第一章直流电动机

1、电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机学习目标学习目标:第一章第一章 直流电机直流电机掌握直流电动机的工作原理、结构。掌握直流电动机的工作原理、结构。能分析直流电动机转速、电磁转矩的变化与各参能分析直流电动机转速、电磁转矩的变化与各参数的关系。数的关系。能分析电机的换向及改善换向方法。能分析电机的换向及改善换向方法。会利用直流电动机的工作特性和机械特性分析实会利用直流电动机的工作特性和机械特性分析实际问题。际问题。熟悉直流电动机起动、调速、反转和制动方法。熟悉直流电动机起动、调速、反转和制动方法。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机案例：案例：国产电力机车上常采用直流电机作为国产

2、电力机车上常采用直流电机作为牵引电机和辅助压缩机驱动电机。牵引电机和辅助压缩机驱动电机。 当机车在牵引状态运行时，牵引电机将电能当机车在牵引状态运行时，牵引电机将电能转换成机械能，通过轮对驱动机车运行，此时转换成机械能，通过轮对驱动机车运行，此时电机处于电动机状态；电机处于电动机状态； 当机车在电气制动状态下运行时，牵引电机当机车在电气制动状态下运行时，牵引电机将机械能转化为电能，产生电制动力，此时电将机械能转化为电能，产生电制动力，此时电机处于发电机状态。机处于发电机状态。 第一章第一章 直流电机直流电机电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机 第一节：直流电机的工作原理第一节：直流电机

3、的工作原理一、直流电机的基本工作原理一、直流电机的基本工作原理直流电机分类直流电机分类: :直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）直流发电机的工作原理（一）直流发电机的工作原理NS+_n n右手定则判断方向右手定则判断方向电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机一、直流电机的基本工作原理一、直流电机的基本工作原理（一）直流发电机工作原理（一）直流发电机工作原理电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）直流发电机工作原理（一）直流发电机工作原理通过换向器和电刷将交流变为直流电通过换向器和电刷将交流变为直流电引出至负载引出至负载建立磁

4、场建立磁场导体切割磁场产生交变的感应电势导体切割磁场产生交变的感应电势绕组中的电动势交变绕组中的电动势交变.电刷两端获得直流电动势电刷两端获得直流电动势结论：结论： e = BX l v 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机NS+_+_（二）直流电动机的工作原理（二）直流电动机的工作原理外部提供外部提供用左手定则判断受力方向用左手定则判断受力方向及形成的转矩方向：及形成的转矩方向： f = Bf = BX Xli li 通过电刷和换向器将直通过电刷和换向器将直流变为元件的交流电引入流变为元件的交流电引入产生电磁转矩使电机旋转产生电磁转矩使电机旋转带动负载旋转带动负载旋转建立磁场建立磁场

5、交流交流直流过程？直流过程？电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（二）直流电动机的工作原理（二）直流电动机的工作原理电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机二、电机的可逆原理二、电机的可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。u如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出 电能，电机作为发电机运行；电能，电机作为发电机运行；u如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械 能，则电机作为电动机运行。能，则

6、电机作为电动机运行。电机的实际运行方式由外施条件决定：电机的实际运行方式由外施条件决定：电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第二节第二节 直流电机的结构直流电机的结构旋转部分旋转部分:静止部分静止部分:定子定子转子转子中间有气隙中间有气隙电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第二节第二节 直流电机的结构直流电机的结构电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第二节第二节 直流电机的结构直流电机的结构小型直流电动机的剖面结构小型直流电动机的剖面结构 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机一、定子部分一、定子部分电磁方面：产生磁场和构成磁路。电磁方面：产生磁场和构成磁路。机械

7、方面：整个电机的支撑。机械方面：整个电机的支撑。作用作用:构成构成:磁极磁极机座机座换向极换向极电刷装置电刷装置端盖和轴承端盖和轴承电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）主磁极（一）主磁极产生恒定、有一定的空间分布形状的产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度气隙磁通密度 励磁绕组励磁绕组铁心铁心作用：作用：电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（二）机座（二）机座整体机座整体机座:起导磁和机械支撑作用起导磁和机械支撑作用叠片机座叠片机座:只起机械支撑作用只起机械支撑作用电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（三）换向极（三）换向极安装在相邻的两主安装在相邻的两主磁

8、极之间，用螺钉磁极之间，用螺钉固定在机座上，用固定在机座上，用来改善直流电机的来改善直流电机的换向，一般电机容换向，一般电机容量超过量超过1kW时均应时均应安装换向极。安装换向极。 用整块钢制成，用整块钢制成，也可用厚也可用厚11.5mm厚钢板或硅钢片叠成厚钢板或硅钢片叠成 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（四）电刷（四）电刷用石墨制成的导电块用石墨制成的导电块 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（五）端盖（五）端盖主要起支撑作用。主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。直流电机的转轴，使直流

