第3章 直流电机原理

1、第三章第三章 直流电机原理直流电机原理陈小勤陈小勤1362818359213628183592主要内容主要内容n3.1 直流电机的用途及基本工作原理直流电机的用途及基本工作原理 n3.2 直流电机的主要结构与额定值、型号和励磁直流电机的主要结构与额定值、型号和励磁方式方式n3.3 直流电机电枢绕组直流电机电枢绕组n3.4 直流电机的磁路与电枢反应直流电机的磁路与电枢反应n3.5 电枢电动势、电磁转矩和平衡关系电枢电动势、电磁转矩和平衡关系n3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性n3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 n3.8 直流电机的换向与改善方法直流电机的换向与改善方

2、法直流电机概述直流电机概述n直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机要既可作直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机要既可作为发电机使用，也可作为电动机使用。为发电机使用，也可作为电动机使用。 n用作发电机可以获得直流电源，用作电动机，由于其具有用作发电机可以获得直流电源，用作电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。广泛使用。直流电机的优缺点直流电机的优缺点n直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。n直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的

3、调速范围宽广，调速特性平滑。n直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。n由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。3.1 3.1 直流电机直流电机的用途及基本工作原理直流电机直流电机的用途及基本工作原理一、直流电机的用途一、直流电机的用途作电源用作电源用:发电机发电机作动力用作动力用:电动机电动机n信号的传递信号的传递: 测速发电机测速发电机, 伺服电动机伺服电动机n做励磁机用：一般小于做励磁机用：一般小于10万万kW即即100MW的单的单机同步发电机要用直流机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。发电机作为励磁机

4、。直流电动机工作原理：直流电动机工作原理：n建立主极磁场建立主极磁场外加外加直流电压直流电压在线圈中在线圈中产生电流产生电流载流导体载流导体在磁场中受到力的作在磁场中受到力的作用用F=BIL克服阻力克服阻力转动转动对外输出机械对外输出机械能能二、直流电机的基本工作原理二、直流电机的基本工作原理转子旋转转子旋转180电角度：电角度：n直流电源供电，电流方直流电源供电，电流方向不变向不变旋转旋转180度后度后电磁力方向反向电磁力方向反向平均平均电磁力矩为零电磁力矩为零若要保若要保持电磁力方向不变，则：持电磁力方向不变，则：改变磁极极性或改变电改变磁极极性或改变电流方向流方向n两种位置电磁力对比两种

5、位置电磁力对比直流电动机原理直流电动机原理换向换向n几何中心线：磁极的几几何中心线：磁极的几何分界线何分界线n电刷和换向器配合电刷和换向器配合n电流换向电流换向=电流逆变：电流逆变：导体运动经过磁极的几导体运动经过磁极的几何中心线期间何中心线期间交换线交换线圈电源极性圈电源极性交换线圈交换线圈电流方向电流方向电磁力方向电磁力方向维持不变维持不变直流电发机工作原理：直流电发机工作原理：n建立主极磁场建立主极磁场外加机外加机械转矩械转矩线圈在磁场中线圈在磁场中旋转旋转运动导体在磁场运动导体在磁场中产生感应电动势中产生感应电动势e=Blv带电负载带电负载对对外输出电能外输出电能换向：换向：n线圈旋转

6、方向不变线圈旋转方向不变导体感应电动势（在不同极下感应电导体感应电动势（在不同极下感应电势方向不同，导体感应电势交变）势方向不同，导体感应电势交变）感应电势换向感应电势换向=整流：整流：经过磁极的几何中心线，交换线圈输出极性，输出直流，经过磁极的几何中心线，交换线圈输出极性，输出直流，否则输出交流否则输出交流tOAX线圈电动势的波形线圈电动势的波形23XAeOt电刷间的电动势波电刷间的电动势波形形ABe脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈串联而脉动减小，实现方法：电枢绕组由多个线圈串联而构成的。构成的。CEN 时时，理理想想：n直流电动机：直流电动机：建立磁场建立磁场产生电磁力的条件产生电磁

7、力的条件n载流导体载流导体产生电磁力产生电磁力p线圈运动线圈运动对外输出机械功对外输出机械功p换向器和电刷换向器和电刷换流，产生持续电磁力换流，产生持续电磁力n直流发电机直流发电机n建立磁场建立磁场产生感应电动势的条件产生感应电动势的条件n导体运动导体运动产生感应电势产生感应电势p负载负载对外输出电能对外输出电能p换向器和电刷换向器和电刷整流，产生直流电，方向不变整流，产生直流电，方向不变直流电机原理要求结构组成直流电机原理要求结构组成 直流电机模型直流电机模型3.2 直流电机的基本结构及额定值和励磁方式直流电机的基本结构及额定值和励磁方式风扇风扇机座机座电枢电枢铁心和绕组铁心和绕组主磁极主磁

