第二章 直流电机

1、 第二章 直流电机2.1直流电机的基本工作原理及结构授课班级：06金盘电器 授课时数： 6课时 授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解直流电机的主要构成及分类和工作原理。一、基本工作原理（一）直流电机的构成（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）气隙*注意：同步电机旋转磁极式；直流电机旋转电枢式。1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1） 原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2） 特点：e=BLV；a、 电枢绕组中电动势是交流电动势b、 由于

2、换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、 电枢电动势原动势；电磁转矩阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1） 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2） 特点：f=BiL a、 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、 电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。c、 电枢电动势反电势（与I反向）；电磁转矩驱动转矩（与n同向）*说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。3、脉动的减小电枢绕组由许多线圈串联组成 （二）直流电机的基

3、本结构1、 主磁极建立主磁场（N、S交替排列）a、 主极铁心磁路，由1.01.5mm厚钢板构成b、 励磁绕组电路、由电磁线绕制2、 机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3、 电枢铁心磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4、 电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）5、 换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料）6、 电刷装置a、 电刷石墨或金属石墨b、 刷握、刷杆、连线（铜丝辨）7、 换向极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）（三）励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例 分为：他励式和自励式（包

4、括并励式、串励式和复励式） 他励：激磁电流较稳定；并励：激磁电流随电枢端电压而变；串励：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复励：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。*说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。二、 直流电机的型号和额定值1.型号： Z 2-9 2 铁心长度代号 机座号 第二次改型设计 直流2.额定值额定功率：发电机PN：输出电功率；电动机PN：输出机械功率；额定电压：UN；额定电流：IN；额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；电动机：PN= UNINN。2.2 直流电机的电枢绕组授课班级：06金盘电器 授课时数：4课时 授课方法：举例、

5、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解直流电机的电枢绕组。电枢绕组简介叠绕组单叠、复叠波绕组单波、复波一、电枢绕组的构成1、 元件组成绕组的基本单元2、 元件边上层元件边，下层元件边3、 元件数S4、 换向片数K5、 槽数和虚槽数6、 槽内层嵌放的元件边数u二、 单叠绕组 几个概念：（1）第一节距 y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。（2）第二节距 y2：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。（3）合成节距 y：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。（4）换向节距yk ：同一元件首末端连接的换向片之

6、间的距离。三、单叠绕组相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：Y=Yk=1 例:已知某直流电机的极对数 =2 ,槽数 、元件数S及换向片数为 ,试画出单叠绕组展开图。解：1计算绕组数据因为是单叠，所以 2画绕组展开图:（1）先画16根等长、等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。（2）根据 ，画出第一个元件的上下层边（15槽），令上层边所在的槽号为元件号；（3）接上换向片，1、2片之间对准元件中心线，等分换向器，定出换向片号；（4）画出第二个元件，上层边在第2槽，与第一个元件的下层边联接；下层边在第6槽与3号换向联接。按此规律，一直把16个

7、元件全部联起来。（5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N极磁力 线垂直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）；（6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上K很多，电刷宽23片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。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元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。 所以，可得绕组展开图及并联支路图如下： 元件连接次序图为：可见：单叠绕组的特点

8、是：（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片 上；（2）并联支路数等于磁极数； （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数； （5）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；（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。 三、单波绕组单波绕组的合成节距与换向节距相等（如下图示）。可见，单波绕组的特点:（1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；（2）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，支路电动势最大；（3）电刷数

9、等于磁极数；（4）电枢电动势等于支路感应电动势；（5）电枢电流等于两条支路电流之和。四、 换向概述（一）、换向过程1.换向定义：从+ia到-ia的过程；2.换向周期：Tk，几毫秒；3.换向原因：电磁、机械、电化学和电热（二）、换向元件中的电动势主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。1.电抗电动势er 从+ia到-ia 方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；2.旋转电动势ek 物理中性线偏移几何中性线B0由于电枢反应影响e=BLv0 方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。（三）、改善换向的方法1.换向的不良后果：产生火花； 火花等级：2.改善换

10、向的方法装设换向磁极；增加换向回路的电阻；电刷移到气隙磁场的物理中性线附近2.3 空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场授课班级：06金盘电器 授课时数：2课时 授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场。一、 空载时直流电机的气隙磁场1、 主磁通和漏磁通（见下图）2、 气隙磁场波形图（见下图）特点：（1）I单独产生，即F单独产生；（2）平顶波（3） 几何中性线B为零 二、 负载时的电枢磁动势（一）交轴电枢磁动势1、 电刷放在几何中性线2、 电刷是电枢电流的分界线3、 磁动势分布波形为三角形4

