第三章 直流电机(10)

1、 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，直流电机的磁场分布、电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调电枢绕组、感应电动势、电磁转矩、电枢反应以及直流电动机的起动、调速和制动。速和制动。第三章 直流电机3 3.3 .3 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组3.2 3.2 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁动势和磁场 3 3.4 .4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩3 3.6.6 直流直流电动电动机机 3 3.7.7 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动 3 3.

2、1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构3 3.5.5 直流发电机直流发电机3 3. .8 8 直流电机的直流电机的换向换向 l 直流电机是实现机械能与直流电能相互转换的电磁直流电机是实现机械能与直流电能相互转换的电磁机械机械装置。装置。 直流发电机的作用：直流电源。直流发电机的作用：直流电源。 直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。直流电动机的作用：用在调速要求高的场所。l 直流电动机优点：直流电动机优点： （1）调速范围广，且易于平滑调节；）调速范围广，且易于平滑调节； （2）过载、启动、制动转矩大；）过载、启动、制动转矩大； （3）易于控制，可靠性高；）易于控制

3、，可靠性高； （4）调速时的能量损耗较小。）调速时的能量损耗较小。l 直流电机缺点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。直流电机缺点：换向困难；造价高；故障频繁，寿命短。一、直流发电机工作原理一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈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连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连接到连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转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的换向片上

4、。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。动的电刷进行的。3.1.1 直流电机的工作原理 与与电刷电刷A连接的连接的导体导体ab在在N极下，电刷极下，电刷A极性为正；极性为正；与与电刷电刷B连接的连接的导体导体cd在在S极下，电刷极下，电刷B极性为负。极性为负。3.1 3.1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理与与结构结构 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后后 ，如右图。，如右图。0180 和电刷和电刷A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N极下，和电刷极下，和电刷B接触的导体总是接触的导体总是位于位

5、于S极下极下；A的极性的极性总为总为正正，B的极性总的极性总为为负负，在电刷在电刷A、B两两端可获得直流电动势。端可获得直流电动势。 导体导体ab在在S极下，极下，a点低电位，点低电位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在N极下，极下，c点低点低电位，电位，d点高电位；电刷点高电位；电刷A极性仍为极性仍为正，电刷正，电刷B极性仍为负。极性仍为负。 实际电枢有多个线圈实际电枢有多个线圈，分布在电枢铁心表面的不同位置，按分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组；磁极也是根据磁极也是根据需要为需要为N、S极交替形成多对极。极交

6、替形成多对极。二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的直流电动机是将电能转变成机械能的电磁电磁机械机械装置装置。 在磁场作用下，在磁场作用下，N极性下导极性下导体体ab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S 极极下导体下导体cd受力方向从左向右。受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电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磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋矩时，电机转子逆时针方向旋转。转。 把电刷把电刷A、B接到直流电源接到直流电源上，电刷上，电刷A接正极，电刷接正极，电刷B接负接负极。此时电枢线圈中将电流流极。此时电枢

7、线圈中将电流流过过。原原N极性下导体极性下导体ab转到转到S极下，受极下，受力方向从左向右，原力方向从左向右，原S 极下导体极下导体cd转到转到N极下，受力方向从右向极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。向旋转。 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。磁极也并非一对。3.1.3.1.2 2直流电机的主

8、要结构直流电机的主要结构l 直流电机由直流电机由静止静止的定子和的定子和旋转的转子（又称电枢）旋转的转子（又称电枢）两大部分组成两大部分组成；l 定、转子之间有一间隙，定、转子之间有一间隙，称为气隙。称为气隙。 一、一、定子部分定子部分 定子的主要部件有主磁极、机座、换向极、端定子的主要部件有主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。盖和电刷装置等部件组成。（1）主磁极（N、S交替排列）交替排列） 主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。a. 主极铁心主极铁心磁路，磁路，通常由通常由0.53mm厚低碳钢板构成厚低碳钢板构成；b. 励磁绕组励磁绕组电路电路

9、，由由导导线绕制线绕制。 主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。组容易固定。（2）机座 机座有两个作用：一是作为主磁极的一部分， 二是作为电机的结构框架。 机座作为磁通通路部分称为磁轭。 机座有两种类型：整体机座和叠片机座。 机座的两端装有端盖。 （3）端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。 同时端盖对电机内部还起防护作用。 （4）换向极 （附加极） l 安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它

