第05章-直流电机

1、-1-第第5 5章章 直流电机直流电机电机及拖动基础电机及拖动基础 -2- 直流电机是利用电磁感应原理实现直流电直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，是电能能和机械能相互转换的电磁装置，是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。和机械能相互转换的旋转电机之一。分类：分类： 直流电机分为直流电动机和直流发电机。直流电机分为直流电动机和直流发电机。 直流发电机：机械能直流发电机：机械能直流电能直流电能 直流电动机：直流电能直流电动机：直流电能机械能机械能引引 言言 第第5 5章章 直流电机直流电机 -3-直流电机直流电机-4-直流电机直流电机-5-直流牵引电机直流牵引电机-

2、6-永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机-7- 直流电动机的优点：直流电动机的优点：（1 1）调速范围广，易于平滑调速；）调速范围广，易于平滑调速；（2 2）启动、制动和过载转矩大；）启动、制动和过载转矩大；（3 3）易于控制，可靠性较高。）易于控制，可靠性较高。 直流电机的主要缺点直流电机的主要缺点: : 换向问题换向问题 直流电机用途：直流电机用途：限制了它的极限容量限制了它的极限容量又增加了维护工作量又增加了维护工作量 第第5 5章章 直流电机直流电机 -8- 直流电动机应用于直流电动机应用于对起动和调速性能要求较对起动和调速性能要求较高高的生产机械，例如电力机车、轧钢机、大的生产机械，

3、例如电力机车、轧钢机、大型机床、矿井卷扬机、船舶机械、造纸和纺型机床、矿井卷扬机、船舶机械、造纸和纺织机械等都广泛采用直流电动机作为原动机。织机械等都广泛采用直流电动机作为原动机。 直流发电机主要用作直流电源，为直流电动直流发电机主要用作直流电源，为直流电动机、电解、电镀等提供所需的直流电能。机、电解、电镀等提供所需的直流电能。第第5 5章章 直流电机直流电机 本章主要介绍直流电机的基本结构和工作原理、本章主要介绍直流电机的基本结构和工作原理、电枢绕组的基本结构和磁场，以及直流电动机的基电枢绕组的基本结构和磁场，以及直流电动机的基本方程和工作特性。本方程和工作特性。 -9-5.1 直流电机的基

4、本原理与结构直流电机的基本原理与结构5.1.1 直流电机的基本原理直流电机的基本原理 根据第根据第1章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化章的原型电机模型，可以画出两极直流电机的简化模型，如图模型，如图5-1所示。所示。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -10-直流电机模型直流电机模型-11- 1. 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 第第5 5章章 直流电机直流电机 基本原理：基本原理：电磁感应定律电磁感应定律产生电能要两个必要产生电能要两个必要条件：条件：有一个磁场存在；有一个磁场存在；导体在磁场中有运动导体在磁场中有运动磁极对磁极对N,S不动不动 线线圈（绕组）圈（绕组）a

5、bcd 旋旋转转 换向片换向片1，2旋转旋转 电刷及出线电刷及出线A,B不不动动-12- 2. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理第第5 5章章 直流电机直流电机 基本原理：基本原理：电磁力定律电磁力定律产生力矩两个必要条件：产生力矩两个必要条件：有一个磁场存在；导体中有一个磁场存在；导体中有电流有电流-13-第第5 5章章 直流电机直流电机 -14-5.1.2 直流电机的基本直流电机的基本结构结构 直流电动机和直直流电动机和直流发电机在主要结构流发电机在主要结构上基本相同，常用的上基本相同，常用的中小型直流电动机中小型直流电动机结结构如图构如图5-3所示。直流所示。直流电动机主要由定子

6、、电动机主要由定子、转子，电刷装置、端转子，电刷装置、端盖、轴承、通风冷却盖、轴承、通风冷却系 统 等 部 件 组 成 。系 统 等 部 件 组 成 。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -15-直流电机外部结构直流电机外部结构-16-直流电机内部结构直流电机内部结构-17-直流电机内部结构直流电机内部结构-18-直直流流电电机机结结构构-19- 1. 定子定子 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面结构示意图如图结构示意图如图5-4所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机所示。它的主要作用是产生主磁场和作电机的机械支架。的机械支架。

7、第第5 5章章 直流电机直流电机 -20-直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构-21-直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构-22-直流电机的定子内部结构直流电机的定子内部结构-23- 2. 转子转子 转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，如图和风扇等组成，如图5-5所示。它的作用是产生电磁转矩或感应所示。它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。电动势，实现机电能量的转换。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -24-直流电机的转子直流电机的转子-25-转子结构图-1-26-转子结构图-2-

