第三章 直流电机原理

1、第3章 直流电机原理 第3章 直流电机原理 3.1.13.1.1直流电机的应用背景直流电机的应用背景 直流电机诞生至今已有180多年的历史了。和其他人类伟大的发明一样，直流电机也经历了漫长而艰苦的历程。1821年9月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机，如图3-1所示。1831年，法拉第发现了电磁感应现象之后不久，他又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机-法拉第圆盘发电机，如图3-2所示。1832年，斯特金发明了换向器，并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机，

2、如图3-3所示。后来又经过许多科学家长期改进演变，最终形成了现在美观实用的直流电机。有一种常被运用在玩具上的电机如图3-4所示。 第3章 直流电机原理 第3章 直流电机原理 随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展，直流电机得以迅速发展。在现代工业生产中，生产机械一般都用电动机拖动。随着现代化的发展，工业自动化水平不断提高，各种自动控制系统中也日益广泛地应用各种控制电机。为了提高生产率和保证产品质量，大量的生产机械要求直流电机以不同的速度工作。这就要求人们采用一定的方法来改变机组的转速，即对直流电机进行调速。对电机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广，过程平滑，调节的

3、方法要简单、经济。直流电机在上述方面都具有独到的优点，使它得到广泛的应用。 第3章 直流电机原理 直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械，按照用途可以分为直流电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机，如图3-5所示；将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，如图3-6所示。第3章 直流电机原理 直流电机的特点： 直流电动机与交流电动机相比，具有优良的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提

4、供无脉动的大功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制。 1.调速范围广，易于平滑调速。2.可实现频繁的无级快速启动、制动和反转3、过载转矩大。4.易于控制，可靠性较高。第3章 直流电机原理 3.1直流电机的应用背景及基本工作原理 但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。 直流电机的用途： 由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷

5、机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，图3-7所示是其应用的几种实例。第3章 直流电机原理 第3章 直流电机原理 3.1直流电机的应用背景及基本工作原理 3.1.2直流电机的基本工作原理(1)直流发电机工作原理 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。如图为直流发电机的物理模型。N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上（由换向片构成的圆柱体称为换向器）。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，根据

6、电磁感应定律可知，线圈的ab、cd两边因切割磁感应线而产生感应电动势。由右手定则可以判断出感应电动势的方向为 dcba，电刷A极性为正，电刷B极性为负。 一、直流发电机的基本工作原理一、直流发电机的基本工作原理 图图3-8 3-8 直流发电机工作原理直流发电机工作原理o根据电磁感应原理，当导线在稳定磁场中做切割磁力线的运动时，运动导体内电子受到洛伦兹力的的作用会在导线两端产生电势，电势方向遵循左手定则，这样产生的电势称为动生电动势。发电机就是根据这个原理来发电的。 一、直流发电机的基本工作原理一、直流发电机的基本工作原理 o直流发电机中，我们在线圈的端处，采用换向器跟电刷链接，因此换向之后虽然

7、内部线圈的电流方向发生改变，但是外部输出的电流方向没有发生改变，于是这就是我们所说的直流发电机。如果是交流就采用滑环。o单个线框感生的电势太弱，可用多圈的绕组代替单个线框，以产生较高的电势，电势为单框的n倍，n为圈数。图2是多圈的绕组与单个线框的对比图，在多圈的绕组外包有绝缘带。 一、直流发电机的基本工作原理一、直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理如下：直流发电机的工作原理如下：(1)原动机拖动转子（即电枢）以每分转原动机拖动转子（即电枢）以每分转n转动。转动。 (2)电机的固定主磁极建立磁场。电机的固定主磁极建立磁场。 (3)转子导体在磁场中运动，切割磁力线而感应交流电转子导体在磁

8、场中运动，切割磁力线而感应交流电动势，经电刷和换向器整流作用输出直流电势。动势，经电刷和换向器整流作用输出直流电势。 注意：注意：某一根转子导体的电势性质是交流电；而经某一根转子导体的电势性质是交流电；而经电刷输出的电动势却是直流电电刷输出的电动势却是直流电。直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到磁场力作用这直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到磁场力作用这一基本原理制成的一基本原理制成的二、直流电动机的基本工作原理二、直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 o 这是一个方形导线框，在线端头焊接两片半圆周的铜片，两片半圆周的铜片构成换向器，两个弹性铜片靠在换向器两侧

