chap2-第1章直流电机工作原理与特性

1、第第1章章 直流电机直流电机原理及运行特性原理及运行特性1.1.1 直流发电机的工作原理：如图2.4所示：1）N 、S为一对固定的磁极；2) abcd是装在可以转动的圆柱体表面上的一个线圈,将该装有线圈的可转动圆柱体称为电枢。线圈两端各接一铜质换向片，并用绝缘材料隔开；3）电刷A、B与换向片相接触并固定不动，这就是最简单的换向器。当原动机拖动电枢以恒速n逆时针方向转动时，根据电磁感应定律可知，线圈边（即导体）ab和cd中有感应电动势产生。 且e=Blv 方向：右手定则确定，如图2.4 ，A高电位，B低电位；4）当线圈逆时针方向旋转180度时，由于换向片随着线圈一同旋转，仍有 A高电位，B低电位

2、。 1. 1 1. 1 直流电机的工作原理：直流电机的工作原理：直流发电机原理模型返回线圈逆时针方向旋转180度 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。 从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。1.1.2 直流电动机的工作原理：如图2.3所示：n线圈不被原动机拖动；电刷A、B 接上直流电源。于是在线圈 abcd中有电流流过，电流的方向如图2.3

3、所示。根据电磁力定律可知，载流导体ab、cd上受到的电磁力为：f=Bli。n导体受力的方向用左手定则确定，导体ab的受力方向是从右向左，导体cd的受力方向是从左向右，如图2.3所示。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 n当电枢转了180后，导体 cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 n因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，保证了

4、每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 1. 1 1. 1 直流电机的工作原理：直流电机的工作原理：直流电动机原理模型电枢逆时针方向旋转180度n1.1.3、直流电机的可逆性：、直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。 发电机发电机：用原动机拖动电枢恒速旋转，将机械能：用原动机拖动电枢恒速旋转，将机械能 从电机轴上输入，就可以从电刷端引出直流电动从电机轴上输入，就可以从电

5、刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电，输出电能势而作为直流电源对负载供电，输出电能 ； 电动机电动机：在电刷端外加直流电压，将电能输入电枢，：在电刷端外加直流电压，将电能输入电枢，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为原理，在电机理论中称为可逆原理可逆原理。1.1.2直流电机的主要结构：原理模型直流电机的原理模型直流电机的结构 直流电机由静止的直流电机由静止的定子定子部分和部分和旋转旋转的的转子转子部分

6、两大部分构成：部分两大部分构成：1、定子部分：、定子部分：包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等。1）主磁极：）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用11.5mm厚的低碳钢板叠压紧固而成，励磁绕组套在主极铁心外面。整个磁极再用螺钉固定在机座上。 主极的作用是在定转子之间的气隙中建立主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩动势和产生电磁转矩.返回主磁极主磁极1主磁极铁心主磁极铁心2励磁绕组励磁绕组3机座机座直流电机的结构2）换向极：）换向极：换向极又称附加极或间

7、极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。3）机座：一是）机座：一是起导磁的作用，作为电机磁路系统中的一部分，叫定子磁轭。二是二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。4）电刷装置：）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，把直流电压、直流电流引入或引出。2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。1）电枢铁心）电枢铁心：作为电机主

8、磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的。为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。2）电枢绕组：）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈（亦称元件，有两个出线端）组成，是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。3）换向器：直流发电机）换向器：直流发电机中作用：是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；直流电直流电动机动机中作用：将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘。直流电机的结构1.2 直流电机的额定值直流电机的额定

9、值 电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中规定的保证值称为电机的额定值。在运行中规定的保证值称为电机的额定值。 1额定容量（功率）额定容量（功率） （kW）：）： 对直流发电机来说，是指出线端输出的电功率：对直流发电机来说，是指出线端输出的电功率： 对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率：对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率： 2额定电压额定电压 （V）：）： 正常工作时，电机出线端的电压值；正常工作时，电机出线端的电压值； 3额定电流额定电流 （A）：）： 对应于额定电压，额定功率时，电机的电流值；对应于额定电压，额定功

10、率时，电机的电流值； 4额定转速额定转速 （rmin）；）； 额定运行状态时，对应于额定电压，额定电流，额定额定运行状态时，对应于额定电压，额定电流，额定功率时的转速；功率时的转速；NNNIUP NPNUNINnNNNNIUP5.励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流 (A)： 额定运行状态时，主磁极励磁绕组流过的电流。额定运行状态时，主磁极励磁绕组流过的电流。6.电动机轴上输出的额定转矩：电动机轴上输出的额定转矩： 此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。机。fNINNNNNN2Nn)Kw(P9550n)w(P55. 9PT1.3 直流电