8、27-直流电机的转子直流电机的转子-28- 3. 换向器和电刷换向器和电刷 换向器安装在转轴上，有许多梯形截面的换向片围换向器安装在转轴上，有许多梯形截面的换向片围叠组成一个圆柱体，相邻的换向片用云母片彼此绝缘。叠组成一个圆柱体，相邻的换向片用云母片彼此绝缘。 换向器的作用是将电枢绕组内的交流电动势用机械换向器的作用是将电枢绕组内的交流电动势用机械换接的方法转换成电刷间的直流电动势。换接的方法转换成电刷间的直流电动势。 换向片与电刷接触，换向片与电刷接触， 通过固定的电刷与转动的换向通过固定的电刷与转动的换向片之间的滑动接触，片之间的滑动接触， 使旋转的转子电路与静止的外电使旋转的转子电路与静

9、止的外电路相连接，把电流引入或引出。路相连接，把电流引入或引出。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -29-换向器原理图-30-换向器示意图-31-换向器换向器-32-电刷示意图-33-电刷结构图-34-感应电动势的换向原理：感应电动势的换向原理：第第5 5章章 直流电机直流电机 -35- 综上分析，可见直流电机通过换向器和电刷将电枢绕组内部综上分析，可见直流电机通过换向器和电刷将电枢绕组内部的交变电流转换为直流输出，其直流输出波形如图的交变电流转换为直流输出，其直流输出波形如图5-7所示。所示。换换向器的作用就像由二极管构成的静止整流器，将交流变换为直向器的作用就像由二极管构成的静止整流器，

10、将交流变换为直流，所不同的是这里采用了机械换向方法。流，所不同的是这里采用了机械换向方法。第第5 5章章 直流电机直流电机 -36-5.2 直流电机的电枢绕组和磁场直流电机的电枢绕组和磁场5.2.1 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现直流电机的电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能转换的核心部件。在实际的直流电机中，为增加电机的机电能转换的核心部件。在实际的直流电机中，为增加电机的感应电动势和电磁转矩其电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多感应电动势和电磁转矩其电枢表面均匀分布的槽内嵌放了许多线圈，线圈， 这些线圈按一定规律与换向器联接起

11、来，这些线圈按一定规律与换向器联接起来， 组成电枢绕组成电枢绕组。组。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -37- 电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图电枢绕组每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图5-8所示。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，所示。元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图5-9所示。所示。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -38- 按照元件首尾端与换向片联接规律的不同，电枢绕组可分为按照元件首尾端与换向片联接规律的不同，电枢绕组可分为叠绕组叠绕

12、组和和波绕组波绕组，叠绕组又有，叠绕组又有单叠单叠和和复叠复叠之分，波绕组也有之分，波绕组也有单波单波和和复波复波之分。之分。单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式单叠绕组是直流电机电枢绕组的基本形式。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -39-单叠绕组单叠绕组特点：特点：1）同一主磁极下的元件串联成一条支路， 主磁极数与支路数相同。主磁极数与支路数相同。2a=2p2）电刷数等于主磁极数。3）电枢电流等于各支路电流之和。 并联支路数 2a=2p，电枢电流：aaaiI2第第5 5章章 直流电机直流电机 l单叠绕组单叠绕组 是以相邻元件依次串联的连接规律练成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个

13、换向片上，最后形成一个闭合回路。-40-l波绕组：同一极性下得所以元件串联成一条支路，首末端相连的两个换向片相隔很远，两元件紧相串联后形似波浪。单波绕组单波绕组最大特点：支路对数恒为 1，与磁极对数无关！第第5 5章章 直流电机直流电机 aaiI2 电枢电流等于两倍支路电流-41-电枢绕组图-42-电枢绕组装配图-1-43-电枢绕组装配图-2-44-电枢绕组放置原理图-1-45-电枢绕组放置原理图-2-46-电枢绕组放置原理图-3-47-电枢绕组放置原理图-4-48-电枢绕组放置原理图-5-49-电枢绕组放置原理图-6-50-电枢绕组展开原理图-1-51-电枢绕组展开原理图-2-52-电枢绕组

14、展开原理图-3-53-电枢绕组展开原理图-4-54-5.2.2 直流电机的磁场直流电机的磁场 1. 空载磁场空载磁场 直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功直流电机空载是指电枢绕组电流为零或很小，电机几乎无功率输出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。率输出。空载磁场是由励磁绕组的励磁磁动势单独建立的磁场。第第5 5章章 直流电机直流电机 -55- 主磁通主磁通 0 的大小决定于励磁磁动势的大小决定于励磁磁动势Ff 、磁路各段几何尺寸和、磁路各段几何尺寸和选用的材料性质。在磁路尺寸和材料已定的情况下，选用的材料性质。在磁路尺寸和材料已定的情况下， 0 与与Ff 满足满

