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Chapter 3 DC Machines目录n3.1 直流电机的用途及基本工作原理n3.2 直流电机的主要机构与型号n3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性n3.4 直流电机的电枢绕组n3.5 电枢电动势与电磁转矩n3.6 直流发电机n3.7 直流电动机的运行原理n3.8 他励直流电动机的机械特性n3.9 串励和复励直流电动机n3.10 直流电机换向本章教学基本要求：本章教学基本要求：n1.了解直流电机主要结构，注意换向器和电了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷的作用；刷的作用；n2.熟悉直流发电机和电动机基本工作原理，熟悉直流发电机和

2、电动机基本工作原理，熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这熟悉电枢反应，理解感应电势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解它们的计算方法；解它们的计算方法；n3.掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平掌握直流电机的运行原理，电势、转矩平衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的衡方程式，以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；工作特性；n4.了解直流电机的换向。了解直流电机的换向。重点和难点重点和难点n重点：重点： 直流电机的基本平衡方程式和直流电机的基本平衡方程式和工作特性。工作特性。n难点：难点： 电枢反应。电枢反应。本次课程教学要求本次课程教学

3、要求n了解直流电机基本结构n熟悉直流电机的额定值n掌握直流电机基本工作原理3.1 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n直流电机（dc machines）是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。n把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机(dc generators )。n把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机(dc motor )。3.1.1 直流电机的用途直流电机的用途n直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。小。n直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流

4、电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。易于控制，可靠性高。易于控制，可靠性高。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。3.1.1 直流电机的用途（续）直流电机的用途（续）优缺点：优缺点：3.1.1 直流电机的用途（续）直流电机的用途（续）作电源用作电源用-直流发电机直流发电机将机械能转化为直流电能；将机械能转化为直流电能；作动力用作动力用-直流电动机直流电动机将直流电能转化为机械能；将直流电能转化为机械能； 信号传递信号传递-直流测速发电机直流测速发电机将机械信号转换为电信号将机械信号转换为电信号 做励磁机用做

5、励磁机用 信号传递信号传递-直流伺服电动机直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号将控制信号转换为机械信号 3.1.2 基本工作原理基本工作原理3.1.2 基本工作原理（续）基本工作原理（续）直流电动机3.2 直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号3.2.1 直流电机的主要结构直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承3.2.2 电机的铭牌数据n为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额

6、工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如图所示。定值），该标牌称为铭牌，如图所示。直流电机铭牌直流电动机型 号 Z272 产品编号 7001结构类型 _ 励磁方式 他励功 率 22kW 励磁电压 220V电 压 220V 工作方式 连续电 流 116.3A 绝缘等级 B级转 速 1500r/min 重 量 _kg标准编号 JB1104-68 出厂日期 _年_月3.2.2 电机的铭牌数据续 额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户

7、进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。 额定功率 PN 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 W 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN 额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为量纲单位。额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为量纲单位。 额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min

8、为量纲单位。额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁电流值。 NNNNNNNNNnPnPnPPT955055. 96022或n 例题例题3-1kWPPNN1619 . 01451AUPINNN4 .630230101453解已知一台直流发电机，PN=145kW，UN=230V，nN=1450r/min，N=0.9，求发电机的输入功率P1，INn 例题例题3-2kWPPNN8 .1779 . 01601AUPINN1 .808220108 .17731解解已知一台直流电动机，已知一台直流电动机，PN=160kW，UN=220V，nN=1500r/min，N=0.9，求电动机的输入，求电动机的

9、输入功率功率P1，IN、T2NmNnPTNNN7 .101815001609550955023.2.3 国产直流电机的主要系列产品国产直流电机的主要系列产品nZ2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。nZ和和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动是直流电动机系列；机系列；ZF是直流发电机系列。是直流发电机系列。nZZJ系列是专供起重冶金工业用的专用直流电动机。系列是专供起重冶金工业用的专用直流电动机。nZT系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速系列是用于恒功

10、率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。直流电动机。nZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。引电动机。nZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。nZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。系列是用于龙门刨床的直流电动机。nZA系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。nZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。3.3 直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空直