11、机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。量转换过程中起着重要的作用。因此，电枢绕组须满足以因此，电枢绕组须满足以下要求：下要求：n在能通过规定的电流和产在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝尽可能节省有色金属和绝缘材料，缘材料，n并且要结构简单、运行可并且要结构简单、运行可靠等。靠等。电枢绕组电枢绕组是由许多个形状完全一样的单匝元件（当然是由许多个形状完全一样的单匝元件（当然也可以是多匝元件）以一定规律排列和联接起来的，也可以是多匝元件）

12、以一定规律排列和联接起来的，用用S表示元件数。表示元件数。元件元件：单匝元件，就是每个元件的元件边里仅有一根：单匝元件，就是每个元件的元件边里仅有一根导体，对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导导体，对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体。元件的匝数体。元件的匝数 ：Ny无论单无论单/双匝元件双匝元件出线端出线端只有两根：首端和末端。同只有两根：首端和末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。则必各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。则必须在同一个换向片上，既联有一个元件的首端，又联须

13、在同一个换向片上，既联有一个元件的首端，又联有另一元件的末端。有另一元件的末端。元件数元件数=换向片数（换向片数（S=K）1.3.0 1.3.0 基本概念介绍基本概念介绍n直流电机绕组一般都是直流电机绕组一般都是双层绕组，双层绕组，电枢上的电枢上的槽数槽数等于元件数。等于元件数。n为了改善电机性能，需要采用较多的元件来构成为了改善电机性能，需要采用较多的元件来构成电枢绕组，而电枢铁心开的槽数不能太多，这样电枢绕组，而电枢铁心开的槽数不能太多，这样就只能在每个槽的上、下层各放置若干个元件边，就只能在每个槽的上、下层各放置若干个元件边，为了说明每个元件边所处的具体位置，引入为了说明每个元件边所处的

14、具体位置，引入“虚虚槽槽”的概念。设槽内每层有的概念。设槽内每层有u个元件边，则视为实个元件边，则视为实槽（槽（Q）内包含有）内包含有u个个“虚槽虚槽”。Qu =uQ= S=Kn极距：极距：每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长每个主磁极在电枢圆周上所分得的弧长（相邻两个主磁极轴线之间的沿电枢表面的弧（相邻两个主磁极轴线之间的沿电枢表面的弧长）。长）。 或用虚槽数表示，在分析电枢绕组结构常用：或用虚槽数表示，在分析电枢绕组结构常用：Da：电枢外径；：电枢外径；P ：极对数；：极对数；Qu：虚槽数；：虚槽数； 下面以直流电机电枢绕组最基本的两种型式：单叠和单下面以直流电机电枢绕组最基本的两种型式：单

15、叠和单波绕组，分别说明它们的联接规律，以便进一步理解直流电波绕组，分别说明它们的联接规律，以便进一步理解直流电机电枢电路的组成情况。机电枢电路的组成情况。2pDauQ2p节距节距：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的：是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。示。（1）第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所）第一节距：一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离（即跨距）。为使元件里感应电动势最为跨的距离（即跨距）。为使元件里感应电动势最为有效，有效，y1应取等于或接近于一个极距。应取等于或接近于

16、一个极距。 故：故： 整距绕组；整距绕组； 长距绕组；长距绕组； 短距绕组短距绕组 实际应用中：短距绕组端接短、省铜，且有利于换实际应用中：短距绕组端接短、省铜，且有利于换向，故常用。向，故常用。.1单叠绕组单叠绕组u1Qy2p整数1y1y1y（2）合成节距）合成节距 y和换向器节距和换向器节距ycy：元件：元件1和与它相联的元件和与它相联的元件2对应对应边之间的跨距。边之间的跨距。yc ：每个元件首、末端所联两个：每个元件首、末端所联两个换向片之间的跨距换向片之间的跨距。对单叠绕组对单叠绕组：元件联成绕组时，联接的顺序是元件联成绕组时，联接的顺序是从左向右进行，称为从左向右进

17、行，称为右行绕组右行绕组。（3）第二节距）第二节距 y2是元件是元件1的下层元件边在换向器端的下层元件边在换向器端经过换向片联到元件经过换向片联到元件2的上层元件的上层元件之间的跨距。之间的跨距。cyy121yyy（4 4）单叠绕组的联接方法和特点）单叠绕组的联接方法和特点 下面通过下面通过直流发电机直流发电机说明单叠绕组如何连接，有何特点。说明单叠绕组如何连接，有何特点。n1 1计算绕组数据：同课本，略计算绕组数据：同课本，略n2 2画画绕组展开图绕组展开图: :1 1）先画）先画1616根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，根等长等距的实线，代表各槽上层元件边， 再画再画1616根等长等距