9、电机能够旋转。 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机二、转子部分二、转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换从而实现能量的转换 作用作用:构成构成:电枢铁心电枢铁心换向器换向器电机转轴电机转轴电枢绕组电枢绕组轴承和风扇轴承和风扇电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）电枢铁心（一）电枢铁心作用：作用：通过磁通和嵌放电枢绕组。通过磁通和嵌放电枢绕组。材料：材料：为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起的磁滞损耗和涡

10、流损耗，电枢铁心用的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或或0.5mm厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。厚的硅钢片叠成，表面有绝缘层。 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（二）换向器（二）换向器作用：作用：实现电刷内外交直流的转换。实现电刷内外交直流的转换。材料：材料：采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好 的紫铜或铜合金制成的紫铜或铜合金制成 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（三）转轴（三）转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。强度和刚度，一般用圆钢加工而成。 电机与电

11、力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（四）电枢绕组（四）电枢绕组用于产生感应电动势和通过电流，实现机电用于产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转换。能量的转换。线圈元件边在槽内的放置情况线圈元件边在槽内的放置情况 1基本知识基本知识作作用用元件元件 元件的首末端元件的首末端 实槽和虚槽实槽和虚槽 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机设电枢槽内每层有设电枢槽内每层有个线圈单元边，个线圈单元边，则把每一个实际的槽看作包含则把每一个实际的槽看作包含个虚槽个虚槽 。 实槽与虚槽实槽与虚槽 （四）电枢绕组（四）电枢绕组Z Z= = * *Z Z 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（

12、四）电枢绕组（四）电枢绕组元件数元件数S和换向片数和换向片数K： 极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面 之间的距离称为极距，用之间的距离称为极距，用表示表示 S=K= Z=Z 2pD叠绕组叠绕组 ：串联的两个元件总是后一个：串联的两个元件总是后一个元件端接部分紧贴在前一个元件端接元件端接部分紧贴在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式进行。部分，整个绕组成折叠式进行。 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（四）电枢绕组（四）电枢绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性 磁场下的相应元件串联起来，像磁场下的相应元件串联起来

13、，像 波浪似的前进。波浪似的前进。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第一节距第一节距：一个元件的两个有效边在电枢：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的元件边数称为第一节距，第一表面跨过的元件边数称为第一节距，第一节距用表示节距用表示 。（四）电枢绕组（四）电枢绕组第二节距第二节距：连至同一换向片上的两个元件：连至同一换向片上的两个元件中的第一个元件的下层边与第二个元件的中的第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。第二节距用表示。上层边间的距离。第二节距用表示。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机合成节距：合成节距：连至同一换向片上两个元件对应连至同一换向片上两个元件对

14、应边之间的距离，即第一个元件的上层边与第边之间的距离，即第一个元件的上层边与第二个元件的上层边间的距离或第一个元件的二个元件的上层边间的距离或第一个元件的下层边与第二个元件的下层边间的距离。下层边与第二个元件的下层边间的距离。合成节距用合成节距用y表示表示 。（四）电枢绕组（四）电枢绕组合成节距与第一节距、第二节距的关系为：合成节距与第一节距、第二节距的关系为：单叠绕组单叠绕组 单波绕组单波绕组 21yyy21yyy电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机换向节距：换向节距：同一元件首、末端连接的换向片同一元件首、末端连接的换向片之间的距离。换向节距用之间的距离。换向节距用 表示表示 ky

15、（四）电枢绕组（四）电枢绕组电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机2单叠绕组单叠绕组（四）电枢绕组（四）电枢绕组（1 1）单叠绕组的节距计算）单叠绕组的节距计算1yyk 2pZy1 1yyk 取：取：称为右行绕组，元件的连接顺序为从左向右进行称为右行绕组，元件的连接顺序为从左向右进行 yyy12 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机2单叠绕组单叠绕组（四）电枢绕组（四）电枢绕组（2 2）单叠绕组的展开图）单叠绕组的展开图 元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷以表示元件间、电刷与主磁极间的相对位置关以表示元件间、电刷与主磁极间的相对位