8、极电刷电刷换向器换向器接线板接线板接线盒接线盒励磁绕组励磁绕组端盖端盖一、主要结构一、主要结构定子与转子之间为气隙。定子与转子之间为气隙。换换向向极极铁铁心心及及绕绕组组励励磁磁绕绕组组机机座座、端端盖盖电电刷刷装装置置磁磁极极铁铁心心定定子子换向器换向器电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心轴承轴承转轴转轴转转子子NSNS基本构造：基本构造： 定、转子定、转子 。结构结构细说细说直流电机的电枢电电枢枢铁铁心心冲冲片片直流电机换向器结构直流电机换向器结构换向器拼装二、电机的铭牌数据（额定值）二、电机的铭牌数据（额定值） 为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，为了使电机安全可靠地工作，且保持

9、优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在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的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有：保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有： 1 1额定容量（功率）（额定容量（功率）（kWkW）：）：PN 2 2额定电压（额定电压（V V）：）： UN 3 3额定电流（额定电流（A A）：）： IN 4 4额定转速额定转速 （r rminmin）：）： nN 5 5励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流I IfNfN （A A

10、） 另外：还有额定转矩另外：还有额定转矩TN和额定效率和额定效率N注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。出的机械功率。n所以，直流发电机：的额定容量为：所以，直流发电机：的额定容量为：NNNIUP NNNNIUP n 而直流电动机的额定功率为而直流电动机的额定功率为P32：国产直流电机的型号（略）：国产直流电机的型号（略）)k:(955055.9wnPnPPTNNNNNNN功功率率单单位位或或 励励、永永磁磁。他他励励、并并励励、串串励励、复复三、

11、励磁方式：三、励磁方式：faIII faIII aII fSfSFFFFFF- 差差：积积：一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理Blve FF从一个简单的直流发电机模型从一个简单的直流发电机模型 （一个电枢线圈）开始，根据（一个电枢线圈）开始，根据可逆原理，该电机也可作直流电动机运行。可逆原理，该电机也可作直流电动机运行。实际直流电机，是由很多电枢线圈敷设在电枢铁心表面上，实际直流电机，是由很多电枢线圈敷设在电枢铁心表面上，从而形成电枢绕组，其基本构成原则和绕组形式从而形成电枢绕组，其基本构成原则和绕组形式-单叠单叠和单波绕组。和单波绕组。还有复叠、复波和混合绕组。还有复叠、复波和混合

12、绕组。3.3 直流电枢绕组直流电枢绕组一一般般取取整整距距或或短短距距。为为长长距距，为为短短距距取取整整数数，上上下下层层边边距距离离元元件件一一个个线线圈圈第第一一节节距距础础，现现以以叠叠绕绕组组说说明明：节节距距的的计计算算以以元元件件为为基基来来确确定定。节节距距的的连连接接以以绕绕组组在在电电枢枢和和换换向向器器上上 , 2 )(:)1(11 pZyye。多多匝匝线线圈圈，如如图图于于两两个个换换向向片片的的单单匝匝或或，即即两两端端接接元元件件为为电电枢枢绕绕组组的的基基本本结结构构称称)a(yyyeeZZNNZZSKSKZZ为为：匝匝，电电枢枢总总导导体体数数设设每每个个线线圈

13、圈有有和和虚虚实实槽槽数数的的关关系系是是总总元元件件数数则则换换向向片片数数，层层边边称称为为一一个个虚虚槽槽每每个个线线圈圈的的上上层层边边和和下下个个圈圈边边，个个实实槽槽，槽槽内内每每层层有有设设电电枢枢上上有有CC C 二、直流电枢绕组的基本特点二、直流电枢绕组的基本特点 ：左左行行右右行行，对对于于单单叠叠绕绕组组换换向向片片与与虚虚槽槽数数同同。表表面面上上所所跨跨的的距距离离。片片之之间间，在在换换向向器器每每一一线线圈圈两两端端所所连连换换向向换换向向片片节节距距应应圈圈边边之之间间的的距距离离。：相相串串联联的的两两个个线线圈圈对对合合成成节节距距的的虚虚槽槽数数。个个线线

14、圈圈的的上上层层边边所所跨跨过过线线圈圈的的下下层层边边与与后后一一个个圈圈边边距距离离，即即前前一一个个：联联至至同同一一换换向向片片上上两两第第二二节节距距 :1 :)4()3()2(212kkkyyyyyyyyy1 ,360 360904 904904(22214902 , 42 , 4,9080011 kekySKZCZSPZyyyKPCZZQ换向片数：换向片数：元件数：元件数：（虚槽）（虚槽）实槽）或实槽）或解：解：。单叠绕组。求单叠绕组。求基本数据如下：基本数据如下：牵引电动机：电枢绕组牵引电动机：电枢绕组例：电力机车例：电力机车 三、单叠绕组（单波绕组略）三、单叠绕组（单波绕组略

