为：lBexx设电枢绕组总导体数为N，并联支路数为2a（波绕组a=1），则电枢正负电刷引出的电动势为：aNixiaNixiaNixiaBllBeE2/12/12/1152

37、B(x)11N 2aBav Bav lBavNL平均磁通密度平均磁通密度153直流电机以单叠绕组为例，一条支路串联了一个极下的所有导体，设导体沿电枢表面在极下连续分布，如图。aNixiB2/1则 S n f B 为Bx包围的面积之和，也就是一个极下的磁密之和。设平均磁密lBppaNixiBaNB22/1所以有：paBaNlE2154直流电机3022602nppnRlBpnCnapNBaNlnpEepa60230apNCe60为电动势常数nCEea其中： Dn 2p6060n155直流电机ffIKfafffeeaIGnIKCnCE机械角速度；fTfeafKCKCG260若不计饱和影响，磁通与励磁

38、电流If的关系可表示为：Kf比例常数。感应电动势的计算公式为：式中：156 电机的电势系数只与电机本身的参数有关电机的电势系数只与电机本身的参数有关 a 为并联支路对数，对于单叠绕组：为并联支路对数，对于单叠绕组：a=p; 对于单波绕组：对于单波绕组：a=1 注意转速的单位：注意转速的单位：r/min公式说明：公式说明：E pN n C n60aae157直流电机的感应电动势直流电机的感应电动势直流电机电动势的性质：直流电机电动势的性质：直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关发电机发电机是电源电势（与电枢电流同方向）是电源电势（与电

39、枢电流同方向）电动机电动机是反电势（与电枢电流反方向）是反电势（与电枢电流反方向）158直流电机二、电磁转矩二、电磁转矩设嵌在电枢槽内导体的有效长度为l，Bx表示任一导体所在处的磁通密度，ia为导体中流过的电流，则该导体所受的电磁力为：axxliBF 设电枢绕组总导体数为N，一个极面下的导体数为N/(2p)，并联支路数为2a（波绕组a=1），电枢总电流为Ia，有：aNixkaaNkaxkaNkxkPBliliBfF2/12/12/1)2/( aIiaa则一个极面下所有导体所受的电磁力为：159直流电机aTaapemICIapNaIDlNBDFT2222apNCT2为转矩常数电枢共2p个磁极，故

40、电枢上总的电磁力为：aIlNBpFFapP22paNixBaNB22/1设D为电枢直径，且有则电磁转矩为：lBpDP,2160直流电机apNCapNCTe2,60aTemICTafafaffTemIIGIIKCT若不计饱和影响，电磁转矩的表达式为：eeTCCC55. 930161直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系1 1、Ce 和和 CT 的关系的关系Ea Cen什么关系？什么关系？Tem CT Ia- n : r/min- ：rad/s 国际单国际单位位- 关系：关系：n 2 2 n6060162Tem CT Ia2 aa直流电机的电动势和电磁转矩公式的关

41、系直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系1 1、Ce 和和 CT 的关系的关系E pN CT 结论：结论：Ce 和和 CT 是一回事，单位不同而是一回事，单位不同而已已163Tem CT Ia kIa直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系2 2、进一步说明了直流电机的可逆运行原理、进一步说明了直流电机的可逆运行原理Ea CT k说明：电机做好以后，如果磁场一定，出力的能力就一定了说明：电机做好以后，如果磁场一定，出力的能力就一定了 EaIa Tem164直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系直流电机的电动势和电磁转矩公式的关系3 3、说明了能量转换的本质、说明了能

42、量转换的本质公式说明：只要有转速，就有电势公式说明：只要有转速，就有电势只要有电流，就有转矩只要有电流，就有转矩结论：结论：（1）不管是发电机还是电动机，电势和转矩是同时存在的）不管是发电机还是电动机，电势和转矩是同时存在的（2）说明了能量的转换关系：）说明了能量的转换关系：Pem T Ea Ia kIa165直流电机三、电磁功率三、电磁功率从电磁角度看，电动机（或发电机）通过电磁感应作用，从电源吸取（发出）电磁功率EaIa；从机械角度看，在电动机中，Tem为电动机的电磁转矩，为机械负载所作的机械功率，而在发电机中Tem为原动机克服制动电磁转矩所需电机的机械功率；无论电动机还是发电机，电功率转