16、置关系。在画展开图前应根据所给定的电机极对数系。在画展开图前应根据所给定的电机极对数p p、槽数槽数Z Z、元件数、元件数S S和换向片和换向片K K，算出各节距值，然，算出各节距值，然后根据计算值画出单叠绕组的展开图。后根据计算值画出单叠绕组的展开图。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机 例例11 已知一台直流电机的极对数已知一台直流电机的极对数p p=2=2，Z=S=K=16, Z=S=K=16, 试画出其右行单叠绕组展开图试画出其右行单叠绕组展开图 解解 第一步：计算绕组的各节距第一步：计算绕组的各节距44162pZy1 1yyk 314yyy12 第二步：画元件，用实线代表上层

17、元件，虚线第二步：画元件，用实线代表上层元件，虚线代表下层元件，虚线靠近实线，实线根数等于代表下层元件，虚线靠近实线，实线根数等于元件数元件数S S，从左向右为实线编号，分别为，从左向右为实线编号，分别为1 1至至1616。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第三步：放置主磁极。第三步：放置主磁极。 第四步：放置换向片。第四步：放置换向片。 第五步：根据计算所的各节距值连接绕组第五步：根据计算所的各节距值连接绕组 第六步：放置电刷。第六步：放置电刷。 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机 单叠绕组元件连接顺序单叠绕组元件连接顺序 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（3

18、 3）单叠绕组的元件连接顺序及并联支路图）单叠绕组的元件连接顺序及并联支路图 单叠绕组的特点：单叠绕组的特点： 同一磁极下的元件串同一磁极下的元件串联在一起组成一个支联在一起组成一个支路，这样有几个主磁极路，这样有几个主磁极就有几条支路。就有几条支路。电刷数等于主磁极电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路间电动势等于并联支路电动势。电动势。电枢电流等于各并联电枢电流等于各并联支路电流之和。支路电流之和。单叠绕组并联支路图单叠绕组并联支路图 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机3 3单波绕组单波绕组（1 1）单

19、波绕组的节距计算）单波绕组的节距计算第一节距计算第一节距计算单波绕组的第一节距的计算方法与单叠绕组的单波绕组的第一节距的计算方法与单叠绕组的计算相同。计算相同。合成节距合成节距y y和换向器节距计算和换向器节距计算选择时，应使串联的元件感应电动势同方向。选择时，应使串联的元件感应电动势同方向。 1Kpyk p1Kyk 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第二节距计算第二节距计算12yyy（2 2）单波绕组的展开图）单波绕组的展开图 例例2 2 已知主磁极极对数已知主磁极极对数p p=2=2， Z=S=K=15Z=S=K=15，绘制单波左行绕组展开图。绘制单波左行绕组展开图。 解解 首先

20、计算各节距首先计算各节距3434152pZy1 72115p1Kyyk437yyy12电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机单波绕组的展开图单波绕组的展开图 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（3 3）单波绕组的连接次序及并联支路图）单波绕组的连接次序及并联支路图单波绕组的连接次序表单波绕组的连接次序表 单波绕组的单波绕组的并联支路并联支路 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机同极性下的各元件串联起来组成一个支路，同极性下的各元件串联起来组成一个支路，支路对数支路对数a=1a=1，与磁极对数，与磁极对数p p无关。无关。当元件的几何形状对称时，电刷在换向器当元件的几何形

21、状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大（即正、负电刷间电动势最大）。势最大（即正、负电刷间电动势最大）。电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。电刷电动势等于支路感应电动势。电刷电动势等于支路感应电动势。电枢电流等于两条支路电流之和。电枢电流等于两条支路电流之和。 单波绕组的特点：单波绕组的特点：电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机主极极靴和电枢间的间隙称为空气隙。主极极靴和电枢间的间隙称为空气隙。三、空气隙三、空气隙气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重要组气隙既保证了电机的安全运

22、行，又是磁路的重要组成部分。成部分。由于空气磁阻远大于铁磁物质的磁阻，而电机的能由于空气磁阻远大于铁磁物质的磁阻，而电机的能量转换是依靠气隙磁通为媒介进行的，所以气隙的量转换是依靠气隙磁通为媒介进行的，所以气隙的大小和形状对电机的性能有很大影响。大小和形状对电机的性能有很大影响。直流电机的气隙是不均匀的。极靴中部气隙较小，直流电机的气隙是不均匀的。极靴中部气隙较小，两侧气隙逐渐扩大，极尖处气隙最大。两侧气隙逐渐扩大，极尖处气隙最大。小型电机气隙约为小型电机气隙约为13mm；大型电机气隙可达；大型电机气隙可达1012mm 。作用作用: :电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第三节第三节

