第2章 直流电机-复习版

1、2.1 2.1 直流电机的工作原理；直流电机的工作原理；2.2 2.2 直流电机的结构、额定值及主要系列；直流电机的结构、额定值及主要系列；2.3 2.3 直流电机的电枢绕组；直流电机的电枢绕组；2.4 2.4 直流电机的磁场；直流电机的磁场；2.5 2.5 直流电机的感应电势和电磁转矩；直流电机的感应电势和电磁转矩；2.6 2.6 直流电动机的运行原理；直流电动机的运行原理；2.7 2.7 直流发电机的运行原理；直流发电机的运行原理；2.8 2.8 直流电机的换向。直流电机的换向。第第2 2章章 直流电机直流电机2.1 2.1 直流电机的工作原理（重点）直流电机的工作原理（重点）2.1.12

2、.1.1直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理要解决的问题：要解决的问题：依据：电磁力定律依据：电磁力定律 B磁密，磁密，l导体有效长度，导体有效长度，i电流电流Blifem方向由左手定则判定方向由左手定则判定结论：结论：只要两个线圈边在不同的极下能及时改变电流方向，即可使得直流电动只要两个线圈边在不同的极下能及时改变电流方向，即可使得直流电动机得到持续的同方向的电磁转矩，从而朝着同一方向连续旋转。机得到持续的同方向的电磁转矩，从而朝着同一方向连续旋转。 由换向器和电刷来完成。由换向器和电刷来完成。 N-S极极为一对在空间固定不为一对在空间固定不动的磁极（可以是电磁铁也可动的磁极（可以是电磁

3、铁也可以是永久磁铁）；以是永久磁铁）； 两个磁极之间装着一个可以两个磁极之间装着一个可以自由转动的铁磁材料制成的圆自由转动的铁磁材料制成的圆柱体（称为柱体（称为电枢电枢），圆柱体上），圆柱体上装有一个装有一个线圈线圈ax。如图。如图2-1所示。所示。当当a导体在导体在N极下，极下，b导体在导体在S极下时极下时产生的电磁转矩逆时针方向产生的电磁转矩逆时针方向当当a导体在导体在S极下，极下，b导体在导体在N极下时。极下时。 产生的电磁转矩顺时针方向产生的电磁转矩顺时针方向 图2-1直流电动机简化模型磁极磁极电枢电枢目前位置：目前位置：ab线圈边在线圈边在N极下，极下，cd线圈边在线圈边在S下下目前

4、位置：目前位置：cd线圈边在线圈边在N极下，极下，ab线圈边在线圈边在S下下线圈中电流方向线圈中电流方向Aabc dB电枢逆时针方向旋转电枢逆时针方向旋转线圈中电流方向线圈中电流方向Adcb aB电枢逆时针方向旋转电枢逆时针方向旋转ab边边:电流电流ab ,电磁力方向逆时针电磁力方向逆时针cd边边:电流电流cd ,电磁力方向逆时针电磁力方向逆时针ab边边:电流电流b a ,电磁力方向逆时针电磁力方向逆时针cd边边:电流电流d c ,电磁力方向逆时针电磁力方向逆时针磁极磁极电枢电枢换向器换向器电刷电刷(静止）静止）图2-2直流电动机工作原理结论：结论： （1）电刷和换向器装置将电刷外部的直流电流

5、）电刷和换向器装置将电刷外部的直流电流变成了线圈内部的交流电流，从而实现了换变成了线圈内部的交流电流，从而实现了换向。向。 （2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器。用，即相当于一个机械式逆变器。2.1.12.1.1直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理要解决的问题：要解决的问题：依据：电磁感应定律依据：电磁感应定律Blve 方向由方向由右手定则右手定则判定判定B磁密，磁密，l导体有效长度，导体有效长度，v电枢旋转的线速度电枢旋转的线速度2.1.22.1

6、.2直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理目前位置：目前位置：ab线圈边在线圈边在S极下，极下，cd线圈边在线圈边在N下下线圈电势方向线圈电势方向： abcd电刷电势方向：电刷电势方向：A+；B-ab边：感应电势（电流）边：感应电势（电流）a b cd边：感应电势（电流边：感应电势（电流) c d目前位置：目前位置：ab线圈边在线圈边在N极下，极下，cd线圈边在线圈边在S下下ab边：感应电势（电流）边：感应电势（电流）ba cd边：感应电势（电流）边：感应电势（电流）dc线圈电势方向线圈电势方向： dcba电刷电势方向电刷电势方向：A+；B-假设原动机拖动电枢逆时针恒速旋转假设原动机拖动电枢

7、逆时针恒速旋转原动机拖动原动机拖动原动机拖动原动机拖动图2-3直流发电机的工作原理（1）电刷和换向器装置将线圈内部的交流电势和电刷和换向器装置将线圈内部的交流电势和电流变成了电刷外部的直流电势和电流，从而实电流变成了电刷外部的直流电势和电流，从而实现了换向；现了换向；（2）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。相当于一个机械式整流器。 2.1.22.1.2直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理结论：结论： 作为作为直流电动机直流电动机运行时，电刷两端