10、的作用是改善换向作用是改善换向情况；情况；l 由铁心、绕组构成；l 其绕组与电枢绕组串联。（5）电刷装置 电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置； 它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成； 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接触。 每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。 电刷组的数目可以用电刷杆数表示，电刷杆数与电机的主磁极数相等。二二、转子部分转子部分直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。（1）电枢铁心 l电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢

11、绕组支撑部分；l为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。l电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。（2）电枢绕组l 一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成；l 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部分。电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组电枢铁心冲片电枢铁心冲片 (0.35-0.5mm厚厚) （硅钢片）（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成均匀开槽均匀开槽 换向器由许多具有换向器由许多具有燕燕尾形的换向片排成一个圆筒，尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个其间用云母片绝

12、缘，两端再用两个V形环夹紧形环夹紧。 每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊接在接在相应相应换向片的换向片的联接片（或联接片（或升高片升高片）上）上。（3）换向器3.1.3 直流电机的铭牌数据l 额定值是制造厂对各种电气设备（本章指额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。的一些量值。l 额定值也是制造厂和用户进行产品设计或额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。试验的依据。1、额定电压额定电压 UN 电机电机额定状态下电枢出线端的电压，额定状态下电枢出线端的电压，单位为

13、单位为 “V” 。2、额定电流额定电流 IN 电机在额定电压电机在额定电压下输出下输出额定功率时的电枢电流，单位额定功率时的电枢电流，单位为为 “A” 。 5、额定励磁电流额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。指电机在额定状态时的励磁电流值。 4、额定转速额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。为单位。3、额定功率、额定功率 PN 电机在额定状态下运行时，电机的电机在额定状态下运行时，电机的输出功率输出功率，单位，单位为为 “W”。 若大于若大于 1kW 或或 1MW 时，则用时，则用 kW 或或 MW 表示。表示。 对于

14、直流发电机，对于直流发电机，PN是指输出的电功率，是指输出的电功率，PNUNIN ； 对于直流电动机，对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，是指输出的机械功率，PNUNINN 。3.2.1 直流电机的空载磁场3.2 直流电机的磁动势和磁场直流电机的磁动势和磁场 直流电机工作直流电机工作时时，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。生电枢磁动势。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 每极的励磁磁动势为：fNfIfffNIF 同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通称主磁通0。主磁通随电枢旋转产生感应电动势和电磁转矩，

15、参与机电能量转换，是工作磁通。 小部分磁通不交链电枢绕组，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换。 主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁路中空气隙较大，磁阻大，所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的1520%左右。 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。 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数； 靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小； 极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为一平顶波。)()()(00

16、xxFxBf a av v极靴电枢 空载磁场气隙磁通密度分布空载磁场气隙磁通密度分布 为了感应电动势或产生电磁转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矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为的关系，称为直流电机的直流电机的空载磁化特性。空载磁化特性。000fF0fI 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中c点，即在磁化特点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。

17、性曲线开始进入饱和区的位置。N 根据磁化起始直线延长曲线，简称为气隙线根据磁化起始直线延长曲线，简称为气隙线0=f(F )，可用于，可用于非饱和分析。直线段往后，由于磁路逐渐饱和，铁磁部分逐渐进非饱和分析。直线段往后，由于磁路逐渐饱和，铁磁部分逐渐进入饱和，所需磁动势入饱和，所需磁动势FFe显著增加，磁化曲线偏离气隙线而弯曲，显著增加，磁化曲线偏离气隙线而弯曲，最后进入深度饱和。最后进入深度饱和。3.2.2. 直流电机负载时的负载磁场 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。 右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电

18、枢磁场分布情况。 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。 根据电枢电流方向和右手螺旋定则，可判断电枢磁动势的轴线与几何中性线重合，并与主磁极轴线正交(与主极轴线正交的轴线称为交轴)，称为交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势。AxxDzixfaaa)(在离原点在离原点 x 处作一矩形闭合回路，根据安培环路定律，处作一矩形闭合回路，根据安培环路定律，当不考虑铁心内的磁压降时，当不考虑铁心内的磁压降时，对应对应气隙上的磁压降为气隙上的磁压降为：pziDziAaaa2线负荷线负荷：电枢表面单位长度上的安培导体数电枢表面单位长度上的安培导体数。xxAxxfxBaa)(