23、直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机型号电机型号铭牌数据主要包括：铭牌数据主要包括：电机额定功率电机额定功率电机额定电压电机额定电压额定电流额定电流额定转速额定转速额定励磁电流额定励磁电流励磁方式励磁方式出厂数据如出厂编号、出厂日期等出厂数据如出厂编号、出厂日期等电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机Z 29 2一般用途直流电机一般用途直流电机 设计序号设计序号,第二次改型设计第二次改型设计 机座序号机座序号 电枢铁心长度序号电枢铁心长度序号 第三节第三节 直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机Z系列：一般用途直流电动机（如系列：一般用途直流电动机（如Z2，

24、Z3，Z4等系列）；等系列）；ZJ系列：精密机床用直流电动机；系列：精密机床用直流电动机；ZT系列：广调速直流电动机；系列：广调速直流电动机；ZQ系列：直流牵引电动机；系列：直流牵引电动机；ZH系列：船用直流电动机；系列：船用直流电动机；ZA系列：防爆安全型直流电动机；系列：防爆安全型直流电动机；ZKJ系列：挖掘机用直流电动机；系列：挖掘机用直流电动机；ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机；系列：冶金起重机用直流电动机；第一部分字符的含义如下：第一部分字符的含义如下：第三节第三节 直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机1额定功率额定功率PN 2额定电压额定电压U

25、N和接法和接法 额定条件下电机所能供给的功率。对于电动额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机额定功率是指电动机轴上输出的最大机械机额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率；对于发电机是指电刷间输出的最大电功率；对于发电机是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为功率。额定功率的单位为kW 额定运行状态时，定子绕组应加额定运行状态时，定子绕组应加的线电压，单位为的线电压，单位为V 第三节第三节 直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机3.额定电流额定电流IN指电机在额定电压下，运行于额定功率时对指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为

26、应的电流值。额定电流的单位为A 额定功率、额定电压和额定电流的关系为：额定功率、额定电压和额定电流的关系为：发电机发电机 P PN N=U=UN NI IN N 10103 3 kW kW 电动机电动机 P PN N=U=UN NI IN N N N10103 3 kWkW第三节第三节 直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机4.额定转速额定转速nN：对应于额定电流，额定电压，电机运行于额定功率对应于额定电流，额定电压，电机运行于额定功率时所对应的转速。额定功率的单位为时所对应的转速。额定功率的单位为r/minr/min。5.额定励磁电流额定励磁电流IfN ：对

27、应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A 6. 励磁方式励磁方式 ：直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根据电枢线圈与励磁线圈的连接方式不同，直流电机据电枢线圈与励磁线圈的连接方式不同，直流电机励磁有并励、串励、他励、复励等方式励磁有并励、串励、他励、复励等方式 第三节第三节 直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机电机的电流正好等于额定值。电机的电流正好等于额定值。长期过载运行将使电机过热，降低电

28、机寿命甚至损坏长期过载运行将使电机过热，降低电机寿命甚至损坏 电机的电流超过额定值电机的电流超过额定值 电机的电流比额定值小得多电机的电流比额定值小得多 。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用长期轻载运行使电机的容量不能充分利用 在选择电机时，应根据负载的要求，在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近尽可能使电机运行在额定值附近 满载运行满载运行 :过载运行过载运行 :轻载运行轻载运行 :第三节第三节 直流电机的铭牌直流电机的铭牌电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第四节第四节 直流电动机的电动势、电磁转矩和功率直流电动机的电动势、电磁转矩和功率一、直流电机的励磁方

29、式和磁场一、直流电机的励磁方式和磁场（一）励磁方式（一）励磁方式 1他励电机他励电机 分别由两个不同分别由两个不同的电源供电的电源供电 。电压可以相同，电压可以相同，也可以不同也可以不同 ffffRUII 他他励励电电机机的的励励磁磁电电流流电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机2并励电机并励电机 由同一电源供电。由同一电源供电。励磁电流一般为励磁电流一般为额定电流的额定电流的5% faIII电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机3串励电机串励电机励磁电流与电枢电流相励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直

30、流电线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速，且空载时有极高的转速，串励式直流电动机不准串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要式直流电动机常用于要求很大起动转矩且转速求很大起动转矩且转速允许有较大变化的负载允许有较大变化的负载等等 faIII电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机4复励电机复励电机 串励绕组和他励（或并励）串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相同。绕组的磁势方向相同。积复励：积复励：串励绕组和他励（或并励）串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相