18、的虚线，代表各槽下层元件边；根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边； 由左向右将槽编号，并令由左向右将槽编号，并令上层边所在的槽号为元件号上层边所在的槽号为元件号。2 2）放磁极：磁极宽度约为）放磁极：磁极宽度约为 ，且均匀分布在圆周上，且均匀分布在圆周上，并标上并标上N N、S S极，假定极，假定N N极的磁力线进入纸面，极的磁力线进入纸面，S S极的磁极的磁力线从纸面穿出。力线从纸面穿出。3 3）画换向片并编号：为了能连出形状对称的元件，）画换向片并编号：为了能连出形状对称的元件， 1 1、2 2换向片之间对准换向片之间对准1 1号元件中心线，之后等分换向器，号元件中心线，之后等分换向器，并

19、使换向片的宽度等于槽间宽并使换向片的宽度等于槽间宽 ；换向片的编号应与所换向片的编号应与所连元件上层边编号一致连元件上层边编号一致，由左向右编号。，由左向右编号。0.74 4）连绕组：）连绕组：1 1号元件上层边与号元件上层边与1 1号换向片相连后，其号换向片相连后，其下层边应放在第下层边应放在第5 5槽的下层，末端应连接在槽的下层，末端应连接在2 2号换号换向片上，按此规律，一直把向片上，按此规律，一直把1616个元件全部连起来个元件全部连起来为止为止 ，如图，如图1.91.9。返回返回5 5）确定每个元件边里导体感应电动势的方向）确定每个元件边里导体感应电动势的方向 ：由：由右手定则判感应

20、电势方向，位于磁极中间的元件右手定则判感应电势方向，位于磁极中间的元件边（边（1 1、5 5、9 9、1313）感应电势为）感应电势为0 0。6 6）放电刷：电刷组数既刷杆的数目与主极的个数一）放电刷：电刷组数既刷杆的数目与主极的个数一样多。本例为四组电刷，它们均匀地放在换向器样多。本例为四组电刷，它们均匀地放在换向器表面圆周方向。电刷与换向片宽度相同。表面圆周方向。电刷与换向片宽度相同。 放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小。动势最小。 如果把电刷的中心

21、线对准主极的中心线，就能满如果把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。本例中，被电刷所短路的元件足上述要求。本例中，被电刷所短路的元件1 1、5 5、9 9、1313中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是，被电刷所短路的止不动的，电枢在旋转，但是，被电刷所短路的元件边，永远都是处于两个主磁极中间的地方，元件边，永远都是处于两个主磁极中间的地方，当然感应电动势为零。当然感应电动势为零。（5）单叠绕组元件联接次序图单叠绕组元件联接次序图 绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的绕组元件联接顺序图用来表示电枢上所有元件边的

22、串联次序：如图所示，串联次序：如图所示，从第从第1 1号元件开始，绕电枢一号元件开始，绕电枢一周，把全部元件边都串联起来，之后又回到第周，把全部元件边都串联起来，之后又回到第1 1号元号元件的起始点件的起始点1 1。可见，整个绕组是一个闭合回路。可见，整个绕组是一个闭合回路。（6）单叠绕组电路图）单叠绕组电路图:n为了进一步说明单叠绕组各个元件的连接次序及为了进一步说明单叠绕组各个元件的连接次序及其电动势分布情况，根据电刷之间元件连接顺序，其电动势分布情况，根据电刷之间元件连接顺序，可得到如图所示的绕组电路图。可得到如图所示的绕组电路图。n从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：从以上分析

23、可以总结出，单叠绕组具有以下特点：被电刷短路，处于换向状态 N极 N极 S极 S极跳转跳转n1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路对数等于极对数，条支路，即支路对数等于极对数， 。 n2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。动势最小。 n3）电刷杆数等于极数。）电刷杆数等于极数。n4）正负电刷之间引出的电动势即为

24、每一支路的电）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压。动势，电枢电压等于支路电压。n5）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即即 （式中（式中 为每一条支路的电流，为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。可见，增加电机的即绕组元件中流过的电流）。可见，增加电机的主极数便可增加支路数，从而可使电枢通过较大主极数便可增加支路数，从而可使电枢通过较大的电流。的电流。pa22aaaiI2ai1.3.2单波绕组：单波绕组： （1）、）、如图，因绕组连接起来后像波浪形，得名。其绕组节如图，因绕组连接起来后像波浪形，得名。其

25、绕组节距定义和单叠绕组的节距相同。距定义和单叠绕组的节距相同。c1yKypcycy注：选择注：选择 时，应使相串联的元件感应电动势同方时，应使相串联的元件感应电动势同方向。为此，须把两个相串联的元件放在同极性磁极的向。为此，须把两个相串联的元件放在同极性磁极的下面，相邻两元件相隔近似两个极距；如此，连接下面，相邻两元件相隔近似两个极距；如此，连接p p个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽。个元件后回到出发元件的附近，相隔一个槽。cy1.3.2单波绕组单波绕组以一台以一台 的直流电机为例。的直流电机为例。24,p 15QSKc7yy21734yyy1153(/ 2 )344yQpc115 17