9、是电刷。二、直流电动机的基本工作原理二、直流电动机的基本工作原理 o 电源通过电刷向导线框供电，线框中就有电流通过 ，在线框两侧放一对磁极，磁极就会形成磁场，线框处在磁场中，当线框通有电流时，两侧导线就会受到磁场的作用力，方向依左手定则判断，图中导线上绿色小球表示流动的电流、绿色半透明箭头是导线受力方向，受到磁场的作用力的线框会旋转，当旋转90度后，换向器改变了线框电流的方向，于是导线框会连续旋转下去，这就是直流电动机的工作原理。 二、直流电动机的基本工作原理二、直流电动机的基本工作原理 二、直流电动机的工作原理示意图二、直流电动机的工作原理示意图直流电动机工作原理如下。直流电动机工作原理如下

10、。 (1)将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。有电流流过。 (2)电机主磁极建立磁场。电机主磁极建立磁场。 (3)载流的转子（即电枢）导体在磁场中将受到电磁载流的转子（即电枢）导体在磁场中将受到电磁力力f的作用。的作用。 (4)所有导体产生的电磁力作用于转子，形成电磁转所有导体产生的电磁力作用于转子，形成电磁转矩，驱使转子旋转，以拖动机械负载。矩，驱使转子旋转，以拖动机械负载。 直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到磁场力作直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到磁场力作用这一基本原理制成的用这一基本原理制成的三、直流电机的可逆原理三、

11、直流电机的可逆原理 一台直流电机原则上既能作电动机运行，也可以作发电机运行。将直流电源加于电刷，向电枢内输入电能，电机将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，电机作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，电机作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能做发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。第3章 直流电机原理 3.2.13.2.1直流电机的主要结构直流电机的主要结构 直流电动机结构主要由定子（静止部分）、转子（转动部分或称电枢）两大部分组成。定子与转子之间有间隙称为气隙。定子部分包括：主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端

12、盖和轴承等装置；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇和支架等部分。 直流电机的结构 直流电机的组成部件 1-端盖；2-电刷装置；3-换向器；4-电枢线圈；1-前端盖；2-风扇；3-机座； 4-电枢； 5-电枢铁芯；6-磁轭；7-主磁极； 5-电刷架；6-后端盖 8-励磁绕组；9-风扇；10-轴B。 B 1.1.2 1.1.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电机由定子与转子两大部分构成，通常把产生磁场的部分做成静止的，称为定子；把产生感应电势或电磁转矩的部分做成旋转的，称为转子（又叫电枢）。定子与转子间因有相对运动，故有一定的空气隙，一般小型电机的空气隙为0. 75 m

13、m，大型电机为510 mm。 第3章 直流电机原理 B。 B 第3章 直流电机原理 2.转子部分 转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、电机转轴、轴承和风扇等。 图3-15 电枢冲片形状 图3-16 换向器结构 1-齿；2-槽；3-轴向通风孔 1-V形套筒；2-云母片；3-换向片；4-联结片B。 B 直流电动机的基本结构o在前面直流电动机的原理中已对直流电动机的基本原理作了介绍，但在前面直流电动机的原理中已对直流电动机的基本原理作了介绍，但它距实际应用的直流电动机结构相差较大，下面介绍一台与真实直流它距

14、实际应用的直流电动机结构相差较大，下面介绍一台与真实直流电动机结构相近的原理模型。电动机结构相近的原理模型。 定子与转子 铁芯电机的定子主要用来产生磁场，该模型定子有一对磁极，由导磁良好的钢铁制成，磁极的的磁力由一个U型永久磁铁产生,浅蓝色箭头线表示磁场方向。o 电动机旋转部分是转子，在电机中起着机械能与电能之间转换的部件称为电枢，直流电机的电枢就是转子。转子安装在两个磁极之间。为减小两磁极间的磁阻，增强两磁极间的磁通密度，转子铁芯（电枢铁芯）由导磁良好的材料制作，在转子的圆周有多个线槽（此处为8个），用来嵌放转子的线圈。由于转子在旋转中通过的磁通方向是不停变化的，为防止涡流损耗，转子由硅钢片