31、反。绕组的磁势方向相反。差复励：差复励：电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机绕组名绕组名称称电枢电枢绕组绕组换向换向极绕极绕组组补偿补偿绕组绕组串励串励绕组绕组并励并励绕组绕组他励他励绕组绕组线端名线端名称称A1 A2B1 B2C1 C2D1 D2E1 E2F1 F2直流电机各绕组线端的符号直流电机各绕组线端的符号 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（二）空载时直流电机中的磁场（二）空载时直流电机中的磁场直流电机空载时，电枢电流为零，直流电机空载时，电枢电流为零，只有励磁绕组中存在电流。只有励磁绕组中存在电流。因此，空载时电机的气隙磁场完全由因此，空载时电机的气隙磁场完全由励

32、磁绕组的电流所产生励磁绕组的电流所产生 。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（三）电枢磁场（三）电枢磁场电枢磁场电枢磁场 ：电枢绕组通过电流产生的磁场电枢绕组通过电流产生的磁场 电枢磁场沿电枢表面的分布情况，与电枢电枢磁场沿电枢表面的分布情况，与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中，电电流的分布情况有关。在直流电机中，电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布，所以电枢磁场的分布情况与电对称分布，所以电枢磁场的分布情况与电刷的位置有关刷的位置有关 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（四）电枢反应（四）电枢反应直流电机带上负载运行后，电

33、枢里有电流直流电机带上负载运行后，电枢里有电流流过，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场流过，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场的出现有可能对主极磁场产生影响，这种的出现有可能对主极磁场产生影响，这种影响称为影响称为电枢反应电枢反应 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机二、直流电机的电枢电动势二、直流电机的电枢电动势电枢电动势电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每个支路里的感应电动势电动势，也就是每个支路里的感应电动势 。nCnLBapNEEnpvvdxBBaNLvBeepjssxpjpjx60602120：电电枢枢的的感感应应电电势势：导导体

34、体切切割割磁磁场场的的速速度度每每极极下下的的平平均均磁磁场场为为：个个；一一条条支支路路的的导导体体数数为为导导体体的的感感应应电电势势：电动势常数电动势常数 ，电，电机做好后仅与电机做好后仅与电机结构有关：机结构有关：N为电枢导体总数为电枢导体总数 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机三、直流电机的电磁转矩三、直流电机的电磁转矩aTapjaa0 xpjapjixIC2P2a2IlNBTa2IildxB1BN2DliB2DFT 电电枢枢的的电电磁磁转转矩矩：导导体体的的电电流流：每每极极下下的的平平均均磁磁场场为为：个个；电电枢枢绕绕组组的的导导体体数数为为导导体体的的电电磁磁转转矩

35、矩：制造好的直流电机其电磁转矩仅制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比与电枢电流和气隙磁通成正比 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机四、直流电机的功率四、直流电机的功率（一）电机的损耗（一）电机的损耗1铜耗铜耗PCu是电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、是电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜耗和电刷与换向器接触电阻补偿绕组的铜耗和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。产生的损耗。铜耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关铜耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关.铜耗将引起绕组及换向器发热铜耗将引起绕组及换向器发热 . 随着电机的负载变化，称为可变损耗随着电机的

36、负载变化，称为可变损耗 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机2机械损耗机械损耗Pmec电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围空气摩擦所引起的损耗，主要有轴承摩擦损空气摩擦所引起的损耗，主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关。损耗等，其大小和电机转速有关。机械损耗将引起轴承和换向器发热。机械损耗将引起轴承和换向器发热。 3铁耗铁耗PFe 交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗 （一）电机的损耗（一）电机的损耗电机与电力拖动电机与电力拖动

37、直直流流电电机机空载损耗空载损耗P0 ：（一）电机的损耗（一）电机的损耗P P0 0 = P = PFeFe + P + Padad空载损耗空载损耗P0与电机的负载无关，也称不变损耗与电机的负载无关，也称不变损耗 4附加损耗附加损耗Pad 附加损耗很难精确计算，一般估计为电机输附加损耗很难精确计算，一般估计为电机输出功率的（出功率的（0.51）%，即，即 Pad=（0.51）%P2 电机的总损耗电机的总损耗 P P ： P = PP = PCuCu + P + PFeFe + P + Padad + P + Ps s = P = PCuCu + P + P0 0 电机与电力拖动电机与电力拖动直

38、直流流电电机机（二）电磁功率（二）电磁功率电磁功率电磁功率 Pem ： 通过电磁作用传递的功率通过电磁作用传递的功率 aaemIETP：电磁功率发电机发电机 ：P Pemem= = P P1 1P P0 0 P P2 2= = P PememP Pcucu = =UIUI 电动机电动机 ：P Pemem= = P P1 1P PCuCu P P2 2= =P PememP P0 0= = T T2 2 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（三）（三） 功率平衡方程式功率平衡方程式总总损损耗耗输输出出功功率率输输入入功功率率：pPpPP221电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机五