8、接直流电源，轴上运行时，电刷两端接直流电源，轴上接机械负载，电动机将电能转换为机械能拖动机械负载运接机械负载，电动机将电能转换为机械能拖动机械负载运行；行； 作为作为直流发电机直流发电机运行时，则要用原动机拖动电枢运转，运行时，则要用原动机拖动电枢运转，就可从电刷两端引出直流电势对电负载供电，发电机将机就可从电刷两端引出直流电势对电负载供电，发电机将机械能转换为电能。械能转换为电能。 同一台直流电机即可作为电动机也可作同一台直流电机即可作为电动机也可作为为发电机使用，只要改变外部条件即可。发电机使用，只要改变外部条件即可。2.1.32.1.3直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理2.22.2直流

9、电机的结构、额定值直流电机的结构、额定值（1）主磁极：）主磁极： 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极的作用是产生气隙磁场。 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，主磁极铁心一般由主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，主磁极铁心一般由1.01.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧组成，铁心中的上部套有励磁绕组的部分称为极厚的钢板冲片叠压铆紧组成，铁心中的上部套有励磁绕组的部分称为极身，下面扩展的部分称为极靴。励磁绕组由绝缘铜线绕制而成，励磁绕身，下面扩展的部分称为极靴。励磁绕组由绝缘铜线绕制而成，励磁绕组套在主磁极铁心上通以直流电流来建立磁场。整个主磁极用螺钉固定组套在主磁极铁心上通以直流电流来建立磁场。整个主磁

10、极用螺钉固定在机座上。见图在机座上。见图2-5a)电机由两大部分组成电机由两大部分组成:静止部分静止部分定子定子旋转部分旋转部分转子（电枢）转子（电枢）1 1、定子部分、定子部分2.1.12.1.1直流电机的结构直流电机的结构图2-5 主磁极和换向极a)主磁极b)换向极（2）换向极）换向极 换向极装在两极之间。换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。如图组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。如图2-5b）所示。）所示。（3）机座）机座 电机定子的外壳部分称为机座。电机定子的外壳部分称为机座。机座的主体部分作为磁极

11、间的通路机座的主体部分作为磁极间的通路，这，这部分称为磁轭。部分称为磁轭。机座同时用来固定主磁极、换向极和端盖机座同时用来固定主磁极、换向极和端盖，起到整个电机，起到整个电机的支撑和固定作用。的支撑和固定作用。（4）电刷装置）电刷装置 电刷装置是电枢电路的引入（或引出）电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，装置，通过它可以把电机旋转部分的电通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。合才能使电机获得直流电机的效果。电电刷装置由电刷、刷盒、刷杆座和铜丝辫等组刷装置由电刷、刷盒、刷杆座和铜丝辫等组成。成。 图2-

12、6直流电机的电刷装置 2.1.12.1.1直流电机的结构直流电机的结构（1）电枢铁心）电枢铁心 电枢铁心是主磁通磁路的主要部分，同时用来嵌放电枢绕组。电枢铁心是主磁通磁路的主要部分，同时用来嵌放电枢绕组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心一般用电枢铁心一般用0.5mm厚的硅钢片冲片叠压而成为一圆柱体，将厚的硅钢片冲片叠压而成为一圆柱体，将其安装在转轴上。电枢的外圆开有电枢槽，槽内嵌入电枢绕组。其安装在转轴上。电枢的外圆开有电枢槽，槽内嵌入电枢绕组。 （2）电枢绕组）电枢绕组. 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感

13、应电势，是电机进行能量转化的电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电势，是电机进行能量转化的关键部件。关键部件。电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈是由按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的电路部分。组成，它是直流电机的电路部分。2 2、转子（电枢部分）、转子（电枢部分）2.1.12.1.1直流电机的结构直流电机的结构（a）电枢铁心冲片 （b）电枢铁心图2-7直流电机的电枢铁心冲片和铁心（3）换向器）换向器 换向器的作用是把电枢绕组内换向器的作用是把电枢绕组内部的交流电流转换为电刷间的直流部的交流电流转换为电刷间的直流电流。电流。 换向器由许多换向片

14、组成，片换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上。圈的两端分别接到两个换向片上。如图如图2-8所示。所示。（4）转轴）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需要一定的强度和刚度，一般用转轴起转子旋转的支撑作用，需要一定的强度和刚度，一般用圆钢加工而成。圆钢加工而成。2.1.12.1.1直流电机的结构直流电机的结构图2-8直流电机的换向器 （1）额定功率额定功率 ：电机按规定的工作方式运行时所能提供的电机按规定的工作方式运行时所能提供的输出功率输出功率。 对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的对于电动机，额定功率是指转子轴上输出

15、的机械功率机械功率 ；对于发电机，额定功率则是指电刷输出端输出的对于发电机，额定功率则是指电刷输出端输出的电功率电功率。2.2.2 2.2.2 直流电机的额定数据直流电机的额定数据（3）额定电流： 电机按规定的工作方式运行时，电枢绕组允许通过的电机按规定的工作方式运行时，电枢绕组允许通过的最大电流最大电流。 （并励机和复励机指得是总电流）（并励机和复励机指得是总电流）)(kWWPN或 （2）额定电压额定电压：电枢绕组能够安全工作的电枢绕组能够安全工作的最大电压最大电压。对于电动机是电刷输出端的输入电压；对于电动机是电刷输出端的输入电压；对于发电机是电刷输出端的输出电压。对于发电机是电刷输出端的