15、）451 54022 11C20Z, 42111 yyyPZyyyPk（整整距距），则则：右右行行绕绕组组。，单单叠叠，接接。设设举举例例说说明明单单叠叠绕绕组组的的连连 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20-+1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 NSNSn画20个槽放磁极画换向片连绕组定感应电动势方向放电刷元件连接次序绕组展开图和并联支路图从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：从以上分析可以总结出，单叠绕组具有以下特点：元件的两个出线端联接于相邻两个换

16、向片上；元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；并联支路数等于磁极数（并联支路数等于磁极数（2 2a=2=2P P），）， 整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无组内部无“环流环流”；每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数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；等于磁极数；正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢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；电压等于支路电压；由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，

17、即Ia=2=2aia.说明：说明：在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中心线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此中心线下，此时，正负电刷间引出的电动势亦为最大，此时电刷的位置，习惯上称为时电刷的位置，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置电刷放在几何中性线位置”。P67：3-2一一、空空载载磁磁场场 。一一般般取取：漏漏磁磁系系数数不不与与电电枢枢绕绕组组交交链链。：只只与与励励磁磁绕绕组组交交链链，漏漏磁磁通通。和和电电磁磁转转矩矩的的有有效效磁磁通通感感应应电电动动势势励励磁磁绕绕组组，电电机机中中产产生生：同同时时交交链链电

18、电枢枢绕绕组组和和主主磁磁通通25.115.11 KK磁磁电电流流产产生生。由由主主磁磁极极绕绕组组的的直直流流励励是是恒恒定定磁磁场场，直直流流电电机机的的气气隙隙磁磁场场空空载载时时，电电枢枢电电流流为为零零fffNIF 3.4 直流磁场和电枢反应直流磁场和电枢反应n空载时，励磁磁动空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙势主要消耗在气隙上。忽略铁磁材料上。忽略铁磁材料磁阻时，主磁极下磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分气隙磁通密度的分布就取决于气隙的布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。的的分分布布磁磁通通密密度度 B几何几何中性线中性线极靴极靴极身极身气隙气隙空载时主磁极磁通分布空载时主磁极磁通

19、分布fNI0fF0fIA0N0n空载时，气隙磁通空载时，气隙磁通0 与空载磁动势与空载磁动势Ff0 或空载励磁电流或空载励磁电流If0 的关系，称为的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如下图直流电机的空载磁化特性。如下图所示。所示。n一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通N 设定在图中设定在图中A点点二二、负负载载时时的的电电枢枢磁磁场场场场为为电电枢枢磁磁场场。流流，电电枢枢电电流流产产生生的的磁磁负负载载时时，电电枢枢绕绕组组有有电电几何几何中心线中心线o。时时为为电电枢枢磁磁势势最最大大值值中中线线上上，当当电电枢枢磁磁势势最最大大值值在在几几何何上上（电电刷刷

20、位位置置），电电流流变变化化处处在在几几何何中中线线 AFxaq21 2/ 波波。电电枢枢磁磁势势波波形形则则为为三三角角，处处的的磁磁势势为为：线线无无限限增增多多，则则在在距距离离轴轴布布为为零零，如如线线圈圈沿沿电电枢枢分分，该该点点电电枢枢磁磁势势为为原原点点：取取主主极极轴轴线线电电枢枢磁磁势势apNIDNiAAxFxFaaaaxa22 ,o 发发电电机机反反之之。削削弱弱极极尖尖被被极极尖尖的的磁磁密密加加强强，而而后后进进入入顺顺转转向向电电枢枢先先不不均均匀匀：电电动动机机在在前前通通密密度度分分布布）电电枢枢反反应应极极面面下下的的磁磁（产产生生去去磁磁作作用用。将将存存在在

21、，由由于于电电机机中中磁磁路路饱饱和和的的略略有有减减少少。）去去磁磁作作用用使使每每极极磁磁通通（行行的的影影响响：交交轴轴电电枢枢反反应应对对电电机机运运;)(21aqF三三、交交轴轴电电枢枢反反应应 为为交交轴轴电电枢枢反反应应。隙隙磁磁场场发发生生畸畸变变，故故称称主主极极磁磁场场叠叠加加使使气气形形成成的的电电枢枢磁磁场场与与空空载载，几几何何中中线线的的交交轴轴磁磁势势，电电枢枢反反应应只只有有作作用用于于在在主主极极中中线线单单叠叠绕绕组组电电刷刷实实际际位位置置何何中中线线时时枢枢反反应应。当当电电刷刷处处于于几几主主极极磁磁场场的的影影响响成成为为电电负负载载时时，电电枢枢磁