15、叠成，每片表面涂有绝缘请漆。 直流电动机的基本结构o电枢铁芯的8个线槽里嵌有8个线圈，组成电枢绕组，为便于观察，采用一个单圈线框代表一个转子线圈，图4是一个线框。嵌在槽内的称为有效边，露在槽外的称为端部。 直流电动机的基本结构o 换向器有8个铜制换向片，排成圆筒形，换向片间留有缝隙，相互绝缘。把转子线圈的引出线按规律焊接在换向片上， 直流电动机的基本结构o 把嵌有绕组的转子插入两磁极之间，两个嵌有石墨块的电刷靠在换向器两侧。 直流电动机的基本结构o 在两电刷上接通电源，可在图上看到每个线槽中线框的电流方向，线框受磁场作用力，转子开始旋转，线框受力方向依左手定则判断。 直流电动机的基本结构直流电

16、动机的基本结构第3章 直流电机原理 B。 B第3章 直流电机原理 Z2系列：该系列为一般用途的小型直流电机系列。“Z”表示直流，“2”表示第二次改进设计。系列容量为0.4kW200kW，电动机电压为110V、220V，发电机电压为 1l5V、230V，属防护式。 ZF和ZD系列：这两个系列为一般用途的中型直流电机系列。“F”表示发电机，“D”表示电动机。系列容量为55kW1450kW。 ZZJ系列：该系列为起重、冶金用直流电机系列。电压有220V、440V两种。工作方式有连续、短时和断续三种。ZZJ系列电机启动快速，过载能力大。 此外，还有ZQ直流牵引电动机系列及用于易爆场合的ZA防爆安全型直

17、流电机系列等。 B。 B第3章 直流电机原理 电枢绕组是直流电机的主要电路，是实现机电能量转换的枢纽。设计电枢绕组要求：能通过规定的电流和产生足够大的电动势；尽可能节省有色金属和绝缘材料；保证换向良好。为满足这些要求，电枢绕组必须按照一定的规律连接。 直流电机电枢绕组为双层分布绕组，其连接方式有叠绕组和波绕组两种类型。叠绕组又分为单叠绕组和复叠绕组；波绕组又分为单波绕组和复波绕组；此外还有蛙型绕组，即叠绕组和波绕组混合绕组。B。 B第3章 直流电机原理 3.3.1 直流电机电枢绕组的基本知识 1.1.电枢绕组元件电枢绕组元件 绕组元件是指一个由一匝或多匝导线绕制成的、两端分别与换向片相连的线圈

18、，它是构成绕组的基本单元。一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一个槽的下层，因此一个槽里总有上、下层两个线圈边，称为双层绕组。 图3-17 电枢绕组元件在槽内的放置 1-上层元件边；2-端接部分； 3-下层元件边；4-末端；5-始端第3章 直流电机原理 B。 B 2u2.实槽和虚槽图3-18 时的槽内元件布置图 实槽是电枢铁芯上实际存在的槽。在许多电机中由于元件数较多，若在铁芯上开相同数目的槽是根困难的，甚至是不可能的，这时只有在每个槽的上、下层放置u个(u1)有效边，形成实槽与虚槽第3章 直流电机原理 B。 B 电枢绕组的特点，我们通常采用虚槽数、元件数、换向片数及各种节距来表征。每一个元件

19、有两个元件边，每一个换向片同时接有一个上元件边和一个下元件边，所以元件数S一定与换向片数K相等。每一个虚槽也包含上下层两个元件边，则虚槽数也与元件数想等，因此有：iZKS第3章 直流电机原理 B。 B3.绕组 绕组中，主要研究单叠绕组与单波绕组 （a）两匝的叠绕元件 （b）两匝的波绕元件第3章 直流电机原理 B。 B 名词、术语的概念1 1、磁极中心线：极轴线2 2、几何中心线：磁极之间的平分线3 3、极距 ：铁心表面一个磁极 所占的距离，槽数4 4、线圈：一匝5 5、元件：多匝第3章 直流电机原理 B。 B极距是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，换言之，对应于一个磁极在电枢外圆上所占