11、、 磁场波形马鞍形5、 电刷位于几何中心线上，F为交轴电枢磁动势6、 磁动势的计算（1） 电负荷（线负荷）A电枢表面单位长度上的安培导体数A=Z*I/*D式中：Z电枢绕组总导体数I导体内的电流（即支路电流）D电枢直径（外径）（2） 距原点为+x及-x的闭合回路的磁动势（两个磁极即一对磁极）（3） 距原点x处每个气隙的磁动势（即每极磁动势）（4） 交轴电枢磁动势的最大值（距原点/2处，即几何中型线处）（二）直轴电枢磁动势 若电刷从几何中性线移过角，则可把电枢磁动势Fa分解成Fad和Fag 交轴磁动势Fag=A（ /2b ）（安/极） 直轴磁动势Fad=Ab （安/极）三、 电枢反应1.概述空载：

12、气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（Ff=NfIf）负载：Ff+电枢磁动势电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布 几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0； 物理中性线：B=0处的直线位置3.电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直4.电枢反应性质电刷在几何中性线时的电枢反应 性质：交轴电枢反应； 作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱；电刷不在几何中性线时的电枢反应 双反应理论：，分直轴和交轴分别分析； 交轴：同； 直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。24 直流电机的感应电动势和

13、电磁转距授课班级：06金盘电器 授课时数：2课时 授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解直流电机的感应电动势和电磁转距。一、电枢绕组的感应电动势1 电枢绕组的感应电动势：一条支路的感应电动势（即根导体）2 的计算：（1） 一根导体产生的平均电动势 =lv =l = = 式中：Ba = ； ；（2） 一条支路的电动势，即电枢电动势EaEa= =n=n 式中： 每极磁通量 n转速（） Ea电枢电动势（V） Ce电动势常数当不计饱和时： 即式中： ； Caf运动电动势常数（）二、直流电机的电磁转距1 直流电机的电磁转距全部电枢导体产生的电磁转矩

14、2 Te的计算(1) 一根导体所受点电磁力 favia(2) 全部电枢导体产生的电磁转矩，即直流电机的电磁转矩Bav=Te=Zafav=Zaavlia = Zal Ia/ 2a 式中: 每极磁通量（Wb） ；电枢总电流（A） ； 电磁转矩（N*m）； CT转矩常数（） 当不计饱和时： 式中：（同运动电动势常数）三、直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较： ：电动势常数性质：电源电动势；与同向性质：反电动势；与方向相反：电磁转矩常数性质：制动转矩；与n 反向性质：驱动转矩；与n 同向2.5 直流电机的基本方程授课班级：06金盘电器 授课时数：2课时 授课方法：举例、实物演绎讲授教具：

15、实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解直流电机的基本方程。一、电动势平衡方程 式中：电枢回路总电阻；：正、负电刷电压降，一般为0.62伏； 发电机：取“+”；电动机：取“-”；忽略电刷压降，则*结论：发电机：；电动机：；即根据与U的大小判断直流电机的运行状态。二、直流电机的功率平衡方程以并励直流发电机为例 pCua+p0 p0=pmec+pFe P1 Pem P2 (机) 转子 定子 pCuf 发电机： 机械能电能电动机： 电能机械能电机效率：三、转矩平衡方程1.发电机：2.电动机：四、直流电机的可逆性改变电机的外界条件，可以改变其运行状态。 例：直流发电机由原动机拖动并

16、入电网运行时，若去掉原动机，nEa当 Ea<U时,Ia反向,电动运行.2.6 直流电机的运行特性授课班级：06金盘电器 授课时数：4课时 授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解直流电机的运行特性。一、并励直流发电机的运行特性1 空载特性指n=nN=常数,I=0时,U0=f(If)关系曲线（1） 接线图（2） 实验方法 <1>保持（原动机拖动）n=nN=常数 <2>调节，使从零至U0=1.25UN,逐点测取U0,If <3>使If至If=0，在将If反向，直至U0=-1.25UN测取U0,If &l

17、t;4>在逐步调到If=0，得闭合曲线 <5>取闭合曲线的平均值，可得到U0=f(If)曲线。（见下 图 ）（3） 特点 <1>曲线形状同磁化曲线(Ea,IfFf ) <2>当If=0时，剩磁感应电动势（由产生） <3>If较小时，U0=f(If)近似为直线。 <4>If较大时，U0=f(If)出现饱和（在UN附近）2外特性 指n=常数, If =常值 U=f(I) 关系曲线（1） 接线图（2） 实验方法：调节RLI逐点测取I,U.（3） 特点随着IU（4） 分析：引起U的原因 <1>电枢绕组电阻压降IaRa.IaI

