第二章 直流电机

1、直流电机分为直流发电机和直流电动机。 直流电动机用于驱动负载。优良的启动性能和调速性能，控制简单，在电气传动系统中应用广泛。 直流发电机是将机械能转换为电能。转轴极靴电枢齿电枢槽底脚电枢铁心电枢绕组换向极铁心换向极绕组定子磁轭励磁绕组主磁极铁心直流电机的结构可分为静止和转动两部分，静止部分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）。直流电机定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和转轴等。主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由mm1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠

2、压而成。励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主极励磁绕组的电流相等。 大的直流电机在极靴上开槽, 槽内嵌放补偿绕组，与电枢绕组串联，用以抵消极靴范围内的电枢反应磁动势，从而减少气隙磁场的畸变，改善换向，提高电机运行可靠性。主磁极示意图换向极示意图主极产生磁场的磁密波形电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，是主磁路的一部分。由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场内旋转，因此电枢铁芯内的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面涂绝缘漆的0.5mm硅钢片叠压而成。冲片上有均匀分布的嵌放电枢绕组的槽和轴向通风孔。电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能

3、量转换的关键部件。 换向器是直流电机特有的关键部件，将电枢绕组内部的交流电势转换成电刷间的直流电势。换向器由许多称为换向片的、彼此互相绝缘的铜片组合而成， 电刷装置电刷装置 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成，电刷装置与换向器配合将转动的电枢绕组和静止的外电路联通。 主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇 转轴电枢绕组直流电机的物理模型直流电机的物理模型电势正方向：abcdB+,A-abcdABabcdABdcabAB电势正方向：dcbaB+,A-电枢线圈内电势、电流方向是交流电；电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；从空间看，

4、 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；产生的电磁转矩Tem与转子转向相反， 是制动性质；abcdabcddcab电流正方向：dcba转矩方向：顺时针电势方向：abcd电流正方向：abcd转矩方向：顺时针电势方向：dcba外施电压、电流是直流， 电枢线圈内电流是交流；线圈中感应电势与电流方向相反；线圈是旋转的，电枢电流是交变的。 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；产生的电磁转矩Tem与转子转向相同， 是驱动性质；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。他 励串 励并 励aII faIIIfaIII注：IaIfI：电源输入电流；：电枢电流；：励磁电流

5、复励:同时具有并励绕组和串励绕组称为复励 额定容量PN： 输出功率额定电压UN：额定状态下出线端电压；额定电流IN：额定状态下出线端电流；额定转速n： 额定状态下的电机转速直流发电机： PNUN IN直流电动机： PNUN IN 对电枢绕组的要求：在通过规定的电流时产生尽可能大的电势和电磁转矩前提下，所消耗的材料最少、 强度高（机械、电气、热）、 运转可靠、结构简单、下线方便等。 电枢绕组: 直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分。转子电枢电枢绕组基本形式：叠绕组、波绕组和蛙绕组叠绕组波绕组边在NS极下，转子转动极轴线：磁极中心线几何中心线： 磁极之间的平分线极距：电枢铁心表

6、面， 一个极所占的距离。y=y1y2元件：第二节距y2合成节距y：换向器节距yk：第一节距y1PZyi21 为了使绕组各元件能沿着电枢表面分布，相邻元件在磁场中必须移过一定的距离，场移m用虚槽数或换向器数来表示。 对于叠绕组来说，相邻的两个元件处于同一极面下，为了使绕组能分布开，y2的绝对值不能等于y1。显然，叠绕组的合成节距y与场移m相等， 对于波绕组，相串联的两个元件处于相邻的两个同极性的磁极面下，为了使绕组能分布，合成节距y不能恰好等于一对极距， 迭：迭： 两个相临联接的元件， 后一元件的端部紧迭在前一元件的端部。特点： 槽数Z、元件数S和换向片数K三者相等单迭迭： 首末端相联的两换向片

7、相隔一个换向片的宽度。y=yk=1画单匝和多匝示意图1。 数据计算：yyk1计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极实例： P2， ZSK164221621pZy合成节距第一节距元件1：定义 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。以此类推绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。编号原则yyk14221621pZy合成节距第一节距1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+V112345678910111213141615234567891011121