20、有的弧长称为极距。极距用一个主磁极所占有的虚槽数表示，即 名词、术语第3章 直流电机原理 B。 B名词、术语第一节距y1y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离第二节距y2y2：连至同一换向片上的两个元件中相邻有效边的距离合成节距y y：连至同一换向片上的两个元件对应边之间的距离换向器节距ykyk：同一元件首末端连接的换向片之间的距离第3章 直流电机原理 B。 B4.单叠绕组的特点 单叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组成褶叠式前进。单叠绕组是指合成节距=土1的叠绕组 单：首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度叠： 两个相邻的元件， 后一元件的端

21、部紧叠在前一元件的端部,合成节距=土1 槽数Z、元件数S 和换向片数K 三者相同第3章 直流电机原理 B。 B5单叠绕组的连接方法 例 已知电机的极数2p=4，实槽与虚槽数相同，且z=s=k=16，绕制一个单叠右行整距绕组。 解 基本过程分为三大步5小步(1)计算极距和节距第3章 直流电机原理 B。 B第一节距y1的选取原则：（1）y1必须是整数（2）为了输出电势最大，y1 1) 计算极距和节距第3章 直流电机原理 B。 B2)、画槽，编号，画绕组及换向片用y1画出一个元件，推而广之绕组端部对称绕组放置规则： 元件1： 上元件边在1槽， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层 元件2： 上元件边在

22、2槽， 下元件边放在相距y1=5即6槽下层。 以此类推第3章 直流电机原理 B。 B 画槽，编号，画绕组及换向片第3章 直流电机原理 B。 B 画槽，编号，画绕组及换向片第3章 直流电机原理 B。 B 画槽，编号，画绕组及换向片第3章 直流电机原理 B。 B 画槽，编号，画绕组及换向片第3章 直流电机原理 B。 B3)3)、安放磁极 对称分布，N、S 交替 宽度一般为0.7左右第3章 直流电机原理 B。 B4)4)、安放电刷，完成连线安放电刷，完成连线 电刷宽度略小于换向片宽度 单叠：电刷数= =磁极数 原则： - 引出来的电势最大（2，3，4） - 被电刷短路的元件电势最小（1，5）- -

23、端部对称时，电刷放在主极中心线下面的换向片上规律：第3章 直流电机原理 由于元件结构上的对称性，因此，无论是整距、短距或是长距元件，只要元件轴线与主极轴线重合，元件中的电动势便为零。而元件所接两片换向片间的中心线称为此时换向器上的几何中性线，如图。 （a）对称端接元件 （b）不对称端接元件 图3-24 电刷放置原则B。 B 第3章 直流电机原理 B。 B4)4)、安放电刷，完成连线第3章 直流电机原理 B。 B5)5)、绕组链接顺序表单叠绕组元件连接顺序图单叠绕组连接顺序图 绕电枢一周，所有原件串联构成一个闭合回路第3章 直流电机原理 B。 B5 5、画绕组电路图（并联支路图）单叠绕组电枢支路

24、图 特点：每个磁极下的元件组成一条支路第3章 直流电机原理 B。 B单叠绕组电枢支路图 第3章 直流电机原理 B。 B二、单叠绕组总结整个电枢绕组为一个闭合回路，无头无尾 - 感应电动势总和为零元件的两个出线端要连接于相邻两个换向片上并联支路数等于磁极数， 2a=2p;电刷数等于磁极数，每条支路由不相同的电刷引出电枢电压等于每一个支路的电压由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和 Ia = 2a ia第3章 直流电机原理 B。 Bl.l.单波绕组的特点单波绕组的特点三、单波绕组三、单波绕组 单波绕组示意围单波绕组示意围 单波绕组是指相串联的两个元件按波浪式推进，其换向节距接近二倍极距单波绕