19、)()()(00 电枢磁密沿电枢表面分布为马鞍形电枢磁密沿电枢表面分布为马鞍形。3.2.3 直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、当电刷在几何中性线上、当电刷在几何中性线上 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，如右图所示。因电刷在几何中性线上，所以只有交轴电枢磁动势。因电刷在几何中性线上，所以只有交轴电枢磁动势。若磁路不饱和，就可以利用叠加原理求出气隙磁场。若磁路不饱和，就可以利用叠加原理求出气隙磁场。由图可知，电刷在

20、几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2)、对主磁场起去磁作用、对主磁场起去磁作用1)、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弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因

21、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。即电增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。这时电枢磁动势可以分解为两个分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。如图(a)(b)所示。adFaqF2 2、当电刷不在几何中性线上、当电刷不在几何中性线上电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势

22、轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。3.3.1 直流电枢绕组的基本概念3.3直流电机的电枢绕组元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。分单匝和多匝两种。元件的首元件的首尾尾端端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中：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，另一根称为一根称为首端，另一根称为尾尾端。端。3.3.1 直流电枢绕组的基本概念极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。pD2pQu2实槽虚槽每一元件有两个圈边每一元件有两个圈边；每一换向片上接有两个圈边

23、每一换向片上接有两个圈边；每一虚槽内每一虚槽内放置有两个圈边放置有两个圈边。元件数元件数S等于换向片数等于换向片数K，也等于虚槽数，也等于虚槽数 Qu。3.3.1 直流枢绕组基本概念叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在：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。前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串：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，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。：一个元

24、件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。1y第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下：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。层边与第二个元件的上层边间的距离。2y整数pQyu21合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。y21yyy单叠绕组单叠绕组21yyy单波绕组单波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首：同一元件首尾尾端连接的换向片之间的距离。端连接的换向片之间的距离。 单叠单叠1 yyk整数pKyyk1单单波波【例2-3】已知直流电机2p=4，S=K=Qu=16，绕制一

25、单叠右行整距绕组。 解：1.单叠绕组的节距与连接顺序 单叠右行 y=yk =1 第一节距 第二节距 y2=y1-y=3441621pQyu3.3.2 单叠绕组2.绕组展开图绕组展开图 假设电枢从某一齿中心沿轴线切开并展开成一带状平面，上假设电枢从某一齿中心沿轴线切开并展开成一带状平面，上层边用实线表示，下层边用虚线表示，磁极放在绕组的上面。层边用实线表示，下层边用虚线表示，磁极放在绕组的上面。3.电刷的放置电刷的放置 原则原则:确保空载时通过正、确保空载时通过正、 负电刷引出的电动势最大，负电刷引出的电动势最大， 或者被电刷短路的元件中或者被电刷短路的元件中 的电动势为零。的电动势为零。 元件

26、端接对称，电刷放置元件端接对称，电刷放置 在主极轴线下的换向片上。在主极轴线下的换向片上。 元件端接不对称，电刷应移过与换向器轴线偏离主极轴线相元件端接不对称，电刷应移过与换向器轴线偏离主极轴线相同的角度，即同的角度，即电刷与换向器的几何中性线要保持重合电刷与换向器的几何中性线要保持重合。 所谓换向器的几何中性线是指电动势为零的元件所接两换向所谓换向器的几何中性线是指电动势为零的元件所接两换向片间的中心线，如图所示，所以片间的中心线，如图所示，所以电刷固定放在换向器的几何电刷固定放在换向器的几何中性线上中性线上。 4.绕组的并联支路绕组的并联支路电刷把绕组电刷把绕组分成了四段，每段串联三个电动