26、2Kyp图图2-19 单波绕组展开图单波绕组展开图y yc c =8-1=7=8-1=7y y1 14-1=34-1=3单波绕组元件连接顺序表单波绕组元件连接顺序表 （3 3）绕组电路图）绕组电路图 把图把图2-192-19所示瞬间的各元件联接情况与电刷的关系所示瞬间的各元件联接情况与电刷的关系整理、排列，可画出图整理、排列，可画出图2-102-10所示的绕组电路图。所示的绕组电路图。aaiI2同极性下各元件串联起来组成一条支路同极性下各元件串联起来组成一条支路NS（4 4）单波绕组有以下特点：）单波绕组有以下特点：1 1）同极性下各元件串联起来组成一条支路，支）同极性下各元件串联起来组成一条

27、支路，支路对数路对数a a1 1，与磁极对数无关；，与磁极对数无关；2 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；最大；3 3）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）；）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）；1.4 直流电机的磁场直流电机的磁场主（极）磁场主（极）磁场电枢磁场电枢磁场气隙磁场气隙磁场1.4.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.直流电机的空载直流电机的空载 发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负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

28、流为零或很小的状态。那么，这时的气载，即电枢电流为零或很小的状态。那么，这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机直流电机空载时的气隙磁场，可以看作主磁场。空载时的气隙磁场，可以看作主磁场。 2.直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 即由励磁磁通势单独建立的磁场，以一台四极直流电即由励磁磁通势单独建立的磁场，以一台四极直流电机空载时为例，由励磁电流单独建立的磁场分布如机空载时为例，由励磁电流单独建立的磁场分布如图图2-22所示所示 。图：图：2-22直流电机空载时的磁场分布图直流电机空载时的磁场分布图主磁通：主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及

29、机座经过主磁极、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，称为漏磁中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通通 。漏磁通约占主磁通的漏磁通约占主磁通的20%20%。气隙磁密气隙磁密 ：000NIBS由上式可见：由上式可见：在一定磁通势下气隙磁密与在一定

30、磁通势下气隙磁密与 气隙长度成反比。气隙长度成反比。结论：结论：1 1）如果忽略铁磁材料中的）如果忽略铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁所消耗的磁通势均为励磁磁通势。磁通势。2 2）由于极靴下的气隙远远）由于极靴下的气隙远远小于极靴之外的气隙，因小于极靴之外的气隙，因此：此： 在极靴下，气隙小，气隙在极靴下，气隙小，气隙中磁密较大，密集；中磁密较大，密集； 在极靴外，气隙大，气隙在极靴外，气隙大，气隙中磁密显著减少；中磁密显著减少； 直流电机空载磁场的磁直流电机空载磁场的磁密分布如图密分布如图2-232-23。n电机磁化曲线的形电机磁化曲线的形状与所

31、采用的铁磁材状与所采用的铁磁材料的料的B-H曲线相似。曲线相似。 n在额定状态下，电在额定状态下，电机往往工作在饱和点机往往工作在饱和点附近，这样即可以获附近，这样即可以获得较大的磁通，又不得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材铁心和励磁绕组的材料。料。图图2-24 2-24 电机的磁化曲线电机的磁化曲线电机磁化曲线和磁通额定值电机磁化曲线和磁通额定值：Ifn.2直流电机负载时的磁场和电枢反应直流电机负载时的磁场和电枢反应负载时的气隙磁场负载时的气隙磁场：电枢反应电枢反应：电枢磁动势对主极气隙磁场的：电枢磁动

32、势对主极气隙磁场的影响称为电枢反应。影响称为电枢反应。气隙磁场气隙磁场励磁电流所励磁电流所建立的磁场建立的磁场电枢电流所电枢电流所建立的磁场建立的磁场（1）电枢磁动势和电枢磁场：）电枢磁动势和电枢磁场： 直流电机在一个极下元件边中电直流电机在一个极下元件边中电流方向相同，相邻的磁极下，元流方向相同，相邻的磁极下，元件边中电流方向相反。由于电刷件边中电流方向相反。由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电转的，但是每极下元件边中的电流方向总是不变的，流方向总是不变的，因此由电枢因此由电枢电流所产生的电枢磁通势及由他电流所产生的电枢磁通势及由他建立

33、的电枢磁场是不动的。建立的电枢磁场是不动的。如图，省去换向器，如图，省去换向器，将电刷置于将电刷置于几何中性线上与元件直接接触，几何中性线上与元件直接接触，不会改变电机内的电磁过程。不会改变电机内的电磁过程。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。磁场轴线相互垂直。 如果沿电枢分布的线如果沿电枢分布的线圈无限增多，则阶梯圈无限增多，则阶梯形波将趋近于形波将趋近于三角形三角形波。且波。且阶梯波的幅值阶梯波的幅值为：为：axaySFi N2p 每对极下元件数：每对极下元件数：Sp 如果认为直流电机电枢上有无穷

