第一章 直流电机

1、直流电能直流电能机械能机械能直流电动机直流电动机 直流发电机直流发电机 磁场磁场1.1.直流电动机以其良好的直流电动机以其良好的起动性起动性和和调速性能调速性能著称著称。2.2.直流发电机直流发电机供电质量供电质量较好，常常作为励磁电源。较好，常常作为励磁电源。 电角度电角度p电电角角度度机机械械角角度度直流电动机工作原理直流电动机工作原理2、直流电动机原理、直流电动机原理2、直流发电机原理、直流发电机原理BlvBe导体感应电势导体感应电势直流发电机实质是带换向器直流发电机实质是带换向器的交流发电机的交流发电机产生磁场、电机的机械支撑产生磁场、电机的机械支撑 电刷电刷感应电势，而实现能量转换的

2、部分感应电势，而实现能量转换的部分 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 轴轴 风扇风扇图18-14 直流电机的转子 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直流电枢绕组基本知识元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：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，另一根称为末端。一根称为首端，另一根称为末端。圈边圈边 首

3、端首端 尾端尾端两匝线圈两匝线圈 极距极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。 线圈节距线圈节距y一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。.y的的绕绕组组为为整整距距绕绕组组 .y的的绕绕组组为为短短距距绕绕组组 圈边圈边 首端首端 尾端尾端两匝线圈两匝线圈总槽数总槽数Q Q 极对数极对数 p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前：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。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。

4、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。波绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图叠绕组示意图（a） （b） （c） （d） 一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场一、气隙磁场nCnapNnpllaNlvBaNEeava6060222apNCe60nCEeaaaaavavIapNNpaIllNDliBNDfT222222a

5、pNCT2aTICTaTICT55. 9260602apNapNCCeTePaaeIEP 602 neaaaTIapNIE2eTaaIEaaIEeT电磁功率用 表示，则将 代入上式，得aTICTapNCT2napNEa60并励发电机并励发电机IaILfLaIIIUrIUEaaa2U每一电刷的接触电压降每一电刷的接触电压降电刷接触电阻随电流的增大而减电刷接触电阻随电流的增大而减小，通常假定为常数，当用石墨小，通常假定为常数，当用石墨电刷或碳石墨电刷时，取为电刷或碳石墨电刷时，取为1V 电压平衡式IIa电压平衡式URIEUaaa2电流平衡式（并励时）faIIIIaIIa功率平衡式（直流电动机并励时

6、）功率平衡式（直流电动机并励时）)()2(221pppPPppUIUIrIUIIEPpUIUIUIUIPFemecemCubCuaaaaaaaaemCufafa输出机械功率电磁功率输入电功率并励回路损耗并励回路损耗电枢回路铜损电枢回路铜损电刷接触电损耗电刷接触电损耗机械损耗机械损耗铁损耗铁损耗杂散损耗杂散损耗faIIIURIEUaaa2并励发电机IaIL功率平衡式功率平衡式bafaaafLaaMpppPUIrIUIUIIEP222电磁功率输入功率pppPPFemecM1空载损耗空载损耗负载损耗负载损耗ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。附加损耗产生P的原

7、因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfIURInCURIEUaaeaaa22%1000NNUUUuakREI0URInCURIEUaaeaaa22URInCURIEUaaeaaa22frfRUI fI0U10fIA20U3临界场阻临界场阻空空载载特特性性UrIUEaaa2 图20-8 复励发电机接线图 图20-9 复励发电机的外特性 URCTnCURIEUTemeaa22emTeeTCCRCUUn22CR

8、UUN，CemTeeTCCRCUUn22 注意：并励电动机励磁注意：并励电动机励磁回路不允许断路。回路不允许断路。URIEUaa2并励电动机励磁回路断路并励电动机励磁回路断路:aTemICT后果后果: 1、停转；、停转； 2、飞车、飞车IIIfa轻载时， 、 常值 akIk22aTaTeICkICT2aeIT 负载增加， 磁路饱和， 常值 aeIT emTeeTCCRCUUn22OaIneT 注意：串励电动机注意：串励电动机不允许空载运行。不允许空载运行。2afTaffTaTIKCIIKCICT)(fafefTRRnKCKCTU)(1fafTfeRRUTKCKCn图21-6串励电动机的机械特性

9、 3 复励电动机复励电动机 复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和串励电动机之间。图3-14 复励电动机的转矩-转速特性aaaRUIEn，所以00aTICT因为emTeeTCCRCUUn22StaStRRUIemTeeTCCRCUUn22aaRUIeaaCURIUn2。 eaaCURIUn22211aTaTeICICT2112aaIIkUTCCRCUnTeae2emTeeTCCRCUUn22LaaaLaaaRREIRRIEU，)(00nn UEaaaaREUILWTTaEU 0nn LaRRRUU，LaaaRREUITCCRRCUnTeLae2 NNNNNaNLaIUIUIEURR222a

10、NNLRIUR1、换向概述 为了分析方便假定换向片的宽度等于为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时时, ,元件里的电流方向改变，即换向。元件里的电流方向改变，即换向。 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2接触时，元接触时，元件件1的被短路，电流被分流。如图所示。的被短路，电流被分流。如图所示。 电刷与换向片电刷与换向片1接触时，元件接触时，元件1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。aii 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2接触时，元件接触

11、时，元件1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为 。aii元件1av1 2iiai 2aiai2i1iaiiaii ai 2aiai2i1iaiiaiiai 2aiai2i1i 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。正常工作。 产生火花的原因很多，除了产生火花的原因很多，除了电磁原因电磁原因外，还有外，还有机械的原因机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。此外换向过程还伴

12、随着电化学和电热学等现象。 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期换向周期 。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。个元件在经过电刷时都要经历换向过程。cT2、换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：电抗电动势电抗电动势 ：换向元件（线圈）在换向过程中：换向元件（线圈）在换向过程中阻碍阻碍电流改变而产电流改变而产生的。生的。re切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反：在几何中性线处，由于电枢

13、反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。se换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为：ksreeee 根据楞次定律，根据楞次定律，电抗电动势和切割电电抗电动势和切割电动势总是阻碍换向动势总是阻碍换向的。的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。件在换向磁场中感应的电动势。换向电动换向电动势是帮助换向势是帮助换向的。的。ke元件1av1 2iiai 2aiai2i1i1）直线换向）直线换向0e当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。0e当当

14、 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。再是线性变化，出现电流延迟现象。2）延迟换向）延迟换向0e当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。再是线性变化，出现电流超前现象。3）超越换向）超越换向ai直线换向aicTt0延迟换向超越换向ksreeee 换向火花电磁原因换向火花电磁原因n 直线换向直线换向是理想换向，电机不会出现火花。是理想换向，电机不会出现火花。n 延迟换向延迟换向时，若电抗电势时，若电抗电势Er不甚大，换向也不会产生电火花。若不甚大，换向也不会产生电火花。若Er甚甚大，严重延迟换向，当被电刷短路的元件

15、瞬时断开时，大，严重延迟换向，当被电刷短路的元件瞬时断开时，i 强制变成强制变成 ia ，这部分能量这部分能量元件1av1 2aiiaii ai 2aiai2i1i元件1av1 2aiiaiiai 2aiai2i1iksreeee3、改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。 改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向