16、输出电压。)(kVVUN或)(kAAIN或（3 3）额定转速）额定转速 ： 在额定电压、额定电流、和输出额定功率运行时，电机在额定电压、额定电流、和输出额定功率运行时，电机的转速。的转速。（4 4）额定效率：）额定效率： 在额定条件下电机的输出功率与输入功率之比。在额定条件下电机的输出功率与输入功率之比。 (%)Nmin)/(rnN直流电动机：直流电动机： 直流发电机：直流发电机：电动机轴上输出的额定转矩：电动机轴上输出的额定转矩： 额定数据之间存在着如下关系：额定数据之间存在着如下关系： NNNNIUPNNNIUP NNNNNNnPnPPT955060/2101033（上式中（上式中 的单位

17、为的单位为kw）NP2.2.2 2.2.2 直流电机的额定数据直流电机的额定数据2.3 2.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组对电枢绕组的主要要求：对电枢绕组的主要要求： 正、负电刷间所感应的电势应尽量大；绕组所用的导线和绝缘材料尽可正、负电刷间所感应的电势应尽量大；绕组所用的导线和绝缘材料尽可能节省；结构简单运行可靠。能节省；结构简单运行可靠。 2.3.12.3.1电枢绕组的一般知识电枢绕组的一般知识 1 1电枢绕组的元件电枢绕组的元件 电枢绕组是由若干个线圈按照一定的规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈电枢绕组是由若干个线圈按照一定的规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈称为元件，一个元件

18、有两个有效边，其匝数为称为元件，一个元件有两个有效边，其匝数为NY，见图，见图2-9a，其中一个有效边，其中一个有效边嵌放在电枢槽的上层，称为上层边；另一个有效边放在相距约一个极距的电枢槽嵌放在电枢槽的上层，称为上层边；另一个有效边放在相距约一个极距的电枢槽的下层，称为下层边。电枢槽外的部分称为元件的端部，如图的下层，称为下层边。电枢槽外的部分称为元件的端部，如图2-9b 所示。所示。图2-9电枢绕组的元件(c)(a)(b)一个元件有两根引出线，称为首端和尾端，它们分别接到两个换向片一个元件有两根引出线，称为首端和尾端，它们分别接到两个换向片上，而每个换向片又与不同元件的两根引出线相连接，所以

19、整个电上，而每个换向片又与不同元件的两根引出线相连接，所以整个电枢绕组的元件数枢绕组的元件数S应等于换向片数应等于换向片数K，即，即 S=K每个元件有两个有效边，而每电枢槽分上下两层嵌放两个有效边，所每个元件有两个有效边，而每电枢槽分上下两层嵌放两个有效边，所以元件数以元件数S应等于电枢的槽数应等于电枢的槽数Z，即，即 S=Z把一个上层边和一个下层边看成一个虚槽，虚槽数与实槽数的关系为把一个上层边和一个下层边看成一个虚槽，虚槽数与实槽数的关系为 Zu=Uz =S=K相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆的对应弧长表示的距离，相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆的对应弧长表示的距离， 称为称为

20、极距极距，当用槽数表示时，有，当用槽数表示时，有 （2-5）若用长度表示时，有若用长度表示时，有 （2-6）式中，式中，D为电枢铁心的外直径，单位为为电枢铁心的外直径，单位为mm。2.3.12.3.1电枢绕组的一般知识电枢绕组的一般知识 PZ2PD2 表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据称为节距表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据称为节距 。（1）第一节距）第一节距Y1 Y1是同一个元件的两个元件边的距离，一般用槽数表示，为了使每个元件的感是同一个元件的两个元件边的距离，一般用槽数表示，为了使每个元件的感应电动势最大，应接近或等于极距，有应电动势最大，应接近或等于极距，有 式中

21、，式中，是使是使Y1凑成整数的一个分数。凑成整数的一个分数。2 2节距节距 称为称为整距整距线圈线圈 称为称为短距短距线圈线圈 称为称为长距长距线圈线圈 短距线圈和整距线圈多被采用，长距线圈因为端部长，用铜多而短距线圈和整距线圈多被采用，长距线圈因为端部长，用铜多而造成浪费，很少被采用。造成浪费，很少被采用。2.3.12.3.1电枢绕组的一般知识电枢绕组的一般知识 整数PZYu21（2-7）1Y1Y1Y（4）换向器的节距换向器的节距 ：同一线圈的两个出线端所接换向片之间的同一线圈的两个出线端所接换向片之间的距离。距离。 ky（3）合成节距合成节距 ：直接相连的两个元件的对应边的距离。直接相连的

22、两个元件的对应边的距离。Y（2）第二节距第二节距 ：连接同一个换向片的两个元件边之间的距离。连接同一个换向片的两个元件边之间的距离。 2Y2.3.12.3.1电枢绕组的一般知识电枢绕组的一般知识 按照电枢绕组的连接规律不同，直流电机的电枢绕组主要可分为：按照电枢绕组的连接规律不同，直流电机的电枢绕组主要可分为：单叠绕组、单波绕组和混合绕组等。下面重点介绍常用的单叠绕组。单叠绕组、单波绕组和混合绕组等。下面重点介绍常用的单叠绕组。2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组同一元件的两个出线端分别接至同一元件的两个出线端分别接至相邻的换向片上；相邻的换向片上；连接特点连接特点: 相邻的两个元件的对应边接

23、至相邻相邻的两个元件的对应边接至相邻的换向片上。的换向片上。 所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，构成一个闭合回路。所谓的首端连在一起，构成一个闭合回路。所谓叠绕组叠绕组指各极下元件依次连接，指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上。后一个元件总是叠在前一个元件上。1kyy连接规律连接规律:上式中：上式中：+1为右行（见右图），为右行（见右图），-1为左行，