27、势方向相同的元件。由于对分成了四段，每段串联三个电动势方向相同的元件。由于对称关系，这四段电路中的感应电动势大小相等，方向两两相反，所以整称关系，这四段电路中的感应电动势大小相等，方向两两相反，所以整个闭合回路电动势刚好为零，电枢绕组内部不会产生环流。个闭合回路电动势刚好为零，电枢绕组内部不会产生环流。当电枢旋转时，虽然各元件的当电枢旋转时，虽然各元件的 位置随之移动，构成各支路的位置随之移动，构成各支路的 元件循元件循环替换，但任意瞬间，每个主极下的串联元件总是构成一条电动势方向环替换，但任意瞬间，每个主极下的串联元件总是构成一条电动势方向的支路，总的并联支路数不变，即等于主磁极数的支路，总

28、的并联支路数不变，即等于主磁极数。a = p 或或 2a =2 p单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电）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。刷间电动势等于并联支路电动势。5）电枢电流等于各支路电流之和。）电枢电流等于各支路电流之和。3）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数）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相同，即即： 。pa22 1）每个绕组元件的两每个绕组元件的两条边条边端接到相邻的换相片上端接到相邻的换相片上,即即 。1ky2）相邻槽中的绕组元件依次串联，即

29、）相邻槽中的绕组元件依次串联，即后一后一元件的首端与前一元件的首端与前一槽中元件的末端相连槽中元件的末端相连( )；最末一个元件的末端与第最末一个元件的末端与第一个元件的首端相连，形成一个闭合电路。一个元件的首端相连，形成一个闭合电路。1y3.3.3 单波绕组整数pQyu2121yyy整数pKyyk1 串联两元件的对应边在磁场中的位置有串联两元件的对应边在磁场中的位置有 个虚槽数的位移。个虚槽数的位移。p1【例3-2】已知直流电机2p=4，S=K=Qu=15，绕制一单波左行整距绕组。 解：1.单波绕组的节距与连接顺序 单波左行 第一短距 y1=Qu/2p-=3 第二节距 y2=y-y1=7-3

30、=4721151pKyyk3.3.3 单波绕组2.绕组展开图绕组展开图3.电刷位置电刷位置 对于端接对称的绕组，无论是叠绕还是波绕，由于对于端接对称的绕组，无论是叠绕还是波绕，由于换向器的几何中性线总是与主极轴线重合，因此，换向器的几何中性线总是与主极轴线重合，因此，电刷就应该放在主极轴线下的换向片上。电刷就应该放在主极轴线下的换向片上。3.绕组的并联支路绕组的并联支路 从电刷侧看，从电刷侧看，同极下的所有元同极下的所有元件串联成一条支件串联成一条支路，即两条并联路，即两条并联支路的结构始终支路的结构始终保持不变。保持不变。 单波绕组的并单波绕组的并联支路数与主极联支路数与主极数无关，只有两数

31、无关，只有两条并联支路，即条并联支路，即：a = 1 或 2a =2。单波绕组的特点单波绕组的特点 2）单波绕组的合成节距与换向节距相等。单波绕组的合成节距与换向节距相等。 5）电枢电动势等于支路感应电动势；电枢电动势等于支路感应电动势；电枢电流等于两条支电枢电流等于两条支路电流之和。路电流之和。 1）串联的两个元件相距约两个极距，即）串联的两个元件相距约两个极距，即pKyK1 3）串联的两个元件的对应边在磁场中的位置有）串联的两个元件的对应边在磁场中的位置有 个虚个虚槽数的相对位移。槽数的相对位移。p1 4）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对

32、数为1，与磁极对数无关；即与磁极对数无关；即： 。1a3.4.13.4.1 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势3.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩电枢电动势电枢电动势：电枢旋转时电枢旋转时, ,电枢绕组切割电枢绕组切割主磁场主磁场从而在从而在电枢绕组电枢绕组中感应的电动势。中感应的电动势。性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向) )； 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向) )。，又又称为电动势常数称为电动势常数。为电机的结构常数为电机的结构常数式中：式中：apzCe60 直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转

33、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。nCnapznpllazlvBazEeava60602223.4.2 直流电机的电磁转矩电磁转矩电磁转矩：电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力在磁场内受电磁力 的作用的作用, ,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。 直流电机直流电机的的电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，