11、流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性载磁化特性n直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，这时电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。机的磁场由励磁电流单独建立。3.3.1直流电机的磁路直流电机的磁路n主磁极主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。其中绝交替分布，故磁场的分布是对称的。其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，大部

12、分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通主磁通，记，记作：作：0，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。主磁通通过的磁路称电磁转矩，是工作磁通。主磁通通过的磁路称主磁路主磁路，主，主磁路中气隙较小，故磁阻较小磁路中气隙较小，故磁阻较小n还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称称漏磁通漏磁通，记作：，记作：，漏磁通不穿过电枢表面，不参加，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，

13、不是工作磁通。漏磁通通过的磁路称机电能量转换，不是工作磁通。漏磁通通过的磁路称漏磁漏磁路路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁，漏磁路中空气隙较大，磁阻大。所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的通小得多，约占主磁通的20%左右。左右。3.3.2 空载时气隙磁密的分布波形空载时气隙磁密的分布波形mfmmmamtmfRRRRRF22222fffFNI22磁管中包围总电流：由磁路欧姆定律得磁管中的磁通为：为分析方便仅考虑气隙的磁阻，则有mfmfRFRF22imlR0ifmflFRF00fixFlB 空载时气隙磁密的分布波形（续）空载时气隙磁密的分布波形（续）n主磁极下的气隙小，而且均匀

14、，气隙磁密分布均匀；在主主磁极下的气隙小，而且均匀，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分界线上，磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线。主磁通情况主磁通情况3.3.3 空载磁化特性空载磁化特性n电机的磁化曲线是指电机主磁电机的磁化曲线是指电机主磁通通与励磁磁势的关系曲线，与励磁

15、磁势的关系曲线，即即=（Ff） 。当励磁绕组的。当励磁绕组的匝数匝数N一定时，改变励磁电流一定时，改变励磁电流If就可改变磁势，磁化曲线也就可改变磁势，磁化曲线也可用可用=（If） 表示。电机的表示。电机的磁化曲线可通过实验或电机磁磁化曲线可通过实验或电机磁路计算得到。图中曲线路计算得到。图中曲线1是电是电机磁化曲线，曲线机磁化曲线，曲线2是气隙线，是气隙线，它表示气隙中所消耗的磁势，它表示气隙中所消耗的磁势，由于空气中的由于空气中的0为常数，故气为常数，故气隙线是线性的。隙线是线性的。曲线特点曲线特点n电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小较小时，铁磁

16、材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲线离开气）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。隙线弯曲呈非线性。分析分析n磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般饱和，所以，为了更有效经济

17、地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。饱和系数饱和系数n电机的饱和程度可以用饱和系数表示。他电机的饱和程度可以用饱和系数表示。他是指主磁是指主磁通为额定磁通通为额定磁通N时，励磁磁势时，励磁磁势Ff与气隙磁势与气隙磁势F 的比值，即的比值，即abacFFkfnk 的大小对电机的运行性能有很大的影响，的大小对电机的运行性能有很大的影响，一般电机中的一般电机中的k =1.111.353.3.4 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式n直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式

18、微直流电机外，直流电机的磁场都方式。除永磁式微直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。n1、他励、他励n励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关。n2、并励、并励n励磁绕组与电枢绕组并联。励磁绕组与电枢绕组并联。n3、串励、串励n励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。n4、复励、复励图3-12 直流电机的励磁方式励磁方式励磁方式复励复励n主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联主磁极

19、上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称积复励积复励；若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称差复励差复励。实际应用中常用积复励。实际应用中常用积复励。积复励与差复励示意图积复励与差复励示意图3.4 3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组直流电机实现机电能量转换必须直流电机实现机电能量转换必须具备的东西是什么呢？具备的东西是什么呢？由原理结构图： 线圈磁场=（电枢）绕组（电枢）绕组目录电枢绕组由多个绕组