22、磁动动势势对对aqaqFF磁磁势势两两个个部部分分。和和直直轴轴为为交交轴轴电电枢枢反反应应磁磁势势可可分分解解当当电电刷刷不不在在几几何何中中线线时时四四、直直轴轴电电枢枢反反应应adaqFF空载气隙磁场空载气隙磁场电枢磁场电枢磁场负载时合成磁场负载时合成磁场磁磁势势两两个个部部分分。直直轴轴和和反反应应磁磁势势可可分分解解为为交交轴轴电电枢枢当当电电刷刷不不在在几几何何中中线线时时adaqFF)21(2: 2 :21 AFFAFFAFaaqaada交交轴轴电电枢枢磁磁势势直直轴轴电电枢枢磁磁势势则则总总的的电电枢枢磁磁势势为为，电电角角为为若若电电刷刷偏偏离离几几何何中中线线的的Fad去磁

23、作用去磁作用Fad磁化作用磁化作用NSNS四四、直直轴轴电电枢枢反反应应一一、电电枢枢的的感感应应电电势势绕组展开图和并联支路图3.5 电枢感应电势、电磁转矩、电压平衡电枢感应电势、电磁转矩、电压平衡方程和功率方程方程和功率方程lvBejj 电电势势为为电电枢枢中中一一个个导导体体的的感感应应3.5 3.5 电枢感应电势、电磁转矩、电压平衡电枢感应电势、电磁转矩、电压平衡方程和功率方程方程和功率方程一一、电电枢枢的的感感应应电电势势 aNjjaNjjalvBeEaNaN2/12/1 2/2。电电刷刷间间的的感感应应电电势势为为路路的的串串联联导导体体数数为为条条并并联联支支路路，则则每每一一支

24、支个个导导体体，设设电电枢枢共共 nCnapNeaNEnplllvBelBeavaavavaV602 602,电电刷刷间间的的电电势势为为为为则则每每根根导导体体的的平平均均电电势势取取极极下下的的平平均均磁磁密密为为： apNCe60 nCEea2222 aaavajjaavjDaIlBDFTaIlBF ，转转矩矩为为电电磁磁力力为为电电枢枢绕绕组组中中元元件件所所受受的的矩矩二二、直直流流电电机机的的电电磁磁转转22 aaavDaIlNBTN 转转矩矩为为个个元元件件则则电电枢枢总总的的电电磁磁设设电电枢枢绕绕组组有有aTaavaICIapNTlBpD 2 ,2代代入入则则：由由：eTeT

25、CCapNCapNC55. 9602 比比较较数数，与与电电势势常常数数称称为为直直流流电电机机的的转转矩矩系系式式中中 aTICT eTeTCCapNCapNC55. 9602 比比较较数数，与与电电势势常常数数称称为为直直流流电电机机的的转转矩矩系系式式中中 aTICT n例例 已知一台四极直流电动机额定功率为已知一台四极直流电动机额定功率为100kW100kW，额，额定电压为定电压为330V330V，额定转速为，额定转速为 720r/min720r/min，额定效率，额定效率为为0.9150.915，单波绕组，电枢总导体数为，单波绕组，电枢总导体数为186186，额定每，额定每极磁通为极

26、磁通为6.986.981010-2-2WbWb，求额定电磁转矩是多少？，求额定电磁转矩是多少？2 .591416. 31218622 apNCT解解：转转矩矩常常数数AAUPINNNN331915. 0330101003 额额定定电电流流mNmNICTNNTN 7 62 .592额额定定电电磁磁转转矩矩平平衡衡方方程程三三、他他励励直直流流电电机机电电压压fUfIaIaEUnfUfIaIaEUnee电电压压平平衡衡方方程程式式。回回路路还还是是电电动动机机只只考考虑虑电电枢枢所所以以不不论论是是它它激激发发电电机机磁磁通通专专设设激激磁磁电电源源励励磁磁路路与与电电

27、枢枢回回路路分分开开，有有它它激激直直流流电电机机其其励励磁磁回回const fUfIaIaEUnfUfIaIaEUnaaaaaRIUURIUE 2 发发电电机机：aaaaaaRIEURIEU 2电电动动机机：同同向向。与与对对于于发发电电机机。电电刷刷压压降降电电枢枢回回路路电电阻阻电电枢枢电电流流应应电电势势发发电电机机正正负负电电刷刷间间的的感感式式中中：aaaaaeaIEUEVURAIVnCE ,)(:);(:);(:);(,称称为为“反反电电势势”与与反反向向与与对对于于电电动动机机aaaaaIEIEUE, 平平衡衡方方程程三三、他他励励直直流流电电机机电电压压aaaaaRIUURI