34、有为电机的转矩常数，有其中其中apzCt2etCC55.9ataaaavavICIapzzpaIllzDliBzDfT222222taCnapznapzE602260Ct也可称为也可称为电机常数电机常数。【例题例题3-3】 已知某四极他励直流电动机的额定功率已知某四极他励直流电动机的额定功率PN=100kW，额定电压，额定电压UN=330V，额定转速额定转速nN=730r/min，额定效率，额定效率h hN=91.5%，额定运行时每极气隙磁通，额定运行时每极气隙磁通 N=6.9810-2Wb，电机电枢绕组采用单波绕组，电枢总导体数，电机电枢绕组采用单波绕组，电枢总导体数N=186。求。求额定感

35、应电动势和额定电磁转矩。额定感应电动势和额定电磁转矩。 解：解：（1 1）计算额定感应电动势）计算额定感应电动势 （2 2）计算额定电磁转矩）计算额定电磁转矩 极对数为极对数为 p=2； 支路对数：支路对数： a=1； 电动势常数为电动势常数为 26160186260.apNCe感应电动势为感应电动势为 V316V73010986262Na.nCEe电枢电流为电枢电流为 A331A9150330101003NNNN.UPIh电磁转矩为电磁转矩为 mN1378mN33110986265592NNN.ICTT 一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流

36、的方式称为励磁方式励磁方式。分为他励和自励。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。两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。aII GUUfIFaII 他励直流电机的电枢电流他励直流电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：3.5 3.5 直流发电机直流发电机2 2、并励、并励：励磁绕组与电枢绕励磁绕组与电枢绕组并联。满足组并联。满足: 。faIIIfIFIGUaI3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕励磁绕组与电枢绕组串联。满足组串联。满足: 。IIIf

37、aGIaIfIFU4 4、复励、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个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。励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF(a)积复励积复励 (b)差复励差复励FfFaFfFaIfIaIfIa二、直流发电机的运行原理二、直流发电机的运行原理规定各物理量的参考方向规定各物理量的参考方向。aEGUaI1T0TTnfIfU1、直流发电机稳态运行时的基本直流发电机稳态运行时的基本方程方程aaabaaaRIUEURIUE2 为电枢回路串联绕组总电阻，为电枢回路

38、串联绕组总电阻， 正负电刷与换向器表面的接触正负电刷与换向器表面的接触 压降。压降。aRbU2电枢电动势：电枢电动势：nCEea式中式中： 为电枢回路等效电阻为电枢回路等效电阻，它是电枢回路总电阻电枢回路总电阻。aR电动势电动势平衡方程：平衡方程：电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩：电磁转矩：aTICT直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流fffRUI 直流发电机轴上有三个转矩：直流发电机轴上有三个转矩：驱动转矩驱动转矩 、电磁转矩、电磁转矩 和空载转矩和空载转矩 。T1T0T励磁特性公式励磁特性公式每极气隙磁通每极气隙磁通),(faIIfaEGUaI1T0TTn01TTT

39、平衡方程为：平衡方程为：2、电磁功率和功率平衡方程、电磁功率和功率平衡方程 电磁功率：电磁功率：电机负载运行时，电枢绕组中的感应电动势与电枢电机负载运行时，电枢绕组中的感应电动势与电枢电流的乘积称为电磁功率。根据电磁功率的定义，则有电流的乘积称为电磁功率。根据电磁功率的定义，则有aaMIEP 260aaaaTIapznIapzIETIEPaaM 一方面代表电动势为一方面代表电动势为Ea的电源输出电流的电源输出电流Ia时发出的电功率时发出的电功率； 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。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。功率功率平衡方程：平衡方程：可得可得：cua

40、aaaapPRIUIIE22aUIP 2发电机的输出功率发电机的输出功率aacuRIp2电枢回路的铜损耗电枢回路的铜损耗转矩平衡等式转矩平衡等式01TTT两边同乘以机械角速度两边同乘以机械角速度可得可得：01TTT01pTP原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 1PaaaRIUE电压平衡等式电压平衡等式两边同乘以电枢电流两边同乘以电枢电流aaaRIUE电压平衡等式电压平衡等式aaaRIUE0p空载损耗空载损耗，包括，包括机械摩擦损耗 、铁损耗 、杂散损耗 。mpFepap输出的电功率输出的电功率：CuMPPP2cuaFemcuppppPppPP1012pPP12电机效率电机