8、3141615NSNS+aaaiI2a为支路对数波绕组波绕组：首末端所接的两换向片相隔很远， 两个元件相串联后形似波浪。为了使相串联的元件所生的电势同向相加， 对应元件边应处于相同磁极极性下， 即合成节距 2,2yy单波绕组： 换向片节距yk必须符合 CPKyk1为了使绕组从某一换向片出发， 沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上， 则可由此再绕下去。 式28不对，对比211（a）左行绕组 （a）左行绕组左行绕组 （b）右行绕组计算数据y和y1画绕组展开图安放电刷和磁极1。绕组数据计算34341521pzy721151pKyyk43721yyy元件、换向片的放置：1元件上层边1槽， 下层边

9、4槽;首末端所连的换向片相距yk7；为了端部对称， 首末端所连的两换向片之间的中心线与1元件的轴线重合。 1元件上层边所连的换向片定为1。 依次联接。 磁极放置： N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。 3345678911101213 1415214567891011 1213 14 1512NSSN槽展开槽展开绕组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷从绕组展开图可以看出， 全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815 714 6 13 5 124 11 310 291用联接顺序图表示为：B:1,8,9A:5,12单波绕组把相同极性下的全部元件串

10、联起来组成一条支路。 由于磁极只有N、S之分， 所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关， 永远为1，即a1。 同极性下各元件串联起来组成一条支路， 支路对数a1， 与磁极对数p无关。当元件的几何尺寸对称时， 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。电刷组数应等于极数（采用全额电刷）; 电枢电流 Ia2ia 。 单迭绕组：单迭绕组：串联所有上元件边在同一极下的元件， 形成一条支路。 每增加一对主极就增加一对支路。 2a2p。 迭绕组并联的支路数多， 每条支路中串联元件数少，适应于较大电流、较低电压的电机。 单波绕组：单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支

11、路。 整个绕组只有一对支路， 极数的增减与支路数无关。 2a2。波绕组并联的支路数少， 每条支路中串联元件数多， 适用于较高电压、较小电流的电机。直流电机的磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组共同产生。 励磁绕组起主要作用。计算电枢电势、电磁转矩及分析电机换向时，必须了解计算电枢电势、电磁转矩及分析电机换向时，必须了解电机内磁场分布情况。电机内磁场分布情况。1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+碳刷位置说明碳刷位置说明电枢磁场位置直流电机空载时的磁场分布磁路从气隙1出发经电枢齿电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主

12、磁极1，最后又回到气隙10000000)1 (kPPk25. 115. 1k一般情况下：ffxxNILHF20磁势：计算方法：1。先求经过某一段的磁通； 2。根据该段的截面积SX计算该段的磁密BX； 3。由Bx在磁化曲线上查HX。 00F在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样，B大小完全与气隙长度成反比。在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。lBldxBavx220每极主磁通：讨论开槽的影响,B0SB0HF FNIFff220FNIFff220磁路不饱和磁路饱和00磁化曲线：表示空

13、载主磁通0与主极磁动势F0之间的关系曲线， 0f（ F0）。通过实验或计算得到。F00直线，不饱和部分膝点饱和部分F0F0FFk(约1.11.35)饱和系数：气隙线直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称电枢磁场电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应电枢反应。各支路电流都是通过电刷引入或引出，电刷是电枢表面电流分布的分界线。电枢磁与主极轴线正交的轴线通常称为交轴与主极轴线重合的轴线称为直轴；aaaaaxDNiAAxxDNif ,)2 (21A:电枢线负载， B=B=axaxFB0为了便于分析电枢反应，可将电枢磁动势分为两部分来研究，一部分是2角以外的-2b范围内的导体电

14、流产生的交轴电枢磁动势： 另一部分是由2b范围内的导体电流产生的直轴电枢磁动势 ：()2aqFAbFad=Ab 电刷不在几何中性线上时的磁动势分布曲线 2.3.3 电枢反应 电机负载运行时，电机的磁场由主极的励磁磁动势和电枢磁动势共同产生，致使负载时气隙磁场与空载时不同。电枢电流产生的电枢磁场对主极励磁磁动势建立的气隙磁场产生影响，使气隙磁场发生畸变的作用称为电枢反应。电枢反应可分交轴电枢反应和直轴电枢反应。1、交轴电枢反应 直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。而直流发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。

15、电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙磁场的影响。具体表现：使气隙磁场分布发生畸变；使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生偏转；呈去磁作用2.4.1 直流电机的电枢电势电枢电势：直流电机正、负电刷之间的感应电势， 即每个支路里的感应电势。计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。支路电势：nCnapNnpllaNeaNEeiiava6060222N：总导体数电势常数电势常数aPNCe60Bav：平均磁密； ：导体长度； ：电枢旋转线速度具体计算：一根导体：vlBeiavav602npvn：电枢旋转速