28、UE 2 发发电电机机：aaaaaaRIEURIEU 2电电动动机机： bcuaaaaaaaMadFemecaaMppPUIRIUIIEPpppIEpPP 22012其其中中发发电电机机：四四、功功率率平平衡衡方方程程式式pPpPpPppcufcua 2111 发发电电机机效效率率：。损损耗耗中中应应考考虑虑励励磁磁绕绕组组中中的的机机在在铜铜耗耗如如果果是是并并励励和和串串励励发发电电pPp 21 效效率率公公式式与与发发电电机机同同 pPpppppPppPPbcuaadFemecbcuaM 221直直流流电电动动机机pPpppppPPadFemecbcua 221。附附加加损损耗耗铁铁损损

29、耗耗机机械械损损耗耗，则则率率为为。设设发发电电机机输输入入机机械械功功电电刷刷损损耗耗电电枢枢铜铜耗耗电电枢枢回回路路电电阻阻损损耗耗输输出出电电功功率率)(:),(:),(:)(:),(:),(:12WpWpWpPWpWpkWPadFemecbcua bcuaaaaaaaMadFemecaaMppPUIRIUIIEPpppIEpPP 22012其其中中发发电电机机： pPpppppPppPPbcuaadFemecbcuaM 221直直流流电电动动机机他励直流发电机功率流程他励直流发电机功率流程并励直流发电机功率流程并励直流发电机功率流程他励直流发电机功率流程他励直流发电机功率流程他励直流电

30、动机功率流程他励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程并励直流电动机功率流程他励直流电动机功率流程他励直流电动机功率流程。存存在在电电磁磁转转矩矩电电磁磁力力作作用用都都，电电枢枢绕绕组组在在磁磁场场中中受受不不论论发发电电机机还还是是电电动动机机T五五、转转矩矩平平衡衡式式02102 ,TTTnTTTT 同同向向与与转转速速且且与与空空载载转转矩矩平平衡衡负负载载转转矩矩转转矩矩对对于于直直流流电电动动机机由由电电磁磁011 TTTnT 反反向向同同向向，与与电电磁磁转转矩矩与与转转速速转转矩矩对对于于

31、直直流流发发电电机机原原动动机机。空空载载制制动动转转矩矩电电磁磁转转矩矩输输出出转转矩矩式式中中：输输入入转转矩矩 adFemecaTMppppTICPTPTPT0011;)( 1 .901 . 387:)( 1 . 31 .74/230/:)(87230/1020/:3AIIIArUIAUPIfNafNfNNN 电枢电流电枢电流励磁电流励磁电流解：负载电流解：负载电流)m.N(.n/P/PT:)kW(.IEP:)V(.UrIUE:MMaaMaaNa514514502601012260212219052455245215019023023电磁转矩电磁转矩电磁功率电磁功率电势电势%1008 .

32、85%1003 .2320%100:)(3 .232001. 011 .22:1201 PPkWppPPadM 效效率率输输入入功功率率。、效效率率、电电磁磁转转矩矩求求额额定定负负载载时时的的空空载载损损耗耗励励磁磁绕绕组组电电阻阻发发电电机机，例例：一一台台四四极极并并励励直直流流 TPPpkWpppVUrrrnVUkWPMNadmecFefaNNN,01. 0,1 ,22 ,1 .74,15. 0min/1450,230,200 aEaINUNI+-fIP67：3-4，3-5与与磁磁化化曲曲线线相相相相似似。)( ,00faaNIfUEEUconstnn 的的关关系系曲曲线线。、和和励励

33、磁磁电电流流、负负载载电电流流时时，端端电电压压fNIIUnn )(, 0,:. 10faNIfUInn 空载特性空载特性一他励直流发电机的特性一他励直流发电机的特性注意：无论是注意：无论是并励还是串励并励还是串励发电机的都要发电机的都要改为他励来测改为他励来测取，否则无法取，否则无法实现空载。实现空载。3.6 3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 的的步步骤骤：测测取取fIfU 0，并保持不变。，并保持不变。的转速，使的转速，使动机拖动直流发电机）动机拖动直流发电机）机作为原机作为原一般采用并励直流电动一般采用并励直流电动）调节原动机（实验室）调节原动机（实验室（Nnn 1。所所

34、对对应应的的并并测测取取每每一一点点的的到到零零，然然后后逐逐渐渐单单方方向向减减少少为为止止。直直至至由由零零逐逐渐渐单单方方向向增增加加。使使）调调节节励励磁磁回回路路电电阻阻（00)3 . 11 . 1(,2UIIUUIRffNff 作作为为电电机机设设计计的的依依据据。的的磁磁化化曲曲线线代代表表了了直直流流电电机机最最基基本本）（其其平平均均值值代代表表支支和和下下降降支支不不一一致致，取取）磁磁滞滞作作用用使使曲曲线线上上升升（时时，）由由于于剩剩磁磁所所在在，当当曲曲线线说说明明：（剩剩。.3.2010000feaffafIfUnCEUIfUIfUEEI 而而下下降降的的直直线线