20、元件(线圈)按一定的规律连接起来的。元件的个数用S表示单匝：元件边仅有一根导体多匝：元件边有多根导体。匝数用Ny表示首端、尾端：同一元件的首端尾端接在不同的换向片上，不同的元件通过换向片连起来。换向片数K=S有效边：在槽内能切割气隙磁场产生电动势的部分；端部：其余部分。一元件边占了半槽，槽数S=K一个槽的上层往往并列嵌入几个元件的元件边，如右图。虚槽：把一个上层元件边和一个下层元件边看成一个虚槽，虚槽数用u表示KSuZZeeyyZNuZNz223.4.1 单单叠绕组叠绕组n1、节距、节距长距短距整距整数0002D21ppZye选择y1的依据：尽量让元件的感应电动势最大，即y1接近或等于节距对单

21、叠绕组（左上为右行绕组）有：yyyyyK12 1以一台以一台 的直流电机为例。的直流电机为例。24,p 1kyy把电枢绕组单独提取出来，画在一张图里，表示槽里各元件在电路的连接情况16KSZe441621pZye31412yyy151612345678910111213141615Step1：画16根等长等距的实线和虚线，实线代表槽的上层元件边，虚线代表下层边，它们靠的很近，实际代表一个虚槽，然后编号151612345678910111213141615Step2：放磁极。每个磁极的宽度大约0.7，均匀放在各槽之上，然后标上极性SSNSNStep3：画换向片。画16个小方快，并标上号码。为连出

22、形状对称的元件，换向片编号与槽号有一定的对应关系151612345678910111213141615SSNSN12345678910 11121314161514151612345678910111213141615SSNSN12345678910 11121314161514Step4：连接绕组(右行绕组)，校核y2=3Step4：连接绕组，校核y2=3151612345678910111213141615SSNSN12345678910 1112131416151412315161234567891011121314161545678910 11121314161514电枢转向SSNSN

23、Step5：确定元件里导体感应电动势的方向12315161234567891011121314161545678910 11 12 13 14161514电枢转向SSNSNA1A2B1B2B2Step6：放电刷。电刷组数（刷杆数目）等于主极个数，宽度等于换向片宽度。原则是正负电刷间感应电动势最大，或所短路的元件感应电动势最小。23478610111214161551391A1A2B1B212109561314下下层层元元件件边边上上层层元元件件边边y1yyy212345678910111213141615678910111213141615123451闭闭合合ap单叠绕组特点单叠绕组特点n同一

24、磁极下的各元件串联起来组成同一磁极下的各元件串联起来组成一个支路，即支路对数一个支路，即支路对数a等于极对数等于极对数p；n当几何元件对称，电刷位置对准主当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的中心线时，正负电刷间感应电磁极的中心线时，正负电刷间感应电动势最大，被电刷短路的元件感应电动势最大，被电刷短路的元件感应电动势最小；动势最小；n刷杆数等于极数刷杆数等于极数pKyKpyKK11Kyy 12yyy确定y1与叠绕组一样确定y与yk，原则是使相串联的元件感应电动势方向相同，在空间位置相距约2；当沿圆周方向绕了一周后，经过p个串联的元件后，末尾换向片pyk必须落在换向片1的相邻位置，才能继续往下连确

25、定y2正负号的选择先满足yk为整数，一般取负号（左行绕组）以一台以一台 的直流电机为例。的直流电机为例。24,p 7kyy21743yyy115 172kKyp15KSZe44141521pZye121213141512345678910111312345678910 1112 131514电枢转向NSSN14121213141512345678910111312345678910 1112 131514电枢转向NSSN141212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN1412121314151234567891011131234

26、56789101112 131514电枢转向NSSN141212131415123456789101113123456789101112 131514电枢转向NSSN14A2B1B2234761011121415A1A2B1B21158954139128151a 下层元件边下层元件边上层元件边上层元件边y1yyy212345689101112136789101112131415123451闭合闭合15714单波绕组的特点单波绕组的特点n单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延