16、度（r/min)iavlB：每极磁通vilnCenapNEa60一台制造好的电机， 它的电枢电势( )正比于每极磁通（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分布无关。 aE 当绕组为短距元件时，在一个支路中有部分元件的两有效边的电动势相互抵消，使导体的平均电动势减少，因此电枢绕组的电动势也随之减少，但直流电机中短距是很小的，故短距对电枢电动势的影响不大。当电刷在换向器几何中性线上时，电枢电动势最大；如电刷偏离几何中心线时，支路中也有部分导体的电动势相互抵消，电枢绕组的电动势也将减小。一根导体的平均电磁力：aiavavilBfaIiaa2电磁转矩：22aaiavaavemDNilBDfNTpDa

17、2aTaaiiemICIapNpNaIllT2222 转矩常数转矩常数aPNCT22 216162 217172 219192 220202 22222aTaemICIapNT2一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流， 与磁密分布无关。电势常数Ce和转矩常数CT决定于结构常数。它们的关系为：55. 9260eTCC或047. 1602TeCCaPNCT2aPNCe60电磁功率：emaTaeaaemTInCInCIEP602直流电动机：从电源吸收的电功率， 通过电磁感应作用， 转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢

18、回路所得到的电功率。 电磁功率一台单波绕组的直流发电机, 2P4, PN50kW, UN230V, nN725r/min, K=135， 线圈匝数Ny1, 试求： 电枢绕组总导体数； 空载时, 产生额定电压的每极磁通量0； 若将电枢绕组改为单叠绕组, 在同样的每极磁通量0及转速下, 空载时感应电动势为多少?解： ， 改成单叠后 22 135 1270yNkN 1a2 27096060 1ePNCa02300.035249Wb9 725NeNeNUEC nC n 2aP2 2704.56060 2ePNCa04.5 0.035249 725115VeNECn直流发电机的励磁方式可以是他励、并励和

19、复励。各物理量正方向的规定： 电枢电动势Ea与电流Ia方向一致； 电磁转矩Tem与转速n方向相反， 为制动转矩。1、电动势平衡方程式电枢回路：URIUEaaa2)(jfffRRIUEa U励磁回路：faIII并励发电机2、转矩平衡式T1：输入转矩; T0:空载制动转矩3、功率平衡式01TTTemn60201TTTem01pPPem01pPPemP1-原动机输入的机械功率；Pem-电磁功率；P0=发电机的空载损耗，admecFepppTp00电磁功率：cubcuacufabaafabaaaaaaeaeaTemempppPIURIIIUIURIUIIEInCnICICTP2222)(2602260

20、admecFecubcuacufppppppUIP1并励发电机：他励发电机：发电机的效率：pPpPP2121pPppppppUIPadmecFecubcuacuf21pPpppppUIPadmecFecubcua21可以证明，当电机中的可变损耗(pcua,pcub,pcuf,pad)和不变损耗(pmec,pFe)相等时，电机的效率为最大。 一台4极并励直流发电机的额定数据为：PN=20kW，UN=230V。nN=1450r/min，电枢回路电阻Ra=0.15，并励回路总电 阻 Rf= 7 4 . 1 ， 电 刷 压 降 2 Ub= 2 V ， 空 载 损 耗p0=1000W+0.001PN。求

21、额定负载下的电磁功率、电磁转矩和效率。解：解：额定电流 IN=PN/UN=20103/230=87A 励磁电流 If= Uf / Rf =230/74.1=3.1A 额定负载时电枢电流 Ia=IN+If=87+3.1=90.1A 额定负载时电枢电动势 =UN+IaRa+2Ub=230+90.10.15+2=245.5V 额定负载时的电磁功率 Pem=EaIa=245.590.1=22100WaE电磁功率也可通过功率平衡关系求得Pem=P2+ pcua+ pcub+pcuf P2 Ia2Ra 2UbIa UIf =20103+1210+180+713=22.1103W额定负载时的电磁转矩Tem=

22、Pem/=22.1103/=22.110360/(21450)=145.5Nm额定负载时发电机的输入功率P1= Pem+ p0=22.1103+1000+0.00120103=23.12103W额定负载时的效率 86.5% 21100%PP直流发电机的四个基本物理量： U、I、If、n。（n由原动机拖动，保持不变）运行特性：在U、I、If 之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。主要特性：1 n常数， I0， Uf（If）；空载特性3 n常数， If常数，Uf（I）；外特性4 n常数， U常数，Iff（I）；调节特性2 n常数， I常数， Uf（If）；负载特性空载时，aEU