15、足图图5-12所示的所示的 0 = f（Ff ）关系曲线。若励磁绕组匝数一定，磁）关系曲线。若励磁绕组匝数一定，磁动势动势Ff 便与励磁电流便与励磁电流If 成正比，使成正比，使 0 = f（Ff ）= f（If ），称为），称为磁化曲线。磁化曲线。 磁化曲线表明，电机中磁磁化曲线表明，电机中磁通增大时，磁通与磁动势成线通增大时，磁通与磁动势成线性正比，但当磁通达到一定数性正比，但当磁通达到一定数值时，磁通增长缓慢，呈饱和值时，磁通增长缓慢，呈饱和趋势，随着磁动势继续增加，趋势，随着磁动势继续增加，磁通趋于平直。一般电机空载磁通趋于平直。一般电机空载时，电机的磁场处于磁化曲线时，电机的磁场处于

16、磁化曲线浅饱和区的浅饱和区的a点。点。第第5 5章章 直流电机直流电机 -56- 2. 电枢反应电枢反应 直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。 首先分析电枢磁场的单独分布。首先分析电枢磁场的单独分布。 由于电枢绕组中各支路电流由于电

17、枢绕组中各支路电流是经电刷与外电路连接的，是经电刷与外电路连接的， 电枢表面的磁场分布与电刷分布有电枢表面的磁场分布与电刷分布有关。电刷是电枢表面电流分布的分界线，如图关。电刷是电枢表面电流分布的分界线，如图5-13a所示，根据右所示，根据右手螺旋定则，其磁通分布和磁密分布曲线展开如图手螺旋定则，其磁通分布和磁密分布曲线展开如图5-13b所示。如所示。如电枢元件在电枢表面的分布是均匀的，电枢元件在电枢表面的分布是均匀的， 则电枢磁动势在主磁极中则电枢磁动势在主磁极中央为零，在两磁极的中间为最大。央为零，在两磁极的中间为最大。 两磁极中间的气隙磁阻大，使两磁极中间的气隙磁阻大，使磁通最大点出现在

18、主磁极两端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。磁通最大点出现在主磁极两端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。第第5 5章章 直流电机直流电机 -57-第第5 5章章 直流电机直流电机 -58- 直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -59-5.2.3 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 在直流电机中，由定子励磁

19、线圈通电所产生的主磁场称为励在直流电机中，由定子励磁线圈通电所产生的主磁场称为励磁磁场。不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按磁磁场。不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按励磁绕组的供电方式不同，可把直流电机分成下列四种：励磁绕组的供电方式不同，可把直流电机分成下列四种：第第5 5章章 直流电机直流电机 -60-5.3 电枢绕组感应电动势和电磁转矩电枢绕组感应电动势和电磁转矩 在直流电机运行时，电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感在直流电机运行时，电枢绕组在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，同时电枢绕组中有电流便会受电磁力的作用。下面讨应电动势，同时电枢绕组中有电流便会受电磁

20、力的作用。下面讨论感应电动势和电磁转矩的计算公式。论感应电动势和电磁转矩的计算公式。5.3.1 电枢绕组感应电动势电枢绕组感应电动势 电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生电枢绕组感应电动势是指直流电机电枢上正、负电刷间产生的感应电动势，如图的感应电动势，如图5-16所示，电刷间感应电动势波形如同一个所示，电刷间感应电动势波形如同一个交流正弦电压经过整流以后的波形，这说明直流电机电枢上产生交流正弦电压经过整流以后的波形，这说明直流电机电枢上产生的是交流电，经过电刷换向后才输出直流电。的是交流电，经过电刷换向后才输出直流电。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -61-这里，直流电机

21、运转时在电刷间产生的平均感应电动势为这里，直流电机运转时在电刷间产生的平均感应电动势为 由式（由式（3-3）电机产生的感应电动势为）电机产生的感应电动势为tNeeesinNttNEeeee0a2dsin1（5-1）由电枢转动的机械角速度由电枢转动的机械角速度 与感应电动势角频率与感应电动势角频率 e 的关系的关系 pen（5-2）n602（5-3）第第5 5章章 直流电机直流电机 -62- 式（式（5-1）表示的直流电机感应电动势可写成）表示的直流电机感应电动势可写成 由于电枢绕组的匝数由于电枢绕组的匝数N与电枢总有效边数与电枢总有效边数Z以及支路对数以及支路对数a的关系的关系为为 N = Z