25、组是指相串联的两个元件按波浪式推进，其换向节距接近二倍极距的绕组的绕组 第3章 直流电机原理 B。 B说明说明三、单波绕组三、单波绕组 为了使串联的元件的电势同向相加， 合成节距应当满足：第3章 直流电机原理 B。 B2.2.单波绕组的连接方法单波绕组的连接方法 例例 已知电机极数已知电机极数2p=42p=4，实槽与虚槽数相同，且，实槽与虚槽数相同，且z=s= =15z=s= =15，绕制单，绕制单渡左行绕组。渡左行绕组。 解 (1)计算有关节距。 根据左行绕组及节距公式，有第3章 直流电机原理 B。 B2.2.单波绕组的连接方法单波绕组的连接方法(2)(2)作绕组连接顺序图作绕组连接顺序图

26、单波绕组连接顺序图 第3章 直流电机原理 B。 B画单波绕组展开图 单波绕组的连接方法 单波绕组展开图 第3章 直流电机原理 第3章 直流电机原理 放置主磁极和电刷放置主磁极和电刷 主磁极的放法与单叠绕组的相同。确定出电枢的旋转方向后，再根据右手定则判定每根导体中的感应电动势方向。 电刷的放置原则也和单叠绕组的相同，即电刷的中心与主磁极的轴线重合。第3章 直流电机原理 绕组的并联支路绕组的并联支路 单渡绕组并联支路图 第3章 直流电机原理 单渡绕组并联支路图 第3章 直流电机原理 单波绕组同极性下各元件串联起来组成一条支路 - 支路对数a1，与磁极对数p 无关 电刷组数应等于极数 电枢电流与支

27、路电流的关系为： Ia = 2ia第3章 直流电机原理 总结：直流电机电枢绕组的要点 所有的直流电机的电枢绕组总是自动闭合的，无头无尾 电枢绕组的支路数（2a2a）永远是成对出现的 - 因为磁极(2p) 也是成对出现的 为了得到最大电势，电刷总是短接位于几何中心线上的元件第3章 直流电机原理 单叠绕组与单波绕组的区别 单叠绕组 先串联所有在同一极下的元件，形成一条支路 每增加一对主极就增加一对支路，总支路数为2a2p 并联支路数多， 每条支路中串联元件数少，适用于较低电压 较大电流的电机单波绕组 把全部相同极性下的元件相连，形成一条支路 整个绕组只有一对支路，总支路数为2a2 并联支路数少，

28、每条支路中串联元件数多，适用于较高电压 较小电流的电机第3章 直流电机原理 3.4.13.4.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 励磁绕组和电枢绕组之间的联结方式称为励磁方式。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四类，如图所示。 为电枢电压， 为励磁电压， 为电枢电流， 为励磁电流， 为主电源电流，正方向假定采用电动机惯例。 直流电机的励磁方式 （a）他励；（b）并励；（c）串励；（d）、（e）复励B。 BUfUaIfII 第3章 直流电机原理 B。 B 励磁绕组里有励磁电流，其它绕组无电流时的磁场情况。这种情况叫做电机的空载运行，又叫做无载运行。直流电机的空载磁场，即 时建立的

29、励磁磁场，也叫主磁场。 电机空载是指电枢 电流等于0 0或者很小，可以忽略不计 空载时直流电机内的磁场由励磁绕组的磁动势单独激磁空载时磁场分布0aI第3章 直流电机原理 B。 B 磁通分成主磁通和漏磁通 主磁通通过气隙 - - 交连定转子 - - 在电枢绕组中感应电动势 - - 或产生电磁转矩 漏磁通不通过气隙 - - 只交连定转子单方 - - 浪费磁势 - - 大约是主磁通的20%20%空载时磁场分布第3章 直流电机原理 B。 B一台四极直流电机空载时的磁场示意图 以四极电机为例，当励磁绕组流过励磁电流时，每极的励磁磁动势建立的空载磁场的分布如图：第3章 直流电机原理 B。 B00000m)