35、。是是一一条条随随电电流流现现象象： IIfU)()(, :. 2IfUIInnfNfN 外外特特性性 UEIIURIEUafIIaaaa，电电枢枢反反应应为为去去磁磁作作用用不不变变，）磁磁路路上上：（）电电路路上上：原原因因：（21称称为为额额定定电电压压变变化化率率。额额定定电电压压，定定义义空空载载电电压压，设设%100 00NNNNUUUUUU )( , , . 3IfIconstUnnfN 调调节节特特性性效率特性效率特性. 4 PPPPPPPPPP21111211 ）一一般般在在（；当当；当当当当93%75%.002222NRIpIaacuaaPPP 随着随着I的增加，为了抵消电

36、枢反应的增加，为了抵消电枢反应的去磁作用需增加的去磁作用需增加If. .)( , , . 3IfIconstUnnfN 调调节节特特性性效率特性效率特性. 4并励：励磁绕组两端与电枢绕组两端并联，励磁电流并励：励磁绕组两端与电枢绕组两端并联，励磁电流取自发电机本身，不需要其他直流电源供电。取自发电机本身，不需要其他直流电源供电。二、并励直流发电机的自励过程及特性1.1.并励直流发电机电压建立的物理过程并励直流发电机电压建立的物理过程 faaffIfUEEIRU 0；磁磁路路上上：电电路路上上：才能实现稳定才能实现稳定的交点的交点线线达空载特性曲线与场阻达空载特性曲线与场阻到到）产生磁场加强剩磁

37、（产生磁场加强剩磁（励磁电流励磁电流供给起始供给起始感应感应过程：主磁极有剩磁过程：主磁极有剩磁剩剩电枢旋转电枢旋转剩剩POPIEE faa相相切切与与此此时时（临临界界场场阻阻）（直直线线）主主磁磁极极场场阻阻线线)(OP:OPfafkfffffIfERRRIRIU 2.2.建立电压的条件建立电压的条件 电压。电压。，即无交点，不能建立，即无交点，不能建立路断开时路断开时要有交点。如：励磁回要有交点。如：励磁回与与）（必须加强剩磁；必须加强剩磁；）初如）初如（）主磁极要有剩磁；）主磁极要有剩磁；（ fffffafRRIUIfEI3213.3.不能建立电压的原因和解决办法不能建立电压的原因和解

38、决办法磁磁；解解决决：加加直直流流重重新新充充如如：电电机机多多年年不不用用，剩剩0 aE停机查线。停机查线。断线断线不变；原因：励磁回路不变；原因：励磁回路）加强励磁后）加强励磁后（剩剩aE2两种方法不能同时用两种方法不能同时用注：注：调头）调头）改变原动机的转向（使改变原动机的转向（使组的两个头；组的两个头；相对联接，调换励磁绕相对联接，调换励磁绕改变电枢与励磁绕组的改变电枢与励磁绕组的刹磁，办法：刹磁，办法：，说明联接错误，出现，说明联接错误，出现）当加强励磁时）当加强励磁时（剩剩baEbEaa,. a1 fR减减小小场场阻阻太太大大增增大大转转速速转转速速太太低低原原因因：）稳稳定定点

39、点电电压压太太低低；（34.4.并励直流发电机的外特性并励直流发电机的外特性)(.,IfURRnnfNfN 研究：研究：（常数）（常数）条件：条件：拐弯拐弯）（）（特点：特点：NcpLLIIIIRUIR321 %)20(. c.b.1 UUEIURIaUafaa（以上他励也存在）（以上他励也存在）电枢反应去磁作用；电枢反应去磁作用；电压电压的原因：的原因：）引起）引起（分析：分析：他励他励并励并励fffafaaaaRIIIIIfErIEU ，关关系系：)(也也危危险险。较较大大，即即瞬瞬间间，磁磁场场不不等等于于考考虑虑过过渡渡过过程程：）不不能能马马上上为为线线圈圈有有电电感感环环火火，不不

40、允允许许。（励励磁磁，使使电电机机出出现现要要经经过过电电流流稳稳态态短短路路过过程程中中，电电流流仍仍然然有有危危险险：注注意意，突突然然短短路路过过程程中中不不大大。）稳稳态态短短路路电电流流（剩剩NkafNcpNaakkIEbIIIaIREII)128(I00U.0)32(.200 .b.3 IEUREIIUEIUIIUaaLaffafRfL，较较小小，磁磁路路不不饱饱和和，较较低低时时，第第二二趋趋势势：当当变变化化不不大大。磁磁路路饱饱和和较较大大较较高高时时，第第一一趋趋势势：当当的的原原因因，两两种种趋趋势势：）引引起起外外特特性性“拐拐弯弯”（若若5. 5. 并励直流发电机的调