23、nCEea n等于常数aE)(0faIfEU空载特性实质即为电机磁化曲线确定磁路和运行点的饱和程度（ n常数，I0，U0f（If）)(fIfURIUEaaa2空载特性可以通过实验的手段得到。调节RfIf单调增长U=1.11.3 UNIf单调减小至0If反向单调增长U=（1.11.3）UNIf单调减小至0n常数， I常数， Uf（If）IURIAUaa2IIaURIUEaaa2IIIAEff11电枢反应去磁 由于电阻压降和Ia成正比，电枢反应去磁也可近似地认为和Ia成正比，故特性三角形的两直角边近似与Ia成正比。因此，负载特性就是特性三角形沿空载特性平行移动时，U点的轨迹。 外特性也可以通过实验

24、的手段得到。URInCURIEUaaeaaa2 2IU1 他励12 并励2调节RLI从零增至额定值n不变If=IN不变n常数， If常数，Uf（I） 负载运行时，引起他励发电机的端电压低于空载电压负载运行时，引起他励发电机的端电压低于空载电压的原因有：的原因有：1 1）电枢回路的电阻压降；）电枢回路的电阻压降；2 2）去磁性质的电枢）去磁性质的电枢反应引起的电枢电势的降低。由电势方程式反应引起的电枢电势的降低。由电势方程式U U = = E E - -I Ia aR Ra a可知，随着负载电流的增加，发电机的端电压将逐步下降。可知，随着负载电流的增加，发电机的端电压将逐步下降。 %1000NN

25、UUUUU0是空载时的端电压， 一般他励直流发电机的电压变化率约为510%。转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电机的端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流增大，励磁电流也增大。I=IN,U=UN 时的If，称为额定励磁电流。INIfNn常数， U常数，Iff（I）URIUEaaa2faIII“自励发电机”， If15dtdILRIUffff0自励过程：电阻线，场阻线NeanCEU0ffffRIRItg1、并励直流发电机的自励条件发电机自励时的稳定点为励磁回路伏安特性曲线与空载特性的交点。不同的转速， 具有不同的临界电阻（1）电机必须有剩磁。 可通过“充磁”（2）励磁绕组的接线与电枢旋转

26、方向必须正确配合，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致（3）励磁回路的电阻应小于与电机转速相对应的临界电阻。并励发电机的外特性 U=f(I) 与他励相比，根据有几个特点：URIEUaaa2(1) 负载增大时， 端电压下降较快；(2) 外特性有拐弯现象;n常数， If常数，Uf（I）原因：压降、电枢反应、 磁路饱和 并励发电机外特性拐弯的现象是由磁路饱和现象引起的。当电机运行在磁路比较饱和区域，RL减少时，电机端电压下降，随之If减少所引起的电枢电动势减少的程度不大，因此负载电流将随RL的减少而增大；但当电机运行在磁路饱和程度较低的区域，RL减少时，电机端电压下降，随之If减少所引起的电枢电动

27、势减少的程度较大，故负载电流将随RL的减少而减少。当电枢直接短路时，端电压为零，励磁电流为零，电枢电流仅由剩磁电动势所产生，因此短路电流不会很大。但如果发生突然短路，则由于励磁绕组有很大的电感，励磁电流及其所建立的磁通不能立即为零，从而短路电流的数值会很大，因此，并励发电机也不能任意短路。复励发电机的接线图如图示。在复励发电机中，并励绕组起主要作用，以保证空载时能产生额定端电压。负载运行时，串励绕组起助磁作用，以补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢回路的总电阻压降，使发电机的端电压仍保持额定电压，此时称为平复励；若串励绕组磁动势过补偿，使负载时额定电压大于额定电压，则称为过复励；反之，欠补偿时，

28、则称为欠励磁。复励发电机负载运行时，若为差复励接法，则随着负载电流的增加，发电机气隙的合成磁场和电枢电动势将进一步减少，导致发电机端电压迅速下降，其外特性接近于恒流源特性，故差复励发电机常用作直流电焊发电机。上图为各种复励发电机的外特性曲线。（1）三个平衡式， 以及EaU的发电状态判据。（2）发电机的励磁方式：（3）并励发电机的自励条件和特性。例例2-5 一台并励直流发电机，PN=46 kW，UN=115 V，nN=1000 r/min，2Ub=2 V，电枢回路各绕组的总电阻Ra=0.0125 ，并励绕组电阻Rf=12 ，额定运行时励磁回路串入的调节电阻Rj=2.375 ，已知在额定转速下把该