43、换为机械功率或机械功率转换为电功率的这部分功率为EaIa或Tem ，称为电磁功率。emafafafafaaTIIGIIGIE166直流电机四、直流电机的基本方程式四、直流电机的基本方程式dtdiLiRuedtdiLiRufffffaaaaaa1 1、电动势平衡方程式、电动势平衡方程式（1）他励直流电动机电动势平衡方程稳态运行时，带时间的常量为零，上式变为：fffaaaaIRUEIRU167直流电机（2）他励直流发电机电动势平衡方程稳态运行时，上式变为：fffaaaaIRUIREUdtdiLiRudtdiLiReufffffaaaaaa168直流电机dtdJTTTem022 2、转矩平衡方程式、

44、转矩平衡方程式（1）直流电动机转矩平衡方程稳态运行时：02TTTemTemT0注意：电动机情况下，电磁转矩是一个注意：电动机情况下，电磁转矩是一个驱动驱动转矩！转矩！- 电磁转矩电磁转矩- 机械负载转矩机械负载转矩T2- 机械摩擦等引起的空载转矩机械摩擦等引起的空载转矩惯性转矩 dtdJ169直流电机dtdJTTTem01（2）直流发电机转矩平衡方程稳态运行时：01TTTem 注意：发电机情况下，电磁转矩是一个制动转矩注意：发电机情况下，电磁转矩是一个制动转矩- 原动机给发电机的驱动转矩T1- 电磁转矩- 机械摩擦及铁损引起的空载转矩 T0注意：总是与注意：总是与 n 反向反向的的170直流电

45、机3 3、功率平衡方程式、功率平衡方程式（1）直流电动机功率平衡方程电磁功率并不能全部用来输出，它的一部分是运行时的机械损耗pmec、铁损pFe和附加损耗p，剩下的部分才是轴上对外输出的机械功率P2。直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1=UaIa，除去消耗在电枢绕组电阻的损耗 pcua=Ia2Ra ，称为电枢铜耗；消耗在电刷与换向器接触电阻中的电功率 Pc=2UcIa称为电刷接触损耗 ；两者合称负载损耗（可变损耗）；其余部分转变为电枢上的电磁功率Pem =EaIa。有：acaaaaaaemccuaIUIERIIUPppP221171直流电机机械损耗 pmec、铁损pFe和附加损耗p为空载时的

46、损耗，它们合起来称为空载损耗（不变损耗），有表示p0，与空载损耗对应的转矩为空载转矩T0 。有：2PpppTIEPmecFeemaaem000pTppppmecFe所以：20202TTTPpPpppPemmecFeem122emcuaccuacmecFePPppPpppppPp所以：其中：cuacmecFepppppp 172直流电机21PpppPPppPmecFeememccua功率图：173直流电机（2）直流发电机功率平衡方程直流电动机工作时，从轴上吸收机械功率0011pPTTTPememccuaacaaaaaaemppPIURIIUIEP22201TTTem功率图174直流电机功率平衡方

47、程可由电动势平衡方程和转矩平衡方程推导出来，以电动机为例： 2 1 220TTTEUIRUemacaaa1式二边同乘Ia，2式二边同乘，上式变为：2022TTTIEIUIRIUemaaacaaaa即：201PpPPppPememccua电机效率：%10012PP175直流电动机的工作特性：直流电动机的工作特性：是指在端电压U=UN，电枢回路无外加电阻(R=Ra)，励磁回路电流If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率 随输出功率 变化而变化的关系。2P直流电机2-5 2-5 直流电机的运行特性直流电机的运行特性一、直流电动机运行特性一、直流电动机运行特性在实际运行中，电枢电流Ia可直

48、接测量，并且Ia随P2的增大而增大，两者增大的趋势相差不多，故往往将工作特性表示为n=f(Ia)、 Tem =f(Ia)、 =f(Ia)。176直流电机1 1、直流电动机基本方程、直流电动机基本方程aaaaEIRUfffIRU nCEeaaTemICTemaaemTIEP602 npPP21177直流电机2 2、并励直流电动机工作特性、并励直流电动机工作特性（1）转速特性aaeaeNInICRCUn0aaaRIEUnCEea又eaaNCRIUneNCUn 0eaCR理想空载转速转速特性斜率转速特性是指在Ua=UN， 励磁电流If=IfN ，电枢回路不串电阻时，电动机的转速与电枢电流之间的关系，

49、n=f(Ia)。)(afUU178直流电机（2）转矩特性在Ua=UN，励磁电流If=IfN ，电枢回路不串电阻时，电动机的电磁转矩与电枢电流之间的关系， Tem =f(Ia)。aTemICT电磁转矩和电枢电流成正比，两者为一条过原点的直线。在实际的情况下，电枢电流较大时，电枢反应的去磁作用使实际转矩特性偏离直线。179直流电机（3）效率特性在Ua=UN，励磁电流If=IfN ，电枢回路不串电阻时，电动机的效率与电枢电流之间的关系， =f(Ia)。%100%1001112PpPPP铜耗：电枢铜耗和电刷接触损耗是随电枢电流而变化的是可变损耗；铁耗：包含磁滞损耗和涡流损耗，与转速n和磁密以及磁通交变