41、效率：%100)1 (%100212pPpPPh总损耗总损耗cuaFemfppppppfp自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗【例题例题3-4】 一台并励直流发电机数据为一台并励直流发电机数据为PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，电枢，电枢回路总电阻回路总电阻Ra=0.032 ，励磁支路总电阻，励磁支路总电阻Radf=26 ，额定负载时，额定负载时，pFe+pm=2.5kW，附加损耗，附加损耗pa=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。电磁功率、电磁转矩和效率。 解：解：（1 1）

42、求电磁功率）求电磁功率 （2 2）求输入功率）求输入功率 电枢电流为电枢电流为输入功率为输入功率为 励磁电流为励磁电流为 A85. 826230adfNfRUI额定负载电流为额定负载电流为 A52356A23010823NNN.UPIA37365A85852356fNa.III电枢电动势为电枢电动势为 V7241V032037365230aaNa.RIUE电磁功率为电磁功率为 kW3 .88W37.3657 .241aaMIEPkW2 .91kW82005. 05 . 23 .88amFeM1pppPP （3 3）求电磁转矩）求电磁转矩 （4 4）求效率）求效率【例题例题3-4】 电磁转矩为电

43、磁转矩为 mN3 .869mN970103 .8855. 955. 93NMnPT%.%PP901002918210012h效率为效率为 1、空载特性：、空载特性：是指原动机的转速是指原动机的转速n=nN，输，输出端开路，负载电流出端开路，负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系。即电压与励磁电流之间的关系。即U=E0=(If)。试验注意事项：试验注意事项：1. 试验时一定要单方向改变励试验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据；磁回路电阻测取数据；2. 在测取的数据中应包含额定点，电压可测取在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到到U=（1.11.3）UN为止

44、；为止；3.线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分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，使得到的曲线较准确。测取的数据可密集一些，使得到的曲线较准确。 图图2 试验接线图试验接线图图图1 空载特性空载特性 试验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线；试验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线； 特性曲线与转速有关，一定要保持额定转速；特性曲线与转速有关，一定要保持额定转速； 空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同，空载磁化特性曲线空载磁化特性曲线中的磁中的磁滞、剩磁、次磁环等特性均会体现出来滞、

45、剩磁、次磁环等特性均会体现出来。三、他励发电机的运行特性三、他励发电机的运行特性2、他励直流发电机外特性、他励直流发电机外特性 外特性：外特性：是指原动机的转速是指原动机的转速n=nN，励磁，励磁电流电流If=IfN时，电枢端电压与负载电流之时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即间的关系，即U=(I)。 发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率表示。发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率表示。从空载到负载电压下降的原因：从空载到负载电压下降的原因：负载增大，电枢电流负载增大，电枢电流Ia增大，使电枢回路电阻压降增大，增大，使电枢回路电阻压降增大， 则端电压下降；则端电压下降；Ia增大

46、，使电枢反应的去磁作用增强，端电压进一步下降。增大，使电枢反应的去磁作用增强，端电压进一步下降。%100%0NNUUUU 通常他励直流发电机的电压变化率通常他励直流发电机的电压变化率U%为为5%10%。 aaeRInCU3、调节特性定义：当 时， 。 常数n常数U)(IfIf 调节特性表征负载变化时如何调节励磁电流才能维持发电机端电压不变。 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输出端电压的影响。4效率特性效率特性 当不变损耗当不变损耗 等于可变损耗等于可变损耗 时，效率最时，效率最大大。cup0ppPpPP2121h定义：当 时， 。 常数n常

47、数U)(2Pfh四、并励直流发电机四、并励直流发电机 1、自励建压过程自励建压过程 在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则产生在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则产生感应电动势感应电动势Er（为（为（2%5%）UN）。）。在剩磁电压在剩磁电压Ur作用作用下，产生励磁电流下，产生励磁电流If，此励磁电流通此励磁电流通过励磁绕组会产生过励磁绕组会产生磁场，磁场的方向磁场，磁场的方向如果与剩磁方向一如果与剩磁方向一致，则主磁通得以致，则主磁通得以加强，使电枢端电加强，使电枢端电压进一步升高。压进一步升高。0IfU1234If1If2IfNE1E2U0ErBA 0IfU1234If1If2IfNE1E2