29、发电机的并励绕组改为他励时，测得的空载特性为： If/A 4 5 6 7 8 9 10 11 U0/V 86 103 113 122.1 128 133 136 139设交轴电枢反应的去磁作用仅与电枢电流的大小成正比。试求当转速和电枢电流保持额定运行时的数值不变，而把并励绕组回路的调节电阻Rj调到3.4 时发电机的端电压。解：解：额定电流 IN=PN/UN=46103/115=400 A额定励磁电流 IfN = Uf/(Rf+Rj)=115/(12+2.375)=8 A额定负载时的电枢电流 IaN=IN+IfN= 400+8=408 A额定负载时电枢回路总电阻电压压降 IaNRa+2Ub=40

30、80.0125+2=7.1 V 额定负载时的电枢电动势 EN=UN+ IaNRa+2Ub=115+7.1=122.1 V从空载特性上求取当EN=122.1 V时的励磁电流If0=7 A，故在额定负载时，电枢反应去磁作用折算成的等效励磁电流为 Ifaq=IfN-If0=8-7=1 A当Rj调节到3.4 时，励磁电流If=Uf/(Rf+Rj)，即有Uf = (Rf+Rj)If =（12+3.4）If = 15.4 If V (例2.5-1)If = If0+Ifaq = (If0+1) A (例2.5-2)Rj调到3.4 时，发电机端电压U = E-IaNRa-2Ub = (E-7.1) V (例

31、2.5-3)空载特性曲线E=f(If)可用相邻两点之间的直线表示。先假设在（5,103）和（6,113）两点之间可用直线表示，则(113-103)/(6-5)=(E-103)/(If0-5)，可得E =（10If0+53）V (例2.5-4)联立求解(例2.5-1)、(例2.5-2)、(例2.5-3)和(例2.5-4)，可得If0=5.65 A，U=102.4 V，E=109.5V。E=109.5V在（5,103）和（6,113）两点之间，故原来的假设正确。发电机的端电压U=102.4V。 可逆原理：发电机和电动机电磁本质相同；本章主要内容：直流电动机的工作特性 机械特性 起动、制动和调速问题

32、作业：作业：2 236 36 ，2 23838 aaaaERIEU0aaemIEPaaaaERIEU0aaemIEP各物理量正方向的规定： 电枢电动势Ea与电流Ia方向相反； 电磁转矩Tem与转速n方向一致。电流与电压的参考方向如图示；直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。下面以并励为例推导直流电动机的基本方程式。电枢回路：)(ajaaaRRIEU)(jffRRIUU Ea励磁回路：稳态dtdiLRieUaaaaa瞬态（不接 时）ajRTem:电磁转矩；T2：输出转矩; T0:空载制动转矩; 推论：推论：（1）TTemaCTTCTI02若总制动转矩不变，不变， 稳定后的Ia不变。（

33、2） 实际空载时， Ia 0。CemTTTT02匀速运行：速度变化：dtdJTTTem02电动机从电源输入的电功率为：cufcubcuaemfaaaaafaaaapPpPUIUIRIIEIUIURIEIUP2221admecFepppp00202)(pPTTTIEPemaaemn6020pFepmecpadp：空载损耗：机械损耗：附加损耗：铁耗 并励直流电动机的功率平衡式：pPppppppPPadmecfecufcubcua112)( %100)1 (%100212pPpPP效率：工作特性工作特性， 是指在UUN，IfIfN时， 转速n、电磁转矩 和效率随输出功率P2而变化的关系。即 )(,2

34、PfTnem或)(,aemIfTnemT实验方法求取工作特性：调节Rf,有fNNNInP,保持 常值， 然后改变负载，得到 fNfII)(,2PfTnemfNfNIIUU,时，)(2Pfn 的关系为转速特性转速特性。aNaaNaNNICeRnICeRCeUn0可得转速公式，n0： 理想空载转速;0NNCeUn转速下降不多， 考虑电枢反应， 有可能升高。 aaNNeaRIUnCE%100%0NNnnnn并励电动机%8%3% n602222nPPT20TTTem常值0T)(2PfTem当 时，)(2Pf的关系叫效率特性效率特性。%100)(1 (%100)1 (21faNaacubadmecfec