24、因左为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，很行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，很少采用。少采用。例例2-1 一台直流电机的绕组数据为：极对一台直流电机的绕组数据为：极对P=2，槽数，槽数Z=16， ，换向片数，换向片数K=16，试设计单叠绕组连接图。，试设计单叠绕组连接图。1单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图（1）计算节距）计算节距44162PZ1 yyk解：解： 为了得到最大感应电势，取整距绕组。为了得到最大感应电势，取整距绕组。16KSZZu2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组441621PZyu31412yyy连接元件连接元件根据已确定的各节距，绘出绕组展开图，如图根据

25、已确定的各节距，绘出绕组展开图，如图2-11所示。所示。2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组图2-11 单叠绕组展开图（3）画磁极和电刷）画磁极和电刷电刷安装原则电刷安装原则（重点）（重点）电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为4;l 被电刷短路的元件中感应电势应尽可能小，或由电被电刷短路的元件中感应电势应尽可能小，或由电 刷引出的元件串联电势应最大；刷引出的元件串联电势应最大；l 各并联支路电势要平衡。各并联支路电势要平衡。2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组电刷安装位置：电刷安装位置： 在磁极的中心线下在磁极的中心线下 此时被短路的元件此时被短路的元件的两个有

26、效边正好的两个有效边正好在两个主极之间的在两个主极之间的中性线位置中性线位置(此此中性中性线叫几何中性线线叫几何中性线)，该位置磁密几乎为该位置磁密几乎为零，因此两个有效零，因此两个有效边的感应电势几乎边的感应电势几乎为为0，该元件被电刷，该元件被电刷短路不会产生环流。短路不会产生环流。电刷放在主磁极的中心线下电刷放在主磁极的中心线下相同极下的电刷连一起相同极下的电刷连一起并引出两端。并引出两端。2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组图2-11 单叠绕组展开图2单叠绕组的并联支路图单叠绕组的并联支路图根据电枢绕组的展开图瞬间，可做出其电路图，如图根据电枢绕组的展开图瞬间，可做出其电路图，如图2-

27、13所示。所示。2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组图2-13 单叠绕组的并联支路图结论：结论： （重点）（重点）（1）对于单叠绕组，电刷总是把上层边处于同一主磁极）对于单叠绕组，电刷总是把上层边处于同一主磁极下的元件串联成一条支路，所以有几个极就有几条支路，下的元件串联成一条支路，所以有几个极就有几条支路，即即2a=2p。即即 式中，式中，a为支路对数，为支路对数，p为极对数。为极对数。（2）电刷杆数等于极数。）电刷杆数等于极数。（3）电枢总电流）电枢总电流Ia为支路电流为支路电流ia的的2a倍，即倍，即 pa 2.3.22.3.2单叠绕组单叠绕组aaaiI22.4 2.4 直流电机的磁场直

28、流电机的磁场2.4.1 2.4.1 直流电机的各种励磁方式直流电机的各种励磁方式 主磁极上励磁绕组通以直流电流而产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁主磁极上励磁绕组通以直流电流而产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁方式是指励磁绕组的供电方式与电枢绕组的关系。按励磁方式的不同，励方式是指励磁绕组的供电方式与电枢绕组的关系。按励磁方式的不同，励磁方式可以分为以下磁方式可以分为以下4种类型：种类型： 1、他励直流电机他励直流电机 励磁绕组用其他的直流电源供电，与电枢绕组之间无电的联系，见图励磁绕组用其他的直流电源供电，与电枢绕组之间无电的联系，见图2-16a。对于小容量电机，常采用永磁铁提供主磁场。永磁式直

29、流电机也属于他励直对于小容量电机，常采用永磁铁提供主磁场。永磁式直流电机也属于他励直流电机。流电机。2、并励直流电机、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。见图励磁绕组与电枢绕组并联。见图2-16b，励磁绕组电压与电枢绕组电压相等，两，励磁绕组电压与电枢绕组电压相等，两者的电流之和等于总电流，即者的电流之和等于总电流，即 。3、串励直流电机、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。见图励磁绕组与电枢绕组串联。见图2-16c，励磁绕组电流与电枢绕组电流相等。，励磁绕组电流与电枢绕组电流相等。4、复励直流电机、复励直流电机 主磁极上装有两套绕组，一组与电枢绕组并联，称为并励绕组；一组与电枢主磁极上装有两

30、套绕组，一组与电枢绕组并联，称为并励绕组；一组与电枢绕组串联，称为串励绕组，见图绕组串联，称为串励绕组，见图2-16d。若两组绕组产生的磁动势相同，称。若两组绕组产生的磁动势相同，称为积复励；若两组磁动势相反，称为差复励。为积复励；若两组磁动势相反，称为差复励。 faIII （a）他励）他励 （b）并励）并励 （c）串励）串励 （d）复励）复励 图图2-16直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式各种励磁方式下的接线图：各种励磁方式下的接线图：2.4.1 2.4.1 直流电机的各种励磁方式直流电机的各种励磁方式2.4.2 2.4.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场空载空载： 直流电机的空载是

31、指直流电机的空载是指电枢电流为零电枢电流为零或或近似为零近似为零的运行状态。的运行状态。这时的气隙磁场只是由主磁极的励磁绕组产生的，亦称为空这时的气隙磁场只是由主磁极的励磁绕组产生的，亦称为空载磁场，又称为主磁场。载磁场，又称为主磁场。 1 1、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通图2-17直流电机的空载磁场 空载时主磁场的磁通分空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。两部分，即主磁通和漏磁通。其磁通路径见图其磁通路径见图2-17 2. 直流电机的空载磁化曲线直流电机的空载磁化曲线直流电机的空载磁化曲线的定义：直流电机的空载磁化曲线的定义：每极主磁通每极主磁通 与励磁电流与励磁电流 的关系，称