22、/4a， （5-4）6042ppanNnNnEnaZnnaZnE606044ppa令令 为为电动势常数电动势常数，那么就得到直流电机的电枢电动势，那么就得到直流电机的电枢电动势计算公式计算公式aZnC60penCEea（5-5）第第5 5章章 直流电机直流电机 -63-5.3.2 电磁转矩电磁转矩 这里利用第这里利用第3章推导的一般电机电磁转矩方程式（章推导的一般电机电磁转矩方程式（3-18）来）来计算直流电机的电磁转矩。计算直流电机的电磁转矩。 从直流电机的基本结构可以看出，它是一种定子绕组为凸从直流电机的基本结构可以看出，它是一种定子绕组为凸极的电机，现假定其满足以下条件：极的电机，现假定

23、其满足以下条件： 1）可以忽略各种饱和与非线性。）可以忽略各种饱和与非线性。 2）电刷的位置在几何中心线上，即）电刷的位置在几何中心线上，即 r = 90 ，并忽略电刷，并忽略电刷宽度。宽度。 3）忽略磁动势的空间谐波。）忽略磁动势的空间谐波。 4）电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽。）电枢绕组均匀分布，节距相等，可忽略槽宽。第第5 5章章 直流电机直流电机 rrsr2pesin2FnT （5-6）-64-appaa82ianZnNIFrp2ap21a88FanZIIanZFa第第5 5章章 直流电机直流电机 如图如图5-1所示的直流电机，所示的直流电机， 在定子绕组中通以直流励磁电流在定

24、子绕组中通以直流励磁电流If ，产生恒定的磁通，产生恒定的磁通 ，这时，这时 sr = ，由电枢绕组产生的每极磁，由电枢绕组产生的每极磁动势动势Fa 波形如图波形如图5-17所示，其幅值为所示，其幅值为 -65-将上述各变量的关系代入式（将上述各变量的关系代入式（5-6），得），得令令 为为转矩常数转矩常数，则可得直流电机电磁转矩计算公式，则可得直流电机电磁转矩计算公式app2a2por2pe2290sin2IaZnanZInFnTaZnC2pTaTeICT （5-7） 另外，根据另外，根据比比-萨电磁力定律萨电磁力定律，计算直流电机电枢绕组元件边，计算直流电机电枢绕组元件边在磁场中的受力，也

25、可推导出与式（在磁场中的受力，也可推导出与式（5-7）同样的电磁转矩方程。）同样的电磁转矩方程。由式（由式（1-5）可求出一根导体在磁场中所受的平均电磁力为）可求出一根导体在磁场中所受的平均电磁力为 第第5 5章章 直流电机直流电机 -66-由电磁力与电磁转矩的关系，可得一根导体的电磁转矩为由电磁力与电磁转矩的关系，可得一根导体的电磁转矩为 （5-9）现假定电机的总有效导体数为现假定电机的总有效导体数为Z，则直流电机总的电磁转矩为，则直流电机总的电磁转矩为 第第5 5章章 直流电机直流电机 1cavavliBF（5-8）导体电流导体电流ic1 = Ia /2a 2ave1DFT电枢电枢直径直径

26、aavave1e42IBaZDlDZFZTTapape224IaZnIDlnaZDlTDlnB2pav-67-同样令同样令 为为转矩常数转矩常数，可得直流电机电磁转矩计算公式，可得直流电机电磁转矩计算公式aZnC2pTaTeICT （5-13） 可见，利用比可见，利用比-萨电磁力定律得到了与式（萨电磁力定律得到了与式（5-7）完全相同的直）完全相同的直流电机电磁转矩计算公式。流电机电磁转矩计算公式。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -68-5.4 直流电机的基本方程和工作特性直流电机的基本方程和工作特性 直流电机的运行情况可以用基本方程来研究。直流电机可直流电机的运行情况可以用基本方程来研究

27、。直流电机可为发电机运行和电动机运行。当直流电机由外动力拖动为发电机运行和电动机运行。当直流电机由外动力拖动,输入电输入电枢转轴机械能，电枢感应电动势，经电刷转换输出直流电能向枢转轴机械能，电枢感应电动势，经电刷转换输出直流电能向负载供电，电枢感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运负载供电，电枢感应电动势大于电枢端电压，电机作发电机运行。当直流电机施加直流电源电压，经电刷和换向器流入电枢行。当直流电机施加直流电源电压，经电刷和换向器流入电枢绕组，电枢受电磁转矩作用，在转轴输出机械能，同时电枢也绕组，电枢受电磁转矩作用，在转轴输出机械能，同时电枢也产生感应电动势，但数值小于电枢电压，则电机作电