35、ufIIURIpppppPpfNfNIIUU,2Pf0adId令 可得NfNII忽略励磁电流cubaaadmecFecufpRIpppp2%100)(1 (%100)1 (21faNaacubadmecfecufIIURIpppppPpeaaNaaNCIRUICeRCeUn根据转速公式，可得串励电动机的特点 ，afICIC11 faIII结论：串励电动机不允许在小于1520的额定负载下起动。1). 转速特性)(2Pfn 转速变化率%100%25. 0NNnnnn根据转矩公式：21 aTaaTaTemICIICCICT特点：串励电动机有较大起动转矩与过载能力。结论：适用于重载起动的场合， 不允许

36、在空载和很轻负载下运行。为避免运行时发生不稳定现象，复励电动机常接成积复励。 )( )(ajaTemeajaaaRRCTnCRRIEU从 可得ememTeajaeTnTCCRRCUn02直流电动机的机械特性是指在 及电枢回路总电阻（Ra+Raj）=常值的条件下，的关系。当Raj=0时的机械特性，称为自然（故有）机械特性fNfNIIUU,)(emTfn ememTeaeTnTCCRCUn021、并励直流电动机的机械特性、并励直流电动机的机械特性 0nA0nNTNCTnem当直流电动机的电枢端电压U=UN ，外接电阻Raj =0，If =IfN（或=N）时，所获得的机械特性就是自然机械特性 eme

37、mTeajaeTnTCCRRCUn02 人为改变电枢端电压、电枢回路外接电阻aj和励磁回路外接电阻Raj（即磁通）中的任一项，而其他项仍保持不变的情况下所获得的机械特性称人为机械特性。 磁路的饱和程度随负载变化很大1）磁路不饱和时2111aTaTemafICCICTICIC11CeCRRTCCCeUICeRRCeUnajaemTNaajaN2）磁路饱和时常数eaajaNaajaNCIRRUICeRRCeUn)(复励是串励和并励共同合成的励磁方式，复励是串励和并励共同合成的励磁方式，一般都接成积一般都接成积复励复励。并励起主要作用， 接近并励特性；串励起主要作用， 接近串励特性；平衡点稳定点？稳

38、定点：在受到外界扰动后， 仍能还原的点。稳定点的条件：dndTdndTCem电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。2、电磁转矩：aTaemICIapNT2CT: 转矩常数转矩常数1、电枢电势：nCnapNEea60：电势常数电势常数N：总导体数Ce3、电磁功率：0202)(pPTTTIEPemaaemn602基本物理量（1）电势平衡式（并励电动机）U Ea电枢回路：)(ajaaaRRIEU)(jffRRIU重要的转速公式：重要的转速公式：CeRRIUnajaa)(励磁回路：（2）转矩平衡式T2：输出转矩; T0:空载制动转矩;T

39、c:总负载转矩（3）功率平衡式cufcubcuaemadmecFecufcubcuapppPpPppppppPP221 CemTTTT02某并励直流电动机额定数据如下：,440,96VUkwPNN.500, 5,255rpmnAIAINfNN电枢回路总电阻078. 0aR，电枢反应忽略不计。试求：（1） 额定运行时的输出转矩NT和电磁转矩emT；cufcuaemppPPb1)(fNNcufaaNcuaIUpRIp,2解：2008(*)NmPTNemem 5 .1833) 1 (NmPTNNN602NNnVRIUEaaNNaN5.420250AIIIfNNaNaNNTemICT(*)NNeaNn

40、CE55. 9NeNTCCaNaNemIEPa)(（2）理想空载转速 与实际空载转速 ；0n0n)0(2 .5230aNeNNeaIrpmCUCEn5 .1740NmTTTNem73.2100ACTINTa2 .52100rpmCRIUnNeaaN（3） 额定运行时突然在转子回路中串入 的电阻， 串入瞬时的电枢电流和转速各为多少？122. 0ajR转速不能突变。（4）串入 且稳定后的电枢电流和转速各为多少？5 .97ajaaNNaRREUIrpmnnN500由于负载不变，故而由aNTemICT可知稳定后的电枢电流为：AIIaNa250rpmCRRIUCEnNejaaNNNea7 .463)(转

41、速：ajRajR一台长复励接法的复励直流电动机，PN=14 kW，UN=220 V，nN=1600 r/min，2Ub=2 V，额定电枢电流IaN=70 A，电枢回路电阻Ra=0.1 ，并励回路总电阻RfN=300 ，并励绕组每极匝数Nf=2800匝。若其他条件不变，仅将串励绕组反接，当电流Ia-=70 A时，转速为n=1796 r/min。试求：（1）该电动机在串励绕组反 接前是积复励还是差复励？（2）电枢反应的去磁作用相当于多少并励励磁电流？（设电枢反应的去磁作用与电枢电流成正比）（3）串励绕组的匝数为多少？把该电动机的并励绕组改为他励时且将转速保持在1600 r/min下测得的空载特性如