32、为空载磁化曲线，表示式为的关系，称为空载磁化曲线，表示式为其曲线见图其曲线见图2-18。fI0)(0fIf2.4.2 2.4.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场图2-18空载磁化曲线结论结论: : 由于磁路有饱和现象，主磁通由于磁路有饱和现象，主磁通 与励磁电流与励磁电流 之间呈非线性关系。之间呈非线性关系。0fI结论：结论：空载时气隙磁密分布为一礼帽形的平顶波，如图空载时气隙磁密分布为一礼帽形的平顶波，如图2-19中特性曲线中特性曲线B0 x所所示。示。物理中性线与几何中性线重合。物理中性线与几何中性线重合。 2.4.2 2.4.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场3.3.空载磁场

33、气隙磁通密度分布曲线空载磁场气隙磁通密度分布曲线图2-19空载时气隙磁密分布2.4.3 2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场电枢磁势电枢磁势： 直流电机负载后的电枢电流所产生的磁势（或安匝数），称为电枢直流电机负载后的电枢电流所产生的磁势（或安匝数），称为电枢磁势。磁势。 负载时电枢绕组中有了电枢电流，此电流要在气隙中产生磁势，这负载时电枢绕组中有了电枢电流，此电流要在气隙中产生磁势，这时电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的。时电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的。要解决的问题：要解决的问题：负载时由电枢电流单独产生负载时由电枢电

34、流单独产生 的磁密在气隙下是如何分布的？的磁密在气隙下是如何分布的？电枢反应电枢反应： （重点）（重点） 电枢磁势对主磁极气隙磁场的影响，称为电枢反应。电枢磁势对主磁极气隙磁场的影响，称为电枢反应。 图2-20电枢磁场 当电刷位于几何中性线时，电当电刷位于几何中性线时，电枢磁势所产生的磁场（方向用右螺枢磁势所产生的磁场（方向用右螺旋定则判定）如图旋定则判定）如图2-20中虚线所示。中虚线所示。结论：结论： 电枢磁势的轴线在几何中性线处，与电枢磁势的轴线在几何中性线处，与主磁极励磁磁势轴线垂直，故称励磁磁主磁极励磁磁势轴线垂直，故称励磁磁势轴线为直轴，电枢磁势轴线为交轴。势轴线为直轴，电枢磁势轴

35、线为交轴。fF1 1、直流电机的电枢磁场、直流电机的电枢磁场2.4.3 2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场1、单个元件所产生的电枢磁势单个元件所产生的电枢磁势 一个整距元件所产生的磁动势一个整距元件所产生的磁动势Fa为以两个极距为以两个极距 为周期，幅值为为周期，幅值为 的的矩形波。如图矩形波。如图2-21b所示。所示。图2-21一个元件产生的磁势2.4.3 2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场2ayiN21a)b)2、多个元件所产生的电枢磁势多个元件所产生的电枢磁势图2-22电枢反应磁势与磁密分布 若每对极下有若干个元件均匀分

36、布，每个元件产生的磁动势仍为矩若每对极下有若干个元件均匀分布，每个元件产生的磁动势仍为矩形波，若干个元件产生的磁势为这些矩形波叠加而成的阶梯波，为了分形波，若干个元件产生的磁势为这些矩形波叠加而成的阶梯波，为了分析简单起见，可近似认为这一阶梯波为一三角波析简单起见，可近似认为这一阶梯波为一三角波Fax。三角波磁动势的最。三角波磁动势的最大值在几何中性线处，主磁极中线处磁势为零。见图大值在几何中性线处，主磁极中线处磁势为零。见图2-22中特性中特性Fax 。 电枢气隙磁密电枢气隙磁密Bax的分布波形呈马鞍形，见图的分布波形呈马鞍形，见图2-22中特性中特性Bax。2.4.3 2.4.3 直流电机

37、的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场2 2、直流电机负载时的气隙合成磁场、直流电机负载时的气隙合成磁场当不考虑磁路饱和时：当不考虑磁路饱和时： 则根据叠加原理得合成气隙磁场为：则根据叠加原理得合成气隙磁场为： ，一个极下增加，一个极下增加的和减少的磁力线数量相同，气隙每极下总的磁通量不变。的和减少的磁力线数量相同，气隙每极下总的磁通量不变。afBBB 负载时的气隙合成磁场是主磁极励磁磁势和电枢反应磁势共同作用产负载时的气隙合成磁场是主磁极励磁磁势和电枢反应磁势共同作用产生的生的 。要解决的问题要解决的问题：合成磁场是如何分布的？：合成磁场是如何分布的？ 电枢反应的结果是什么？电枢反

38、应的结果是什么？直流电机负载后的气隙磁势为：直流电机负载后的气隙磁势为： afFFF 由于气隙磁场畸变的影响，使磁密为零的物理中性线偏移几何中性线一个小由于气隙磁场畸变的影响，使磁密为零的物理中性线偏移几何中性线一个小角度，对于直流发电机为顺转向偏移，对于直流电动机为逆转向偏移。角度，对于直流发电机为顺转向偏移，对于直流电动机为逆转向偏移。当考虑磁路饱和时：当考虑磁路饱和时： 在增磁的半个磁极下，由于饱和的影响，磁阻增大，磁通不能增加很多，故在增磁的半个磁极下，由于饱和的影响，磁阻增大，磁通不能增加很多，故磁通增加后的数量比不饱和时少；而在减磁的半个磁极下，磁通减少较多。因磁通增加后的数量比不