34、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，如图中 所示。axFaxF由前述空载时气隙磁密的推导由前述空载时气隙磁密的推导同理可得，电枢磁场的磁密分同理可得，电枢磁场的磁密分布：布：由此可知：电枢磁场的磁密与由此可知：电枢磁场的磁密与气隙长度成反比，在极靴范围气隙长度成反比，在极靴范围内，气隙均匀，磁密分布沿着内，气隙均匀，磁密分布沿着磁势三角波线性变化，为一直磁势三角波线性变化，为一直线；在两极极靴之间空间内，线；在两极极靴之间空间内，气隙长度大为增加，磁密大为气隙长度大为增加，磁密大为减小，其分布曲线为减小，其分布曲线为马鞍形马鞍形。如图如图2.28。0axaxFB（2）负

35、载时的合成磁场和电枢反应）负载时的合成磁场和电枢反应axBaxF将空载时主磁场磁密分将空载时主磁场磁密分布曲线与负载时电枢布曲线与负载时电枢磁场磁密分布曲线沿电磁场磁密分布曲线沿电枢表面逐点叠加，得到枢表面逐点叠加，得到负载时气隙内合成磁场负载时气隙内合成磁场磁密分布曲线（图中实磁密分布曲线（图中实线），将两者比较可得线），将两者比较可得电枢反应的影响：电枢反应的影响：1）使气隙磁场发生畸变；）使气隙磁场发生畸变；2）对主磁场起去磁作用。）对主磁场起去磁作用。（合成磁密如图虚线）（合成磁密如图虚线）使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）由于电机磁化由于电机磁化曲线的饱和特

36、曲线的饱和特性，增加的磁性，增加的磁通小于减小的通小于减小的磁通，使合成磁通，使合成后总的磁通减后总的磁通减小。小。对主磁场起去磁作用的理解对主磁场起去磁作用的理解1.4.3 1.4.3 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方直流电机励磁方式，即励磁绕组与电枢绕组的连接方式，对电机的运行特性有大的影响，有以下几种类型。式，对电机的运行特性有大的影响，有以下几种类型。n他励他励励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕励磁由另外独立的直流电源供给，与电枢绕组不相连接。组不相连接。n自励自励励磁绕组与电枢绕组相连接，励磁电流由发励磁绕组与电枢绕组相连接，励

37、磁电流由发电机本身供给，或励磁绕组与电枢绕组共用同一电源。电机本身供给，或励磁绕组与电枢绕组共用同一电源。 自励的形式：自励的形式：1、感应电动势：、感应电动势： 电枢电动势电枢电动势是指直流电机正负电是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。动势。 所以，我们可以所以，我们可以先求一根导体在先求一根导体在一个极距范围内所产生的平均电一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。动势，再求一条支路的。 一个磁极极距范围内，平均磁一个磁极极距范围内，平均磁密用密用 表示，极距为表示，极距为 ，电枢的

38、，电枢的轴向有效长度为轴向有效长度为 ，每极磁通为每极磁通为，则则1.5 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩avBln一根导体的平均感应电动势为：一根导体的平均感应电动势为：n电枢表面的线速度（电枢表面的线速度（m/s）：）：n所以：所以：=Sa vBllvBeavavDD2()6 06 02nnvpp602npeav 因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （Z Z为电枢总为电枢总导体数，导体数， ），于是一条支路的感应电动），于是一条支路的感应电动势既电枢电动势为：势既电枢电动势为：式中，式中， 是一个常数，称为直流电机的电动势常数。是一个常数，

39、称为直流电机的电动势常数。上式表明：直流电机的电枢电动势与每极磁通和电上式表明：直流电机的电枢电动势与每极磁通和电枢转速成正比。枢转速成正比。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) )2Za2yZSN2226 06 0aa veZZnEepaap ZnCna6 0ep ZCafafffeIGnIKCnCEea其中；其中； 为机械角速度：为机械角速度： 。感应电动势的计算公式为感应电动势的计算公式为若不计饱和影响，有若不计饱和影响，有ffK I，其中，其中Kf 为比例常数为比例常数

40、。602afefTfGC KC K260n 上式表明：如不计饱和影响，直流电机的电上式表明：如不计饱和影响，直流电机的电枢电动势与励磁电流枢电动势与励磁电流If和电枢机械角速度的和电枢机械角速度的乘积成正比。乘积成正比。2、电磁转矩：、电磁转矩： 电枢绕组所有导体产生的电磁转矩方向都一电枢绕组所有导体产生的电磁转矩方向都一致，则电枢绕组的电磁转矩就是所有导体产致，则电枢绕组的电磁转矩就是所有导体产生的电磁转矩之和。求解电磁转矩的过程和生的电磁转矩之和。求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半