28、动机运行。产生感应电动势，但数值小于电枢电压，则电机作电动机运行。本 节 给 出 直 流 电 机 稳 态 运 行 时 基 本 方 程 和 工 作 特 性 。本 节 给 出 直 流 电 机 稳 态 运 行 时 基 本 方 程 和 工 作 特 性 。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -69-5.4.1 直流电动机直流电动机 在列写直流电动机的基本方程之前，先规定相关物理量的在列写直流电动机的基本方程之前，先规定相关物理量的参考正方向，若各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，参考正方向，若各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，其值为正，反之为负。其值为正，反之为负。 第第5 5章章 直流电机直

29、流电机 -70- 1. 电压方程电压方程 按图按图5-18b所示的直流电动机等效电路，可以写出直流电动所示的直流电动机等效电路，可以写出直流电动机稳态电压方程的一般形式机稳态电压方程的一般形式 (1) 他励直流电动机他励直流电动机 他励式直流电机的励磁线圈采用单独他励式直流电机的励磁线圈采用单独直流电源供电，励磁电压直流电源供电，励磁电压Uf ，励磁回路的电阻，励磁回路的电阻Rf ，励磁回路励，励磁回路励磁电流为直流磁电流为直流 If ，式（，式（5-14）可写成）可写成 第第5 5章章 直流电机直流电机 fffIRU aaaaEIRU（5-14）（5-15）fffRUI （5-16）-71-

30、 考虑直流电机的电枢回路直流电源电压考虑直流电机的电枢回路直流电源电压Ua，电枢绕组的电，电枢绕组的电阻阻Rw ，正、负电刷的接触电压降为，正、负电刷的接触电压降为2Ub ，式（，式（5-15）成为）成为 aawabaaa2UER IUER I式中式中 Ra 包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻；包括电枢绕组和电刷压降的等效电阻； Ea 直流电机感应电动势直流电机感应电动势nCEea第第5 5章章 直流电机直流电机 （5-17）（5-18）-72- (2)并励直流电动机并励直流电动机 如图如图5-15b所示，电动机采用并励方式所示，电动机采用并励方式时，时， 励磁绕组与电枢回路并联，励磁绕组与电枢

31、回路并联， 共用一个电源，电枢回路的电共用一个电源，电枢回路的电压方程与他励时相同，并有压方程与他励时相同，并有 faUUUfaIII（5-19）（5-20） (3) 串励直流电动机串励直流电动机 如图如图5-15c所示，电动机采用串励方式所示，电动机采用串励方式时，励磁绕组与电枢回路串联，再与电源连接，此时时，励磁绕组与电枢回路串联，再与电源连接，此时（5-21）（5-22）faIIIfaUUU第第5 5章章 直流电机直流电机 -73- 2. 转矩方程转矩方程 直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态，直流电动机电枢外加电压后，工作在电动运行状态， 此时此时电枢产生电磁转矩电枢产生电磁转

32、矩Te ， 其方向如图其方向如图5-18所示，所示， 为逆时针转动，为逆时针转动，与电动机空载转矩与电动机空载转矩T0 和电动机的轴上负载转矩和电动机的轴上负载转矩TL 相反。相反。 当电机当电机稳态运行时，应有稳态运行时，应有Te与与T0、TL相平衡。这样，按图相平衡。这样，按图5-18中正方向中正方向的约定，可写出电动机的转矩方程的约定，可写出电动机的转矩方程0LeTTT（5-23） 3. 功率方程功率方程 励磁回路输入的电功率励磁回路输入的电功率 2fffffIRIUP（5-24）第第5 5章章 直流电机直流电机 -74-电枢回路输入的电功率电枢回路输入的电功率（5-25）式中式中 pC

33、ua = RaIa2 电枢回路的铜耗；电枢回路的铜耗； Pem =EaIa 电机的电磁功率，且有电机的电磁功率，且有（5-26）由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式由上式可得电动机电磁转矩的另一种计算公式Cuaem2aaaaaaaaaaapPIRIEIIREIUPeapapapaa22606060TIaZnIaZnnIZnIEnPnPPTemememe55. 960/2（5-27）第第5 5章章 直流电机直流电机 -75- 由此可见，电枢的电磁功率用于克服电枢轴上的机械负载转由此可见，电枢的电磁功率用于克服电枢轴上的机械负载转矩，实现机电能量的转换。在转矩平衡方程（矩，实现机电能量的转换。