39、、直流电动机的基本方程五、直流电动机的基本方程电动机参考方向惯例电动机参考方向惯例 E E= =C Ce ennU U= =E Ea+a+R Ra aI Ia a T T= =C CT TIIa a T T= =T T2 2+ +T T0 0 Cuaem1PPP02emPPPadFemec2Cuaem1PPPPPPP= P= P2 2+P +P PPPPP2121电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机六、直流电机的换向六、直流电机的换向直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程

40、为换向。当电机带负载后，元改变的过程为换向。当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。换向不良会产生电火花或环火，严变化。换向不良会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行，重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行，甚至引起事故甚至引起事故 。电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）换向概述（一）换向概述一个元件从一个支路换到另一个支路时一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷。元件里的电流必然改变方向要经过电刷。元件里的电流必然改变方向 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（二）换向的电磁理论（二）换向的

41、电磁理论eiRRi )RR(R2b2k1b1ki）（ee是换向元件的合成电动势是换向元件的合成电动势根据合成电动势的取值情况，换向可分为根据合成电动势的取值情况，换向可分为直线换向直线换向 、延迟换向或超越换向、延迟换向或超越换向）（0e）（ 0e电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机1 1直线换向直线换向 ）（0e忽略元件电阻忽略元件电阻R R和元件与换向片或超越换向和元件与换向片或超越换向片间的连线电阻，则回路方程可简化为：片间的连线电阻，则回路方程可简化为： 0iRiR2b21b1kkbb1bb1) tT(LSRSSRRkbb2bb2tLSRSSRRS1S1 S2S2是电刷与换向片

42、是电刷与换向片1 1、2 2的接触面积，的接触面积，R Rb b是换向片与电刷完全是换向片与电刷完全接触时的接触电阻接触时的接触电阻L Lb b是电刷轴向长度，是电刷轴向长度，v vk k为换向器线速度，为换向器线速度， T TK K是换向周期是换向周期 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机根据节点电流定律根据节点电流定律: : a1iii2aiii1 1直线换向直线换向 ）（0e)T2t1 (iika换向电流变化曲线换向电流变化曲线 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机2 2延迟换向延迟换向 ）（ 0e由于换向元件为线圈，且换向过程中线圈中的电流由于换向元件为线圈，且换向过程

43、中线圈中的电流是变化的，因此线圈中存在自感电动势；为了保证是变化的，因此线圈中存在自感电动势；为了保证换向可靠，实际的电刷的宽度比换向片的宽度要大换向可靠，实际的电刷的宽度比换向片的宽度要大得多，在换向过程中有多个元件同时换向，因此线得多，在换向过程中有多个元件同时换向，因此线圈中存在互感电动势。通常将自感电动势和互感电圈中存在互感电动势。通常将自感电动势和互感电动势合起来，称为电抗电动势，用动势合起来，称为电抗电动势，用e er r表示表示 dtdiLdtdi)ML(eeerMLrMLLrL L为换向元件的自感系数；为换向元件的自感系数；M M为换向元件的互感系数为换向元件的互感系数电机与电

44、力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机在换向元件中还有切割电动势在换向元件中还有切割电动势 e ea aaacaB2Ne切割电动势存在同样使换向电流变化延缓。切割电动势存在同样使换向电流变化延缓。因此线圈中合成电动势（电抗电动势和切割电动势因此线圈中合成电动势（电抗电动势和切割电动势之和）的存在使换向电流变化不再是线性的，出现之和）的存在使换向电流变化不再是线性的，出现了电流延迟现象的换向称为延迟换向了电流延迟现象的换向称为延迟换向 . .2 2延迟换向延迟换向 ）（ 0ee er r+e+ea a在换向元件中产生的电流称为在换向元件中产生的电流称为附加换向电流附加换向电流 b2b1arb2b1

45、kRReeRRei电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机3超越换向超越换向）（ 0e换向极的磁场较强，换向极的磁场较强，e ek k抵消抵消e er r后有剩余，后有剩余，剩余电势产生的剩余电势产生的i ik k改变了方向（改变了方向（ikik00）。）。当当i=0i=0时，时，t t TK /2TK /2，电流改变方向的时，电流改变方向的时刻比直线换向时提前，故称为刻比直线换向时提前，故称为超越换向，超越换向，又叫过补偿换向。又叫过补偿换向。此时前刷边电流密度增大，后刷边电流密此时前刷边电流密度增大，后刷边电流密度减小，这种情况同样对换向是不利的度减小，这种情况同样对换向是不利的 电机