41、径，即得到一根）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均电磁转矩：导体所受的平均电磁转矩：aavavilBfa v2avDTf3）电机总的电磁转矩则为：）电机总的电磁转矩则为： 称为转矩常数，称为转矩常数， 是电枢总电流。是电枢总电流。av2Z22222aaeavaTaIIDpTTZB llZalapZICIa2TpZCaaaaiI2电磁转矩也可以表示为电磁转矩也可以表示为eaffaTG I I其中其中Gaf=CT Kf 从表达式可以看出，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比于电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流；如不计饱和影响，它与每极磁通和电枢电流；如不计饱和影响，它与励磁电流

42、励磁电流If和电枢电流和电枢电流Ia的乘积成正比。的乘积成正比。n对于电动机，电磁转矩带动负载转动，输出对于电动机，电磁转矩带动负载转动，输出机械能，是拖动性转矩；机械能，是拖动性转矩；n对于发电机，电磁转矩与电机的转向相反，对于发电机，电磁转矩与电机的转向相反，是制动性转矩；是制动性转矩；n 对于一个具体的电机而言，对于一个具体的电机而言， 是一个常是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系系 n 或或eCTC55. 9260eTCCeTCC55. 9aaffeaffaEG ITG I I从电磁角度看：从电磁角度看： 为电动机（或发电机）通过电磁为

43、电动机（或发电机）通过电磁感应作用，从电源吸取（或发出）电磁功率。感应作用，从电源吸取（或发出）电磁功率。aaE IaaaffaeE IG I IT 从机械角度看：从机械角度看： 为电动机的电磁转矩对机械负载为电动机的电磁转矩对机械负载所作的机械功率，而在发电机中为原动机克服制动性所作的机械功率，而在发电机中为原动机克服制动性电磁转矩所需输入电机的机械功率。电磁转矩所需输入电机的机械功率。 eT 电机在机电能量转换中满足能量守恒电机在机电能量转换中满足能量守恒aaeE IT（电功率）（机械功率）1.6 1.6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式一、直流电机的基本方程式

44、（一）电动势平衡方程式（一）电动势平衡方程式电动机情形电动机情形对于并励电动机对于并励电动机dtdiLiRiGdtdiLiReuaaafafaaaaadtdiLiRuffffffauu 若电动机处于稳态运行若电动机处于稳态运行0dtdfffaafafaIRUIRIGU,发电机情形发电机情形dtidLiRiGdtidLiReuaaafafaaaaa)()()()(dtdiLiRufffff若电动机处于稳态运行若电动机处于稳态运行fffaaaaIRUIRUE,UaEMaI1T0TeTnfIfUUaEMaIeT0TzTnfIfU（a）发电机惯例）发电机惯例（b）电动机惯例）电动机惯例aaaEUI R

45、aaaUEI RaEUaEU注意事项：注意事项：直流电机内存在两种电流，两套绕组，为什么这些绕组之直流电机内存在两种电流，两套绕组，为什么这些绕组之间没有耦合？间没有耦合？dtdiLdtdiMiRudtdiMdtdiLiReuffafaffafafaaaaaa电枢磁势轴线电枢磁势轴线励磁磁势轴线励磁磁势轴线由于这两套绕组是互相垂直的，其互感为零由于这两套绕组是互相垂直的，其互感为零0faafMM因此直流电机的两套绕组之间不存在耦合，因此直流电机的两套绕组之间不存在耦合，所有参量可以独立控制。这是直流电机易于所有参量可以独立控制。这是直流电机易于控制的根本原因。控制的根本原因。运动方程式运动方程

46、式tvmFFzddtJTTzddgGDmJ422单位为kg m2对于对于旋转运动旋转运动转动惯量转动惯量式中 m旋转部分的质量（kg）; G 旋转部分的重量（N）; 惯性半径（m）; D 惯性直径（m）。对于对于直线运动直线运动（二）转矩平衡方程式（二）转矩平衡方程式等效折算图（二）转矩平衡方程式（二）转矩平衡方程式对于电动机对于电动机：稳态运行时稳态运行时dtdJTTTe0202TTTe对于发电机对于发电机：dtdJTTTe01其中其中T1为原动机拖动转矩。为原动机拖动转矩。稳态运行时稳态运行时01TTTe0dtd0dtd电机拖动系统中任何瞬间必须保证转矩平衡电机拖动系统中任何瞬间必须保证转

47、矩平衡。其中其中T2为负载制动转矩，为负载制动转矩，T0为空载损耗转矩，为空载损耗转矩， 为惯性转矩。为惯性转矩。（三）功率平衡关系（并励为例）（三）功率平衡关系（并励为例）输入输入电功电功率率P P1 1励磁损耗励磁损耗P PCufCuf电枢铜耗电枢铜耗P PCuaCua电刷接触损耗电刷接触损耗P Pc c电电磁磁功功率率P Pe e机械损耗机械损耗P Pmechmech铁心损耗铁心损耗P PFeFe机机械械功功率率P P2 2电动机情形电动机情形：21PPPPPPPFemechcCuaCuf直流电动机电磁功率直流电动机电磁功率Pe,Pe=EaIaPeTe并励直流电动机功率流程并励直流电动机