34、在转矩平衡方程（5-23）两边乘以转）两边乘以转速速 ，可得，可得 0LeTTT0LempPP（5-28）式中式中 PL 电机的机械负载功率；电机的机械负载功率； p0 电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗电机的空载损耗，包括机械摩擦损耗pmec 和和 铁心损耗铁心损耗pFe 。 上式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。他励直上式说明，电磁功率转换成空载损耗和机械能输出。他励直流电动机电动运行时的功率关系如图流电动机电动运行时的功率关系如图5-19所示。所示。第第5 5章章 直流电机直流电机 -76-此时，电动机的输入电功率此时，电动机的输入电功率pPPppppPppPPP22addmFeC

35、uemCuaCufaf1第第5 5章章 直流电机直流电机 （5-29）-77-式中，式中，P2 电动机的输出功率，并有电动机的输出功率，并有P2=PL；padd 电动机的附加损耗，是未被包括在铜耗、铁耗电动机的附加损耗，是未被包括在铜耗、铁耗 和机械损耗之内的其他损耗；和机械损耗之内的其他损耗； p 电动机的总损耗，并有电动机的总损耗，并有由此，电动机的效率为由此，电动机的效率为add02aa2ffaddmFeCuaCufppIRIRpppppp（5-30）pPpPP2121（5-31）第第5 5章章 直流电机直流电机 例例5-1-78- 如果忽略电枢反应，如果忽略电枢反应， 当当Ia 增加时

36、，转速增加时，转速n下降，形成转速降下降，形成转速降 n，如图，如图5-20中中曲线曲线1 所示。所示。 若考虑电枢反应的去磁效应，磁通若考虑电枢反应的去磁效应，磁通下降可能引起转速的上升，与下降可能引起转速的上升，与Ia 增大引起的转速降相抵消，使电增大引起的转速降相抵消，使电动机的转速变化很小。实际运行中为保证电动机稳定运行，一般动机的转速变化很小。实际运行中为保证电动机稳定运行，一般使电动机的转速随电流使电动机的转速随电流Ia 的增加而下降。转速降一般为额定转速的增加而下降。转速降一般为额定转速的的38%，呈基本恒速状态。，呈基本恒速状态。 4. 工作特性工作特性 (1) 转速特性转速特

37、性 是指当是指当Ua=UN ，If =IfN 时，时，n = f（I a）的关系）的关系曲线。由感应电动势公式和电压方程可得曲线。由感应电动势公式和电压方程可得aeaeaeaaaeaICRCUCRIUCEn（5-32）第第5 5章章 直流电机直流电机 -79- (2) 转矩特性转矩特性 是指当是指当Ua=UN ，I f=I fN时，时，Te = f（I a）的关系）的关系曲线。由转矩特性公式曲线。由转矩特性公式Te = CT Ia 可知，在磁通为额定值时，电可知，在磁通为额定值时，电磁转矩与电枢电流成正比。若考虑电枢反应的去磁效应，转矩随磁转矩与电枢电流成正比。若考虑电枢反应的去磁效应，转矩随

38、电枢电流的增加而略微下垂，如图电枢电流的增加而略微下垂，如图5-20中中曲线曲线2所示。所示。 (3) 效率特性效率特性 是指是指Ua =UN ，I f =I fN 时，时， = f（I a）的关系）的关系曲线。由式（曲线。由式（5-30）可见，电动机的损耗中仅电枢回路的铜耗与）可见，电动机的损耗中仅电枢回路的铜耗与电流电流Ia成平方正比关系，其他部分与电枢电流无关。电动机的效成平方正比关系，其他部分与电枢电流无关。电动机的效率随率随Ia 增大而上升，当增大而上升，当Ia 大到一定值后，效率又逐渐下降，如图大到一定值后，效率又逐渐下降，如图5-20中中曲线曲线3所示。一般直流电动机的效率在所示

39、。一般直流电动机的效率在0.750.94之间。之间。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -80-第第5 5章章 直流电机直流电机 -81- 直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。一旦励磁电流断开。一旦励磁电流 If = 0， 则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若此时电动机负载较轻，电动机的转速将迅速上升，造成通，若此时电动机负载较轻，电动机的转速将迅速上升，造成“飞飞车车”；若电动机的负载为重载，则电动机的电磁转矩将小于；若电动机的负载为重载，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩，负载转矩， 使电

40、机转速减小，但电枢电流将飞速增大，使电机转速减小，但电枢电流将飞速增大， 超过电动超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。 因此，因此，在闭合电动机电枢电路前应先闭合励磁电路，保证电动机可靠运在闭合电动机电枢电路前应先闭合励磁电路，保证电动机可靠运行。行。 第第5 5章章 直流电机直流电机 例例5-2-82-5.4.2 直流发电机直流发电机 直流发电机各物理量的参考正方向选定如图直流发电机各物理量的参考正方向选定如图5-21a所示。所示。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -83- 1. 电压方程电压方程 他励式直流发电机