42、下 （P47）解：解：额定并励绕组励磁电流为 IfN=UN/RfN=220/300=0.73 A 电动机额定电流为 IN=IaN+IfN=70+0.73=70.73 A 额定运行时电枢电动势为 EaN=UN-IaNRa-2Ub=220-700.1- 2=211 V 额定时的CeN为 CeN=EaN/nN=211/1600=0.132（1）当串励绕组反接后电枢电动势为 Ea=UN-IaNRa-2Ub=220-700.1-2=211 V 由于串励绕组反接后转速为n=1796 r/min，故可得到 Ce=Ea/nN=211/1796=0.117 因串励绕组反接后，CeCeN，故该电动机在串励绕组反

43、接前是积复励电动机。0211 204(0.80.7)0.70.75A218204fI直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程， 称为起动过程。对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大。（2）起动电流要小。起动电流要小。（3）起动设备要简单、经济、可靠。ajastRRUINII)0 . 25 . 1 ()(,NaTemICTNaNastaaNaaaIRUIREUIREn2010,0,0,0直接将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点优点：操作简单，无需另加设备。缺点缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。一般希望NastII25 .

44、1将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。emNTeajaNeNTCCRRCUn2321ajajajaNstRRRRUI起动电流开始时，降低端电压， 使Ia(1.52.0)IN, Tem=(1.52.0）TN。随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。优点优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。PWM控制方法小结aaaREUI一台他励直流电动机的额定数据如下：PN=30kW，UN220V，IN160A，nN1000r/min，Ra0.1。求直接起动时的电流是额定电流的多少倍？若将起动电流控制在

45、Ia2IN，如采用电枢回路串电阻起动时，所需的串接电阻为多少？如采用降压起动，电压应降为多少？解：直接起动时的起动电流为 起动电流倍数为 倍采用电枢回路串电阻起动时，所需的电阻为 采用降压起动时，电压应降为ARUIaNst22001 . 022075.131602200NststIIkaj2200.10.587522 160NaNURRIVRIUaN321 . 01602260.16kw通过改变传动机构的传动比来改变工作机构的速度，称为机械调速。人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为电机调速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而

46、且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。直流电动机的转速公式：eajaaCRRIUn)(直流电动机的调速方法：（1）改变励磁电流从而改变磁通；（2）改变施加在电枢两端的电压U；（3）改变串入电枢回路的调节电阻；改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速， 所以又称弱磁调速。对应与某一恒定转矩，减小励磁可以使转速升高。弱磁调速：保持UUN， ，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。0ajR弱磁调速只能使转速升高aaeRInCUIf减小瞬间速度不变减小nCEea aaREaUIaTemICT CemTT 机组加速nEaIaTemTemTc新的平衡，新的Ia和nNCB

47、nnTCNTemNn0An00emT电压越低， 转速越低， 调速方向从基值往下调。调节过程分析转速只能向下调速emMeaeeaaTCCRCUCRIUn2（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好， 调速范围大 25：1。（3）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现无级调速。（4）调节过程能量损耗小。串入电枢回路的电阻越大， 转速越低。电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。 电枢回路串电阻调速的方法， 只能从基速往下调。emNTeajaNeNNeajaaNTCCR

48、RCUCRRIUn2)(ajR该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。（2）低速时， 机械特性很软， 当负载变化时， 转速波动很大。（3）由于电阻调节不连续， 速度调节不平滑， 属有级调速。 （4）电枢电流在 上消耗的能量大， 调速时效率低。 效率与转速成正比。 (5) 在轻载时调速效果不明显ajR（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时， 最高转速与最低转速之比。用D表示。（2）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越小， 转速的相对稳定性越好。（3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好， 有级调速由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之

49、比。 （4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。（5） 经济性直流电动机的两种运转状态：（1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同 ，此时电网向电动机输入电能， 并转变为机械能带动负载。（2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能(消耗在电机内部或反馈到电网)。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行。断开电源抱闸能耗制动反接制动回馈制动机械制动自由停车电气制动（保持 不变）N保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至Raj， 电枢从电网脱离经制动电阻Raj闭