48、U0ErBA 1空载特性空载特性U0f(If)2,3,4励磁回路伏安特性，即电阻线励磁回路伏安特性，即电阻线Uff(If) 若保持转速若保持转速n=nN不变，当增大不变，当增大励磁回路电阻时，夹角励磁回路电阻时，夹角增大电增大电阻线斜率增大，交点阻线斜率增大，交点A下移。下移。伏安特性曲线斜率伏安特性曲线斜率:frfRRIUtan 保持励磁电阻不变，而改变转速保持励磁电阻不变，而改变转速n，若，若n升高，空载特性曲升高，空载特性曲线会按比例升高，则它与电阻线的交点也会升高，使发电机线会按比例升高，则它与电阻线的交点也会升高，使发电机端电压升高。端电压升高。1、自励建压过程自励建压过程 当夹角当

49、夹角增大到一定程度，电阻线与空载特性相切，发电机增大到一定程度，电阻线与空载特性相切，发电机也不能自励。也不能自励。 并励直流发电机的并励直流发电机的自励建压条件自励建压条件为：为： 电机必须有剩磁。电机必须有剩磁。 否则应利用其它直流电源对其充磁；否则应利用其它直流电源对其充磁； 励磁绕组并联到电枢两端的极性要正确。励磁绕组并联到电枢两端的极性要正确。 即应使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，即应使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致， 否则应改变励磁绕组极性；否则应改变励磁绕组极性； 励磁回路的总电阻必须小于该转速下的临界电阻。励磁回路的总电阻必须小于该转速下的临界电阻。1、自励建压过

50、程自励建压过程 2、并励直流发电机外特性、并励直流发电机外特性 电压下降，励磁电流减少，使磁通变弱，则电枢电动势电压下降，励磁电流减少，使磁通变弱，则电枢电动势降低，从而使端电压进一步下降，所以它的外特性要比他励直降低，从而使端电压进一步下降，所以它的外特性要比他励直流发电机下垂。其电压变化率流发电机下垂。其电压变化率U%为为20%30%。U0UN UN他励他励并励并励IN0IU外特性：外特性：转速转速n=nN，励磁回路，励磁回路Rr+Rf=常数时，电枢端电压与常数时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即负载电流之间的关系，即U=(I)。aaeRInCU一、直流电机的可逆原理一、直流电机的可逆原

51、理3.6 3.6 直流电动机直流电动机U 保持发电机的保持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当速下降。当 下降到一定程度时，使得下降到一定程度时，使得 ，此时，此时 ，发，发电机输出的电功率电机输出的电功率 ，继续降低原动机的，继续降低原动机的 ，将有，将有 ， 反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。nUEa0I02PUEaaIn二、二、 直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程aEMUaIT0T2TnfIfU如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向

52、电机的基本方程如下：电机的基本方程如下：atICTLTTTT02nCEeaaaaRIEUfffRUI ),(faIIf)(102cuFemMpppPpPP功率关系功率关系aaaaaRIIEUI2两边同乘以电枢电流两边同乘以电枢电流aaaRIEU电压平衡等式电压平衡等式aacuRIp2电枢回路的铜损耗电枢回路的铜损耗aUIP 1从电源输入的电功率从电源输入的电功率aaMIEP电枢吸收的电磁功率电枢吸收的电磁功率转矩平衡等式转矩平衡等式02TTT两边同乘以机械角速度两边同乘以机械角速度02TTT02pPPMcuMpPP1若考虑附加损耗和励磁回路消耗的功率，则若考虑附加损耗和励磁回路消耗的功率，则)

53、(102facuFemMpppppPpPP 直流电动机的直流电动机的工作特性工作特性是指在是指在U=UN，If=IfN，电枢回路不，电枢回路不外串电阻的条件下，转速外串电阻的条件下，转速n、转矩、转矩T、效率、效率h h与输出功率与输出功率P2之间之间的关系曲线。的关系曲线。三、直流电动机的三、直流电动机的运行运行特性特性 直流电动机的直流电动机的机械特性机械特性是指在励磁电流、电枢电压和电枢是指在励磁电流、电枢电压和电枢回路总电阻一定的条件下，转速与电磁转矩的关系，即回路总电阻一定的条件下，转速与电磁转矩的关系，即n=f(T)。 实际运行中，电枢电流实际运行中，电枢电流Ia随随P2增大而增大