41、由外动力拖动按图他励式直流发电机由外动力拖动按图5-21a 所示逆时针旋转，所示逆时针旋转，产生感应电动势产生感应电动势Ea ，并且，并且Ea Ua，使电枢电流，使电枢电流Ia反向，此时电枢反向，此时电枢回路的电压方程为回路的电压方程为 他励式直流发电机的励磁线圈采用单独电源供电，其回路方他励式直流发电机的励磁线圈采用单独电源供电，其回路方程如式（程如式（5-16），即），即aaaaIRUE（5-34）nCEeafffRUI 第第5 5章章 直流电机直流电机 -84-faUUUfaIII（5-35）（5-36） 如果发电机采用并励方式，励磁绕组与电枢回路并联，由图如果发电机采用并励方式，励磁绕

42、组与电枢回路并联，由图5-22所示的电流方向，电枢回路的电压方程与他励时相同，但电所示的电流方向，电枢回路的电压方程与他励时相同，但电流方程有所不同，即流方程有所不同，即 第第5 5章章 直流电机直流电机 -85- 2. 转矩方程转矩方程 直流发电机的电枢在外动力转矩直流发电机的电枢在外动力转矩Tm的拖动下逆时针旋转，工的拖动下逆时针旋转，工作在发电状态时，与反方向的空载转矩作在发电状态时，与反方向的空载转矩T0 和电磁转矩和电磁转矩Te 平衡。这平衡。这样，按图样，按图5-21中正方向的约定，中正方向的约定， 可写出发电机状态的转矩平衡方可写出发电机状态的转矩平衡方程程0emTTT（5-37

43、） 3. 功率方程功率方程 对于直流发电机，输入的机械功率为对于直流发电机，输入的机械功率为0em0emm1)(pPTTTPP（5-38）因电磁功率因电磁功率Cua22aaaaaempPIRUIIEP（5-39）第第5 5章章 直流电机直流电机 -86-（5-40）epppPpPPFmCua20em1 上式说明，他励直流发电机将输入的原动机的机械功率转换上式说明，他励直流发电机将输入的原动机的机械功率转换成电能输出和内部的热能损耗。其功率关系如图成电能输出和内部的热能损耗。其功率关系如图5-23所示，可见所示，可见机械能转换成电能的变换过程。机械能转换成电能的变换过程。第第5 5章章 直流电机

44、直流电机 -87- 由此可得，直流发电机的效率为由此可得，直流发电机的效率为（5-41）pPpPP2121式中式中 p 直流发电机的总损耗，对于他励直流发电机直流发电机的总损耗，对于他励直流发电机addCuaFemppppp（5-42）第第5 5章章 直流电机直流电机 对于并励直流发对于并励直流发电机，还应加上电机，还应加上励磁损耗励磁损耗p pCufCuf 。-88- 4. 工作特性工作特性 (1) 空载特性空载特性 是指当发电机不带负载是指当发电机不带负载Ia=0，U = Ea时，时，E0 = Ea = f（If）的关系曲线。这里分两种情况讨论：）的关系曲线。这里分两种情况讨论： 1) 对

45、于他励直流发电机对于他励直流发电机由感应电动势公式由感应电动势公式 ，且且n恒定不变，因此恒定不变，因此 ，由图由图5-12给出的给出的 0 = f（If）磁化曲线可得到的磁化曲线可得到的Ea = f（If）的的 关系，即他励直流发电机关系，即他励直流发电机的空载特性与其空载磁化曲线的空载特性与其空载磁化曲线是相似的，如图是相似的，如图5-24所示。所示。nCEeaE a第第5 5章章 直流电机直流电机 -89- 2) 并励和复励直流发电机空载特性并励和复励直流发电机空载特性 其励磁电流要靠发电机自身提供的电压产生，其励磁电流要靠发电机自身提供的电压产生， 而而发电机电压的产生则需要有励磁电流

46、才行。由此可见，发电机电压的产生则需要有励磁电流才行。由此可见，并励和复励直流发电机在起始阶段需要有一个自我励并励和复励直流发电机在起始阶段需要有一个自我励磁并建立电压的过程，这称之为自励过程，并励和复磁并建立电压的过程，这称之为自励过程，并励和复励直流发电机空载电压建立的过程如图励直流发电机空载电压建立的过程如图5-25所示。所示。第第5 5章章 直流电机直流电机 -90- 原动机拖动发电机以恒定转速原动机拖动发电机以恒定转速n 旋转时，由于主磁极存在剩磁，电旋转时，由于主磁极存在剩磁，电枢绕组切割剩磁磁通会产生较小的枢绕组切割剩磁磁通会产生较小的感应电动势感应电动势Eod，Eod 在励磁回