39、饱和时少；而在减磁的半个磁极下，磁通减少较多。因此，电枢反应的结果是负载后每极下总的磁通量比空载时要少。而且电枢电流此，电枢反应的结果是负载后每极下总的磁通量比空载时要少。而且电枢电流越大，这个现象越严重。越大，这个现象越严重。2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场2.4.3 2.4.3 直流电机的电枢反应和负载磁场直流电机的电枢反应和负载磁场图2-23直流电机的电枢反应（1）气隙磁场发生气隙磁场发生畸变畸变，半个磁极下的磁场增加，半个磁极下磁场，半个磁极下的磁场增加，半个磁极下磁场 削弱。削弱。 物理中性线偏移几何中性线物理中性线偏移几何中性线角度角度，对于直流

40、发电机是，对于直流发电机是顺转向顺转向 偏偏 移；对于电动机是移；对于电动机是逆转向逆转向偏移。偏移。（2）当磁路饱和时，每极总磁通量减少，具有当磁路饱和时，每极总磁通量减少，具有去磁去磁作用。作用。结论：结论：2.52.5直流电机的电枢感应电动势和直流电机的电枢感应电动势和电磁转矩电磁转矩2.5.12.5.1直流电机的电枢感应电动势直流电机的电枢感应电动势直流电机的感应电枢指直流电机的感应电枢指正负电刷间正负电刷间的感应电动势的感应电动势 。推导思路：先求出一根导体在一个极距范围内切割磁力线推导思路：先求出一根导体在一个极距范围内切割磁力线所产生的平均电动势所产生的平均电动势E1，再乘上一个

41、支路内的总导体数，再乘上一个支路内的总导体数，即可得到每条支路的感应电动势，也就是正负电刷之间的即可得到每条支路的感应电动势，也就是正负电刷之间的电动势电动势Ea 。以发电机为例：以发电机为例：如图如图2-24所示，一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密所产生的所示，一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密所产生的感应电动势的平均值为感应电动势的平均值为设电枢的外直径为设电枢的外直径为Da，则电枢的外圆周长为，则电枢的外圆周长为将上式代入中将上式代入中 ，可得线速度表达式为，可得线速度表达式为又知每极下的总磁通量为平均磁密又知每极下的总磁通量为平均磁密BAV与每极面与每极面积的乘积，即积的乘积，即2

42、.5.12.5.1直流电机的电枢感应电动势直流电机的电枢感应电动势图2-24每极下气隙合成磁密分布和导体的感应电动势lvBeAVAVPDa22aDv60260226022nPPnDnDvaalBAV（2-16） （2-15） 从而有从而有lBAV（2-17） 将式（将式（2-16）及式（）及式（2-17）代入式（）代入式（2-15），可得），可得每条支路的总导体数为每条支路的总导体数为电枢绕组的感应电势为电枢绕组的感应电势为2.5.12.5.1直流电机的电枢感应电动势直流电机的电枢感应电动势602)602()(nPnPlllvBeAVAV（2-18） aN2nCnaPNnPaNeaNEeAVa

43、6060222（2-19） 式中式中 ，称为直流电机的电势常数。，称为直流电机的电势常数。aPNCe60结论：结论：对于已经制造好的电机，电枢感应电势对于已经制造好的电机，电枢感应电势E 与每极磁与每极磁通通及转速及转速n成正比。当成正比。当及及n中任一个参量方向改变时，中任一个参量方向改变时， E 的方向跟着改变。的方向跟着改变。推导思路：推导思路：先求出一根导体所产生的平均电磁转矩先求出一根导体所产生的平均电磁转矩TAV，再乘上电枢绕组，再乘上电枢绕组的总导体数的总导体数N，即可到电机的电磁转矩，即可到电机的电磁转矩Tem。2.5.22.5.2直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩图2-25

44、每极下气隙合成磁密分布和电磁转矩如图如图2-25所示，一根导体所在处受到电磁力的大小为所示，一根导体所在处受到电磁力的大小为一根导体所受到的平均电磁力为一根导体所受到的平均电磁力为axxliBfaAVAVliBf设电枢总电流为设电枢总电流为Ia，则支路电流为，则支路电流为 ，又，又设电枢外直径为设电枢外直径为Da，一根导体所受电磁力形，一根导体所受电磁力形成的电磁转矩的大小为成的电磁转矩的大小为以电动机为例：以电动机为例：aIiaa2222aaAVaAVAVDaIlBDft式中式中 称为直流电机转矩常数。称为直流电机转矩常数。结论：结论：对于已经制造好的电机，电磁转矩对于已经制造好的电机，电磁

45、转矩Tem与每极磁通与每极磁通及电枢电流及电枢电流Ia成正比。当成正比。当及及Ia中任一个参量的方向改变中任一个参量的方向改变时，时， Tem的方向跟着改变。的方向跟着改变。2.5.22.5.2直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩aTaaaaAVAVemICIapNpaIllNDaIlNBNtT2221222当电枢绕组总导体数为当电枢绕组总导体数为N时，则电机的电磁转矩为时，则电机的电磁转矩为apNCT2（2-21）电枢感应电势电枢感应电势 和电磁转矩和电磁转矩 两个公式对于直两个公式对于直流发电机和直流电动机都适用。流发电机和直流电动机都适用。nCEeaaTemICTaE对于直流对于直流发电