54、，又便于测量，增大而增大，又便于测量，故也可把转速故也可把转速n、转矩、转矩T、效率、效率h h与电枢电流与电枢电流Ia之间的关系曲线之间的关系曲线称为工作特性。称为工作特性。（1）转速特性）转速特性1、他励（并励）直流电动机的工作特性NUU 定义：当 、 时，fNfII)(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流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。按线性关系变化。（2）转矩特性）转矩特性NUU 定义：当 时，fNfII)(aIfT 转矩表达式atICT 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流

55、上升的慢。流上升的慢。)(aIfn )(aIfTaIn0T0T)(2aIfT（3）效率特性）效率特性由方程式可得由方程式可得pPpPpP2111h 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小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；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；负载上； 当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。aIh0hNUU 定义：当定

56、义：当 、 时，时，)(aIfhfNfII2、他励他励（并励）直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性定义定义:当加上一定的电压当加上一定的电压 和一定的励磁电流和一定的励磁电流 ，电枢电阻，电枢电阻一定一定时时,转速转速 与电动机电磁转矩与电动机电磁转矩 的关系的关系,即即： 。)(Tfn nUfITTnTCCRCUCIRCUnetaeeaae02eCUn0理想空载转速理想空载转速2etaCCR机械特性的斜率机械特性的斜率%1000NNnnnndndTdndTL 稳定运行条件：3 3、串励、串励直流电动机的直流电动机的运行运行特性特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极当负载电流较小时，

57、电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。气隙磁通与励磁电流呈线性关系。 即：即：afIkIk转速特性转速特性eaaeeaaeCkRICkUCIRCUn因转矩特性因转矩特性2atatICkICTT0n 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机当负载电流为零时，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。不宜轻载或空载运行。eaetkCRTUkCCn注：（注：（1）判断电机运行在发电机状态还是电动机状态，可通过）判断电机运行在发电机状态还是电动机状态，可通过判断电枢电动势和电枢所接电网电压的大小，当判断电枢电动势和电枢所接电网电压的大小，当UEa，则运行，则运行在电

58、动机状态；反之，则运行在发电机状态。在电动机状态；反之，则运行在发电机状态。 （2）电机运行状态的判断，也可从电枢电流的流向进行。）电机运行状态的判断，也可从电枢电流的流向进行。 一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，总导体数为一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，总导体数为N=372，电枢，电枢回路总电阻为回路总电阻为Ra=0.21 。电机接在电网电压。电机接在电网电压U=220V上运行，此时转速上运行，此时转速n=1500r/min，每极磁通，每极磁通 =0.011Wb，空载损耗，空载损耗p0=566W。试求（。试求（1）电机运）电机运行在发电机还是电动机状态；（行在发电机还是电动机状

59、态；（2）电磁转矩；（）电磁转矩；（3）电机的输入功率；（）电机的输入功率；（4）效率。效率。【例题例题3-5】 一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，总导体数为一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，总导体数为z z=372，电枢回，电枢回路总电阻为路总电阻为Ra=0.21 。电机接在电网电压。电机接在电网电压U=220V上运行，此时转速上运行，此时转速n=1500r/min，每极磁通，每极磁通 =0.011Wb，空载损耗，空载损耗p0=566W。试求（。试求（1）电机运）电机运行在发电机还是电动机状态；（行在发电机还是电动机状态；（2）电磁转矩；（）电磁转矩；（3）电机的输入功率；（）电

60、机的输入功率；（4）效率。效率。 解解: (1)(1)电机的运行状态电机的运行状态 由题意得知，并联支路数由题意得知，并联支路数a=1，则电枢感应电动势为，则电枢感应电动势为220VV6 .204V1500011. 0160372260aUnapzE电机运行在电动机状态。电机运行在电动机状态。 (2) (2)电磁转矩电磁转矩电枢电流为电枢电流为 A373A2106204220aaa.REUI【例题例题3-5】 电磁转矩为电磁转矩为 mN52.95mN21. 06 .204220011. 012372222aaaREUapzIapzT (3)(3)输入功率输入功率 输入功率为输入功率为 kW13