27、伸。浪向前延伸。n支路对数支路对数a等于等于1，与极对数，与极对数p无关，即无关，即a=1；n当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的当几何元件对称，电刷位置对准主磁极的中心线时，正负电刷间感应电动势最大，被中心线时，正负电刷间感应电动势最大，被电刷短路的元件感应电动势最小；电刷短路的元件感应电动势最小；n为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数等于极对数p。单叠、单波绕组的应用场合单叠、单波绕组的应用场合n单叠单叠-较低电压较大电流的电机较低电压较大电流的电机n单波单波-较高电压较小电流的电机较高电压较小电流的电机返回3.5 电枢电动势和电磁转矩电枢电

28、动势和电磁转矩3.5.1 电枢电动势电枢电动势指一对正负电刷之间的感应电动势，记作指一对正负电刷之间的感应电动势，记作Ea。思路：电枢旋转时，元件的感应电动势的大小和方向都在变化；但各支路元件数相等，电动势和方向不变。可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，再乘上支路的总导体数，便得到电枢电势。目录n设设z为电枢绕组的总导体数，为电枢绕组的总导体数，a为并联支为并联支路对数，路对数，Bav为一个磁极内的平均磁密，为一个磁极内的平均磁密，l为导体的有效长度，为导体的有效长度，v为导体切割磁场为导体切割磁场的速度，则电枢电势为：的速度，则电枢电势为：lvBazEava2nCe式中

29、式中 称为电势常数，它是与电机结构有称为电势常数，它是与电机结构有关的参数关的参数nCe6022npllaznapz60说明说明n电势表达式电势表达式Ea=CennEan，改变，改变或或n的大小，可使的大小，可使Ea大小发生变化，当磁通大小发生变化，当磁通单位为单位为Wb，转速转速n单位为单位为r/min，则电枢电势，则电枢电势Ea单单位为位为V；nEa方向取决于方向取决于和和n的方向，改变的方向，改变的方向（即改变励磁电流的方向（即改变励磁电流If的方向），的方向），就可改变就可改变Ea的方向。的方向。 例题3-34 .12160372260apzCe已知一台直流发电机，10kW，4极，28

30、50r/min，单波绕组，z=372。当Ea=250V时，求气隙每极磁通解WbnCEea4107 .7028504 .122503.5.2 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩n直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。设体在磁场中受力所形成的转矩的总和。设D为电枢直径，为电枢直径，z为电枢总导体数，为电枢总导体数，fav每根导体每根导体平均所受的力，则电磁转矩为：平均所受的力，则电磁转矩为：zDfTav2zDliBaav2nCt称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。atIC aIapz2zpaIlla222说明说明从电磁

31、转矩表达式从电磁转矩表达式T=CtIa可见：可见：nT Ia，改变，改变或或Ia的大小，可使的大小，可使T大小大小发生变化，当磁通发生变化，当磁通单位为单位为Wb，电枢电流，电枢电流Ia单位为单位为A，则电磁转矩，则电磁转矩T单位为单位为Nm；nT方向取决于方向取决于和和Ia的方向，改变的方向，改变的方的方向（即改变励磁电流向（即改变励磁电流If的方向），就可改变的方向），就可改变T的方向。的方向。电势常数与转矩常数之间的关系式：电势常数与转矩常数之间的关系式：n所以有：所以有：Ct=9.55Ce55. 9260602azpazpCCet例题3-42 .591218622apzCtAUPINN

32、N331915. 0330101003已知一台直流电动机，100kW，4极，330V，730r/min，N=0.915，单波绕组，z=186，=6.9810-2Wb。求TN解mNICTNtN7 62 .5923.5.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应n当电机带负载后，电枢绕组流过电当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁势。从上面分析可流，出现电枢磁势。从上面分析可知：电枢磁势对主磁极产生的磁场知：电枢磁势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。我们把电枢磁势产生一定的影响。我们把电枢磁势对励磁磁势产生

33、的影响称为对励磁磁势产生的影响称为电枢反电枢反应应。1.电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时的电枢反应电刷位于几何中性线时电枢反应表现为：电刷位于几何中性线时电枢反应表现为：（1）使气隙磁场发生畸变）使气隙磁场发生畸变（2）使物理中性线偏移）使物理中性线偏移（3）当磁路饱和时有去磁作用）当磁路饱和时有去磁作用（1）使气隙磁场发生畸变）使气隙磁场发生畸变 设电枢旋转时先进入磁设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。电枢磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生畸变，反应使气隙磁场发生畸变，对发电机而