50、频率有关，在转速和磁密变化不大的情况下，这里可认为是不变；机械损耗：轴承及电刷的摩擦损耗，与转速有关，当转速变化不大时，认为不变；附加损耗：又称杂散损耗，取电动机额定功率的1%或0.5%。p:180直流电机%10021 %100)1 (%1002112aacaaamecFeIUUIRIppPpPP0adId令可见，效率是电枢电流的二次曲线，有一个极值，此处为极大值，即电动机在某一处负载处效率最高。得：当电动机的不变损耗等当电动机的不变损耗等于可变损耗中的平方项时，电动于可变损耗中的平方项时，电动机的效率最高。机的效率最高。181直流电机3 3、串励直流电动机工作特性、串励直流电动机工作特性（1

51、）转速特性)(faaeffaaaRRInCRIRIEUafffIKIK又effaaefNCKRRCKUn)(afII可见，串励电动机的转速特性近似为一条双曲线。具有这种特性的原因是电枢电流与励磁电流为同一电流。182直流电机（2）转矩特性2afTaTemIKCICT为一条抛物线（3）效率特性与并励机相似。注意：注意：v串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行，否则容易引起“飞车”事故。v在同样的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。即起动性能好。183直流电机4 4、复励直流电动机工作特性、复励直流电动机工作特性复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如

52、果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险 ，复励电动机的转速特性如图所示。1-并励，2-复励，3-串励184直流电机5 5、他励直流电动机工作特性、他励直流电动机工作特性与并励直流电动机工作特性相同。185直流电机6 6、例题、例题eg1:一台他励直流电动机的额定数据为：PN=1325kW，UN=750v，IN=1930A，nN=200r/min，电枢绕组的电阻Ra=0.0161，电刷接触压降2Uc=2v。设电动机原来在转速200r/min和额定负载下运行，在总的制动转矩（包括损耗

53、转矩）不变情况下，试求：（1）在电枢回路中突然串入电阻R=0.743 ，在串入电阻的最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使磁通减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速各为多少？186直流电机二、直流发电机的特性二、直流发电机的特性1 1、空载特性（开路特性）、空载特性（开路特性）（1）含义：空载特性是指发电机的转速n=nN，输出端开路，负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：U0=（If0）（2）测量接线图187发电机空载特性直流电机 实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到U0=（1

54、.11.3）UN为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。188结论结论：空载特性曲线的形状与电机磁化曲线相同，只不过改变一下坐标的比例即可。可见，发电机的空载特性表明的是电机的磁路特性。直流电机（3）特点分析aaaRIEU00aINeanCEU00UffFI又。FfIfUff形状完全一致与)()(00189 直流电机2 2、并励和复励发电机空载电压的建立、并励和复励发电机空载电压的建立并励机要在空载时建立电压，电机磁路

55、中必须有一定剩磁，当发电机由原动机拖动至额定转速时，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，励磁绕组将流过一个不大的电流，电枢绕组切割剩磁产生一个不大的剩磁电动势E0r。如果励磁绕组与电枢两端并联的极性正确，即励磁绕组磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，则气隙磁场得到加强，电枢绕组中的电动势又因气隙磁场加强而增加，励磁电流也相应增加，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，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。（1）空载电压建立过程190直流电机（2）空载电压建立电路图19100()fUf I

56、00f fURI直流电机（3）空载电压建立的稳态工作点000ff ffdiuR iLdt192电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；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，否则将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将电枢反转；励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。直流电机（4）空载电压建立的条件193NnnfNfII )(aIfU 当 、 时， 直流电机2 2、直流发电机负载特性（外特性）、直流发电机负载特性（外特性）（1）含义（2）测量保证n=nN，调节Rf使U=UN、I=IN，保持Rf不变，减小负载到零，测取U和Ia，绘制曲线即为外特性。194 由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。aaeRInCU直流电机（3）外特性及特点端电压下降有两个原因：电枢反应作用加强电阻压降增大（4）电压调整率发电机从空载到满载电压变化的程度。%10000UUUUN一般他励直流发电机U=（510）%195直流电机2-6 2-6 直流电机的换向直流电机的换向一、换向问题一、换向问题1、换向直