30、1 (k01k25. 115. 1k0fFfffNIF fN 主磁通与励磁磁动势的计算 每极主磁通记为 ，漏磁通记为 ，则通过每个主极铁心中的总磁通为： 式中， 称为主极漏磁系数，其大小与磁路结构即磁场分布情况有关，通常 。 设产生主磁通 的每极励磁磁动势为 ，当励磁绕组通过励磁电流时，有式中， 为每极主极上的励磁绕组匝数。 第3章 直流电机原理 根据安培环路定律求得磁动势为 为了简化计算，忽略铁心饱和，且假定铁心的磁导率远远大于气隙的磁导率 ，即不考虑铁心磁阻的影响，于是有B。 BjLjjmmaazz51f2222lHhHLHlHHlHFiii0f22HF Bf0FHB 因此，气隙磁密 为第

31、3章 直流电机原理 3.4.33.4.3直流电机空载气隙磁通密度的分布直流电机空载气隙磁通密度的分布 空载时的气隙磁通密度分布为一平顶波，如图为空载时直流电机气隙磁密分布。 气隙磁密波形气隙磁密波形 空载时，磁动势主要消耗 在气隙上。 忽略铁心磁阻时，气隙磁 密的分布就取决于气隙的 大小和形状。 B。 B空载时直流电机气隙磁密第3章 直流电机原理 B。 B3.4.4直流电机的空载磁化曲线 直流电机的磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线 ，如图3-31所示。这条曲线可由磁路计算方法求得。)(f0Ff 空载气隙磁通与空载励磁电流 的关系 为了合理地利用材料，一般额 定运行点设定在拐点（图

32、中A A点） 斜直线是气隙消耗的磁通势， 称气隙线。空载特性空载特性第3章 直流电机原理 3.4.53.4.5直流电机的负载磁场和电枢反应直流电机的负载磁场和电枢反应 直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主磁极磁场一起，在气隙中建立一个合成磁场。下面以两极电动机为例分析合成磁场分布情况。B。 B负载特点负载特点 负载后，电枢绕组中有电流，电枢磁势第3章 直流电机原理 B。 B负载时直流电机的磁场电刷在几何中性线上时第3章 直流电机原理 B。 B 图3-32 直流电动机气隙磁场分布示意图 （a）主磁极磁场；（b）电枢磁场；（c）合成磁场第

33、3章 直流电机原理 B。 B电枢磁动势 在气隙圆周方向空间分布是三角波电枢磁动势产生的气隙磁密 是对称的马鞍型 负载时直流电机的磁场第3章 直流电机原理 B。 B负载时直流电机的磁场第3章 直流电机原理 为电枢磁场产生的气隙磁密分布， 为空载气隙磁密分布， 为合成气隙磁密波形。 由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： （1）使气隙磁场发生畸变 （2）对主磁场起去磁作用 （3）使物理中性线逆着电枢转向移动一个a角。 (因为通过叠加，使磁场强度为零的地方前移。)B。 BaxBoxBxB第3章 直流电机原理 B。 B四、电枢反应 电枢反应：电枢磁场对主极磁场的影响说明： 电枢反应包括直轴电枢

34、反应和交轴电枢反应 电枢反应和电刷的位置有关当电刷在几何中性线上时，电枢反应的特点： 只有交轴电枢磁场 使气隙磁场发生畸变，物理中性线偏离几何中心线 不计磁饱和时，交轴电枢反应既无增磁也无去磁作用 饱和时交轴电枢反应有一定的去磁作用第3章 直流电机原理 B。 Bb 当电刷不在几何中性线上时 实际电机中，由于装配误差或其它原因，电刷难以恰好在几何中性线上。设电刷偏离几何中性线的电角度为 ，相当于在电枢表面移过弧长为的距离 ，如图3-35所示。 图3-35 电刷偏离几何中性线的电枢反应第3章 直流电机原理 3.5直流电机的电枢电动势与电磁转矩B。 BaN2NavBililBavvlBeiavav6