46、与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（三）改善换向的方法（三）改善换向的方法目的目的: : 消除或削弱电刷下的火花消除或削弱电刷下的火花 1 1选用合适的电刷，增加电刷与换向片选用合适的电刷，增加电刷与换向片 之间的接触电阻之间的接触电阻2 2装设换向极装设换向极电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机装设在相邻两主磁极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上之间的几何中性线上 1.1.在换向元件处产生一个磁动势，把电枢反应磁动势在换向元件处产生一个磁动势，把电枢反应磁动势 抵消掉，使得切割电动势抵消掉，使得切割电动势e ea a=0=0；2. 2. 产生一个气隙磁通密度，换向元件切割磁场

47、产生产生一个气隙磁通密度，换向元件切割磁场产生感应电动势去抵消电抗电动势感应电动势去抵消电抗电动势 （三）改善换向的方法（三）改善换向的方法电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机环火现象环火现象 即正负电刷间出现电弧即正负电刷间出现电弧, ,可以很短的时间内可以很短的时间内损坏电机损坏电机 防止环火出现的办法防止环火出现的办法 在主磁极上安装补偿绕组，从而抵消电枢反应在主磁极上安装补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响。补偿绕组装在主磁极极靴里。的影响。补偿绕组装在主磁极极靴里。 补偿绕组与电枢绕组串联，它产生的磁动势补偿绕组与电枢绕组串联，它产生的磁动势恰恰能抵消电枢反应磁动势恰恰能抵消电枢

48、反应磁动势 （三）改善换向的方法（三）改善换向的方法电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机第五节第五节 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 与机械特性与机械特性一、直流电动机的工作特性一、直流电动机的工作特性额定电压额定电压U UN N，额定励磁电流，额定励磁电流U UfNfN时：时： )(aIfn )(aemIfT)(aIf电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）他励（并励）直流电动机的工作特性（一）他励（并励）直流电动机的工作特性1 1转速特性转速特性aNeNICUnNeaCR忽略电枢反应忽略电枢反应的去磁效应的去磁效应 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机2

49、 2转矩特性转矩特性aNTemICT考虑电枢反应使主磁通考虑电枢反应使主磁通略有下降，电磁转矩上略有下降，电磁转矩上升的速度比电流的上升升的速度比电流的上升的速度要慢一些，曲线的速度要慢一些，曲线的斜率略有下降的斜率略有下降 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机3 3效率特性效率特性aN2aa011IUIRP1PPP 存在最大点存在最大点电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（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1.1.负载电流较小时、电机的磁路没有饱和，负载电流较小时、电机的磁路没有饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性变化关系每极气隙磁通与励磁电流呈线性变化

50、关系 afffIKIK串励电动机的转速特性可写为串励电动机的转速特性可写为 efaefeaeCkRICkUCRICUnfaRRRn n与与I Ia a成反比，串励电动机不可以空载或在轻载成反比，串励电动机不可以空载或在轻载下启动、运行下启动、运行. .电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机转矩特性转矩特性 2aTftemICkICT2.2.负载电流较大时，磁路已经饱和，磁通基本不随负载负载电流较大时，磁路已经饱和，磁通基本不随负载电流变化，串励电动机的工作特性与并励电动机相同电流变化，串励电动机的工作特性与并励电动机相同 电磁转矩与负载电流的平方成正比电磁转矩与负载电流的平方成正比 电机

51、与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机二、直流电动机的机械特性二、直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性1 1机械特性的表达式机械特性的表达式机械特性：机械特性：U=UU=UN N、I If f I IfNfN、电枢回路电阻为、电枢回路电阻为恒值的条件下，电动机的转速恒值的条件下，电动机的转速n n与电磁转矩之与电磁转矩之间的关系：间的关系：n=f(Tem) n=f(Tem) 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）他励直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性1 1机械特性的表达式机械特性的表达式nnTnTCCRCUnememTe

52、e 002理想理想空载空载转速转速机械特性机械特性的斜率的斜率转速降转速降电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机理想空理想空载转速载转速实际空载转速实际空载转速斜率斜率越小，特越小，特性越平，称为性越平，称为硬硬特性特性。反之称为。反之称为软特性软特性（一）他励直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性1 1机械特性的表达式机械特性的表达式电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）他励直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性2 2固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性固有（自然）机械特性：固有（自然）机械特性：电枢电压、励磁磁通电枢电压、励磁磁通为

53、额定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性。为额定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性。因为电枢电阻因为电枢电阻R Ra a很小，很小，特性斜率很小，通常额特性斜率很小，通常额定转速降定转速降nNnN只有额定转只有额定转速的百分之几到百分之速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是动机的固有机械特性是硬特性硬特性. . 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）他励直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性2 2固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性人为机械特性：人为机械特性：电枢串电阻时的人为特性电枢串电阻时的人为特性 emN