34、言是前极尖磁对发电机而言是前极尖磁场被削弱，后极尖磁场被场被削弱，后极尖磁场被加强；对电动机而言是前加强；对电动机而言是前极尖磁场被加强，后极尖极尖磁场被加强，后极尖磁场被削弱。磁场被削弱。（2）使物理中性线偏移）使物理中性线偏移n我们把气隙中各点磁通我们把气隙中各点磁通密度为零的点的连线称密度为零的点的连线称为物理中性线。直流电为物理中性线。直流电机空载时，几何中性线机空载时，几何中性线与物理中性线重合。负与物理中性线重合。负载时，物理中性线偏离载时，物理中性线偏离几何中性线几何中性线角，对发角，对发电机而言是顺转向偏离电机而言是顺转向偏离角；对电动机而言是角；对电动机而言是逆转向偏离逆转向

35、偏离角。角。（3）当磁路饱和时有去）当磁路饱和时有去磁作用磁作用n磁路未饱和时，气隙里磁路未饱和时，气隙里的磁通密度由励磁磁密的磁通密度由励磁磁密与电枢磁密叠加得到。与电枢磁密叠加得到。磁路饱和时，要利用磁磁路饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化曲线线，显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和进入饱和点后具有饱和性，使负载时的气隙磁性，使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱。场比空载时的磁场要弱。2.电刷偏离几何中性线时的电枢反应电刷偏离几何中性线时的电枢反应n由于装配或换相的需要等原因，有时电刷会偏离由于装配或换相的需要等

36、原因，有时电刷会偏离几何中性线。从上面分析得到，当电刷位于几何几何中性线。从上面分析得到，当电刷位于几何中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势，而电中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势，而电刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离转方向偏离角，产生的电枢磁势为角，产生的电枢磁势为Fa，将，将Fa分解分解成交轴电枢磁势成交轴电枢磁势Faq和直轴电枢磁势和直轴电枢磁势Fad，交轴电，交轴电枢磁势枢磁势Faq对主磁场的影响与上面分析的电刷位于对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而直轴电枢磁几何中性线的电枢反应情况一样，而

37、直轴电枢磁势势Fad与主磁极轴线重合，方向相反，故有去磁作与主磁极轴线重合，方向相反，故有去磁作用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离角时，角时，产生的直轴电枢磁势产生的直轴电枢磁势Fad有助磁作用。有助磁作用。电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴去磁和直轴助磁电动机交轴去磁和直轴助磁交轴和直轴去磁返回3.6 直流发电机直流发电机n直流发电机是将原动机输入的机械能转变直流发电机是将原动机输入的机械能转变为直流电能的电气设备，即有：机械能为直流电能的电气设备，即有：机械能直流电能。直流电能。n3.6.1直流发电机稳态运行的基本方程式直流发电机稳态

38、运行的基本方程式n 直流发电机的基本方程式与励磁方式有直流发电机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流发电机为例，介绍其基本下面以他励直流发电机为例，介绍其基本方程式。方程式。n1.电压方程式电压方程式n我们以发电机惯例，规定直流发电机各物我们以发电机惯例，规定直流发电机各物理量正方向如图所示。理量正方向如图所示。目录n他励直流发电机惯例他励直流发电机惯例他励直流发电机惯例n电枢回路方程为：电枢回路方程为：Ea=U+IaRa式中式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。触

39、电阻和电枢绕组内阻。n励磁回路方程为：励磁回路方程为：Uf=IfRf式中式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。路外串电阻和励磁绕组内阻。n从发电机电压基本方程式可见：电枢电从发电机电压基本方程式可见：电枢电势势Ea必须大于电枢端电压必须大于电枢端电压U，这也是判断，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。电机是否处于发电运行状态的依据。2.转矩方程式转矩方程式n式中：式中：T1为原动机的拖动转矩，为原动机的拖动转矩，T为发为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，动转矩，T0为空载转矩，它是由电机为空载