47、路中在励磁回路中产生励磁电流产生励磁电流If1 ；如果极性正确，；如果极性正确，将在磁路中产生与剩磁方向相同的将在磁路中产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感磁通，使主磁路中磁通增加，使感应电动势增大为应电动势增大为E1，E1又使励磁电又使励磁电流增大为流增大为If2 ；如此循环，使得感应；如此循环，使得感应电动势和励磁电流不断增加，最终电动势和励磁电流不断增加，最终建立起发电机的空载电动势。建立起发电机的空载电动势。第第5 5章章 直流电机直流电机 2) 并励和复励直流发电机空载特性并励和复励直流发电机空载特性-91- 必须指出，自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件的：必须指

48、出，自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件的：一是一是 电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；二是二是 励磁绕组的极性必须正确，励磁绕组的极性必须正确，也就是励磁绕组与电枢并联时接也就是励磁绕组与电枢并联时接线要正确；线要正确；三是励磁回路的电阻三是励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率不能太大，即其伏安特性的斜率U/If 不能太陡不能太陡（如斜线（如斜线1），）， 否否则如果伏安特性的斜率太陡，与则如果伏安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无交发电机空载特性交点很低或无交点（见斜线点（见斜线2），）， 就无法建立空就无法建立空载电压。载

49、电压。总之，自励发电机的运总之，自励发电机的运行首先要在空载阶段建立电压，行首先要在空载阶段建立电压，然后才能带负载运行。然后才能带负载运行。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -92- (2) 外特性外特性 是指当励磁电流保持不变，改变外部负载时，其是指当励磁电流保持不变，改变外部负载时，其输出电压与负载电流的关系，即输出电压与负载电流的关系，即U=f（Ia）。他励直流发电机的外）。他励直流发电机的外特性如图特性如图5-26a中曲线中曲线1所示，随着电流的增大，其输出电压下降。所示，随着电流的增大，其输出电压下降。这是因为：这是因为： 随着发电机的负载增加，其电枢反应的去磁效应增强，使每极随

50、着发电机的负载增加，其电枢反应的去磁效应增强，使每极磁通量减小，导致电枢电动势下降。磁通量减小，导致电枢电动势下降。 电枢回路电阻上的电压将随着电流上升而增大，使发电机的输电枢回路电阻上的电压将随着电流上升而增大，使发电机的输出电压下降。出电压下降。实际上，他励直流发电机的负载电流从零变化到额定值时，其输实际上，他励直流发电机的负载电流从零变化到额定值时，其输出电压下降不大，接近于一个恒压源。对于并励直流发电机，因出电压下降不大，接近于一个恒压源。对于并励直流发电机，因还要向励磁回路供电，其外特性要更软一些。还要向励磁回路供电，其外特性要更软一些。 第第5 5章章 直流电机直流电机 -93-

51、(3) 调节特性调节特性 当外接负载变化时，为了保持发电机的输出电当外接负载变化时，为了保持发电机的输出电压压U不变，可调节励磁电流不变，可调节励磁电流If 。例如：对于负载电流增大引起的电。例如：对于负载电流增大引起的电压下降，可通过增加励磁电流，加大磁通量，从而使电枢电动势压下降，可通过增加励磁电流，加大磁通量，从而使电枢电动势增大，以抵消负载电流在电枢回路的电压降，达到维持发电机电增大，以抵消负载电流在电枢回路的电压降，达到维持发电机电压恒定的目的。他励直流发电机调节特性压恒定的目的。他励直流发电机调节特性 If =f（Ia）如图）如图5-26a中中曲线曲线2所示。所示。第第5 5章章

52、直流电机直流电机 -94- (4) 效率特性效率特性 他励直流发电机带负载运行时，损耗中仅电枢他励直流发电机带负载运行时，损耗中仅电枢回路的铜耗与电流回路的铜耗与电流 Ia 的平方成正比，称为的平方成正比，称为可变损耗可变损耗；其他部分损；其他部分损耗与耗与Ia无关，称为无关，称为 不变损耗不变损耗。)/(N2PPf第第5 5章章 直流电机直流电机 例例5-3负载较小时，负载较小时，Ia 也较小，此时发电也较小，此时发电机的损耗以不变损耗为主，但因输机的损耗以不变损耗为主，但因输出功率小而效率低；随负载增加，出功率小而效率低；随负载增加，P2增大而效率上升，增大而效率上升，当可变损耗与当可变损耗与不变损耗相等时效率达到最大值不变损耗相等时效率达到最大值；此后，若继续增加负载，可变损耗此后，若继续增加负载，可变损耗将随将随Ia增大而成为损耗的主要部分，