18、aRaU=Ea-IaRa <2>电枢反应去磁IaEa=CenU=Ea-IaRa (5)额定电压调整率UN保持n=常数,If=常数,当发电即从额定负载过渡到空载时,电压升高量(U0-UN)与UN的比值 UN=(U0-UN)/ UN *他励直流发电机UN=5%-10% *他励直流发电机在IfN下短路时， 其短路电流IK=E0/Ra3. 调整特性-指n=nN=常数,保持U=UN=常数时,If=f(I)关系曲线为保持U不变,应使IfEa补偿电枢反应去磁和降压,使U不变4效率特性（1）损耗 不变损耗Pfe, P;可变损耗: Pcua, Pcuf,Pcub, P(2)表达式=1-P/P1= (

19、Pfe+P+P+ Ia2Ra+UfIf+2UsIa )/( Pfe+P+P+ Ia2Ra+UfIf+2UsIa+UIa)石墨电刷,取2Us=2V;金属石墨电刷,取2Us=0.6V当不变损耗等于可变损耗时，效率达到最高。二、并励直流发电机的自励和外特性 (特点:Ia=I+If,Uf=U)1 自励（1） 自励过程<1>空载特性曲线U0=f(Uf)或Eao=f(If0)<2>励磁电阻线（又称励磁回路伏安线）If=f(Uf)为一条直线<3>空载工作点 A(U0,If0)上述两曲线交点<4>自励过程设点集中有剩磁，当原动机拖动以n旋转时，导体切割（2） 自

20、励条件<1>电机中必须有剩磁，否则应充磁 <2>励磁绕组与电枢绕组连接正确（与转向有关），否则应反接或让电机反转。 <3>励磁回路总电阻Rf不能大于该转速下的临界电阻Rfcr，否则 应使Rf <4>转速不能过低（nRfcr 致使rf>Rfcr）2 空载特性（与他励相似）（1）空载时,I=0,但Ia=If0 Uo=Ea-IaRaEa 但是 If UoEa（2）用他励法求 Uo=f(If)3 调整特性（与他励相似）4 外特性指 n=常值 Rf=常值 时,U=f(I)关系曲线特点：（1） 并励 发电机随着负载的增加，电压下降比他励快（2）随负载增

21、加会出现“拐弯”现象<1> 当负载较小时（RL较大时）U小U较大If较大较大磁路饱和 此时负载增大时（RL减小时）UIf但近似不变Ea 近似不变I<2> 当负载较大时（RL较小时）U大U较小If较小 较小磁路不饱和 此时负载再增大时（RL减小时）IIaRaU IEaU （即电压下降幅度大于负载电阻减小的幅度）I=U/RL *一般Icr=(2,3)IN 当RL=0时，即短路时：U=0 I=Ik=Er/Ra<IN三、 他励直流电动机的运行特性1 转矩转速特性（机械特性）电磁转矩Te与转速n之间的关系曲线 n=f（Te）或Te= f（n）*（1）n=f（Te）与励磁方式

22、有关 （2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性 U=UN Rfj=0 Iaj=0 （3）硬特性与软特性2 工作特性指U=UN= 常数Rfj=0时n,Te,与P2的关系曲线(1) 转速特性 n=f(P2)或n=f(Ia)(2) 转矩特性 Te=f(P2)(3) 效率特性 =f(P2)四、 并励直流电动机的运行特性（一） 转矩转速特性指U=UN=常数,Rf=常数,n=f(Te)1 接线图2 表达式Ea=U-IaRa=Cen; Ia=Te/CTn=(U-IaRa)/Ce=U/Ce-RaIa/Ce=U/Ce-RaTe/CTCe2=n0-RaTe/ CTCe23 N=f(Te)曲线 *特点：硬特

23、性4 引起n下降的原因T2TeIaIaRann0Ra/ CTCe2n（二） 工作特性1 转速特性n=f(Ia)或n=f(P2)（1） 表达式（2） 分析：P2T2TeIan（3） 并励直流电动机的转速调整率n n=(n0-nN)/nN *n=(38)%励磁绕组不允许断开2 转矩特性 （1）表达式 （2）分析3 效率特性同其它电机：可变损耗等于不变损耗时，4.74.8 2.7 直流电动机的起动、调速和制动授课班级：06金盘电器 授课时数：4课时 授课方法：举例、实物演绎讲授教具：实物、幻灯片课件 授课教师：邓小军 审批签字：教学目的：了解直流电动机的起动、调速和制动。一、直流电动机的起动起动：电