54、TesaNeNTCCRRCUn2 斜率斜率增加增加电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）他励直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性2 2固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性人为机械特性：人为机械特性：降低电枢电压时的人为特性降低电枢电压时的人为特性em2NTeaNeTCCRCUn 改变电压时，只能在低于改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化额定电压的范围内变化 特点特点：人为特性的斜率：人为特性的斜率不变，但理想空载转速不变，但理想空载转速n n0 0随电压的降低而正比随电压的降低而正比减小减小 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（一）他励

55、直流电动机的机械特性（一）他励直流电动机的机械特性2 2固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性人为机械特性：人为机械特性：减弱励磁磁通时的人为特性减弱励磁磁通时的人为特性只能在额定值以下调节励磁电流只能在额定值以下调节励磁电流 em2TeaeNTCCRCUn 实际运行条件下，实际运行条件下，电机工作在磁通越电机工作在磁通越小，稳定转速越高小，稳定转速越高的区域。的区域。 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机3 3机械特性的求取机械特性的求取通常根据铭牌数据：通常根据铭牌数据：P PN N、U UN N、I IN N、n nN N计算或计算或通过实验来求取机械特性。通过实验

56、来求取机械特性。（1 1）固有机械特性的求取）固有机械特性的求取: :他励直流电动机的固有机械特性为一条直线，所以只他励直流电动机的固有机械特性为一条直线，所以只要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。一般计算理想空载点（一般计算理想空载点（T Temem=0=0，n=nn=n0 0）和额定运行点）和额定运行点（T Temem=T=TN N，n=nn=nN N）数据。）数据。 估算估算R Ra a: :电枢电阻电枢电阻R R可用实测方法求得，也可用下式可用实测方法求得，也可用下式进行估算进行估算 N2NNNaIPIU）3221R (电机与电力

57、拖动电机与电力拖动直直流流电电机机计算计算 C Ce eN N、 C CT TN NNaNNNenRIUC NeNTC55.9C 计算理想空载点数据计算理想空载点数据0T emNeN0CUn 计算额定工作点数据计算额定工作点数据NNNTN,nnICT 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机（2 2）人为机械特性的求取）人为机械特性的求取: :在固有特性方程式在固有特性方程式n=nn=n0 0TTemem（n n0 0、为已知）为已知）基础上，根据人为特性对应的参数（基础上，根据人为特性对应的参数（U U、R Ra a或或）变化，重新计算变化，重新计算n n和和值后，便可求得人为特性值后，

58、便可求得人为特性方程式。若要画出人为特性，还需算出某一负载方程式。若要画出人为特性，还需算出某一负载点数据，如点（点数据，如点（T TN N,n,n），然后连接（），然后连接（0 0，n n0 0）和）和（T TN N,n,n）两点，便得到人为特性曲线。）两点，便得到人为特性曲线。 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机 例例1-31-3 他励直流电动机的铭牌数据为：他励直流电动机的铭牌数据为：P PN N=22kW=22kW，U UN N=220V=220V，I IN N=116A=116A，n nN N=1500r/min=1500r/min，试分别求取下列机械特性方程式并绘制其特性

59、试分别求取下列机械特性方程式并绘制其特性曲线曲线: : （1 1）固有机械特性；）固有机械特性；（2 2）电枢串入电阻）电枢串入电阻Rs=0.7Rs=0.7时的人为特性；时的人为特性；（3 3）电源电压降至）电源电压降至110V110V时的人为特性；时的人为特性；（4 4）磁通减弱至）磁通减弱至 时的人为特性；时的人为特性；（5 5）当负载转矩为额定转矩时，要求电动机）当负载转矩为额定转矩时，要求电动机以以n=1000r/minn=1000r/min的转速运转，试问有几种可能的转速运转，试问有几种可能的方案，并分别求出它们的参数。的方案，并分别求出它们的参数。 N32电机与电力拖动电机与电力拖

60、动直直流流电电机机 解解 （1 1）固有机械特性）固有机械特性175.01162200011622032IPIU)3221(R2N2NNNa 133.01500175.0116220nRIUCNaNNe Nmin/1654rmin/r133. 0220CUnNeN0 04. 1133. 055. 9175. 0)C(55. 9R22Nea 固有特性为固有特性为: :)04T. 11654(Tnnemem0 理想空载点数据为理想空载点数据为 1654r/minnn0,T0em 电机与电力拖动电机与电力拖动直直流流电电机机额定工作点数据为额定工作点数据为 m3N.147m116N133. 055.