46、机发电机， 与与 同方向同方向， 与与 反方向反方向， 为阻转矩为阻转矩； aEaIemTnemT对于直流对于直流电动机电动机， 与与 反方反方向向， 为反电动势，为反电动势， 与与 同同方向方向， 为拖动转矩。为拖动转矩。aEaIaEemTnemT2.5.22.5.2直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩55. 93060/2/apNapNCCeT对于同一台电机，电势常数和转矩常数之间具有确定的关系：对于同一台电机，电势常数和转矩常数之间具有确定的关系：eTCC55. 9从而得从而得由图由图2-26，用基尔霍夫电压定律得：，用基尔霍夫电压定律得：稳态运行稳态运行 1 1、电压平衡方程式、电压平

47、衡方程式结论：结论：直流电机在电动机运行直流电机在电动机运行状态下的电枢电动势总小于电状态下的电枢电动势总小于电枢端电压。枢端电压。 2.6.12.6.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式动态运行动态运行2.62.6直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理 （a）动态 （b）稳态图2-26他励直流电动机的电路和机械联接示意图dttdiLtiRteUaaaaaa)()()(dttdiLtiRUfffff)()(aaaaIREUfffIRU2 2、转矩平衡方程式、转矩平衡方程式 根据牛顿第二定律得：根据牛顿第二定律得：稳态运行稳态运行 02TTTem结论：结论：电动机稳定运行时，电磁转矩

48、等于负载转矩与电动机稳定运行时，电磁转矩等于负载转矩与 空载转矩之和。空载转矩之和。动态运行动态运行 2.6.12.6.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式dttdJTTTem)(02 （2-28） （2-27）3 3、功率平衡方程式、功率平衡方程式以并励直流电动机为例：以并励直流电动机为例：电磁功率为电磁功率为:由图由图2-27得，输入功率为：得，输入功率为： 电枢电路的铜耗为：电枢电路的铜耗为：将式（将式（2-28）两边乘以机械角速度，得）两边乘以机械角速度，得2.6.12.6.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式图2-27 并励直流电动机的电路cufcuaemfaaa

49、afaaaafappPIUIRIEIUIIREIIUIUP1211111)()(caaaacuaUIrIRP222emaaaaemTnIaPNnIaPNIEP60226002TTTem其对应功率为其对应功率为 式中式中： 机械轴上的输出功率；机械轴上的输出功率；22TPmecFeppTp00mecFeemppPpPP202空载损耗；空载损耗；FePmecP直流电机的铁耗，当电机运行时，电枢铁心在直流磁场中受直流电机的铁耗，当电机运行时，电枢铁心在直流磁场中受到反复磁化，产生磁滞损耗和涡流损耗，两者之和为铁耗；到反复磁化，产生磁滞损耗和涡流损耗，两者之和为铁耗；机械损耗机械损耗 ，转动部分的摩擦

50、损耗和自扇冷式的电机的风阻损耗等；，转动部分的摩擦损耗和自扇冷式的电机的风阻损耗等；实际中还存在着杂散损耗实际中还存在着杂散损耗 （附加损耗）（附加损耗） 。由磁场畸变和齿槽效应等引起的。由磁场畸变和齿槽效应等引起的。sp2.6.12.6.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式功率流程图如图功率流程图如图2-28所示。所示。其效率为其效率为图2-28并励直流电动机的功率流程图综合上述关系可得：综合上述关系可得：2.6.12.6.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式2.6.12.6.1直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式pPpppppPPsmecFecuacuf221（

51、2-32） %100%1001112PpPPP定义：定义： 直流电动机的工作特性定义为：直流电动机的工作特性定义为： ， ，且电枢回路无外接，且电枢回路无外接电阻条件下，电动机的转速电阻条件下，电动机的转速n n，电磁转矩，电磁转矩T Temem，运行效率，运行效率分别与电枢电流分别与电枢电流I Ia a的关系。的关系。 定义：定义： 当并励直流电动机的当并励直流电动机的 、 、 时，转速时，转速n与电枢与电枢电流电流Ia的关系被称为转速特性，即的关系被称为转速特性，即NUU 1fNfII)(aIfn 1 1、转速特性、转速特性将电动势公式将电动势公式 代入电压平衡方程式代入电压平衡方程式 中

52、，整理得中，整理得NaUU fNfII0RaaNeaNeNInICRCUn0图2-29并励直流电动机的工作特性nCEeaaaaaIREU转速特性曲线如图转速特性曲线如图2-29中特性中特性1所示。所示。 其中，其中， 为为理想空载转速理想空载转速； 为转速为转速特性的斜率特性的斜率。 NeNCUn0NeaCR结论：结论：如果忽略电枢反应的影响，转速特性是一条略向下垂的直线。如果忽略电枢反应的影响，转速特性是一条略向下垂的直线。如果负载较重时，考虑电枢反应的去磁作用的影响，随着如果负载较重时，考虑电枢反应的去磁作用的影响，随着Ia的增的增 加，磁通加，磁通将减少，转速特性将被抬高，甚至出现上翘的