50、合。参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRaj实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动。aNTemICTemNTeajaTCCRRn2能耗制动时的机械特性：制动过程：反抗性负载停车位能性负载稳速下放emNTeaNeNNeaaNTCCRCUCRIUn2直流电动机的自然机械特性：mgnTemmgnTemmgnTem能耗制动的特点：1）操作简单，停车准确2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；3）低速时制动转矩小，停转慢；4）动能大部分都消耗在制动电阻上。制动初瞬的最大电流：ajaANBRRnCeI制动电阻：aNNajRIUR2反

51、接制动转速反向电枢反接（电动势反向）（电压反向）保持If不变， 将开关向下合闸， 使电枢经制动电阻Raj而反接于电网上。参数特点： N， UUN。 R=Ra+Raj.emNTeajaNeNTCCRRCUn2NeaajaNCIRRUn)(emNTeajaNeNTCCRRCUn2电压平衡式：ajaNeNajaaNaajaaaNRRnCURREUIRRIEU)(aNTemICT)()()(2ajaaaaaNRRIIEIU从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上。 )(ajaaaNRRIEU特点：特点：（1）可以很快使机组停机。（2） 需要加入足够大的电阻， 限制电枢电流；（3）转速

52、至零时， 需切断电源。If及端电压UN不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻Raj，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的Raj，可得到不同的稳定转速。电压平衡式：)(ajaaaRRIEU机械特性：aNeajaemNTeajaICRRnTCCRRnn020（位能性负载）（位能性负载）能量关系：)()()(2aaaBaaIEIURRIU及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的功率；Ea 的方向与电动状态时相反， EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻RaRaj上。转速转速n和理想空载转速和理想空载转速n0 反方向的独

53、有特点，所以也称反方向的独有特点，所以也称为反接制动。为反接制动。 当转速高于某一数值时，电枢电动势大于端电压， 电机进入发电状态， 电磁转矩起制动作用， 限制转速上升， 位能转换为电能， 回馈到电网。（1）电压反向的回馈制动 （重物下放）（2）电压不反向的回馈制动（电车下坡）回馈制动过程中，有功功率U Ia回馈给电网。从电能消耗看， 回馈制动是最经济的一种制动方式。 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。（小结）解： 根据电压平衡式可求得额定运行时：)(35.411377. 076440VRIUEaaNa（1） n500r/min， Ia0.8IN=0.876=60.8(A)(4

54、8. 3377. 08 .6035.4115 . 0440aaaNajRIEUR他励直流电动机额定数据：PN29kW，UN440V，IN76A，nN1000r/min, 电枢回路总电阻Ra0.377。试问：该机以500r/min的速度吊起TC0.8TN负载转矩， 在电枢回路应串入多大电阻？(1) 用哪几种方法可使TZ0.8TN的位能负载以500r/min的速度稳速下放？求每种方法的电枢回路串接电阻值。（2） n500r/min, Ia=0.8IN=60.8(A)能耗制动： U0)(3377. 08 .6035.4115 . 0aaaajRIER反接制动： （电枢电势反向的反接制动）)(2 .1

55、0377. 08 .6035.4115 . 0440aaaNajRIEUR 直流电机工作时，旋转的电枢绕组元件由一条支路经过电刷进入另一条支路，该元件中的电流从原来的方向转变到相反的方向，这种元件中电流方向的转换称为换向换向。这个元件称为换向元件。换向元件中的电流称为换向电流。 换向问题是一切有换向器的电机的很重要的专门问换向问题是一切有换向器的电机的很重要的专门问题，它对电机的运行有很大影响。题，它对电机的运行有很大影响。主要讨论内容：主要讨论内容：换向元件中的电流变化规律；换向元件中的电流变化规律； 火花产生的原因；火花产生的原因； 改善换向的方法。改善换向的方法。电枢旋转时，被电刷短路的

56、元件从短路开始到短路结束， 从一条支路转换到另一条支路， 电流改变了方向。 换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程。 从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期aiaimSTk2 . 0i,200,1500Krpmn换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势(eL)和互感电势(eM)之和，称为电抗电势。dtdiLerrLr：换向元件的等效漏电抗， 包括自感和互感er的平均值：karkriirkTrkravTiLTiLdtdtdiLTdteTeaak2)(110设电刷宽度bs等于换向片宽度bk， 换向片数为K，nKnKbbvbvbTkkkkksk6060/换向周期Tk：电抗电动势和旋转电动势1. 电抗电势renITieakar 电机负载越重或转速越高， 电抗电势越大。 电抗电势的方向阻止换向电流的变化， 因此er的方向必与换向前的元件电流ia的方向一致。602arraviKnLe换向元件所处的几何中线处，主磁