48、功率流程图图输入输入机械机械功率功率P P1 1铁心损耗铁心损耗P Pe e机械损耗机械损耗P Pmechmech电枢铜耗电枢铜耗P PCuCu电电磁磁功功率率P Pe e电刷接触损耗电刷接触损耗P Pc c励磁损耗励磁损耗P PCufCuf电电功功率率P P2 2发电机情形发电机情形：21PPPPPPPcCuaCufFemech直流发电机电磁功率直流发电机电磁功率Pe,Pe=EaIaPeTe转矩平衡与功率平衡方程式关系转矩平衡与功率平衡方程式关系 电动机转矩平衡方程式电动机转矩平衡方程式Te=T2+T0两边同乘两边同乘以角速度以角速度可得：可得：Te=T2+T0， 则有：则有：Pe=P2+p

49、0 也可表示为：也可表示为： P2=Pe-p0 式中式中P2为输出机械功率，为输出机械功率，p0为空载损耗：为空载损耗： p0=pFe+pm+pad。 由于电枢电流便于测量，因此往往将工作特性表示为：由于电枢电流便于测量，因此往往将工作特性表示为：)(),(),(222PfPfTPfne二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性条件条件: : U=UN , ,If=IfN, ,电枢回路无外加电阻。电枢回路无外加电阻。特性特性: :转速转速n，转矩，转矩Te，效率，效率和输出功率和输出功率P2的关系。的关系。转速特性转速特性转矩特性转矩特性效率特性效率特性)(),(),(aaeaIfIfTIf

50、n（一）并励直流电动机的工作特性（一）并励直流电动机的工作特性1. . 转速特性转速特性aaaaIREUnCEeaaeaeaICRCUnOnaI理想转速特性理想转速特性实际转速特性实际转速特性aNI理想转速特性和实际转理想转速特性和实际转速特性为什么不一致？速特性为什么不一致？思考思考提示：提示：1、从参数变化的角度思考？、从参数变化的角度思考？2、什么原因导致了、什么原因导致了的变化？的变化？0n2. . 转矩特性转矩特性当当U=UN , ,If=IfN时，时，Te=f(Ia)的关系曲线的关系曲线aTaTeICICTTTCC0TaIeT理想转速特性和实际转理想转速特性和实际转速特性为什么不一

51、致？速特性为什么不一致？思考思考提示：提示：1、从参数变化的角度思考？、从参数变化的角度思考？2、什么原因导致了、什么原因导致了的变化？的变化？aNI理想转矩特性理想转矩特性实际转矩特性实际转矩特性3. . 效率特性效率特性当当U=UN , ,If=IfN时，时，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线)(21%100212facaaaCufmecFeIIUUIRIpppPPaIaNI主磁通在电枢铁磁材料中交变主磁通在电枢铁磁材料中交变所产生的损耗，分为磁滞损耗所产生的损耗，分为磁滞损耗和涡流损耗。和涡流损耗。当电机主磁通和转速变化不大当电机主磁通和转速变化不大时，铁耗近似不变，因此这部时，铁耗近似不

52、变，因此这部分损耗也被称为不变损耗。分损耗也被称为不变损耗。机械损耗包括轴承及电刷的摩机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗、电机通风散热引起的擦损耗、电机通风散热引起的风阻损耗。在电机转速不变时，风阻损耗。在电机转速不变时，机械损耗也是大致不变的。机械损耗也是大致不变的。励磁回路铜耗，一般可以忽略励磁回路铜耗，一般可以忽略不计。不计。电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电流流过时，产生的发热损耗。电流流过时，产生的发热损耗。这一部分损耗是随着电枢电流这一部分损耗是随着电枢电流变化的，或者说输出功率变化变化的，或者说输出功率变化的，因此也被称为可变损耗。的，因此也被称为可变损耗。电刷

53、接触损耗。电刷接触损耗。当电机可变损耗等于不变损耗时，当电机可变损耗等于不变损耗时，电机的效率达到最高（电机的效率达到最高（对其它电对其它电机、变压器也适用）机、变压器也适用）。一般电机的最高效率点出现在一般电机的最高效率点出现在80的额定功率附近。的额定功率附近。（二）串励直流电动机的工作特性（二）串励直流电动机的工作特性电动势平衡方程式电动势平衡方程式)(fcaaeRRInCU电动势公式电动势公式nICnCEaeea转矩平衡方程式转矩平衡方程式02TTTem转矩公式转矩公式2aTaTemICICT（其中，（其中，Rfc为串励绕组电阻，为串励绕组电阻，feeKCC ，fTTKCC ）0202