41、节特性并励直流发电机的调节特性 由于并励直流发电机负载电流增大时电压下降较多，为维由于并励直流发电机负载电流增大时电压下降较多，为维持电压恒定所需增加的励磁电流也就较大，所以调节特性上翘持电压恒定所需增加的励磁电流也就较大，所以调节特性上翘程度超过他励，程度超过他励， 并励直流发电机的调节特性并励直流发电机的调节特性 他励他励 并励并励结论：并励不需要别的励磁电流用途更广一些。三、串励直流发电机的外特性 )()()(IfrrIEUIfIfEIIIrIfUnncfaafaafcfN 分分析析方方法法：；关关系系：为为串串励励电电阻阻，图图中中；研研究究：条条件件： UErrIIbUEIIIaUa

42、cfaaf)(.大大（磁磁路路饱饱和和）下下降降因因素素：负负载载电电流流小小（磁磁路路不不饱饱和和）上上升升因因素素：负负载载电电流流的的变变化化：结论：串励直流发电机的端电压随负载变化很大，不适于恒压系统。实用价值小，有时用于特殊线路中作升压机。积复励积复励= =并励并励+ +串励串励 平复励平复励在额定负载时，串励补偿了因负载引起的电在额定负载时，串励补偿了因负载引起的电压降压降 U U0 0= =满载电压满载电压 过复励过复励串场太强，使串场太强，使U U0 0 满载电压满载电压 欠复励欠复励串场太弱，使串场太弱，使U U0 0 满载电压满载电压差复励差复励= =并励并励串励，即：串励

43、起去磁作用，使端电压随串励，即：串励起去磁作用，使端电压随I I增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机四、复励直流发电机的外特性3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性).(n)()(T)(n,TfIfIfIfIIUUaaafNfN ，时：时：即即为例说明，研究为例说明，研究以他励以他励有相同的运行特性，故有相同的运行特性，故他励与并励直流电动机他励与并励直流电动机 得得：代代入入，将将aaaeaNfNfNIRUEnCEIIUU )()(. 1aIfn 转转速速特特性性aNeaNeICRCUn 一、他（并）励直流电动机的工作特性一、他（并）励直

44、流电动机的工作特性aNeaNeICRCUn 一、他（并）励直流电动机的工作特性一、他（并）励直流电动机的工作特性)(T. 2aIf 转转矩矩特特性性%1001%1001%1001%10020112 aaaaCuamecFeUIRIPUIPPPPPPP )(. 3aIf 效效率率特特性性aNTICT )%83(%100n0 NNnnn速速度度变变化化率率：额额定定负负载载时时效效率率最最高高近近在在电电机机设设计计中中，电电机机接接有有最最大大效效率率时时，可可变变不不变变时时，得得43.)()(00cuaappdId )(T. 2aIf 转转矩矩特特性性aNTICT %1001%1001%10

45、01%10020112 aaaaCuamecFeUIRIPUIPPPPPPP )(. 3aIf 效效率率特特性性)(T. 2aIf 转转矩矩特特性性aNTICT TnTCCRCUnTeae 02由电机的电路原理图可得机由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：械特性的表达式：0 n0nNnnTNT0T0n称为理想空载转速。称为理想空载转速。实际空载转速实际空载转速020TCCRCUnTeae )(. 4Tfn 机机械械特特性性（1 1）固有机械特性）固有机械特性当当 时的机械特性称为固有机械特性：时的机械特性称为固有机械特性：aNNRRUU ,TCCRCUnNTeaNeN2 由于电枢电阻很小，特

46、性曲由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。是硬特性。 当当T=TN时，时，n=nN，此点为电动，此点为电动机额定工作点，转速差机额定工作点，转速差nn=n=n0 0- -nN，为额定转速差。为额定转速差。 当当n=0时，即电动机起动时，电时，即电动机起动时，电磁转矩磁转矩T=Tst，称为起动转矩。，称为起动转矩。a.a.电枢串电阻时的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性 保持保持 不变不变,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为特性的人为特性NNUU ,SRTCCRRCUnNTeSaNeN2 SaRR 0nnaRT特点：特点：

47、1 1） 不变，不变， 变大；变大； 2 2） 越大，特性越软。越大，特性越软。0n（2 2）人为机械特性）人为机械特性当改变当改变 或或 或或 得到的机械特性称为人为机械特性。得到的机械特性称为人为机械特性。UaR 故电枢串电阻的人为机械特性是通故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性直线。过理想空载点的一簇放射性直线。b.b.降低电枢电压时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性 保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压 时的人为特性：时的人为特性：NaRR,UTCCRCUnNTeaNe2 1UNUU 101n0nnNUT特点：特点：1)1) 随随 变化变化, ,