40、转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。的机械摩擦和铁损引起的转矩。n发电机的转向由原动机决定，发电机的转向由原动机决定，T1T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。机的阻力矩。01TTTatICTaaaRIUEfffRUI01TTTafIIf,nCEea共六个方程:3.6.2 功率关系功率关系0101TTTTTTCuaaaaaapPRIUIIE22aaaRIUE输给负载的电功率总铜损FemMMppPpPP01电磁功率空载损耗机械损耗铁损：包含磁滞和涡流。与磁密大小及交变频率有关究竟传到哪呢？aaaaMIEnIapznIapzTP606022无补偿绕

41、组的按额定功率的1%估算，有补偿的按0.5%估算效率效率pPpPpPPP211121CufsCuaFemCufppppppp若是他励，不包含效率与容量有关。10KW以下，为7585%；10100KW，8590%；1001000KW，8893%例题例题3-5n一台并励直流发电机数据为：一台并励直流发电机数据为：PN=20kW，UN=230V，nN=1500r/min，电枢绕组总电，电枢绕组总电阻阻Ra=0.156，并励绕组内阻，并励绕组内阻Rf=73.3，pFe+pm=1kW，附加损耗，附加损耗ps=0.01PN，试求额，试求额定负载时，各绕组的铜损、电磁功率、输定负载时，各绕组的铜损、电磁功率

42、、输入功率和效率。入功率和效率。)(14. 33 .77230ARUIfNf)(96.8623010203AUPINNN解n一台并励直流发电机数据为：一台并励直流发电机数据为：PN=20kW，UN=230V，nN=1500r/min，电枢绕组总电阻，电枢绕组总电阻Ra=0.156，并励绕组内阻，并励绕组内阻Rf=73.3，pFe+pm=1kW，附加损耗，附加损耗ps=0.01PN，试求额定负载，试求额定负载时，各绕组的铜损、电磁功率、输入功率和效率。时，各绕组的铜损、电磁功率、输入功率和效率。)( 1 .9014. 396.86AIIIfNakWppPPCufCuaM989.21723. 02

43、66. 1202WRIpaaCua1266156. 01 .9022WRIpffCuf7233 .7314. 322n一台并励直流发电机数据为：一台并励直流发电机数据为：PN=20kW，UN=230V，nN=1500r/min，电枢绕组总电阻，电枢绕组总电阻Ra=0.156，并励绕组内阻，并励绕组内阻Rf=73.3，pFe+pm=1kW，附加损耗，附加损耗ps=0.01PN，试求额定负载，试求额定负载时，各绕组的铜损、电磁功率、输入功率和效率。时，各绕组的铜损、电磁功率、输入功率和效率。%25PpWppppppsFemCufCua31892000001.

44、 010007231266WpPP2318931892000021电机的可逆原理电机的可逆原理 直流电机的运行是可逆的，同一台电机直流电机的运行是可逆的，同一台电机既可在一定条件下作发电机运行，又可在另既可在一定条件下作发电机运行，又可在另一条件下作电动机运行，如在原动机的拖动一条件下作电动机运行，如在原动机的拖动下，可作为发电机，将输入的机械能转变为下，可作为发电机，将输入的机械能转变为电能；如在电枢两端输入直流电能，可作为电能；如在电枢两端输入直流电能，可作为电动机，将输入的电能转变为机械能。电动机，将输入的电能转变为机械能。 3.7 直流电机运行原理直流电机运行原理dtdJTT0来不及变

45、化nT, 01但已成为电动机了还要降低当带上负载拖动性质不再当.,.,0nTnTT000aeaIUnCE从电网吸能由于0,0aaIUEnT他励（并励）直流电动机惯例3.7.1 他励直流电动机稳态运行的基本方程式他励直流电动机稳态运行的基本方程式从可逆原理分析,发电机作电动运行时,电流、输入功率、输出功率、电磁功率都反向。计算不方便，为此重新规定正方向。atICTaaaRIEUfffRUILTTTT02afIIf,nCEea共六个方程:3.7.2 他励直流电动机的功率关系他励直流电动机的功率关系图3.24 他励直流电动机功率流程图pPp21sFemCuasCuapppppppp0n 例题例题3-