24、机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行，这就是电动机的起动过程。起动条件：1、起动转矩要足够大， 2、起动电流不要太大。 （一）直接起动注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0，所以，起动电流为： 可见，这种方法下的起动电流很大，因此，除了小容量的电动机可采用直接加电压起动的方法外，一般直流电动机都不采用这种方法。（二）电枢回路串变阻器起动起动时在电枢回路串入起动电阻Rst在电枢回路中串入电阻，可减小起动电流，当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动，随着转速的升高，反电动势不断增大，起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小，所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩 ，加速电动机的起

25、动过程，我们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被完全切除。（三）降压起动起动降低电枢绕组电压 U<UN这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。串励与复励直流电动机的起动方法基本上与并励直流电动机一样，采用串电阻的方法以减小起动电流。但特别值得注意的是串励电动机绝对不允许在空载下起动，否则电机的转速将达到危险的高速，电机会因此而损坏。二、直流电动机速度的调节1 对调速性能的要求：（1） 调速范围大 （）（2） 调速平滑；（3） 经济性好（4） 方法简便可靠2 调速方法 因为 n=U/Ce-Ia(Ra+R)/CeCT2 所以 （1）电枢回路串电阻R （

26、2）改变励磁电流 If （励磁回路串电阻） （3）改变电枢电压U（一）降低电枢电压调速：因为电机在正常工作时，电枢电压不能超过额定电压，所以，采用向下调速。很显然，在这里，只改变了电枢电压 ，我们将得到一系列平行与固有特性的曲线。如图：优点：改变电枢电压调节转速的方法具有较好的调速性能。由于调电压后，机械特性的“硬度”不变，因此有较好的转速稳定性，调速范围较大，同时便于控制，可以做到无级平滑调速，损耗较小。在实际工程当中，常常采用这种方法。缺点：转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调压电源，过去用直流发电机-直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发

27、展，目前一般均采用可控硅调压设备直流电动机系统来实现。（二）弱磁调速：这种调速方法的特点是由于励磁回路的电流很小，只有额定电流的（13）%，不仅能量损失很小，且电阻可以做成连续调节的，便于控制。其限制是转速只能由额定磁通时对应的速度向高调，而电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制。（三）电枢回路串电阻调速：电枢回路串联电阻越大，机械特性的斜率越大，因此在负载转矩恒定时，即为常数，增大电阻，可以降低电动机的转速。直流电动机上述三种调速方法中，改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩调速，而弱磁调速属于恒功率调速。三、直流电动机的制动（电磁制动）在生产过程中，经常需要采取一些措施使电

28、动机尽快停转，或者限制势能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。实现制动既可以采用机械的方法，也可以采用电气的方法。我们重点来看一下电气制动方法：(一) 能耗制动：1、能耗制动过程：如图 在制动时，将闸刀合向下方，很明显，此时，电动机的电能不在供向电网，而是在电阻上以电阻压降的形式进行消耗，这样一来使的电机的转速迅速下降。这时电机实际处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻和电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。结果分析：这种方法所串入的电阻越小，耗制动开始瞬间的制动转矩和电枢电流就越大，而电流太大，会造成换向上的困难，因此能耗制动过程中电枢电流有个上限，即电动机允

29、许的最大电流。由可以计算出能耗制动过程电枢回路中串入制动电阻的最小值：这种制动方法在转速较高时制动作用较大，随着转速下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制动装置，使系统迅速停转。2、能耗制动运行：他励直流电动机拖动势能性负载运行， 在达到上述零点时（电磁转矩为零），由于负载转矩不为零，结果，在负载转矩的作用下，电机开始反转，如图。随着转速的升高，均诼渐增大，最后和负载转矩相等时稳定运行，这种过程叫做能耗制动运行。（二）电压反接制动：反接制动过程分析：如图所示，电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩。可见，电压反接后因此反接后电流的数值将非常大，为了限制电枢电流，所以反接时必须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。 电压反接制动时，电动机的机械特性方程式为： 机械特性曲线为： 反接制动反向起动过程：如果C点电动机的转矩大于负载转矩，当转速到达零时，应迅速将电源开关从电网上拉开，否则电动机将反向起动，最