35、02npv3.5.13.5.1电枢电动势电枢电动势 电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组每个支路里的感应电动势。 电枢旋转时，就某一个元件来说，其感应电动势的大小和方向都在变化着。但是，各个支路所含元件数相等，各支路的电动势相等且方向不变。于是，可以先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均电动势，再乘上一个支路里总导体数 ( 为电枢绕组总导体数)， 一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为 ，则 一根导体的平均电动势为 线速度可以写成第3章 直流电机原理 B。 B602avnpenCnapNnpaNeaNEeava6

36、060222apNC60e可得导体平均感应电动势 的大小只与导体每秒所切割的总磁通量 有关，与气隙磁密的分布波形无关。于是当电刷放在几何中线上，电枢电动势为 式中 是一个常数，称电动势常数。avep2第3章 直流电机原理 B。 B3.5直流电机的电枢电动势与电磁转矩3.5.2 电磁转矩B。 BaavavilBfiaIa 根据载流导体在磁场里的受力原理，一根导体所受的平均电磁力为 式中 是导体里流过的电流； 是电枢总电流； 是支路对数。aIi2aa第3章 直流电机原理 B。 B3.5直流电机的电枢电动势与电磁转矩 设一根导体受的平均电磁力 乘电枢的半径 为转矩 ，即 总电磁转矩表示为 把 带入上

37、式得直流电机电磁转矩的一般公式为 式中 是一个常数，称为转矩常数。 avf2/D1T2av1DfT 22aavDNaIlBTiilBavaTa2ICIapNTapNC2T第3章 直流电机原理 3.6.13.6.1他励直流电动机的基本方程式他励直流电动机的基本方程式 直流电动机基本方程式可以根据能量守恒，导出电动机稳定运行时的功率、转矩和电压平衡方程式。它们是分析直流电动机各种特性的基础。他励直流电动机各物理量采用电动机惯例时的正方向如图3-36所示，各物理量采用电动机惯例时的正方向：如果 乘积为正，就是向电机送入电功率； 和 都为正，电磁转矩就是拖动性转矩，输出转矩 也为正。电机轴上带的是制动

38、性的阻转矩。B。 BaUIemTn2T 图3-36 电动机惯例第3章 直流电机原理 3.6直流电动机运行原理1.直流电动机的转矩方程式 电枢电动势 是反电势，与电枢电流 方向相反，直流电动机正常工作时，作用在轴上的转矩有三个：一个是电磁转矩 ，方向与转速 方向相同，为驱动性质转矩；一个是电动机空载损耗形成的转矩 ，与转速n方向相反；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩 ，一般为制动性质转矩， 在大小上也等于电动机的输出转矩 。稳态运行时，直流电动机中驱动性质的转矩总是等于制动性质的转矩，据此可得直流电动机的转矩方程式B。 BaEaIemTnoTLTLT2T02emTTT第3章 直流电机原理 2

39、.直流电动机的电动势平衡方程式 根据电路的基尔霍夫电压定律，可以写出电枢回路的电动势平衡方程式3.直流电动机的功率平衡关系 将上式两边都乘以 ，得到 改写成 把上式两边都乘以机械角速度 ，得 改写成B。 BaaaRIEUUE aaIa2aaaaRIIEUICuaem1PPPwTwTwT02em02emPPP第3章 直流电机原理 总损耗电动机的效率B。 BSPPPP0CuaPPP21第3章 直流电机原理 当 时， 的关系就称为转速特性。额定励磁电流 的定义是，当电动机电枢两端加额定电压 ，拖动额定负载，即 ，转速也为额定值 时的励磁电流。 他励电动机的转速特性公式为 图3-37 他励直流电动机的工作特性B。 BfNfN,IIUU)(aIfn fNINUNaaII NnaNeaNeNICRCUn 3.6.23.6.2他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的工作特性 1.转速特性第3章 直流电机原理 2.转矩特性 当 时， 的关系就称为转矩特性。 从电磁转矩表达式看出，当气隙每极磁通为额定值 时。电磁转矩 与电枢电流 成正比。如果考虑电枢反应有去磁效应，随着 的增大， 要略微减小，如图3