53、现象将减少，转速特性将被抬高，甚至出现上翘的现象 （如虚线所示），（如虚线所示）， 这将影响电动机的稳定运行。这将影响电动机的稳定运行。2 2、转矩特性、转矩特性定义： 当直流电动机的当直流电动机的 ， ， 时，电磁转矩与电枢电流时，电磁转矩与电枢电流的关系被称为转矩特性的关系被称为转矩特性,即即 fNfII)(aemIfT结论：结论： 不计饱和时，不计饱和时，T Temem成成I Ia a正比，转矩特性为直线；正比，转矩特性为直线； 计饱和时：计饱和时： I Ia a较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线而较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线而往下弯曲。往下弯曲。NaUU 0R 由

54、电磁转矩的公式由电磁转矩的公式 可作出转矩特性曲线，见图可作出转矩特性曲线，见图2-292-29中特性中特性2 2。aTemICT3 3、效率特性、效率特性定义：当直流电动机的当直流电动机的 ， ， 时，效率与电枢电流的关时，效率与电枢电流的关系被称为效率特性，即系被称为效率特性，即 。 fNfII结论：结论： 当电动机某负载时的可变损耗与不变损耗相等时，其效率最高。当电动机某负载时的可变损耗与不变损耗相等时，其效率最高。 NaUU 0R（2-35） )(aIf%100)(1 (%100)1 (%1001112fascuacufmecFeIIUpppppPpPP不变损耗：不变损耗：励磁损耗、铁

55、耗、机械损耗以及附加损耗之和；励磁损耗、铁耗、机械损耗以及附加损耗之和；可变损耗：可变损耗：电枢铜耗。电枢铜耗。根据式（根据式（2-35）可做出效率特性曲线，如图）可做出效率特性曲线，如图2-29中特性中特性3所示。所示。 2.6.32.6.3他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性（重点）（重点）定义：定义：机械特性是指电动机的电磁转矩机械特性是指电动机的电磁转矩Tem和转速和转速n的关系，即的关系，即 。 )(emTfn 他励直流电动机的电气原理图见图他励直流电动机的电气原理图见图2-30，将基本方程式，将基本方程式 及及 带入电压平衡方程式带入电压平衡方程式 中，整理得中，整理得

56、：1 1、机械特性方程式、机械特性方程式 nCEeaaTemICTRIEUaaannTnTCCRCUICRCUnCEnememTeeaaeeaea002（2-37） Tem=0时的转速，称作理想空载转速；时的转速，称作理想空载转速； 机械特性的斜率。机械特性的斜率。 eaCUn02TeCCR图2-30他励直流电动机的电气原理图 （1 1）转速降）转速降 。 越小，转速变化越小，越小，转速变化越小，特性越平，称电动机具有较特性越平，称电动机具有较硬的机械特性；硬的机械特性；反之，称电动机具有较反之，称电动机具有较软的机软的机械特性械特性。ememNTeaTTCCRn2(2)(2)电机的理想空载转

57、速电机的理想空载转速: : NeNCUn0(3)(3)重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。 nnnTnTCCRCUnememNTeaNeN002特点：特点：实际空载转速实际空载转速: :(4(4）对于固有特性有：）对于固有特性有：NNemnnTT时，当2.6.32.6.3他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性00200nTCCRnnTe图2-31他励直流电动机的机械特性其特性曲线见图其特性曲线见图2-31.2-31.定义：定义： 当当 、 、电枢回路不串外加电阻（、电枢回路不串外加电阻（ ）时的机械特性称）时的机械特性称为电

58、动机的固有机械特性，又称为自然机械特性。其方程式为为电动机的固有机械特性，又称为自然机械特性。其方程式为特点：特点：（1）因为）因为R较小，所以较小较小，所以较小，特性较硬。，特性较硬。（2）当）当 ，后面要讨论的人为机械特性一般没有此，后面要讨论的人为机械特性一般没有此结论。结论。n2 2、固有机械特性、固有机械特性 NNemnnTT时，当2.6.32.6.3他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性NaUU NaRR emNTeaNeNTCCRCUn2（2-38） 3 3、人为机械特性特性人为机械特性特性定义定义: : 不同时满足不同时满足 、 及及 时的机械特性称为人为机械特性。时

59、的机械特性称为人为机械特性。 （1）电枢回路串接电阻的人为特性）电枢回路串接电阻的人为特性 保持保持 、 ，改变电枢回路串接的电阻的值，可得到电枢，改变电枢回路串接的电阻的值，可得到电枢回路串接电阻的人为机械特性方程式为回路串接电阻的人为机械特性方程式为RRRa2.6.32.6.3他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性NaUU N0RNaUU NememNTeaNeNTnTCCRRCUn02图2-32电枢串电阻时的机械特性RNeNCUn0不变不变2NTeaCCRR）（结论：结论： 电枢回路串接电阻的人为特性为一组电枢回路串接电阻的人为特性为一组通过的通过的n0射线，处于固有特性的下方

60、，射线，处于固有特性的下方，且且R 越大特性越陡。越大特性越陡。2.6.32.6.3他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性（重点）（重点）ememNTeaNeNTnTCCRRCUn02其特性曲线如图其特性曲线如图2-322-32所示。所示。（2）降低电枢电压）降低电枢电压保持保持 、电枢回路不串接电阻（、电枢回路不串接电阻（ ），只改变电枢电压），只改变电枢电压 时，可得到降低电枢电压的人为机械特性方程式为时，可得到降低电枢电压的人为机械特性方程式为0R不变不变aUNeaCUn02NTeaCCR结论：结论： 降低电枢电压的人为特性为一组与降低电枢电压的人为特性为一组与固有特性平行下移