54、260TnPTTTem串励直流电机中，串励直流电机中，IfIa串励直流电机当在负载很小时，串励直流电机当在负载很小时，电机的转速将会很高，容易导致电机的转速将会很高，容易导致转子出现机械损坏，因此串励直转子出现机械损坏，因此串励直流电机不允许轻载运行。流电机不允许轻载运行。（三）复励直流电动机的工作特性（三）复励直流电动机的工作特性例例2-1、一台他励直流电动机的额定数据为：、一台他励直流电动机的额定数据为：VUN750kWPN1325AIN1930min/200rnN电枢绕组的电阻电枢绕组的电阻电刷接触压降电刷接触压降0161. 0aRVUc22设电动机原来在额定转速和额定负设电动机原来在额

55、定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求下，试求（1）在电枢回路中突然串入电阻）在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743, ,求串入电阻最初瞬间求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使）减少电动机的励磁电流，使磁通磁通减少减少10%，当达到稳定时的，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？电枢电流和转速分别是多少？解：解：（1）电枢回路中突然串入电阻）电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间，最初瞬间，电机转速不发生变

56、化电机转速不发生变化，但电流发生变化。但电流发生变化。nCEVVURIUEeacaaa717)20161. 01930750(2VEa717AARRUEUIacaa3430743. 00161. 027177502进入新的稳态时，由于进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不发，认为电磁转矩不发生变化生变化AIICTaaTe1930,VVURRIUEcaaa5742)0743. 00161. 0(19307502)(min/160min/)717574200(rrEEnnaa额定运行时电机的反电动势为：额定运行时电机的反电动势为：思考：串入电阻前后思考：串入电阻前

57、后（1）电源发出的功率是否变化？）电源发出的功率是否变化？（2）电机发出的电磁功率是否变化？）电机发出的电磁功率是否变化？（3）这两部分功率的差值到哪里去了？）这两部分功率的差值到哪里去了？（4）总结直流电动机调速的第一种方法，请问这种方法有什么缺）总结直流电动机调速的第一种方法，请问这种方法有什么缺点？点？（2）磁通）磁通减少为原来的减少为原来的0.9AAIa2145)9 . 0/1930(VVURIUEcaaa713)20161. 02145750(2min/221min/9 . 01717713200rrEEnnaa由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。由于负载转矩不变，电磁转矩不会发

58、生变化。aTaTeICICTnCEnCETaTa思考：思考：（1）电源发出的功率是否变化？）电源发出的功率是否变化？（2）电机发出的电磁功率是否变化？）电机发出的电磁功率是否变化？（4）总结直流电动机调速的第二种方法，请问这种方法有什么缺）总结直流电动机调速的第二种方法，请问这种方法有什么缺点？点？他励直流发电机他励直流发电机 并励直流发电机并励直流发电机 复励直流发电机复励直流发电机三、直流发电机的工作特性三、直流发电机的工作特性（一）空载运行（一）空载运行空载特性空载特性当他励直流发电机被原动机拖动，当他励直流发电机被原动机拖动，n=nN 时，励磁绕组端加上励磁电时，励磁绕组端加上励磁电压

59、压Uf , ,调节励磁电流调节励磁电流If0 , ,得出空载特性曲线得出空载特性曲线U0=f(I0)。nCETaBHBFefIH 所以他励发电机的空载特性与电机的所以他励发电机的空载特性与电机的磁化特性非常一致。磁化特性非常一致。请注意这一点：此时励磁电流为零，但请注意这一点：此时励磁电流为零，但是电机的端电压不为零。是电机的端电压不为零。请问这一现象是如何产生的？请问这一现象是如何产生的？2 并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机空载电压的建立原动机拖动发电机旋转。由于电机原动机拖动发电机旋转。由于电机剩磁剩磁的作用，的作用，产生一个不大的电动势产生一个不大的电动势E E0r

60、0r闭合励磁回路，闭合励磁回路，E E0r0r产生励磁电流，该电流将产生励磁电流，该电流将使电机内部的磁场进一步增强（可能出现该电使电机内部的磁场进一步增强（可能出现该电流产生的磁场与剩磁相反，两者互相抵消）。流产生的磁场与剩磁相反，两者互相抵消）。电机必须有剩磁。电机必须有剩磁。励磁回路电阻应小于临界电阻励磁回路电阻应小于临界电阻若励磁绕组回路的电阻较大，则建立起的电枢电压无法产生足够的若励磁绕组回路的电阻较大，则建立起的电枢电压无法产生足够的励磁电流，因此必须将励磁回路电阻限定在一定范围内。励磁电流，因此必须将励磁回路电阻限定在一定范围内。励磁绕组并联到电枢励磁绕组并联到电枢两端的极性必须