48、 不变不变; ; 2) 2) 不同不同, ,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。0nUU 因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。是一组平行于固有机械特性的直线。c.c.减弱励磁磁通时的人为特性减弱励磁磁通时的人为特性 保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性：NaUURR ,fRTCCRCUnTeaeN2 01n11kT202n2kTNn0nTkTN 12特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大0n注：他（并）励直流电动机起动和运注：他（

49、并）励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。行过程中，绝不允许励磁回路断开。3.3.机械特性求取机械特性求取（1 1）固有特性的求取）固有特性的求取 已知已知 ，求两点求两点:1:1）理想空载点）理想空载点 和额定运行和额定运行 。), 0(0nnT ),(NNnnTT NNNNnIUP,具体步骤：具体步骤：1）估算）估算:aR2)3221(NNNNaIPIUR 2 2）计算）计算:NTNeCC 和和NeNTCC 55.93）计算理想空载点：）计算理想空载点：NeNCUnT 0, 04 4）计算额定工作点：）计算额定工作点：NNNTNnnICT ,NNNNenRIUCa （2 2）

50、人为特性的求取）人为特性的求取 在固有机械特性方程在固有机械特性方程 的基础上，根据人的基础上，根据人为特性所对应的参数为特性所对应的参数 或或 或或 变化，重新计算变化，重新计算 和和 ，然，然后得到人为机械特性方程式。后得到人为机械特性方程式。Tnn 0SRU 0n aaNLNaNNNNEInTTnnRrnAIVUkwP,82. 0. 4 ;. 3;. 2;. 1,0192. 0min,/1500,383,220,750时，时，固有固有求：求：忽略电刷压降。忽略电刷压降。忽略磁路饱和的影响，忽略磁路饱和的影响，例题：他励直流电动机例题：他励直流电动机 VnCEAICTCTCTIrTTnrn

51、nnCCRrCUnnRIU：CNeaNNTNNTNNTLaNLNNNTNeaNeNNaNNNe0 .21406.31482. 082. 082. 0min/6 .4282. 0. 4min/52. 31004. 0. 2min/1552. 114176. 000 解解aaNLNaNNNNEInTTnnRrnAIVUkwP,82. 0. 4 ;. 3;. 2;. 1,0192. 0min,/1500,383,220,750时，时，固有固有求：求：忽略电刷压降。忽略电刷压降。忽略磁路饱和的影响，忽略磁路饱和的影响，例题：他励直流电动机例题：他励直流电动机 aeaeeaaaafaafaaaICRCU

52、nnCEIRUIRRUIRIRUE -eaaeaafeaafeafffCRICUIIkCRIkCUnIkIk 不不饱饱和和时时：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).(n)()(T)(nTfIfIfIfUUIIIaaaNfa ，：研研究究同同，流流电电动动机机的的运运行行特特性性不不，串串励励与与他他（并并）励励直直 )(. 1aIfn 转转速速特特性性（直直线线）（不不变变）饱饱和和时时：aNeaNeNICRCUn （直直线线）饱饱和和时时：（抛抛物物线线）不不饱饱和和时时：aTaTafTaTICTICIkCICT 22)(.aIfT 转矩特性转矩特性串励电动机的效率特

53、性，和串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机相似。他（并）励电动机相似。)(. 3aIf 效效率率特特性性%100n410 NNnnn速速度度变变化化率率：串励直流电动机不能空载，否则“飞速”)(.aIfT 转矩特性转矩特性)(. 3aIf 效效率率特特性性)(.aIfT 转矩特性转矩特性（直直线线）饱饱和和时时：（抛抛物物线线）不不饱饱和和时时：aTaTafTaTICTICIkCICT 22%100n410 NNnnn速速度度变变化化率率：（双双曲曲线线）不不饱饱和和时时：2eaTeaTeaaeCRCTCUnICTCRICUn )(. 4Tfn 机机械械特特性性n特点特点：n1）起动转矩大

54、与过载能力强；起动转矩大与过载能力强；n2）恒功率特性，充分利用电动机和电源。）恒功率特性，充分利用电动机和电源。n3）牛马特性：适用于牵引，如电力机车、）牛马特性：适用于牵引，如电力机车、电车等一类牵引机械。电车等一类牵引机械。（直直线线）饱饱和和时时：aNTeaNeaTaNeaNeICCRCUnICTICRCUn2 复励直流电动机复励直流电动机 三、三、 复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接机的特性之间。如果并励

55、磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险险 ，复励电动机的转速特性如图所示。，复励电动机的转速特性如图所示。复励直流电动机的转速特性复励直流电动机的转速特性 并励并励复励复励串励串励20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20-+1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 NSNSn3.8 直流电机的换向和改善换向的方法直流电机的换向和改善换向的方法。作作换换向向周