46、64 .12160372260apzCeVnCEea6 .2041500011. 04 .12解因此为电动状态,2206 .204UEa已知一台4极他励直流电机，单波绕组，总导体数z=372，Ra=0.208。U=220V， n=1500r/min ，=0.011Wb，pFe=362W，pm=204W，忽略ps。发电还是电动状态？T=？P1=？及=？AREUIaaa74208. 06 .204220mNICTae38.9674011. 04 .1255. 955. 9解已知一台4极他励直流电机，单波绕组，总导体数z=372，Ra=0.208。U=220V， n=1500r/min ，=0.01

47、1Wb，pFe=362W，pm=204W，忽略ps。发电还是电动状态？T=？P1=？及=？WUIPa16280742201%5 .89162801705111PpWppRIpmFeaa1705204362208. 07422n 例题例题3-7mNnPTNNN6 .18335009600055. 955. 92AIIIfNNa2505255 VRIUEaaa5 .420078. 0250440解已知一台并励直流电动机，PN=96kW，Ra=0.078。UN=440V，IN=255A，IfN=5A， nN=500r/min ，忽略电枢反应的影响。额定输出转矩额定电流时的电磁转矩WIEPaaM105

48、1252505 .420mNnPTNMN89.2007500125.105955095503.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性n直流电动机直流电动机工作特性是指工作特性是指在在U=UN，If=IfN，电枢回路不外串电阻的条件下，电枢回路不外串电阻的条件下，转速转速n、转矩、转矩T、效率、效率与输出功率与输出功率P2之之间的关系曲线。实际运行中，电枢电间的关系曲线。实际运行中，电枢电流流Ia是随是随P2增大而增大，又便于测量，增大而增大，又便于测量，故也可把转速故也可把转速n、转矩、转矩T、效率、效率与电枢与电枢电流电流Ia之间的关系曲线称为工作特性。之间的关系曲线称为工作特性。

49、1.转速特性转速特性n转速特性是指转速特性是指当当U=UN，If=IfN，电，电枢回路外串电阻枢回路外串电阻R=0时，时，n=(Ia)关系。关系。n根据电势方程式根据电势方程式Ea=Cen和电压和电压方程式方程式U=Ea+IaRa可得可得： aeaaeaeNICRnICRCUn0转速特性曲线2.转矩特性转矩特性n转矩特性是指当转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电，电枢回路外串电阻枢回路外串电阻R=0时，时，T=(Ia)关系。关系。n根据转矩公式根据转矩公式T=CTIa，忽略电枢，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直反应，转矩特性是一条过原点的直线。线。转矩特性曲线3.效率特性效率特性n效

50、率特性是指当效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回，电枢回路外串电阻路外串电阻R=0时，时，=(Ia)关系。关系。aIUpPP112aasFemcuaRIpppppp20不变损耗可变损耗效率特性曲线3.8 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性n 是指电动机加上一定的电压是指电动机加上一定的电压U和一定的和一定的励磁电流时，励磁电流时，转速与转矩之间的关系，即转速与转矩之间的关系，即n=(T)。nnTnCCTRRCUCIRRCUnteaeeaae0023.8.1 机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式理想理想空载空载转速转速机械机械特性特性斜率斜率转速转速降落降落3.8.2

51、固有固有机械特性机械特性n他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压压U=UN，气隙磁通，气隙磁通=N，电枢外串电阻，电枢外串电阻R=0时，时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为：的机械特性，其数学表达式为：NNNteaNeNnnTnTCCRCUn002n 例题例题3-8841. 0500078. 0250440NaNNNenRIUC0115. 0841. 055. 9078. 055. 9 2222NeaNteaCRCCRmin/2 .523841. 04400rCUnNeN解已知一台他励直流电动机，PN=96kW，Ra=0.078。UN=440V，IN=250A，nN=500r/min ，忽略电枢反应的影响。求理想空载转速固有机械特性的斜率n 例题例题3-9139. 015001 . 0115220NaNNNenRIUCmin/7 .8215007 .15820rnnnNNmin